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。     

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。     

高应力软岩巷道支护失效机制及控制研究

为明确高应力软岩巷道支护失效机制,并验证新型支护形式的有效性,以赵楼煤矿1 000 m深井为工程背景,在现场监测围岩变形破坏及支护失效规律的基础上,通过对FLAC3D中beam单元的修正处理,实现拱架支护体系的精细化模拟,讨论支护强度等级(拱架形式)、地应力等级、围岩强度等级3个因素对巷道围岩变形量、塑性区范围、支护构件受力状态等的影响规律;在此基础上,分析高应力软岩巷道支护失效机制。对于高应力软岩巷道,锚网喷支护具有明显的局限性;而具有一定刚度和强度的拱架是一种行之有效的围岩控制途径。采用方形钢管约束混凝土拱架支护体系进行现场试验表明,新型高强拱架支护方式使得巷道围岩稳定性得到有效控制。     

高地应力区结构性流变围岩稳定性研究

主要针对金川矿区地下巷道,根据大量的现场调研以及丰富的试验、测试和监测资料,同时查阅并参考了国内较多类似地下工程的资料,发现这类高地应力区较破碎的坚硬或较坚硬围岩的流变性及其他相关特征,在时间和空间上,既具有理论上的普遍规律,同时也显示出诸多特殊性,从而围岩的变形破坏特征兼具软岩和硬岩的部分性质。这些特殊的时空特征与目前的科学概念相悖,也是现有理论所不能解释和解决的。究其原因,它们不是由岩石变形引起,而是由结构面的时间相关性变形所致。据此,提出围岩结构性流变的新观点。结构性流变(structural rheology)是指在高地应力区完整性差的坚硬或较坚硬岩体内,由于工程开挖,结构面依应力状态而发生一系列复杂的时间相关性力学行为和力学响应,致使工程岩体表现出显著流变的现象或过程。利用多种实测资料,从围岩应力、围岩位移、围岩压力和巷道变形破坏的时间和空间分布特征、弹性波速度的时空变化特征以及渗流场的时空变化特征等方面,论证了围岩动态过程中,结构面随时间而发生变化,导致围岩产生强烈的流变和其他相关特征。并用这些资料,讨论了围岩的结构性流变的动态特征、机制和模式,也给出了结构性流变的理论解析解和数值计算结果。理论解析解和数值计算结果与实测结果吻合非常好,     

极软岩回采巷道互补控制支护技术研究

 从加固破碎岩体和提高支护阻力两方面综合研究入手,分析小康煤矿巷道围岩的力学及变形破坏特征,得出小康煤矿软岩回采巷道围岩失稳机制,指出原有支护系统变形不协调、支护阻力低和没有发挥围岩的承载能力是导致巷道破坏和支护失效的主要原因。以铁法矿业集团小康矿S2N8运输顺槽为工程实例,研究高强度高预紧力锚杆、强力锚索、金属网和喷浆加固以及U型钢在控制围岩变形中的互补作用,详细介绍高强度、高预紧力锚网索配合U型钢可缩支架的互补控制综合支护方案并进行现场工业试验。研究结果表明,互补控制支护技术能够避免极软岩回采巷道的多次翻修,实现支护一次到位。     

巷道岩体蠕变断裂失稳区预测研究

地下巷道岩体具有一面临空,围岩的应力由原来的三向应力状态变为二向应力状态,在次生应力的作用下围岩会产生蠕变,其随时间的增长巷道将发生严重的收缩变形破坏,即蠕变断裂破坏。以白皎煤矿地质资料为背景,利用3D–σ有限元软件建立了巷道的三维结构模型,巷道采用正台阶式开挖,应用工程岩体蠕变断裂失稳两步计算法,分析了巷道岩体在动态施工过程中产生蠕变断裂形成塑性区域的演化特征,研究成果可为巷道支护设计提供理论依据。     

高应力软岩巷道及底臌治理技术方案研究

本文以北徐楼煤矿为例,针对具有明显的深部软岩特征的煤矿,在保证深部巷道围岩稳定下,通过改变巷道支护结构、对深部巷道进行系统研究等方面对深部高应力软岩巷道治理及防治底臌技术提出研究方案。工程实践表明:方案的实施能够有效解决由于巷道埋深大、岩层松软等产生的巷道大变形、破坏、冒顶等问题,保证了巷道长期稳定。     

