基于D-P准则的巷道围岩稳定性分析

基于以D-P准则为屈服函数建立的弹塑性本构模型,利用有限元数值模拟软件COMSOL Multiphysics对巷道围岩的稳定性进行了数值模拟,分析了巷道围岩的应力、位移分布情况,对比了以Mohr-Coulomb准则和D-P准则为屈服函数时巷道围岩的塑性区分布,探讨了巷道围岩的失稳破坏形式。研究表明,以Mohr-Coulomb准则为屈服函数时可能会低估巷道围岩塑性区分布范围;巷道两帮首先发生拉伸破坏,随后发生剪切破坏,最终形成X状共轭剪切破坏。     

基于Drucker-Prager屈服准则的圆形巷道围岩弹塑性分析

考虑不同程度的中间主应力对屈服的影响,以Drucker-Prager屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,推算出巷道围岩弹塑性区应力、塑性区半径和位移的解析解。研究表明,中间主应力对塑性区半径和位移的大小以及围岩应力的分布均有重要影响,并且验证了中间主应力效应的区间性。用单因素分析法,分别考虑不同内聚力、内摩擦角、原岩应力和支护阻力情况下,塑性区半径和位移的Drucker-Prager准则解、Mohr-Coulomb准则解和统一强度准则解的变化规律并对其进行比较,分析表明：相同条件下,塑性区半径及位移的Drucker-Prager准则解比Mohr-Coulomb准则解和统一强度准则解大,并且在较高内聚力、较低内摩擦角或较低原岩应力情况下Drucker-Prager准则解接近于Mohr-Coulomb准则解。采用Flac3D进行数值模拟,模拟结果与理论分析结果较为吻合。因此,适当的应用 Drucker-Prager屈服准则将更能保证工程实践的安全性,更具实践价值。     

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。     

基于MC准则的DP系列准则的巷道围岩塑性分析

考虑不同屈服准则对塑性区的影响,以Mohr-Coulomb屈服准则和Drucker-Prager屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,推算出巷道围岩塑性区半径和位移的解析解。研究表明,不同屈服准则对塑性区半径和位移的大小的分布均有重要影响;同时分别考虑不同内聚力、内摩擦角、原岩应力和支护阻力情况下,塑性区半径和位移的Mohr-Coulomb准则解和Drucker-Prager系列准则解的变化规律并对其进行比较。分析表明,相同条件下,塑性区半径及位移的DP3准则解最大,DP1准则解最小,DP2准则解接近于Mohr-Coulomb准则解。     

深井锚网巷道安全性判别模型及机理分析

为了依据巷道围岩临界塑性区范围、应力及位移等参数对深井巷道安全性进行判别,基于弹塑性理论及摩尔库仑准则,建立了经过等效变换处理的巷道安全性判别力学模型;以大屯煤电公司孔庄矿7432工作面轨道巷为研究对象,对有无采动影响、是否支护条件下的塑性区范围、应力及位移进行解算、对比和机理分析;结果表明,采动会影响塑性区半径、巷道位移临界值,不会影响塑性区应力临界值;支护会提高塑性区破坏的应力临界值,降低塑性区范围及位移临界值。判别模型解算结果与工程实际相符,等效变换后的深井锚网巷道安全性判别模型有效、实用,能为深井锚网巷道的初步设计及安全判别提供理论参考依据。     

渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。     

岩体剪胀对巷道围岩塑性区位移的影响分析

为研究巷道围岩塑性区的力学性质,考虑岩体剪胀特性及巷道塑性区的弹性变形,采用H-B准则和非关联的流动准则对圆形巷道进行理论分析,通过在弹塑性交界处的应力连续条件,得到了塑性区半径和位移的H-B新解;结合算例分析了剪胀特性对围岩塑性区位移的影响,并与M-C准则解作对比。分析结果表明:岩体剪胀系数越小,M-C与H-B准则计算出的塑性区位移吻合度越好;随着剪胀系数的增大,吻合度下降,围岩塑性区的位移也会增大,在弹塑性交界处,文中H-B准则解在不同剪胀系数条件下塑性区位移相等,而M-C准则解不等,理论上证明了本文解的准确性。     

三剪强度准则及其在巷道围岩弹塑性分析中的应用

基于12面体单元主剪面上的3个主剪应力及正应力均会对岩石的强度和破坏产生影响,在双剪强度准则的基础上提出了一个新的三剪强度准则,并对其进行了分析．研究表明,强度准则能较全面地反映岩石的基本强度特征．另外,还应用该新强度准则对静水压力条件下的圆形巷道围岩进行了弹塑性分析．分析表明,与采用Mohr-Coulomb强度准则的结果相比,巷道轴向应力和强度理论中的参数b对巷道围岩塑性区半径、应力分布及径向位移等均有影响．     

考虑渗流和剪胀特性的Z-P准则及巷道稳定性分析

在地下工程结构中,渗流和剪胀特性严重影响了巷道的稳定性。为了研究渗流和剪胀特性下巷道围岩的稳定性,基于Zienkiewicz-Pande准则和弹塑性理论,分析了受渗透水压力作用下的巷道围岩弹塑性解;推导了渗透水压力作用下的巷道围岩塑性区半径、位移和应力分布的解析解;分析了中间主应力和剪胀角对巷道围岩塑性区的影响规律。结果表明:基于Z-P准则的塑性区半径、位移和围岩应力公式能够很好地反应规律;随着中间主应力的增大,塑性区半径、位移和弹性区应力先减小后增大,塑性区应力先增大后减小;渗流作用下的塑性区半径和位移显著增加;围岩的剪胀特性对巷道应力分布和塑性区半径影响较小,但对位移分布有显著影响,随着剪胀角的增加,塑性区位移逐渐提高。     

软化与膨胀作用下深部巷道围岩黏弹塑性分析

随着煤矿开采的逐渐加深,深部高应力巷道围岩表现出典型的应变软化、破裂膨胀及流变特征.通过建立线性软化模型,进行黏弹塑性力学分析,确定了深部巷道围岩的应力、位移和破裂区半径.以山东省郓城煤矿井底车场泥岩段巷道为研究背景进行实例计算,得出了破裂膨胀和线性软化作用下围岩的变形破坏特征.结果表明:软化和破裂膨胀对巷道的周边位移和破裂区厚度都有显著影响;耦合作用下,围岩的变形和破碎比单因素作用下更加严重;其中线性软化对巷道稳定性的影响比破裂膨胀更大.并通过现场实测,将结果与理论值进行对比,验证了计算的正确性.