深部破碎巷道应力演化与围岩控制技术数值模拟

为解决某金属矿深部破碎围岩巷道支护的难题,采用FLAC~(3D)对不同支护方案下巷道围岩失稳破坏情况进行了数值模拟。分析了巷道在无支护、锚杆支护、锚喷支护和锚喷+锚索支护等不同条件下围岩的变形规律。结果表明:在不同支护条件下,巷道围岩垂直应力在距离巷道帮部约2m～5m处出现了"耳廓型"的压应力集中;巷道围岩水平应力呈现非对称"蝴蝶型"分布;锚杆、锚喷、锚喷+锚索支护对控制巷道变形有较好的效果,较无支护条件,顶底板最大位移量分别减小约50%、60%、80%;在巷道掘进过程中,巷道围岩变形量的规律为:两帮顶板底板。然而,对两帮和顶板采取支护后,巷道底鼓现象仍然严重,对此建议矿山对巷道底板采用混凝土硬化处理。     

深部多场耦合环境下支护方法研究

基于温度场、渗流场和变形场(THM)三场耦合条件下的巷道破坏形式,研究锚杆、锚索、锚喷3种支护条件下围岩变形控制效果。对锚杆长度和锚固长度、锚索布置以及喷浆层厚度这些因素的影响进行了数值模拟分析,得到了不同支护条件下巷道的位移、塑性区和孔隙水压的变化规律。     

破碎围岩巷道变形失稳特征及控制技术

针对破碎围岩巷道变形量大、围岩整体性差和支护困难等问题，以昌兴煤矿1460运输石门为试验地点，通过数值模拟与现场考察，研究原支护技术下巷道围岩变形失稳特征及机制，拟采用联合支护技术并对比分析围岩变形特征。研究表明：由于围岩强度低、支护方式单一、受开采动压影响和围岩中含软弱夹层，造成围岩松散破碎，稳定性差，顶板最大破坏深度达到4.80 m；提出了“锚网喷+U型棚拱形支架+注浆”联合支护技术，采用预应力锚索、高刚度U型钢棚、浅孔注浆及深孔锚注等支护方式强化围岩特性，形成多层复合加固拱承载结构，实现支护结构与围岩的相互耦合作用；数值模拟分析得出，修复后围岩塑性屈服区最大深度由5.56 m减小到1.07 m，降低了80.76%，围岩塑性区大幅度减小，围岩应力总体趋于均匀分布；现场试验表明，修复后顶底板位移量仅113 mm，两帮位移量78 mm，说明该联合支护技术方案可有效控制围岩变形失稳，维持巷道整体稳定。     

深部软岩巷道围岩支护技术研究

为有效解决深部软岩巷道围岩控制问题,针对信湖煤矿回风石门埋深大、应力高、围岩强度低的特点,在分析了信湖煤矿回风石门的围岩赋存条件、变形破坏特征以及原有支护方案已难以维持现掘巷道稳定的条件下,通过理论计算得到信湖煤矿回风石门围岩塑性区范围,从而提出了控制巷道围岩的基本理念：采用小承载体控制围岩破碎区的扩大,采用大承载体限制围岩塑性区的发展,2个承载结构共同维持巷道稳定,进而提出采用“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案对新掘巷道进行支护,并结合FLAC^3D数值模拟及现场工业性试验对“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案的合理性及可靠性进行验证。结果表明：信湖煤矿回风石门新掘巷道经“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案支护后围岩表面变形趋于平稳,巷道顶板最大下沉量仅为36 mm,两帮移近量为67 mm,支护体与巷道围岩形成了稳定的复合承载结构,联合支护方案能够保持巷道的长期稳定,该联合支护方案可为其他类似深部软岩巷道支护提供一定参考。     

