六边形进路开采围岩稳定性的多因素影响分析

针对大屯锡矿进入深部开采后巷道围岩稳定性差的问题,为了保证矿山安全高效开采,本文采用数值模拟的方法分析了采场埋深、六边形矿房跨高比和侧压系数对围岩稳定性的影响。研究表明：（1）各影响因素对围岩的位移和应力均有影响,且各影响因素之间存在显著的交互作用;（2）采场埋深和侧压系数对采场围岩位移的影响较跨高比更加显著;（3）六边形矿房宽度大于高度时,两帮应力呈线性增长,跨高比对围岩应力的影响大于采场埋深和侧压系数。据此,当确定采场埋深和侧压系数后,改变六边形矿房的尺寸可以提高围岩的稳定性,研究结果对开采设计具有一定的参考价值。     

基于偏应力场的巷道围岩破坏特征及工程稳定性控制

针对巷道围岩破坏机理及稳定性控制问题,采用岩石力学等相关理论推导了巷道围岩偏应力场的解析解,分析了圆形巷道围岩在不同情况下的分布情况,建立了偏应力场与塑性区分布的本构方程,表明塑性区半径与极坐标的角度和偏应力是密切相关的,可呈不规则分布;结合工程实际,采用数值计算模拟分析了垂直应力大于水平应力时(侧压系数λ=0.4)和水平应力大于垂直应力时(侧压系数λ=1.6)不同应力状态下的巷道围岩偏应力和塑性区演化过程;根据现场调查及塑性区演化特征,提出在不同侧压系数下巷道围岩可形成典型正对称失稳模式和典型角对称失稳模式,并分析了这两种破坏模式的巷道围岩支护误区,以及相应的控制原则与关键技术。结合木孔煤矿和高坑煤矿的工程实践,应用了以"锚杆+锚索"支护为主,以提高两帮稳定性目标的"高强刚桁架"综合支护技术;以及以"关键部位注浆",发挥内、外耦合作用的"锚杆+U型钢+锚索"综合治理方案。工程实践表明,所提出的支护方案分别能对正对称失稳巷道和角对称失稳巷道围岩变形能起到较好的控制效果。     

不同原岩应力下巷道群应力分布数值模拟研究

采用FLAC3D有限差分数值模拟软件对不同原岩应力状态下巷道群围岩应力分布进行了模拟研究。通过分析围岩应力场特点,得出了巷道掘进扰动效应与垂直应力及侧压系数的关系:掘进扰动影响程度随垂直应力的增大呈上升趋势,顶板部位受扰动影响较为显著;掘进扰动影响程度随着侧压系数的增大并非单调增大,当侧压系数大于一定数值时,掘进扰动影响程度反而降低。研究可以为隧道群布置的优化提供一定参考,也可以为煤矿实际生产提供理论指导。     

大断面Y型拱形巷道交叉点稳定性数值分析

针对Y型交叉点围岩稳定性控制方面的问题,运用FLAC3D软件,采用S-B建模方法对不同的交叉角度、埋深、围岩强度、侧压系数以及开挖顺序等影响因素进行数值模拟分析。结果表明,与交叉点角度和侧压系数相比,埋深、围岩强度、开挖顺序对Y型交叉点的影响更为显著。且埋深和围岩强度对交叉点稳定性的影响均存在1个拐点,当参数大于拐点时均会产生较大的破坏。而侧压系数对交叉点的影响主要体现在对交叉点塑性区域大小的影响,虽无规律,但是波动范围不大。     

深埋隧道围岩稳定影响因素的敏感性分析

选取隧道洞径、埋藏深度、岩层倾角、板砂岩的厚度比和侧压系数等5个典型因素,通过正交试验法进行设计,利用3DEC数值模拟分析,得到了各个因素对隧道围岩稳定的影响规律。侧压系数是影响最显著因素,岩层倾角是影响最小因素。随着洞径的增加,衬砌最大位移和最大应力也相应增加;当洞径大于9 m时,洞径对衬砌位移的影响作用开始加剧。当埋深在500~700 m时,埋深对衬砌位移与应力的影响最显著。随板砂岩比例的增加,衬砌位移和应力总体呈减小趋势。侧压系数为1.0时,衬砌最大位移和最大应力最小;侧压系数大于1.5时,最大位移和最大应力随侧压系数增加而急剧增加。     

非均匀应力场下巷道围岩弹塑性分析

根据岩石材料的变形特性,引入了在实际工程中对巷道围岩具有一定影响的参数,采用岩石应力-应变三线段力学模型,分析了非均匀应力场下圆形巷道围岩弹性区、塑性软化区、塑性残余区的力学形态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的理论解。在此基础上给出具体算例,分析了不同的影响因素对巷道围岩的影响。通过实例表明：岩石的侧压系数、应变软化、支护压力对围岩的力学形态、塑性区大小都有很大的影响;随着侧压系数的增加,巷道两帮处的塑性区范围在减小;软化模量的降低可以减小塑性区的半径;支护压力增加也可以减小塑性区半径。了解岩石的侧压系数,控制岩体的软化模量,适时加大支护压力均能有效地控制巷道围岩的稳定性。     

