Failure behavior of horseshoe-shaped tunnel in hard rock under high stress: Phenomenon and mechanisms

A particle flow code (PFC) was first applied to examining the mechanical response of a horseshoe-shaped opening in prismatic rock models under biaxial compression. Next, an improved complex variable method was proposed to derive the stress distribution around the opening. Lastly, a case study of tunnel failure caused by rock burst in Jinping II Hydropower Station was further analyzed and discussed. The results manifest that a total of four types of cracks occur around the opening under low lateral confining stress, namely, the primary-tensile cracks on the roof-floor, sidewall cracks on the sidewalls, secondary-tensile cracks on the corners and shear cracks along the diagonals. As the confining stress increases, the tensile cracks gradually disappear whilst the spalling failure becomes severe. Overall, the failure phenomenon of the modelled tunnel agrees well with that of the practical headrace tunnel, and the crack initiation mechanisms can be clearly clarified by the analytical stress distribution.     

软岩与水相互作用研究综述

软岩是一类松散、破碎、软弱及风化膨胀性的强度较低的岩石,在水环境作用下软岩易产生大变形失稳破坏。大多数岩土工程事故都涉及到软岩与水的相互作用,研究软岩与水相互作用对于分析某些由软岩失稳引起的工程事故具有重要的理论和现实意义。针对软岩与水相互作用这一问题,从软岩与水相互作用的分类、软岩吸水特性的影响因素及其软岩吸水失稳机理等方面,对国内外具有代表性的研究成果进行了梳理。结果表明:软岩与水相互作用可分为力学作用、物理作用和化学作用。在各种影响软岩吸水特性的因素中,主要因素是黏土矿物的含量和种类、孔隙结构,其他影响因素有水压变化、软岩的干湿循环次数、软岩的块体尺度(尺度效应)和吸水时间等。软岩吸水失稳的根本原因是吸水后黏土矿物微观结构发生变化,而是否含蒙脱石等吸水性极强的黏土矿物并非直接原因;后者只是对软岩吸水过程起到促进作用。     

采场围岩变形与破坏监测技术研究进展及展望

深部煤炭资源开发面临更多复杂、多变、高难的开采地质问题,采场围岩形态结构是矿井安全生产的重要评价指标之一,开展采场围岩变形与破坏测是判别矿井隐蔽致灾地质问题的重要技术保障。在煤炭工业快速发展的近20余年时间里,围岩体形变监测技术取得了长足的进步,基于矿山采场围岩体变形与破坏的影响因素,按照监测形式对监测技术进行了划分,归纳了当前用于矿山采场围岩变形与破坏监测的钻孔测试技术、地球物理探测技术、光纤监测技术及其他测量技术及其特点,结合煤层顶底板、巷道两帮空间监测的工程应用实例,介绍了不同监测技术的主要进展、优缺点以及适用性,讨论了探测技术的革新趋势和未来矿井安全生产中采场围岩变形与破坏监测技术的发展方向。同时,也认识到现有监测技术虽然已取得显著的监测效果,但是仍不能够满足矿井现代化、智能化生产需要。对于监测技术的进步而言,既需要技术装备的不断优化,更是要跨学科、跨专业科学技术理论的完善与更新。在当前地学大数据、云计算、人工智能新一轮科技创新基础上,今后采场围岩变形与破坏的监测技术必然向多元化、多参数、智慧化、全程监控的方向发展,监测方式也将不断地向可视化、动态化的监测预警模式过渡,融合监测技术发挥多参数的作用将越来越重要。     

深部软岩巷道围岩变形特征及数值模拟分析

针对深部煤矿开采条件下软岩巷道围岩出现持续流变时间长、变形大、地压高、巷道难以维护等特点，首先分析了深部软岩巷道变形特征，采用FLAC^3D数值模拟软件，分析了不同埋深条件下巷道围岩垂直应力分布、水平应力分布以及巷道围岩塑性区扩展规律。研究得出，深部软岩巷道的围岩岩块呈松散破碎形态，相互翻转和滑移，岩体的模量和强度低；随着巷道埋深的逐渐增加，巷道围岩应力集中系数逐渐减小，巷道垂直、水平应力峰值逐渐变大，塑性破坏范围扩展速率逐渐增加。研究为深部软岩巷道支护提供理论基础。     