巷道支护中锚固段位置对深部围岩塑性区的影响

本文以江西曲江矿区212工作面风巷为研究对象,基于3DEC数值模拟软件,结合理论分析,研究了不同支护方式对巷道稳定性的影响.研究结果表明:(1)锚杆锚固段位置能够影响巷道围岩塑性区范围.当锚杆(锚索)锚固段处于弹性区时,锚杆(锚索)对巷道围岩塑性区扩展的控制效果良好;而锚杆(锚索)锚固段处于塑性区内时,锚杆(锚索)不能有效的控制围岩塑性区扩展.(2)围岩塑性区范围与巷道变形量存在相对一致性,塑性区范围越大巷道断面的变形量越大.(3)在巷道支护中单纯使用锚杆支护无法有效控制围岩变形,为达到控制巷道围岩稳定的目的须使锚杆(锚索)充分发挥锚固作用,将锚固段置于弹性区内,应采用锚杆锚索耦合支护.     

玉溪煤矿进风井东部车场巷道注浆加固技术研究与应用

为解决进风井东部车场巷道围岩变形量大问题,通过数值模拟具体分析注浆加固前后锚索支护围岩应力分布及塑性区发育规律,基于巷道围压窥视结果,确定采用浅孔注浆+深孔注浆+全长预应力注浆锚索支护的围岩控制方案,结合巷道具体情况,进行各项参数的设计,并在方案实施后进行表面位移的监测作业。结果表明:深浅孔注浆+全长预应力注浆锚索支护完成后,解决了巷道围岩变形量大的问题,保障了围岩的稳定。     

破碎软岩支护设计数值模拟研究

本文以伊田煤业破碎软岩巷道为研究背景,采用数值模拟的方法,对该矿巷道在四种不同的支护方式下的支护效果进行对比分析,分析结果表明:采用提高围岩自身强度的锚注支护在提高围岩自承载能力、控制巷道围岩位移等方面均优于锚杆支护或锚索支护,"锚网+顶板锚索+注浆支护"方案为最佳支护方案。     

大断面巷道围岩变形机理及支护技术研究

为解决大断面巷道围岩变形量大、巷道支护困难等问题,以曹家滩煤矿122108工作面主运顺槽为背景,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对巷道围岩变形破坏力学机理和掘进过程中的应力场、位移场和塑性区进行分析,总结巷道掘进过程中围岩的变形破坏规律,在此基础上对巷道支护参数进行优化。结果表明:采用“锚杆+锚索+塑钢网+钢筋网”的支护方式可以有效控制围岩变形,提高巷道掘进速率。     

厚松软破碎顶板煤巷注浆联合锚索支护技术

针对厚松软破碎顶板强度低、节理裂隙发育、遇水强度弱化及变形难以控制等问题,采用现场监测与数值模拟等方法,改进厚松软破碎顶板支护方式,提出"局部注浆+浅部围岩锚杆、锚索、金属网支护"的联合支护方案。数值模拟结果表明,围岩塑性区面积显著减小,锚杆、锚索发挥承载作用;现场试验表明,淋水区域的巷道顶板下沉量仅为107 mm,且围岩松动破碎范围大大减小。     

采动影响下煤层上山巷道支护技术

为解决采动动压影响下煤层上山巷道围岩破碎严重、变形大等支护难题,采用现场调查、理论分析及数值计算相结合的方法,分析得出了在采动支承压力作用会使煤层上山巷道围岩岩性变差,破碎区和塑性区范围增大,致使围岩发生强烈剪胀变形的矿压显现特征,从提高围岩强度、支护阻力和支护承载结构的稳定性3方面研究了此类巷道围岩控制机理,提出了U型钢支架基本支护＋锚索结构补偿的新型支护技术,应用结果表明：对前修后扩的煤层上山巷道两帮最大位移量仅160 mm,顶底板最大位移量180 mm,表明了提高围岩强度、支护阻力和支护承载结构的稳定性可以有效地控制此类巷道围岩强烈变形。     

煤矿巷道锚网支护机理及围岩变形规律分析

为了改善锚网支护的耦合效果,研究了煤矿巷道锚网支护技术及围岩变形规律,理论分析了护网受力,给出了锚网支护的强度耦合标准;采用FLAC^3D数值模拟软件,模拟分析了不同方案条件下巷道塑性区、应力和位移分布。研究得出,进行锚网支护后,巷道围岩变形得到有效的改善,且采用锚杆+格宾金属网支护后,巷道护表效果明显,能够有效抑制巷道变形。研究为深部破碎巷道的合理设计提供了指导。     