地层应力对掘进巷道稳定性的影响

为了研究地层应力对掘进巷道稳定性的影响,通过掘进巷道应力场理论分析,提出巷道垂直应力与水平应力之间可以通过一个包含构造影响的综合侧压系数来联系,并通过ANSYS数值模拟软件,模拟巷道在不同的侧压系数下有效应力的分布情况,以及巷道各个关键点随侧压系数的变化趋势,结果表明:当侧压系数小于1,巷道的破坏主要是顶底板的移近;当侧压系数后等于1,巷道的破坏主要是断面积的整体变小;当侧压系数大于1,巷道的破坏主要是巷帮的移近,从而导致顶板冒落及底鼓。巷道各个关键点的有效应力随着侧压系数的增大有上升趋势。     

初始地应力场对煤矿巷道围岩稳定性的影响

基于柴里矿二水平南轨上山实际地质开采条件, 采用UDEC数值模拟计算, 对岩层移动模拟研究中初始地应力场对巷道围岩稳定性的影响进行了研究。研究结果表明, 地应力的大小、方向对巷道围岩稳定性影响很大, 巷道两帮移近量、顶板下沉量和底板底臌量整体上都随着侧压系数增大而增大; 巷道顶、底板和两帮内围岩垂直应力随着侧压系数增大而增大, 当侧压系数超过1.5以后, 随着侧压系数增大, 两帮支承压力峰值逐渐趋于一定值, 且支承压力峰值位置有靠近巷帮的趋势; 巷道两帮和顶底板岩层不同层位处的位移大小和方向是不同的, 两帮和顶底板一定距离内存在着位移为0的点或面。     

考虑中间主应力的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于Drucker-Prager准则,引入中间主应力系数,推导出不同侧压系数下巷道围岩塑性区边界线方程,用于预测不同侧压系数下巷道围岩塑性区的大小和形状。用单因素分析法,考虑不同中间主应力下,巷道围岩塑性区半径的变化规律。在侧压系数λ=1的时候,对在D-P准则下和在Mohr-Coulomb准则下巷道围岩塑性区的大小进行比较。侧压系数越偏离于1,巷道围岩塑性区水平方向和垂直应力侧差异增加,对围岩塑性区的大小和形状影响也越大;随中间主应力增大,塑性区范围越小。     

不同侧压系数下直墙半圆拱巷道底脚受力模拟分析

直墙半圆拱巷道直墙与底板相交的底脚属于应力容易集中的不利部位,巷道的破坏也常发生于底脚处。利用数值模拟软件FLAC3D对不同侧压系数下,巷道底脚受力情况进行了研究。结果表明,直墙半圆拱巷道最大压应力常出现在巷道直墙与底板相交的底脚处。随着侧压系数增大,巷道底脚位置处所受到的压应力呈现出增大的趋势,巷道底脚位置处衬砌的剪力与弯矩也表现出增大的趋势。若实际生产中巷道所在的区域水平应力较大,其底脚部分围岩可能较容易发生破坏,同时,底脚处衬砌也较易产生破坏,从而威胁到巷道支护结构的整体稳定性。     

浅埋连拱隧道施工动态响应特征研究

以实际工程为依托,针对浅埋连拱隧道暗挖施工稳定性问题,研究了隧道开挖过程中围岩、支护结构、中隔墙等结构的应力分布情况以及地表沉降等指标的动态响应特征。结果表明,中导洞开挖过程中,上台阶开挖对围岩应力影响较明显; 隧道施工完成后中隔墙上最大应力达7.03 MPa,侧洞拱腰及拱顶部位存在应力集中,大小为0.7~1.55 MPa; 侧洞靠近中导洞的上台阶初支结构拉应力达1.67 MPa,侧洞远离中导洞的上台阶初支结构压应力达4.48 MPa; 侧洞靠近中导洞侧台阶开挖时中隔墙应力增幅明显,掌子面远离监测面超20 m后施工对中隔墙无影响; 地表沉降最大部位位于隧道轴线处,沉降最大值为7.20 mm,沉降区域半径约25 m。     

采动影响下断层附近矿压显现规律的相似模拟试验研究

为了研究采动影响下断层附近矿压显现规律,以曹村煤矿1010工作面的地质条件制作了两个相似材料试验模型,模拟工作面分别从断层下盘和上盘向断层推进研究了断层附近的矿压显现规律,研究结果显示:工作面由断层下盘向断层推进时,越靠近断层顶板稳定性越差,周期断裂步距小,当开采工作面在断层面位置时断层的正应力和剪应力达到最大值;当开采工作面从断层上盘向断层推进时,开采工作面顶板岩层断裂易于形成梁式结构,且断层滑移量相对保持不变;开采工作面经过断层后,断层的上下盘均发生显著运动,而主要以断层上盘沿断层面向下相对运动为主。     

