地下选厂硐室群开挖引起的围岩破裂特征

针对张家湾地下选矿厂硐室群开挖引起的围岩损伤破裂问题,建立RFPA2D数值分析模型,模拟硐室群岩体内部的裂纹起裂、扩展的演化过程,探索阶梯形硐室群开挖卸荷引起的应力效应及其对围岩开裂的影响,并以声发射(AE)作为岩体瞬态卸荷开裂的依据,研究卸荷作用下硐室围岩的破裂范围。结果表明:硐室边墙最先出现起裂破坏,并逐渐沿着竖向发展;围岩裂纹沿着平行于最大主应力的方向发展;岩石非均质性对裂纹的延伸扩展影响很大,均质度越高,应力分布越集中,围岩破裂表现的脆性越强。     

深部圆形巷道开挖卸荷的围岩力学特征及破坏机理

针对深部高地应力条件下巷道开挖卸荷造成的围岩强烈扰动问题,基于弹性卸荷理论,运用留数定理和拉氏逆变换的延滞性给出动态开挖卸荷应力解析解。在此基础上,研究深部开挖卸荷下围岩力学特征和破坏机理,根据围岩力学特征建立动态卸荷的强度准则和拉压损伤模型。通过算例探讨初始地应力、开挖半径、卸荷时间和岩体动态强度对围岩卸荷破坏与稳定的影响。结果表明:深部开挖卸荷下围岩力学特征主要表现为最小主应力卸荷、最大主应力集中,而主应力差的瞬间增大,诱发开挖面内裂隙扩展、贯通,形成由强及弱连续分布的破坏区,构成二次支护前维系围岩稳定的支撑结构。深部动态开挖卸荷下,初始地应力和开挖半径越大、卸荷时间越短,围岩损伤越严重,破坏范围越广,对围岩的扰动越强烈;而岩体动黏聚力和动摩擦角越大,围岩的破坏范围越小,围岩越稳定。分析结果对深入研究高地应下巷道开挖的破坏机制具有重要意义。     

巷道围岩二次应力状态弹性阶段的试验研究

为了实现对巷道开挖卸荷过程中真实加、卸载过程的模拟,掌握巷道(隧道)围岩在开挖卸荷条件下的变形规律及破坏机制,采用具有自主知识产权的巷道围岩开挖卸荷模型试验系统,对有机玻璃围岩试件进行开挖卸荷条件下巷道围岩二次应力状态弹性阶段的模拟试验,并与已成熟的巷道围岩二次应力状态弹性阶段的理论解析进行对比分析.试验过程中监测到围...     

扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制

地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏,对地下工程施工人员及施工设备构成了重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验,研究高应力岩体开挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律,分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明:①单面瞬时卸荷时,轴向应变存在瞬时回弹-压缩流变现象,轴向应力越大,回弹量越小,压缩量越大;②随着第二主应力的增大,破坏强度呈现一个先升高后降低的一个过程,第二主应力为20 MPa处是破坏强度的转折点;③高应力岩体单面卸荷破坏为拉伸-劈裂-剪切复合破坏,第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素,在第二主应力为10 MPa时,试样出现拉伸-劈裂-剪切裂纹,随着第二主应力的增加,试样内部剪切现象逐渐消失,出现的劈裂裂纹增加,在第二主应力为20 MPa时,试样内部基本全部处于劈裂破坏;④动静组合作用下,静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素,同等扰动条件下,当静载为破坏强度的80%时,破坏强度为148. 6 MPa,静载为破坏值的90%时,岩样的整体破坏强度为142. 4MPa,静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低,静载相同时,随着扰动振幅、频率的增加,岩体的破坏强度越低,对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。     

基于应力椭圆的巷道变形破裂特征及优化布置

原岩应力是影响巷道围岩稳定的决定因素,通过选择合理的巷道布置方式,改善巷道横断面应力分布状态,是解决巷道围岩变形破裂问题的关键所在.采用理论分析方法得到了表征巷道断面应力分布的应力椭圆表达式,并利用FLAC3D数值模拟软件,分析了不同巷道布置情况下,围岩变形破裂特征与应力椭圆的关系.研究结果表明:巷道断面应力椭圆大小和分布随其走向不同存在显著差异,应力椭圆越大,巷道开挖后应力集中越明显;随着巷道断面主应力和的增大,巷道围岩变形和破坏范围也随之增大,且破坏主要发生在垂直最大主应力方向上,因此,最优的巷道布置方式应使应力椭圆最小.在平顶山十二矿井下进行原岩应力、巷道变形和松动圈实测,验证了理论分析和数值模拟结果.     

