深部巷道动静载试验系统研制及初步应用

为研究动静载作用下深部巷道围岩破坏失稳机制,自主研发一套新型深部巷道动静载试验系统。该系统由主体框架、箱体、移动平台、静态加载系统、动载扰动系统和巷道反力装置组成,可实现“高静载+动载扰动”复杂应力加载条件。本文以深部巷道围岩应力演化过程为依据,初步开展验证性试验。结果表明：该试验系统框架结构紧凑、箱体移动便利、系统操作简便;静态加载系统可实现轴向与侧向分级同步均匀加载,且具备长时间保载功能;动载扰动系统中的作动器可根据预设波形进行循环加卸载扰动,轴向落锤扰动装置和侧向摆锤扰动装置可进行单次锤击扰动;巷道反力装置虽然一定程度可模拟巷道开挖卸荷行为,但不便于观测巷道围岩变形破坏过程,后续将以人工开挖巷道方式开展相关研究;巷道围岩应力分布规律与现场实际相符,试验系统能够较好地还原地下工程中动静叠加复杂应力环境。研发的试验系统可开展大尺度深部巷道物理相似模型试验,对于研究深埋巷道动静载叠加诱冲机制、复杂应力环境下巷道围岩变形破坏规律、卸–支协同防冲作用原理以及远场能量传播衰减机制等具有重要价值与意义。     

大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模拟试验系统研制与应用

自主研制大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模拟试验系统,采用液压加载提供静荷载模拟初始地应力场,炸药爆破模拟动载源,对深部巷道在动静载组合作用下的冲击失稳过程进行研究。试验过程中借助网络并行电法测试系统、静态应变采集系统、超动态应变采集系统、高速摄像机、加速度传感器等多种监测手段,实现了巷道冲击失稳破坏过程中应力场、变形场、地电场等多源信息的同步采集。测试试验结果显示:巷道开挖阶段,受开挖卸荷影响,巷道浅部围岩应力状态劣化显著,形成一定范围的高阻区,而围岩深部区域则出现一定程度的切向应力集中,视电阻率值较低,表明巷道浅部区域岩体由弹性向塑性状态转化,而围岩深部则积聚了大量弹性能,为冲击地压的发生埋下隐患。动载施加瞬间,冲击动载与高静载叠加并超过围岩体承载能力,巷道围岩深部积聚的弹性能得到释放,致使顶板浅部松散破碎岩体向开挖空间瞬间抛出,在冲击应力波反复作用下,巷道两帮及底板也出现大量的拉剪裂纹。结果表明该系统稳定可靠,能够较为真实的再现动静载作用下深部巷道冲击失稳过程,对研究不同支护结构巷道在冲击荷载下的破坏试验能够起到一定的指导作用。     

锚固支护深部巷道爆破开挖模型试验研究EI北大核心CSCD

为研究锚固支护对钻爆法施工深部巷道围岩分区破裂的影响,采用深部巷道围岩破裂机制与支护技术模拟试验装置,开展高轴地应力条件下锚固支护深部巷道爆破开挖三维相似物理模型试验。爆破开挖、轴向超载完毕,模型巷道洞周围岩径向拉应变和径向压应力均呈现出波峰与波谷的波浪变化,与未支护模型巷道洞周径向拉应变变化规律相似,表明锚固支护模型巷道依然存在分区破裂的趋势。与未支护模型试验结果对比,锚杆和锚索联合支护的模型巷道在锚固支护部位未出现分区破裂现象,分析得出锚杆和锚索的联合作用可实现围岩应力的转移和重分布。研究结果表明,锚固支护对抑制深部巷道分区破裂具有重要的作用。     

锚固支护深部巷道爆破开挖模型试验研究

 为研究锚固支护对钻爆法施工深部巷道围岩分区破裂的影响,采用深部巷道围岩破裂机制与支护技术模拟试验装置,开展高轴地应力条件下锚固支护深部巷道爆破开挖三维相似物理模型试验。爆破开挖、轴向超载完毕,模型巷道洞周围岩径向拉应变和径向压应力均呈现出波峰与波谷的波浪变化,与未支护模型巷道洞周径向拉应变变化规律相似,表明锚固支护模型巷道依然存在分区破裂的趋势。与未支护模型试验结果对比,锚杆和锚索联合支护的模型巷道在锚固支护部位未出现分区破裂现象,分析得出锚杆和锚索的联合作用可实现围岩应力的转移和重分布。研究结果表明,锚固支护对抑制深部巷道分区破裂具有重要的作用。     