高应力深部巷道围岩变形特征与控制技术研究

分析了高应力深部巷道围岩变形特征与控制技术，采用FLAC^3D数值模拟软件，分析了巷道垂直位移变化规律以及围岩塑性区扩展规律；依据高应力深部巷道围岩变形特征，设计了以锚注为主要支护方式的耦合支护体系，并对改良后的支护方式进行了验证。研究得出，采用锚注和高强度预应力锚杆耦合支护方案，巷道围岩变形得到了有效控制。     

深井破碎围岩巷道协同支护技术研究与应用

为解决煤炭资源进入深部开采时破碎围岩巷道支护所面临的变形大、易失稳、难支护等问题，提出“架棚+锚杆(索)+注浆”协同支护方案，运用钻孔窥视确定巷道围岩结构稳定性、裂隙发育特征，FLAC3D数值模拟对比分析常规锚网喷支护、锚注支护及棚锚注协同支护塑性区分布，结果表明：棚锚注协同支护技术较另两种方案表现出更好的支护效果，塑性区分布范围明显减少，应力集中现象得以缓解，支护巷道模拟变形量与工程监测较为接近。工程试验表明：采用常规锚网喷支护、锚注支护巷道仍存在较大变形，不能保持长期稳定，棚锚注协同支护巷道变形明显降低，应用期间顶板下沉量较常规锚网喷支护降低了68%，两帮位移降低了52%，满足巷道支护稳定要求。棚锚注协同支护技术对深部破碎围岩巷道变形控制效果显著，尤其在掘进影响期控制围岩作用表现突出。     

基于修正Hoek-Brown准则的巷道围岩弹塑性解分析

利用考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则,结合巷道围岩塑性解的推导方法,进而获得较为准确的巷道围岩塑性区的范围以及支护变形量。通过理论推导了巷道围岩塑性区的半径和位移的表达式,得出塑性解与围岩初始二向等压应力、岩体质量、地质工程参数以及支护反力有关。结论为考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则更加适应巷道围岩塑性区分析过程,获得的结果更加准确,对工程实践有一定的理论指导意义。     

软弱破碎巷道围岩深浅承载结构力学分析及数值模拟

巷道围岩-支护相互作用体系中围岩承载区是围岩应力的主要承载体,控制围岩承载区域的稳定对巷道围岩的稳定具有积极作用。针对软弱破碎巷道围岩工程地质特性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法对巷道围岩承载结构进行研究。考虑巷道开挖后岩体强度、应力和变形特征,建立了软弱破碎围岩巷道的理论计算模型,得到了围岩的应力场、位移场和塑性破坏区范围的解析解;考虑岩石峰后强度软化、剪胀扩容效应、原岩应力和支护阻力等因素的影响,在空间上将巷道围岩承载结构划分为"浅支撑层"和"深支撑层",同时在深支撑层内,存在一个高应力区域,承担了围岩的大部分荷载,对深支撑层的承载能力与稳定起着关键作用,称其为"关键支撑层"。通过算例分析了围岩残余强度和支护作用对深浅支撑层结构演化特征和巷道变形的影响。采用FLAC3D程序对深浅支撑层结构演化特征及巷道变形进行了数值模拟。研究结果表明:围岩的残余强度越大,深浅支撑层结构在空间上表现的越明显;剪胀扩容效应发生在深支撑层中的软化区内,但其最终导致浅支撑层发生变形;随着原岩应力的增大,巷道围岩深浅支撑层的厚度均不同程度的扩大。     

