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。     

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。     

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。     

深部圆形巷道破裂围岩的弹塑性分析

随着大量煤矿矿井开采深度的增加，在高围压的作用下，巷道围岩普遍出现破裂，而且围岩破裂范围在扩大的同时，往往出现继续破坏的现象。针对长的圆形巷道，将巷道围岩分成破裂区、塑性区和弹性区，采用Mohr-Coulomb准则，进行非关联弹塑性分析，获得其应力和变形的封闭解析解。通过利用在弹塑交界处应力连续的条件以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件，获得确定围岩破裂区和塑性区半径的解析式。最后，给出一个算例，分析其破裂区和塑性区应力、应变的分布特点以及破裂区范围的影响。利用所获得的结果，可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据。     

含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析

利用新近开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFPA2D模拟了动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程,从细观角度分析了不同宽度不连续面的岩石巷道在动力扰动下破坏的规律,并和未含不连续面巷道结构的相应情况进行比较,探讨了含不连续面巷道结构在动载荷作用下的力学特性,结果表明不连续面对应力波衰减作用明显,对巷道的稳定与破坏影响较大.     

深部硬岩矿山岩爆的动静组合加载力学机制与动力判据

深部开采是硬岩矿山未来发展的必由之路。深部开采中经常遭遇的岩爆灾害是硬岩矿山未来发展过程中必须要解决的关键科学问题之一。针对岩爆机制这一世界性科学难题,从深部围岩储能特性、高应力赋存环境和开采受力全路径进行科学分析,发现其本质上属于硬岩介质承受"静应力+动力扰动"的动静组合加载力学问题。根据这一思路,在广泛收集国内外典型岩爆案例的基础上,分析了孕育岩爆的"完整弹脆性岩体+高地应力+动力扰动"等必要条件,进一步阐述了深部硬岩矿山岩爆的动静组合力学机制和最近的研究进展。具体研究中,利用硬岩材料,一方面从"静应力+卸载扰动"和"静应力+加载扰动"这2个方面研究了岩爆的力学机制,另一方面在考虑深部工程开挖空间结构效应的基础上,从"静应力+应力调整"和"静应力+动力扰动"这2个方面考察了深部圆形洞室洞壁围岩发生应变型岩爆的破坏特性,分别阐明了不同类型的动静组合加载力学机制。在此基础上,提出了基于动静能量指数的岩爆动力判据和控制思路,岩爆发生的静力和动力组合作用加载的深入研究,为岩爆机制探索提供了新思路和新方法。     

岩石蠕变扰动效应理论及其在深地动压工程支护中的应用

深部岩体工程围岩蠕变性强,受外部中量级循环冲击载荷(冲击能量等级介于103～105 J)扰动影响时会发生长期大变形动力灾害。基于近年来对岩石蠕变扰动效应理论的相关研究,采用岩石动力学试验、围岩动态变形破坏理论分析并结合现场工程实践的综合研究方法,对中量级冲击载荷作用下深地岩体工程的长期大变形机制以及稳定性控制进行了系统研究。通过研究,总结分析了岩石蠕变扰动变形规律,确定了蠕变岩石对外部冲击扰动敏感的应力、应变阈值指标;根据地应力梯度与围岩强度梯度关系重新划分了深地动压工程围岩状态区域,发现了以围岩蠕变扰动敏感区动态演化发育为本质的深地围岩长期大变形失稳机制新认识;探讨了围岩应力场分布及演变规律,确定了深地动压岩体工程长期稳定性控制原理,即给扰动敏感区边界处提供足够的侧向围压,使该区域围岩的抗扰动强度梯度提高至静载集中应力水平,迫使扰动敏感区消失;基于理论分析、实验室测试以及现场动载监测等手段,提出了深地动压岩体工程围岩支护设计方法,优化了支护参数设计流程,并在多个工程实例中取得了良好的应用效果。     

巷道围岩失稳类型及失稳机理分析

巷道开挖后围岩应力重分布,极易发生失稳破坏。为保证井下生产安全、提高劳动生产效率,本文从工程的观点出发,基于巷道围岩失稳类型分析了影响围岩稳定性的主要因素,通过对巷道围岩应力的弹塑性分析推导出巷道开挖后围岩塑性区半径的表达式,并分析了各因素对塑性区范围的影响趋势和程度,为巷道支护设计提供参考。     

