深部巷道失稳的突变理论分析

在考虑围岩力学指标弱化的基础上,运用突变理论探讨了深部巷道失稳破坏的机理;基于势能原理,建立了尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深部巷道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中承载区和松动区的刚度比有关;围岩力学指标弱化程度越高,松动区范围越大,系统失稳的可能性就越大。结合工程实例进行分析,分析结果与实际经验一致,可为预防深部巷道失稳破坏、采取合理措施提供参考依据。     

新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析

针对新城金矿滕家矿区深部巷道围岩进行现场工程地质调查、岩石力学实验，分别应用RMR、Q和GSI方法对巷道围岩进行岩体质量分级，确定其围岩体质量等级为III级，岩体质量差~一般。以岩体质量分级为基础，应用Hoek-brown准则和经验公式估算岩体力学参数。应用弹塑性力学解析巷道围岩塑性区破坏范围，并以此为基础应用Phase2对巷道围岩稳定性进行分析。结果表明：巷道顶板塑性破坏范围为0.598 m，两帮塑性破坏范围分别为0.84 m和0.695 m；巷道顶板位移为7.2 mm，两帮位移分别为7.6 mm和6.8 mm；从巷道围岩应力分析可以看出，深部巷道开挖产生的应力集中超过岩体强度，由此判断深部巷道围岩破坏主要是开挖扰动应力作用在节理化岩体上致使巷道围岩失稳破坏，本研究结果对该矿深部巷道围岩支护提供依据。     

会泽深部高应力巷道分类支护技术体系研究

针对会泽矿业矿山厂深部巷道支护复杂性难题,开展了深部巷道失稳模式分析、深部巷道几何信息和地质力学信息聚类分析和不同巷道围岩变形力学机制分析,得出了深部巷道围岩的6种主要失稳模式、3种主要巷道支护类别和3种巷道围岩变形力学机制。基于深部高应力巷道支护涉及的多重因素的综合分析,提出了覆盖地层岩组、主要巷道类型、围岩等级、松动圈厚度、破坏形式、巷道走向与σ1关系和对应支护方案的矿山厂深部巷道分类支护技术体系,该巷道分类支护技术体系对于矿山厂深部巷道支护具有重要的指导作用。     

深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论

与浅部相比,深部巷道特别是千米深井采动巷道,地应力高、采动影响强烈,导致巷道围岩变形大、持续时间长、破坏严重,目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。为此,采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法,从应力强度比出发,并考虑偏应力和梯度应力,提出了采动系数的概念;从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大变形的概念,探讨了其科学内涵,并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法;在此基础上,基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征,初步提出了深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容;基本问题包括深井采动巷道围岩应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载区围岩剪切滑动,且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力,扩容与推力导致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发,揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与破坏机理。     

地应力特征对矩形巷道围岩松动区变形的影响研究

利用离散元数值分析方法,对矩形巷道在不同水平应力条件下围岩松动区应力分布及其变形破坏特征进行了分析研究。分析结果表明,侧压系数越大对围岩松动区深度及变形影响越大,并且侧压系数在较小值范围变化时,对松动区的影响明显小于侧压系数在较大值范围变化时的影响程度。变形量随着围岩深度的增加呈现非线性减小趋势,进一步证实围岩松动区变形量的大小主要体现在承载体与载荷体组成的平衡结构,变形主要产生在该平衡结构失衡与再平衡的形成过程。该研究对揭示巷道围岩的失稳机理以及矩形巷道支护方案的确定具有一定的借鉴作用。     