相邻空区影响下三软巷道变形破坏规律与煤柱留设宽度研究

为了探究相邻空区影响下三软煤层巷道掘进时不同煤柱宽度下巷道围岩变形破坏规律,采用理论计算、数值模拟、物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,分析存在临空区后不同区段煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏范围以及位移分布特征。结果表明：临空区是造成巷道掘进后非对称破坏的主要原因,使煤柱主应力方向与垂向夹角增大,巷道两帮应力呈煤柱侧大于实体煤侧的非对称分布特征;三软巷道破坏形式以剪切破坏为主,破坏主体为两帮,随着煤柱宽度增大,主应力方向与垂向夹角减小,巷道围岩破坏程度降低,临空区对巷道不同位置的影响程度不同,巷道中部围岩破坏程度大于端头处且煤柱侧破坏程度大于实体煤侧;煤柱宽度增大对巷道围岩应力以及煤柱破坏的改善程度有限,现场结果显示当煤柱宽度为20 m时巷道正常维护满足需求。     

巷道围岩破坏形式与原岩应力场的关系研究

运用东北大学开发的RFPA2D程序模拟原岩应力变化时巷道围岩破坏过程,了解无裂纹巷道围岩破坏形式与原岩应力的关系。根据模拟结果,在垂直应力大于水平应力的情况下,破坏主要在巷道侧面上发生。反之,在巷道顶板和底板发生。2个应力之比越大,这样的现象越明显。2个应力相同的情况下,在巷道顶底板和两帮都发生破坏。因此巷道破坏形式与垂直水平应力之间的比值有关而与应力大小无关。     

深部高应力软岩巷道断面形状优化设计数值模拟研究

选取矩形、梯形、直墙拱形、马蹄形、椭圆形和圆形等共6种不同断面形状的巷道进行优化研究,基于FLAC3D模拟研究了这6种典型巷道开挖后的巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布规律,分析了不同侧压力系数对它们的影响。数值模拟结果表明,巷道断面形状对高应力巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布影响较大;根据侧压力系数的大小及主应力方向,圆形、椭圆形为深部高应力巷道最优断面形状,选择圆形、椭圆形巷道可改善巷道围岩应力状态,降低围岩变形量,减少围岩塑性区损伤破坏范围,有利于深部高应力软岩巷道的长期稳定。     

基于断面尺寸效应的矩形巷道围岩稳定性研究

为研究断面宽高比对矩形巷道表面位移、剪切方位和破坏模式的影响,采用理论建模分析、数值模拟计算和现场工程应用的研究方法,对不同最大主应力方向条件下断面宽高比对矩形巷道的围岩稳定性进行了系统研究。结果表明:最大主应力为水平应力时,较大宽高比有利于矩形巷道稳定性控制,巷道顶板剪切破坏范围和两帮变形量均较小;当自重应力成为最大主应力时,矩形巷道两帮剪切破坏程度较高,顶底板和两帮表面位移较大,较小宽高比更有利于巷道稳定性控制。针对沙曲矿最大主应力为水平应力的工程实践,对宽高比为1. 76的矩形巷道进行现场矿压观测,顶板最大下沉量134 mm,两帮最大相对移近量195 mm,围岩控制效果良好。     

深部巷道开挖应力演化特征分析

深部高地应力赋存条件下,巷道开挖使围岩的应力受到扰动而重新分布,围岩应力的 变化会导致岩体破坏和损伤,甚至造成巷道的整体失稳。为研究全断面法、台阶法2 种不同开挖 方法下,围岩掌子面轴心、顶底板、边墙、拱肩等关键点位的应力演化规律,依托某煤矿巷道, 运用FLAC3D软件进行数值模拟,定量分析了2种不同开挖方法下关键点位应力大小及应力方向的演 化特征。研究表明：对于2种开挖方法,开挖后各主应力大小趋于稳定时差别较小;对于参考面轴 心监测点,全断面法开挖时最小主应力旋转成平行巷道轴线方向,受下台阶的影响,台阶法开挖 最小主应力最终旋转成竖直方向;对于边墙、拱肩、拱顶、底板、底角等其他关键监测点,最终 的应力状态相差不大,但应力演化路径相差显著,破坏机理也不同;与全断面法开挖相比台阶法 开挖下巷道底板位置处塑性区体积明显偏小,下台阶对底板围岩具有一定的保护作用。深入研究 应力变化对围岩稳定的影响对理论和工程研究具有重要意义,为开展室内实验以及现场工业实验 提供依据。     