侧爆作用下硐室锚杆受力动态响应数值分析

利用数值分析软件LS-DYNA3D, 研究了在侧爆应力波的作用下硐室锚杆支护受力动态响应。数值分析结果表明:通过对比相同比例距离的试验和数值模拟压应力时程曲线,说明数值模拟结果可信;基于不同位置锚杆中间单元轴向应力时程曲线分析,发现迎爆侧受到应力波的作用明显大于背爆侧;迎爆侧侧墙锚杆既受压又受拉,并且锚杆8受压最大;受拉较强部位主要集中在迎爆侧,锚杆7拉应力峰值最大;从锚头到锚端锚杆拉应力峰值和压应力峰值都是先增加再减小,最大压应力峰值偏向锚端,而最大受拉位置与应力波的幅值和波长有关。     

松动圈测试技术在巷道支护设计中的应用

巷道开挖后,破坏了原岩的应力平衡状态,产生一定的松动破坏范围,即围岩松动圈.围岩松动圈是巷道支护选型的重要参数,文章在综合分析区域地质(震)特征、开采技术条件的基础上,进行了现场工程地质动力失稳调查,并利用松动圈测试技术进行了围岩损伤与变形的监测,监测结果表明,巷道支护结构是合理的,对同类型巷道的锚杆支护选型具有一定的借鉴意义.     

岩爆灾害控制的动静组合支护原理及初步应用

 目前岩爆支护理论研究以岩石准静力学理论为基础,存在一定局限性。从围岩结构效应的角度,分别探讨外界扰动和岩爆围岩本身诱发岩爆的动力学机制,外界扰动易在围岩破裂区和弹性区交界处发生应力波反射拉伸破坏,岩爆是满足一定条件下围岩内部自稳时变结构调整的过程,提出岩爆支护的结构时变控制原则。现有支护措施下岩爆动力学破坏特征表现为洞室表面岩体层裂剥离造成锚杆托板悬空,基于此,进一步提出岩爆灾害控制的动静组合支护原理,相应提出预留锚固方式、动静组合锚杆等关键技术,强调锚杆可伸长构件应设置在围岩体内部破裂区和弹性区边界附近,从而给应力波扰动破坏的弹性区岩石提供扩容变形空间,同时,锚固的杆尾能对层裂岩石提供补强作用。通过深部矿井岩爆巷道的现场初步应用,该支护技术能取得良好的防治效果。     

动力扰动下侧压系数对卸压孔与锚杆支护的研究

为探讨各因素对深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的影响机制,利用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D-Dynamic模拟了巷道支护模型在动力扰动作用下围岩应力场的分布规律、巷道破坏形态特征。通过分析得到动静组合加载下不同侧压的巷道围岩应力重分布的一般规律,并从破坏单元声发射能量释放的角度分析了动静组合加载对围岩的损伤效应。研究指出,侧压系数λ是静态和动态扰动作用下巷道围岩应力重分布的主控因素;高围压条件下,动力扰动成为触发巷道破裂失稳的主要诱因,且动力扰动作用对不同围压的巷道围岩破坏形态的影响各不相同。     

深部岩巷锚喷支护作用机理及其力学性能分析

针对深部岩巷支护特征,对锚喷支护作用机理进行理论分析,结合皖北某矿西翼胶带机斜巷巷道实际情况,采用数值计算软件,对深部围岩巷道不同支护方式下围岩变形及其破坏规律进行数值模拟。对锚喷支护和喷射混凝土两种支护方式下围岩的应力、位移及塑性区的变化情况等进行系统地对比分析,同时对锚喷支护中改变锚杆间距进行数值分析。计算结果表明,岩巷锚喷支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了深部围岩巷道的变形和稳定。     

高地应力深部巷道开挖锚固特性的三维地质力学模型试验研究

为研究锚固支护条件下深部巷道围岩是否产生分区破裂以及岩锚支护对分区破裂的影响,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,进行了锚固支护条件下高地应力深部巷道开挖三维地质力学模型试验。通过模型试验发现围岩应变呈现波浪形变化规律以及洞周锚杆受力出现拉压交替变化现象。通过与未加锚支护模型试验结果的对比,揭示锚杆对抑制巷道围岩分区破裂具有重要的作用,这为深入分析深部巷道开挖锚固特性和优化深部巷道支护设计奠定了坚实的试验基础。     