基于FLAC3D的巷道分步开挖支护稳定性模拟研究

针对陈四楼煤矿-850m深部软岩巷道,为研究巷道开挖时和支护后围岩稳定性,本文基于巷道围岩支护理论,采用FLAC~(3D)对巷道围岩进行模拟,锚杆加喷浆支护的方式,提高锚固岩体的稳定性,并对锚喷支护前后的围岩应力和位移变化进行分析。研究表明支护后围岩塑性区范围减小幅度在20%～30%,且最大应力值下降10. 88%;有支护下的围岩位移变形量仅为未支护时围岩位移变形的5. 9%;发现第二次支护对第一次支护具有加固作用,且随着开挖深度及长度的增加,支护体最大应力值和位移值均有所增加。研究工作可为相似深部软岩巷道支护工作提供依据。     

王洼矿区软岩巷道围岩地质力学性能评价

王洼矿区泥质软岩巷道围岩易水化膨胀、短期内碎胀扩容、蠕变变形持续时间长、全断面来压,巷道内架设普通的刚性支护后普遍出现破坏。因此,选取典型巷道开展该矿区软岩巷道围岩地质力学性能评价,全面掌握该矿区地应力大小和方向。结果表明:该地区属于中低应力地区;该矿地应力测点经统计最大水平应力、最小水平应力均小于最大垂直应力;地应力对该矿区开采活动的影响不大,巷道变形受地应力的影响也不大;下一步需重点考虑巷道围岩矿物成份及其膨胀特性,以及围岩松动破坏范围。     

弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用

应用弹塑性小应变大变形理论，运用三维有限元方法研究了台湾软岩隧道在高地应力和围岩岩体力学参数较低的情况下，围岩变形，受力及破坏状态与开挖方式和支护方案的关系，得到了一些有益的结论，为该地区隧道合理施工提供了依据。     

考虑扩容碎胀特性的岩石本构模型研究与验证

高应力卸荷条件下岩石扩容碎胀非连续变形行为研究对揭示深部巷道围岩稳定性演化及控制机制,分析预测围岩稳定性具有至关重要的意义。为此,依托室内岩石三轴卸荷试验,首先研究全应力–应变曲线各特征应力值随围压变化的演化特征,提出岩石进入峰前损伤扩容与峰后破裂碎胀阶段的临界条件准则,并考虑扩容碎胀破裂演化过程中岩样力学性质劣化规律,建立描述卸荷条件下岩石损伤扩容和破裂碎胀演化机制的本构模型,采用VC++编程语言将该模型嵌入到UDEC软件中,实现其非线性数值计算功能。同时,通过室内岩石试验曲线的模拟拟合,表明该模型在描述岩石扩容碎胀特性方面的合理性。最后,将该模型应用于一典型深部巷道围岩破损区分布的模拟研究中,通过与经典模型的对比分析,验证该模型在工程应用方面的可行性,并有针对性地提出深部巷道稳定性分析与维护的合理化建议。     

岩性弱结构巷道围岩的塑性区与松动圈形态

根据煤系地层赋存的不均一性和巷道围岩变形破坏的不均衡性，提出了巷道围岩弱结构与弱结构体的概念：在数值模拟及现场实测的基础上，分析了不同类型、断面形状及围岩应力状态下的岩性弱结构巷道塑性区的分布特征，以及岩性弱结构巷道围岩松动圈的发育特征。研究结果为岩性弱结构巷道的非均称控制提供了依据。     

软岩巷道支架壁后充填与围岩关系的研究

支架的高阻和可确保软岩巷道稳定性的关键,受力条件恶凶制着软岩巷道支架支撑能力的发挥,实施支架壁后充填使支架及早承载和均匀受力,可大幅度提高支架的工作阻力,有效地控制巷道围岩地强烈变形,     