不同围压下卸荷速率对围岩变形与破坏的影响

研究相关因素对巷道/隧道围岩变形及破裂形态特征的影响作用,可以为巷道/隧道的支护设计提供理论支撑。在课题组已成功构建的围岩试件开挖卸荷模型试验系统基础上,对水泥砂浆围岩试件进行不同初始围压下不同卸荷速率的系列试验。试验结果表明:(1)开挖卸荷对围岩变形及破坏的影响不仅存在于卸荷阶段,卸荷效应会在卸荷结束之后继续对巷道围岩产生影响,并且随着初始围压的增大,对卸荷后围岩变形的影响更为明显。(2)卸荷阶段的切向、轴向应变率均呈现先增大后逐渐减小的变化趋势。快速卸荷应变率峰值出现较早,慢速卸荷应变率峰值出现较晚。(3)初始围压相同时,卸荷速度增大,卸荷阶段应变率加快,变形总量越小。卸荷速度相同时,初始围压增大,卸荷阶段应变率加快,变形总量越大。(4)慢速卸荷破坏时,试件外壁完整,内壁上靠近底端出现片状剥落;快速卸荷破坏时,试件外壁上出现环状贯通裂隙伴随少量竖向微裂隙,内径缩减明显,内壁上出现岩块掉落现象。试验结果有利于进一步研究其他相关因素对围岩变形及破裂形态的影响机制。     

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。     

采动影响下大跨度煤巷耦合支护技术研究与应用

 为解决多次采动影响下大跨度煤巷支护难的问题,以高家梁矿20108工作面回风巷道为例,通过分析工程地质条件和工程岩体特性可知,20108回风巷道属于应力扩容膨胀型复合地质软岩,确定力学破坏机制为IABCIIBDIIIDA复合型变形力学机制,提出采用锚网索带注耦合支护方案。基于FLAC3D数值软件,对锚网索带注耦合支护方案进行数值计算,计算结果显示,与无耦合支护对比,屈服区域显著缩小,顶底板和两帮变形都得到有效控制。现场监测煤巷围岩变形表明,多次采动影响下煤巷两帮变形速率大于顶底板,表明两帮变形速率控制着20108回风巷道的使用功能。研究结果表明,锚网索带注耦合支护在采动影响下大跨度煤巷支护中取得良好的支护效果,数值计算表明,采动影响下大跨度煤巷采用耦合支护技术是可行的;现场监测结果也验证耦合支护技术的有效性和可靠性。     

动载作用下圆形巷道锚杆支护结构破坏机理研究

将冲击应力波进行合理简化,建立平面P波与圆形锚固巷道相互作用简化模型。结合算例,通过分析深部围岩径向应力、巷道表面切向应力、巷道表面径向位移以及深部围岩与巷道表面径向位移差等代表性指标,确定了重点支护位置,推导了重点支护位置的锚杆受力机制并提出了相应破坏类型及判据。结果表明:迎波侧与侧向位置是重点支护位置。迎波侧锚杆总应力是静载轴应力、锚杆振动的动应力和动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,强冲击下迎波侧支护结构的破坏类型为单次瞬间摧垮破坏,围岩受压破裂,锚杆松动失去加固作用;循环弱冲击下的破坏类型为循环累积损伤破坏,受压围岩逐渐损伤致裂,锚杆反复受压、受拉直至松动,这进一步加剧围岩的损伤破裂,当承载拱强度降低到一定值后,一次小冲击就能诱发巷道冲击破坏。侧向位置锚杆总应力是静载轴应力、动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,锚杆始终受拉,在强冲击下可能发生拉断破坏。通过相似模拟试验,较好地验证了理论分析结果,表明理论分析结果对工程实践具有一定的指导意义。     

迎上下采空孤岛面沿空掘巷围岩变形破坏特征

为了研究分析上下煤层两侧都采空而形成的孤岛面沿空掘巷和煤层开采时围岩应力分布及变形破坏特征,应用理论分析、计算机数值模拟与具体工程实践相结合的研究方法,分析了上下煤层两侧采空情况下,下孤岛工作面迎上孤岛面沿空掘巷期间及煤层开采过程中,采场围岩应力分布、变形破坏规律。结果表明:该情况下孤岛工作面围岩结构特征因受多次开采影响,其整体性和联动性都有所降低,采场围岩应力分布特征有所不同,且煤柱宽度尺寸对巷道受力变形有较大影响。掘巷期间轨道巷煤柱帮的变形量大于实体煤帮变形量,顶板下沉量大于底鼓量;回采期间顶板运移特点决定了两巷围岩主要呈现拉剪破坏,随着工作面的推进,采动影响阶段和影响剧烈阶段范围逐渐增大,巷道断面收缩率随着距工作面距离的减小而增大。对于孤岛面开采沿空巷道的特殊围岩条件,应遵循“强顶、固帮、控底的全断面围岩控制技术思路,对上下隅角附近巷道加强支护,提高围岩自身强度,为类似条件孤岛面巷道维护及安全开采提供理论技术保障。     