碳化泥质板岩大断面隧道围岩松动圈测试研究

围岩松动圈范围是隧道、巷道及类似地下工程设计、施工和评价围岩稳定性的重要技术参数之一。针对吉图珲高速铁路小盘岭大断面碳化泥质板岩隧道在掘进过程中发生的地层变形大、频繁更换钢拱架以及隧道局部多次发生垮塌这一严重现象,采取多点位移计监测及超声波检测技术,对小盘岭隧道围岩松动圈范围进行测试。在此基础上,通过改变围岩壁后注浆深度,对比分析控制效果。现场测试表明,小盘岭隧道围岩松动范围大,平均达到约5 m,隧道开挖右侧松动圈范围大于左侧松动圈范围,原支护方案中锚杆长度仅为4.0 m,径向注浆管长度为3 m,初步判断施工步距大以及锚杆长度过短是造成隧道围岩失稳的重要因素。在后续的施工过程中,采取右侧及拱顶锚杆长度为6.5 m,左侧锚杆长度为6 m,围岩径向注浆管长度增加到5 m,经过优化后的锚杆长度参数明显改善了围岩的支护效果,监测表明隧道拱顶沉降及围岩收敛速率明显减小,拱架受力明显降低,降低了隧道施工风险,并为类似工程的设计及施工提供参考。     

开滦矿区深部开采中巷道围岩稳定性研究

在对开滦矿区赵各庄矿、唐山矿深部开采过程中巷道围岩变形、破坏特征和矿井动力显现观测的基础上,结合数值模拟研究发现:(1)开滦矿区在千米深开采时水平构造应力远大于自重应力,原岩应力值远大于巷道围岩强度值,巷道将不可避免地要遭受破坏并表现为大变形强流变和严重底鼓;(2)随着开采深度增大,软弱煤岩层发生冲击地压的危险性随之增大,通常以煤层的整体突出为特征,其发生机理和高应力状态下硬岩(煤)中的岩爆有区别;(3)原岩应力状态对巷道围岩的变形破坏有着重要影响,而巷道形状对巷道围岩的破坏形式影响不大。     

巷道开挖面抗剪承载结构形成和蠕变规律研究

为掌握深部软岩巷道应力承载结构的形成机理和发生剪切蠕变失效规律,通过研究巷道抗剪力学承载结构划分方法和形成特征,掌握该承载结构的空间效应和蠕变效应。以开挖面附近围岩为研究对象,利用工程实测开挖面附近不同区段围岩应力场和裂隙场分布规律,探讨空间效应影响下围岩抗剪承载结构形成机制;通过理论分析方法,基于统一强度准则和岩石三线段力学模型,获得开挖后软岩巷道次生应力场、位移场的定量解析式,推导“弹塑性”位移释放后围岩蠕变定量解析解。由算例结果可知,不同区段围岩承载结构演化规律受空间效应影响较大。最后,根据围岩抗剪承载结构蠕变失效特征,提出动态补强支护方案。     

松散软岩巷道破坏的颗粒离散元模拟分析

松散软岩巷道的开挖与支护问题一直是理论与工程难题,围岩破坏机理则是围岩变形控制的关键。结合具体工程,针对一种典型的松散软岩,根据其地质条件和物理力学特性,采用颗粒离散元软件对软岩中巷道的开挖过程进行了数值模拟。文章还再现了软岩从开挖到破坏的整个力学演变过程,以及围岩在一定范围内从裂隙产生到贯通的整个渐进式破坏过程,详细分析了围岩各个关键部位的应力特征,得到巷道围岩应力分布特征图。在等围压的情况下,岩体还表现出较好的成拱效应,能够较好地自稳,得到巷道围岩成拱示意图。分析结果与巷道弹塑解能很好地吻合。以上结果表明,颗粒离散元对类似的岩土工程力学过程和机制的分析有很好的运用前景。     