深部软岩巷道支护原理及应用

针对深部软岩巷道四周来压、整体收敛、变形强烈的特点,研究深部软岩巷道支护原理,提出了主动有控卸压的方法,释放围岩膨胀变形能,将高应力向围岩深部转移,减小浅部围岩应力。针对古汉山矿西大巷地质条件确定了合理的释放变形空间;提出应用高水速凝材料注浆加固遇水弱化、膨胀的泥岩;研究得到确定合理二次支护时间的方法;该成果成功地应用于工程实践,有效控制了深部软岩巷道大变形。     

深部地下洞室施工期围岩大变形机制分析

大岗山水电站引水发电系统地下洞室埋深大,花岗岩因风化卸荷强烈,岩脉破碎带发育,应力较高。在施工过程中,岩脉、断层穿越的主变室部位出现较大的变形,严重影响施工安全与进度。采用地质调查和现场监测的方法,结合现场施工情况分析主变室围岩大变形特征和机制,提出2种可能的大变形破坏模式,分析影响围岩大变形的因素,并评价主变室的稳定性。研究结果表明:主变室围岩大变形主要受辉绿岩脉8 1和断层f59,f60控制,同时,地应力高、施工强度大、支护进度滞后加剧围岩的大变形。深部地下洞室施工期的地质调查及现场监测可以及时预测高应力区卸荷围岩的大变形,以确保洞室施工期的稳定安全。研究成果对类似工程具有重要的参考价值。     

我国煤矿巷道围岩控制技术发展70年及展望

总结新中国成立70年来,我国煤矿巷道围岩控制领域取得的主要研究成果,涉及巷道围岩地质力学特性,围岩变形、破坏特征与机制,围岩控制理论及技术。介绍煤系沉积岩地层强度、煤岩体结构特征及煤矿井下地应力分布规律,采煤引起的采动应力场分布特征及对采动巷道围岩稳定性的影响。指出煤矿巷道围岩变形具有分阶段性、流变性和冲击性,巷道围岩破坏有煤岩破坏、结构面破坏及围岩结构失稳破坏3种模式,软岩、强采动、大变形是我国煤矿巷道围岩控制的主要特点。论述5类巷道围岩控制方法与原理:控制围岩松动载荷、控制围岩变形、在围岩中形成承载结构、围岩改性及围岩卸压。阐述巷道围岩在掘进全过程的控制原理,重点介绍预应力锚杆支护理论及支护应力场的概念。将巷道围岩控制技术分为5类:表面支护、锚固、改性、卸压及联合控制技术,介绍金属支架、锚杆与锚索、注浆加固、水力压裂卸压及联合控制技术的发展历程和应用情况。最后,分析煤矿巷道围岩控制中存在的问题,并展望未来技术发展趋势。     

围岩变形内表比及一种新的巷道围岩分类法

根据现场实测资料和数值模拟计算结果,研究了几种不同类型巷道围岩变形规律,提出更能反映围岩变形规律和变形状态的"内表比"概念,进而考虑依据巷道围岩表面变形量和内表比值两个参数,提出一种新的巷道围岩分类法,并根据各种支护所容许的极限变形量,给出相应的合理支护形式。     

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。     

高地应力陡倾互层千枚岩地层隧道大变形研究

在高地应力陡倾软岩地层中开挖隧道,易引发围岩发生大变形。为了明确大变形的诱发因素,分析围岩的破坏机制、变形特征及支护结构的受力规律,提出合理的控制技术,依托杨家坪隧道进行相关研究。通过岩石试验,分析绿泥石千枚岩显著的各向异性力学特性,明确岩块的破坏形式与荷载角度的关系。通过现场观测和数值计算可知,围岩变形表现为整体内挤,水平收敛大于拱顶沉降,边墙围岩以水平向的弯折破坏和层面分离为主,其最大主应力呈"",""形分布,拱部和仰拱围岩以剪切滑移破坏为主,其最大主应力沿隧道切向。综合分析该隧道大变形的主要诱因是:高构造应力、不利岩层产状和低岩体强度。通过现场测试,总结了各支护结构的受力分布及发展规律。现场试验成果表明:与岩层大角度相交的长短组合锚杆配合注浆可有效加固围岩,改善围岩压力;减少开挖分部,使初支尽快成环,可充分发挥初支承载力;优化断面轮廓,可改善结构受力。