高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤数值模拟研究

深部巷道围岩在频繁爆破扰动作用下微裂隙不断产生、扩展与贯通,形成宏观破裂,岩体失稳灾害日益突出。本文采用FLAC3D软件,考虑不同侧压力系数,开展高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤规律研究。结果表明：应力环境明显影响巷道围岩的损伤特征。初始应力条件决定巷道围岩的破坏区域和破坏形态分布,爆破扰动会加剧巷道围岩的损伤,加快破坏速度。与初始应力状态相比,爆破扰动造成巷道围岩松弛区变厚、应力集中程度和影响范围增大,同时改变围岩中位移的分布特征和范围,并增大围岩的最大位移量。巷道围岩所受双向载荷差值越大,爆破扰动作用后塑性区的深度就越深,破坏增量也越大,巷道围岩塑性区的范围远大于松弛区。支护工程应控制松弛区围岩,避免其发生垮落。研究为深部巷道围岩控制提供支撑。     

软岩巷道锚注联合支护的数值模拟研究

以葛泉矿-190南翼运输大巷为研究对象,采用UDEC数值模拟软件对该巷道在全断面锚喷支护和全断面注浆与锚喷联合支护两种条件下围岩应力分布、围岩塑性区范围、围岩位移和锚杆受力情况进行了分析。结果表明:注浆能够改善锚杆受力状况;全断面注浆与锚喷联合支护能够改善围岩应力分布状况,缩小围岩塑性区范围,在巷道周边形成圆形承载拱,从而保证围岩的长期稳定。工程应用表明,通过数值模拟确定的支护方案是合理的。     

弱胶结软岩巷道围岩应力与位移分布规律及支护技术

针对西部浅埋弱胶结软岩巷道的复杂地质条件,基于X射线衍射试验、电镜扫描、岩石力学物理试验与现场监测,揭示了西部浅埋弱胶结软岩巷道围岩变形破坏失稳机理。根据巷道围岩大变形破坏特征,建立了FLAC3D数值模型,模拟演化了弱胶结软岩巷道的围岩应力位移分布规律和塑性区范围,研究结果表明:弱胶结软岩巷道围岩最大主应力决定了巷道围岩的破坏深度,且随围岩深度近似呈"へ"形分布;巷道围岩不同方向深部变形s与巷道表面距离h呈负指数衰减变化的关系。通过对比分析,数值模拟塑性区范围和地质雷达探测松动圈厚度基本一致,从而为弱胶结软岩巷道围岩稳定性分析及支护加固方案设计提供了科学指导。最后针对弱胶结软岩巷道塑性区范围,提出了"锚网喷主动支护+36U型钢支架+全断面锚注"的联合支护技术,现场监测结果表明改进的支护方案可以有效控制巷道围岩变形及塑性区的扩展,保证了巷道的长期稳定及安全。     

松软煤层巷道围岩变形特征及控制技术

针对松软煤层巷道围岩变形量大、支护结构破坏严重的难题,以华盖山104工作面运输巷为工程背景,在分析巷道围岩变形特征的基础上,采用数值模拟方法,研究了锚网索喷支护巷道围岩位移、应力和塑性区分布特征。研究结果表明,煤层强度低、胶结性差以及支护方式不合理是造成围岩严重变形的主要原因;锚网索喷支护巷道围岩塑性区范围较小,应力集中区位于深部,到巷道中心的距离超过6 m,并取得了较好的工程应用效果。     

深部高应力巷道围岩预留变形控制技术

采用理论分析、数值计算、现场试验等手段,研究了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形与塑性区的影响,提出了支护结构应满足围岩大变形的协调支护原则。研究结果表明:在现有支护条件下,支护阻力对深部高应力巷道围岩变形、塑性区影响十分有限,深部高应力巷道围岩总是存在一部分变形量依靠现有支护水平无法控制,将此部分围岩变形量称之为巷道围岩的"给定变形",并且这种"给定变形"随着开采深度的增加而增大;因此,对于深部高应力巷道围岩变形控制,可在巷道掘进时预留一定的变形空间,并要求支护结构应能够适应巷道围岩的大变形,以维持围岩的完整性,同时保障支护结构本身能够持续不断提供支护阻力而又不出现断裂失效。工程实践结果表明:考虑预留变形并采用"锚杆+自动让压桁架锚索"为主体,锚索加固为辅助的综合控制技术可较好的控制巷道围岩的稳定性,保障了巷道服务期间的安全使用。