使用石膏围岩试件模拟巷道开挖卸荷效应的试验研究

为了掌握巷道(隧道)围岩在开挖卸荷条件下的变形规律及破坏机制,实现对巷道开挖卸荷过程中真实加、卸载过程的模拟,采用具有自主知识产权的巷道围岩开挖卸荷模型试验系统,对高强石膏材料制作的小型围岩试件(厚壁圆筒:高290 mm、外径200 mm、内径100 mm)进行了巷道开挖瞬态、缓慢卸荷以及破坏的模拟试验。试验过程中采集到围岩试件轴向和切向2个方向的应变随时间的变化关系,获得了开挖卸荷全过程的应变-时间曲线。试验结果表明:(1)围岩试件的轴向基本都呈现受压状态,部分测点出现拉压变化,轴向应变在缓慢卸荷时可充分展现其弹塑性变形,而在瞬态卸荷时大部分的变形是在卸荷后慢慢释放的,卸荷结束后围岩试件有轻微蠕变现象;(2)围岩试件的内测切向应变大于外侧,即离洞壁距离越远,应变越小,试件在卸荷过程中向内膨胀;(3)同一测点,卸荷过程中切向应变大于轴向应变,切向应变对卸荷过程的反应更敏感,具有瞬时性,在围岩变形中起主导作用;(4)卸荷破坏时,切向应变先于轴向应变发生突变,即围岩试件破坏方向朝向洞内,试件破坏主要是环向剪切破坏伴随有竖向劈裂。     

深部围岩开挖损伤区数值模拟研究

针对深部围岩体卸荷的特点,引入拉伸应变来描述损伤,得到了岩石损伤弹塑性耦合本构模型,并将其编译为计算软件FLAC的用户自定义本构模型。在此基础上,对深部围岩开挖损伤区进行了数值模拟,分析了围岩和支护的相互作用以及不同支护形式对开挖损伤区的影响,为选择合理的支护形式和施工设计等环节提供参考。     

卸荷速度对围岩变形影响的试验研究

巷道/隧道围岩的开挖卸荷效应,直接关系到围岩稳定、支护设计和施工工艺的选择。利用自主研发的开挖卸荷试验系统,对水泥砂浆制作的厚壁圆筒小型围岩试件进行了快、慢速卸荷试验研究,获得小型围岩试件在开挖卸荷过程中的变形规律与破坏形态。试验结果表明:①快、慢速卸荷的径向应变及切向应变与时间的关系曲线表现出明显的3个特征阶段:试件压密阶段、快速变形阶段、卸荷后缓慢变形阶段。②同一横断面处,内侧的切向应变对卸荷作用反应更快、更显著,变形量更大。径向内侧产生的变形总量均大于外侧,而轴向内侧产生的变形总量小于外侧。③无论快速或慢速卸荷,同一测点处,切向应变最大,占据重要地位。径向变形集中在卸荷阶段产生,轴向变形集中在卸荷后维持阶段产生。④卸荷阶段,随着压差增大,慢速卸荷的切向、轴向应变呈加速发展趋势,内、外侧径向应变差值约为200×10~(-6)。快速卸荷的切向、轴向应变呈收敛发展趋势,内、外侧径向应变基本相同。维持阶段,快、慢速卸荷切向、轴向内外侧偏差持续增大。快速卸荷时内、外侧径向应变在维持阶段才开始区别开来,且差值越来越大。⑤试件压缩高度变低,且外侧出现环状贯通面并伴随劈裂破坏,在内壁出现片状剪切破坏区;横断面出现两个类似于圆环破坏带的破坏区。     

基于Weibull分布的巷道围岩开挖损伤分析

首先,在假定微元强度服从双参数Weibull分布的基础上,分析了围岩微元破坏概率和临界破坏概率,依据围岩完整程度不同,分析了巷道开挖后的围岩损伤;随后,运用岩石破裂过程分析软件RFPA,分别对不同均质度的巷道围岩开挖损伤进行了数值模拟分析。结果表明,伴随围岩均质度增加即围岩完整程度增加,围岩起始损伤延后,临界破坏概率越来越小;在围岩微元所受载荷达到其统计平均抗压强度前,围岩的均质度越低其巷道开挖后的围岩损伤值越大;在微元所受载荷达到统计平均抗压强度后,围岩均质度越高其巷道开挖后的围岩损伤值越大,其巷道开挖后的危险率越高,且往往具有突发性;巷道开挖后的围岩损伤破坏程度与围岩完整程度和抗压强度关系密切;分析结果与模拟结果是一致的。     