动力扰动导致巷道围岩层裂结构及冲击矿压的数值模拟

煤矿生产中存在着大量的动力扰动,常导致采矿巷道和采场围岩局部失稳,诱发冲击矿压发生。在一定条件下,动力扰动可简化为平面应力波。针对片帮型冲击矿压,采用数值方法模拟应力波作用下巷道围岩层裂结构的形成过程,探讨巷道围岩层裂结构的形成与巷道埋深、岩体弹性模量及应力波强度、时程特性的关系,进而讨论“小进尺、弱爆破”可减小扰动应力波诱发冲击矿压的机制,得到一定地质条件下动力扰动诱发冲击矿压的条件。     

巷道围岩最优恒阻支护计算方法

根据岩石和围岩的蠕变机理以及岩石流变控制原则,在实验研究的基础上,提出了新的岩石稳定蠕变准则,并建立起一个岩石最优恒阻支护计算方法。用这一计算方法能求出岩石恒阻支护的重要技术参数,即最优(小)恒阻支护力、围岩最大允许变形量、恒阻U型钢支架的截面积、联接螺栓的预紧力和直径及最优支护力的拧紧力矩。按最优恒阻支护计算方法设计巷道支护,可以达到经济且安全的最佳支护效果。文中应用了课题组近期岩石流变实验研究的结果:应力偏量第三不变量对岩石蠕变影响显著;岩石侧向蠕变的应力阀值比轴向蠕变应力阀值低20%～40%。这些结果的应用使巷道岩石支护的设计更趋于安全。     

围岩中原始垂直地应力对圆形隧洞全长注浆 岩石锚杆应力分布模式的影响分析

 通过分析原始垂直地应力对圆形地下洞室塑性区半径、围岩体塑性区和弹性区内岩体的位移变化以及对锚杆应力分布的影响,揭示原始垂直地应力对锚杆锚固效果的影响。研究结果表明,弹性区内任一点的应力大小与垂直地应力有关,而塑性区内任一点的应力与原始垂直地应力无关;随着垂直地应力的增大,巷道塑性区半径也在不断增大,二者之间呈明显的非线性关系;塑性区的径向位移及隧洞壁的最大位移也随之增大。同时,根据围岩与锚杆的相互作用,建立全长注浆岩石锚杆在圆形隧洞围岩中的应力分布解析本构方程。在此解析模型的基础上,对不同垂直地应力作用下锚杆的应力分布模式进行较详细分析,得出随着垂直地应力增大,锚杆的摩阻力和轴向载荷也随之增大,并且锚杆端部的应力集中现象更加明显,当锚杆端部的摩阻力超过围岩的容许抗剪强度时,则锚杆与围岩发生开裂破坏,故在设计与施工中应予以考虑。最后,提出提高和改善由于锚头开裂导致锚固效果降低的方法,对全长注浆岩石锚杆施加垫板,能有效改善锚杆的锚固效果。     

不同围压下软岩巷道全长锚固支护优化研究

以淮南矿区丁集矿西三采区地质条件为背景,采用FLAC3D计算软件对深井软岩巷道全长锚固支护条件下围岩稳定性进行模拟计算,获得不同围岩应力和支护强度作用下巷道围岩稳定性影响规律。得知,随着围岩应力环境增大,巷道顶帮下沉量和底板底鼓量增大,巷道顶底板变形位围岩移量变化趋势与巷道两帮变形趋势基本一致,在10 MPa围岩环境中,锚杆支护排距以800 mm×800 mm较优。研究结果可为深埋回采巷道锚杆支护的设计与施工提供了一定的参考。     

早强锚杆在高地应力层状软岩隧道中的应用研究

以在建的成都-兰州铁路杨家坪隧道为工程依托,选取条件基本相同的30m典型围岩区段为试验段,对普通锚杆、早强锚杆支护时的洞周位移、围岩与初支接触压力、型钢拱架应力及其锚杆轴力进行实测对比分析,探讨了早强锚杆在高地应力陡倾层状软岩隧道中的作用机制。结果表明：高应力软岩隧道中锚杆轴力为拉力,早强锚杆比普通锚杆轴力更大,可以使隧道洞周位移减小40%|早强锚杆使隧道边墙围岩压力和钢架拱顶应力减小,围岩压力分布和钢架受力趋于均匀|早强锚杆通过注浆材料深入围岩,可以提高围岩层面强度|及时发挥锚固作用,抑制了围岩渐进破坏过程,从而减小围岩塑性区|加长了锚杆的拉拔长度,减小围岩与初支接触压力,改善隧道支护的受力状况,有效地控制隧道变形。