直墙拱形巷道围岩应力场分析

为得出直墙拱形巷道围岩应力分布规律,应用复变函数弹性理论推导了直墙拱形巷道围岩应力分布的解析表达式。对直墙拱形巷道边界的围岩应力和巷道水平线方向的围岩应力分布规律进行分析,并考虑直墙拱形巷道断面高宽比和侧压系数对其影响规律。研究表明：在不同巷道断面高宽比、侧压系数下,直墙拱形巷道围岩应力集中区域主要集中在直墙底部底角处、拱形顶板中点附近和底板中部3个位置。不同巷道断面高宽比下,直墙拱形巷道沿水平线的应力分布规律基本相同。侧压系数大于1时,采用巷道断面高宽比小于1较有利于巷道稳定;侧压系数小于等于1时,采用巷道断面高宽比大于1较有利于巷道稳定。     

大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理与支护技术

为解决大倾角煤层旋采巷道围岩变形控制难题,以潘北矿12124大倾角煤层回采巷道为工程背景,采用现场试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了旋采巷道破坏规律及上采空区支承压力对巷道的影响,分析得出大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理。结果表明:(1)旋采巷道拐点处断面较大,且受到上采空区及超前支承压力影响,巷道应力值增大,支护体压缩破坏失稳;(2)旋采至拐点前10 m处采空区煤柱应力与采动应力贯通,同时大倾角下巷道受到上覆岩层剪切应力影响,巷道变形增大。通过分析及工程实践,提出并实施了巷道卧底扩刷、锚网索联合支护方式,有效控制巷道变形,取得较好的社会效益。     

动静组合加载下岩石破坏的应变能密度准则及突变理论分析

阐述了岩石在动静组合载荷作用下使用应变能密度定义破坏准则的适用性。分析认为，岩石破坏的应变能密度的临界值与岩石破坏之前的不可逆变形过程和外界条件有关，而不可逆变形过程主要是由于岩石的非弹性变形、损伤和其他内部耗散机制引起的，且反映静水胜力的体积变形能在某些应力状态条件下的岩石破坏中是不能忽略的。提出用机械模型来反映动静组合加载下岩石单元体弹性的劣化和非弹性变形的产生以及加载速率的影响，并以机械模型为基础，求出受一维静载岩石在动载作用下破坏应变能密度的临界值。同时，根据静力预加载结构的冲击屈曲突变模型，建立了静加载岩石系统的冲击破坏模型，进一步分析了动静组合加载下岩石的破坏。最后，采用低周疲劳加载方法在Instron电液饲服摔制材料试验机卜进行了红砂岩中心变率下的动静组合加载破坏试验，对应变能密度准则和突变理论模型进行了验证。结果表明，理论模型与试验结果有较好的一致性。     

巷道围岩应力空间分布仿真分析

为得出巷道围岩应力空间分布特征,以圆形断面巷道为例,采用复变函数方法得出其应力解,并把映射空间解转化为巷道所在空间解后对巷道周围岩体应力场进行仿真分析,得出了巷道周围岩体应力场分布直观图,可方便直观的了解巷道围岩任意位置应力分布情况。并考虑不同半径、不同侧压系数对围岩应力场的影响,得出了:圆形巷道围岩应力峰值及其出现方向与半径无关;侧压系数小于1/3时,顶底板开始产生拉应力,大于3时两帮围岩开始产生拉应力;以及环向、径向、剪切应力及最大、最小应力的变化规律。     

主应力演化影响下的深部巷道围岩变形破坏特征试验研究

研究主应力变化对深部巷道围岩变形破坏特征的影响是巷道支护中非常必要的。以某矿处于深部高水平应力条件下的巷道围岩为工程背景,以大尺度三维相似材料模拟试验系统和制作的主方向应力传感器量测工具,采用"先加载后卸载"的开挖方式模拟主应力大小和方向演化影响下的有支护巷道围岩产生剪切滑移的变形破坏特征。研究表明,在高水平应力环境下巷道在掘进开挖过程中顶底板受挤压剪切作用产生变形破坏,破坏范围呈现"楔形"渐进发展;通过模型剖切面发现巷道围岩顶底板产生了不同数量的对称螺旋状剪切滑移裂缝,并向巷道两帮发展并交叉,将巷道围岩形成一定范围的剪切破坏区域;通过分析主应力大小及方向的演化可知,巷道围岩受高水平应力作用形成的剪切滑移裂缝破坏与主应力大小及方向演化存在必然联系,认为最小主应力的调整对剪切滑移裂缝的形成起到了重要作用。     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。