深部巷道开挖加卸荷诱发围岩失稳的模拟研究

为研究深部巷道开挖引起的加卸荷现象及其诱发的围岩失稳,以埋深为1 275m的云南某矿山8#矿体1261中段沿脉巷道为背景,采用FLAC3D软件对巷道的应力场、位移场和塑性破坏区的演化规律进行模拟分析,探究开挖引起的加卸荷情况及其对巷道围岩稳定性的影响。结果表明:开挖结束后,巷道围岩应力重新调整,其帮部、斜底脚以及斜拱顶处加卸荷现象明显;随着开挖的进行,巷道斜底脚处围岩应力逐渐增加,而其余位置的围岩应力逐渐减少。8#矿体有着中等至强烈岩爆倾向,主要危险区域为巷道折角处;巷道围岩位移量:拱顶帮部底板斜拱肩拱肩斜底脚。     

基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望

深部围岩开采前处于高静应力状态,开采(开挖)过程中不可避免承受机械或爆破开挖带来的开采扰动、卸载扰动以及应力调整扰动作用,属于典型的动静组合受力状态。用动静组合加载力学研究深部开采岩石力学问题更加符合深部围岩开采的实际情况。从深部围岩开采受力全过程出发,介绍了"岩石动静组合力学"概念和试验研究的提出过程,阐述了岩石动静组合力学试验研究从一维状态到二维状态再到三维状态的发展历程,并重点介绍了真三轴动静组合加载岩石力学试验系统的研制情况和取得的研究进展。根据对深部开采岩石力学科学认识的不断深入,结合动静组合加载岩石力学试验相关研究结果,揭示了深部岩石在各种动静组合受力状态下的力学响应、破坏特征以及能量规律,科学再现并解释了岩爆、板裂及冲击地压等非常规岩石破坏现象和机理。在此基础上,系统总结了真三轴动静组合加载岩石力学试验机的共同特点,并提出了未来研究的4个重点发展方向:(1)发展能实现"三维高静应力+卸载+冲击扰动"功能的真三轴SHPB动静组合加载试验机;(2)发展大尺寸岩石内部卸荷真三轴试验机;(3)基于三维动静组合加载岩石力学试验聚焦深部围岩发生岩爆灾害的能量机理;(4)开展深部原位保真取芯的三维动静组合加载岩石力学试验。     

灵湖金矿巷道围岩变形破坏及锚杆支护数值模拟分析

通过现场地质调查和监测,确立灵湖金矿330工程450巷道围岩体地质模型,查明硐室在受低地应力状态下的围岩等级,巷道围岩变形破坏程度及松动圈范围。针对硐顶掉(落)石块典型破坏类型,采用离散元UDEC软件进行数值模拟分析,反演硐室开挖后应力重分布,顶板产生拉应力区,导致围岩体发生变形破坏的过程和力学机制,并采取预应力锚杆支护措施稳固失稳岩体。     

高应力巷(隧)道围岩破坏过程分析

运用岩石破裂过程分析系统RFPA对3种不同围岩情况下的高应力巷(隧)道围岩破裂演化过程进行了数值模拟,并对模拟结果做了对比分析。数值模拟结果表明,围岩特性对其破坏过程影响很大;围岩破坏是在围岩卸荷条件下其损伤随时间逐步发展的渐进破坏过程,对于较均质和均质围岩,首先表现为较长阶段的损伤缓慢递增或无变化,随后进入短暂的加速破裂阶段和宏观破坏阶段,脆性破坏明显,对于低均质度围岩,一直表现为较长阶段的损伤递增变化,加速破裂阶段不明显;考虑施工扰动对围岩的影响,随围岩径向半径的增大,采用不同均质度和强度参数的围岩来模拟,模拟结果与实际情况相符。     

砂岩试件加载-卸荷-加载损伤弱化试验分析

为研究深部巷道围岩开挖和回采全过程中岩体强度的弱化规律,通过对砂岩试件进行不同加载速率的单轴加载、不同围压的三轴加载以及不同程度的三轴加载-卸荷-单轴加载试验对砂岩试件在加载、卸荷和再加载过程中的损伤、弱化机理进行研究。结果表明:试件的峰值强度与加载速率之间呈幂函数关系,与围压之间呈线性关系,加载速率和围压越大,砂岩试件强度越高。砂岩在三轴加载-卸荷-单轴加载时试件最终破坏形态与其受载历史无关,与岩石的最终受力状态相关。岩石的最终强度与其受载速率、围压大小和加卸-载扰动等受载历史相关,初始轴压越大加载速率越小试件的初始损伤越大,卸载后再加载的最终强度越小。此外,提出了基于能量密度的岩石损伤度指标和一种基于加载过程状态的强度弱化计算方法,经计算验证该方法是可行的。