高瓦斯长大隧道施工通风模拟研究

根据不同隧道施工实际，长大隧道的通风通常选择压入式通风或者成本较高通风效果好的巷道式通风，二者有各自的优缺点。高效、经济的通风是保障高瓦斯隧道安全施工的关键因素之一，通风方式的选择至关重要，合理的通风方式能有效稀释瓦斯浓度，并能够节约施工成本。结合高瓦斯长大隧道工程实际，完成了该隧道施工通风参数计算，采用计算流体动力学软件Fluent构建了不同通风方式下瓦斯隧道施工通风数值分析模型。通过数值模拟，得到了隧道内风流流场分布规律及瓦斯浓度分布规律，为瓦斯隧道容易产生瓦斯积聚的地点并需重点检查的部位提供了指导依据，也为通风方式的选择提供了一定的理论基础。     

Three-dimensional upper bound limit analysis of underground cavities using nonlinear Baker failure criterion

A generalized nonlinear Baker failure criterion is employed with the upper bound limit analysis to study the surrounding rock stability of underground cavities. A three-dimensional (3D) failure mode is established by extending the two-dimensional (2D) failure mode, which offers an upper bound expression of the surrounding rock pressure. This method is validated with a series of examples before the influence of four parameters of scale parameter, curvature parameter, shift parameter and lateral pressure coefficient, on the surrounding rock pressure is analyzed. According to these results, failure ranges of the underground cavities are determined. The following conclusions are reached: (1) the proposed approach is more accurate to predict surrounding rock pressure than the Mohr−Coulomb failure criterion; (2) the surrounding rock with large scale parameter, curvature parameter, shift parameter, and lateral pressure coefficient can lead to a more stable underground cavity; (3) the failure range in 3D mode can be predicted according to the upper bound solutions.     

高大软岩边坡下开采程序研究

结合胜利煤田发生大型滑坡的露天矿地质赋存条件，以高大软岩边坡条件下松散物料压覆的煤炭资源安全高效回收为目标，提出采用“横采内排-尾随压脚”的开采程序方案将工作线从直线型变为“Π”字型。从地表水与地下水防治、边坡安全监测等方面提出了保证工程顺利实施的安全保障措施。计算分析了采用“横采内排-尾随压脚”开采程序方案的可观资源回收量及减少运距和提升高度带来的经济效益，同时对矿山实现可持续发展和安全开采的价值进行了预测。     

采场覆岩两带与采空区自燃三带相关关系研究

为研究采煤工作面覆岩两带（冒落带、裂隙带）与自燃三带（散热带、窒息带、氧化带）的关系，通过建立覆岩运移模型，应用CDEM软件模拟分析了试验工作面采动空间上覆岩层两带的扩展过程，分析垂向方向覆岩两带分布对水平方向上垮落煤岩堆积状态的影响情况。通过现场埋管实测的手段以及氧体积分数法进行了采空区煤自燃三带的划分。研究表明，冒落带高度稳定情况下，采煤推进距离（48 m）与采空区散热带和氧化带的分界线（进风侧采空区以里50 m左右，回风侧采空区以里40 m左右）有较好的吻合关系。裂隙带高度稳定情况（顶板150 m处的岩层最大下沉值趋于基本稳定）下，采煤推进距离（126 m）与采空区氧化带和窒息带的分界线有较好的对应关系。     

深埋巷道围岩变形及支护技术研究

随着煤炭开采逐渐向深部转移,巷道围岩变形越来越严重。分析了深埋巷道围岩变形及支护技术,对研究巷道进行了三轴抗拉试验,得到煤和岩石力学参数,采用结构梁和弹性力学分析了巷道围岩变形,为模型分析提供了理论基础,然后采用FLAC^3D数值模拟软件,分析了巷道变形位移,与现场实测相比,数值模拟能够较好地模拟煤矿巷道实际变形情况。研究能够为巷道参数设计提供借鉴。