考虑非线性脆性损伤和中间主应力影响的圆形巷道围岩分析

针对岩石的脆性破坏特征及峰后力学性能的劣化损伤,引入非线性脆性损伤本构模型,得到三维连续损伤演化方程。将圆形巷道围岩划分为松动破裂区、脆性损伤区、弹性区,考虑中间主应力的作用,采用统一强度准则和连续损伤力学方法,对巷道围岩力学状态进行极限平衡分析,推导出围岩损伤破裂半径及应力场分布的解析表达式。通过算例,分析了中间主应力、围岩脆性特征和损伤程度对理论解的影响。分析表明:中间主应力作用越大,围岩的损伤破裂半径越小,切向应力峰值距离巷道越近;脆性强弱对围岩应力分布的影响只局限在脆性损伤区内,围岩的脆性越强,损伤破裂半径越大,脆性损伤区内的切向应力随深度的增大而增大;围岩的残余强度越小,松动破裂程度越大,损伤破裂半径越大,切向应力峰值向围岩深部转移。     

深部厚煤层回采巷道围岩破坏机制及支护优化

为了研究深部厚煤层回采巷道围岩破坏机制及支护对策,基于地质条件分析,采用钻孔窥视仪和地质雷达探测了巷道围岩的破坏模式及规律,通过模拟研究得到围岩的破坏机制,针对性的提出了锚网带与预应力锚索梁耦合让均压的优化支护方案和参数。结果表明:围岩由表面向内部破坏程度依次减弱,形成3~4个破裂区,前2个破裂区为松动圈。松动圈分布在煤层和底板泥岩中,其中顶部围岩松动圈平均深度3 m,易产生离层。煤层越厚巷道越易失稳,其破坏机制是顶板锚杆处在破碎区,产生锚固端滑脱或整体冒落。通过现场支护试验,验证了优化支护方案和参数,有效地控制了厚煤层回采巷道稳定性。     

应力控制法维护巷道的数值模拟研究

从岩石的全应力－应变曲线出发，建立了描述围岩变形破坏的弹塑性本构方程。应用编制的有限元程序计算分析了应力控制法维护巷道的机制，考察了弱化带布置方式和弱化带有关参数对巷道维护效果的影响。计算结果表明，局部弱化围岩后，巷道应力集中区转向围岩深部，稳定性大大提高；弱化带的布置方式及参数必须根据巷道围岩条件及所处的应力环境分析确定。本程序曾用于淮北芦岭６００ｍ软岩巷道爆破卸压试验的数值分析，所得结果与井下实测结果吻合。     

深部矿井动压回采巷道围岩大变形破坏机理

针对深部动压回采巷道的大变形失稳破坏及其控制难题,建立了深部动压环境下圆形巷道力学模型,导出了塑性区边界隐性方程式。在此基础上,对深部动压巷道塑性区形态演化规律进行深入分析,阐明了第I类及第II类蝶形塑性区形成的力学条件,界定了塑性区恶性扩展及其临界的定义,揭示了深部动压回采巷道的变形破坏机理。结果表明,开采动压影响比常规条下围岩更易产生蝶形塑性区,且蝶叶发育尺寸、塑性破坏范围更大。随着动压影响的增强,巷道区域应力场成为超常规的超高应力场,巷道顶底、两帮的塑性破坏进一步向深部扩展,变形加剧,致使塑性区恶性扩展,最终造成围岩大变形破坏。对于深部动压回采巷道的设计、支护应充分考虑如何避免或降低动压的影响,改善围岩应力环境,减小蝶叶塑性破坏深度,以便更好地维护巷道。     

基于尖点突变模型的巷道围岩屈曲失稳规律研究

依据深部巷道围岩的稳定性特征,探讨了巷道围岩层裂板结构的形成机理,并建立了层裂板结构稳定性的力学模型。应用结构非线性稳定性的尖点突变模型,分析了巷道围岩层裂板结构失稳的力学机制,给出了2种条件下巷帮层裂板结构失稳的充要条件。研究表明:尖点突变模型能有效地预测片帮型煤矿巷道的冲击矿压危险性;通过加固巷帮及巷道顶底角围岩,提高巷帮围岩的结构刚度,增强巷帮围岩的抗屈曲失稳能力,可有效防治片帮型煤矿巷道的冲击矿压事故。