多年冻土隧道开挖稳定性分析

采用通用有限元程序,利用温度结构间接偶合方法,通过数值模拟,分析多年冻土隧道开挖过程中可能出现的应力集中区和围岩变形,以选取合理的开挖方案和衬砌结构形式;通过热应力分析,分析多年冻土隧道施工环境温度场与多年冻土围岩稳定的关系,得出施工环境温度的变化对多年冻土围岩的稳定影响并不是在于其引起的强度变化,而是在于其引起的裂隙状态变化,明确了施工温度场对多年冻土围岩稳定的影响主要表现为因融化造成的局部崩塌,该结论可为多年冻土隧道施工提供依据。     

卸载条件下二向不均等地应力场中圆形冻结壁弹性应力分析

为获得二向不均等地应力场中圆形冻结壁的受力变形规律,考虑开挖卸载工况,建立了冻结壁与围岩相互作用弹性力学模型,推导并用有限元软件验证了其解析解,且与传统加载模型进行了对比。着重分析了冻结壁内缘环向应力与径向位移的分布情况及其与各影响因素间的关系。研究表明:加载模型较本文卸载模型计算结果总体偏大;在冻结壁与围岩弹性模量的比值β较小时,考虑其相互作用可有效减小冻结壁的应力与位移;若地应力均匀系数λ较小,冻结壁内缘会出现环向拉应力,不利于其承载能力的发挥;卸载率、β、λ、冻结壁内外半径比均对冻结壁的应力、位移有较大影响,而泊松比的影响相对较小。本文计算模型能较真实地反映冻结壁的受力变形情况,研究成果对冻结壁的设计与施工具有一定的指导作用。     

采动巷道围岩非均匀变形特征及稳定性控制技术研究

受到原岩应力与采动应力叠加影响的巷道会产生非均匀变形,甚至发现顶板事故,采动巷道围岩稳定性控制是实现矿井安全高效开采的关键。针对长岭一号煤矿152106工作面轨道巷受到采动影响变形严重的问题,采用现场监测、数值模拟等研究方法,分析了采动巷道围岩变形特征及塑性区演化规律。结果表明：在采动影响下,巷道围岩变形呈非均匀特征,工作面前方巷道围岩变形量小于工作面后方,巷道煤柱侧变形量大于煤壁侧,顶板出现离层并且靠近煤柱侧底鼓量更大,局部可达400mm|工作面前方最大主应力、主应力比值、塑性区范围均小于工作面后方,塑性区呈椭圆形分布,巷道围岩位移量与塑性区范围具有一致性。据此提出了补强支护方案,即顶板补打锚索、煤柱对穿锚索及打设单体液压支柱,现场试验结果表明轨道巷煤柱帮变形减少了65%,巷道底鼓量260mm,工程应用效果较好。     

高地应力条件下围岩破损区岩体力学特性研究

利用细观损伤力学的基本原理,建立了高地应力区围岩稳定分析的细观损伤力学模型,对围岩破坏全过程进行了分析模拟。引入等效模型的概念,对破损区域内围岩在破坏前后分别建立等效模型,进行数值力学试验,根据试验得到的力学特性曲线,对围岩开挖破碎带岩体主要力学参数（强度、变形模量等）随施工过程的变化规律进行了深入的定量研究,得到了岩体主要力学参数的变化数值,为岩体稳定分析和结构设计提供了可靠的依据,同时也进一步明确了开挖后围岩扰动区域的划分标准。     

混凝土填充墙支护下沿空留巷稳定性分析

为揭示混凝土填充墙支护下综采沿空回采巷道矿压显现规律,有效控制围岩变形,根据某矿综采面地质与开采条件,应用数值计算方法研究采后留巷的稳定性。数据分析显示:混凝土墙支护下沿空留巷围岩应力随采煤工作面推进呈周期性变化,采后20 m范围的巷道围岩来压较剧烈,是重点支护区域;巷道围岩位移量随采煤工作面的推进而增大,其中巷帮移近量较小,而顶板下沉量较大,表明采用混凝土墙支护沿空留巷有利于巷帮的稳定,但不利于顶板稳定。     

开挖扰动对断层上下盘围岩稳定性的影响研究

为研究采动应力对断层上下盘围岩稳定性的影响,采用相似模拟实验的方法,对开挖扰动作用下断层上下盘的围岩移动和破坏机制展开研究,结果表明：随开采工作的不断进行,断层在采动应力的影响下,位于断层下盘的围岩系统失稳垮落现象明显,基于覆层空间结构思想,对下盘围岩冒落规律展开分析,将断层下盘围岩冒落过程分为裂隙发育、覆层快速失稳、覆层逐渐稳定、覆层突变冒落四个阶段。相对于下盘围岩,上盘围岩位移变化微弱,应力增长显著,引入断层稳定性评估的应力比状态量,应力比计算值均在稳定区间内,上盘围岩系统保持稳定,受开挖扰动影响小。