深部巷道围岩分区破裂现象的试验与现场监测对比分析研究

为了从本质上认识一些深部巷道中出现的围岩破裂区和完整区间隔排列的分区破裂现象。以淮南矿区丁集煤矿深部巷道工程为研究对象进行了模型试验研究。并通过对现场监测结果和模型试验结果的对比研究与相互验证,归纳分析出了分区破裂现象的主要特征和变化规律,指出分区破裂是与洞室呈同心圆的环状拉破坏断裂。研究结果对于认识深部洞室围岩的破坏方式,揭示深部洞室围岩的变形破坏机理具有重要意义。     

电阻率法在深部巷道分区破裂探测中的应用

 淮南丁集煤矿西部采区南运输大巷埋深达955 m,已显现出深部开挖的特征。为研究深部巷道围岩破裂情况,在该巷道选取2个监测断面(宽5.0 m,高3.8 m),每个断面布置5个钻孔,测量围岩电阻率沿钻孔深度的变化。电阻率是岩石的重要电性参数,岩体的破碎程度对电阻率的影响较大,一般有裂纹的地方,电阻率产生突变。采用ResiTest–4000电阻率测试仪和研制的孔内探头,对钻孔内岩体电阻率进行测试。岩石破碎区电阻率基准值根据每一钻孔电阻率平均值(剔除特异点)确定,大于基准值的为破碎区。根据测试结果,绘制巷道围岩分区破裂图,与钻孔电视观测结果较吻合。结果表明,该巷道围岩有4个破裂分区;破裂分区带的半径与巷道半径基本呈线性关系;巷道周边破裂区宽度最大,平均达到3.12 m,依次分区破裂带的宽度有递减趋势。     

深部不同断面巷道分区破裂形态与围岩结构控制

采用理论分析、现场实测、模拟分析的方法,研究了各向等压条件下等效开挖矩形、直墙半圆拱和圆形断面分区破裂形态及围岩稳定结构。结论：3个断面分区破裂形态不同,矩形断面分区破裂呈“■”状分布,直墙半圆拱断面分区破裂呈多层的“■”状分布,圆形断面分区破裂呈“花瓣”状分布;三个断面位移特征相似,位移等值线浅部呈正立的“鸡蛋壳”形,深部呈“碗”形;支承压力在主破裂面处降低,在最外层主破裂面头部集中,在破裂面之间完整岩层处升高,呈分区集中,“波谷—波峰—波谷”震荡增高的特征向外传播;理想正方形破裂面弦长有a_n+1=2(1/2)a_n(n=1,2,3,4)关系;浅部围岩分区破裂形成后,相当于深部围岩的伪开挖,3个断面均存在多层“■”形围岩承载结构。巷道稳定原理就是促进多层承载结构相互依存,共同承载。具体措施：加密、加粗、加长锚杆(索)支护结构,建立浅部与深部多层承载结构相互联系,在浅部形成稳定锚固体促进深部围岩稳定,主破裂面精准注浆修复围岩破裂面和限制主破裂面滑移。     

深埋巷道分区破裂化机制

深部巷道外部受到远场原岩应力的作用，而内壁受到一个随时间变化的内压作用，开挖过程是动力问题，其运动方程可以用位移势函数来表达。通过对运动方程进行Laplace变换，进而求得其通解。根据弹性力学知识和边界条件得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场。当该弹性应力场满足破裂条件时，岩体发生破裂，位移不连续，形成破裂区。结合断裂力学知识，确定破裂区岩体的残余强度和产生破裂区的时间，进而确定破裂区和非破裂区的宽度和数量。数值分析结果表明，巷道分区破裂化的产生跟开挖速度与岩石强度有关。该研究可为深部岩体的开挖和支护设计提供初步的理论基础。     

深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究

 为模拟分区破裂的产生条件和破裂机制,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程,通过多种测试手段获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律,从巷道围岩的破裂现象及其应变和位移的变化规律,有效揭示深部巷道围岩分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究深部巷道围岩的非线性变形破坏机制奠定坚实的试验基础。     

深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

随着经济建设与国防建设的不断发展,深部岩体工程越来越多,如逾千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和南非金矿等)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等.深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象.除了岩爆和围岩挤压大变形以外,围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注.基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究,归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律,揭示分区破裂化现象产生的条件;提出这一领域的研究方向;同时介绍国内在该领域实验和理论方面的研究进展.     

基于岩石试验的深部巷道破裂围岩变形分区研究

考虑围岩流变特性,并结合深巷岩石全应力—应变试验曲线表现出峰后流动与跌落破坏的特征,将巷道围岩分为弹性区、塑性硬化区、塑性流动区和破裂区;然后,基于Drucker-Prager准则推导了围岩各分区应力、位移及半径的封闭解析;最后,结合工程实例对比分析了三种不同分区模型下的围岩应力分布规律及松动圈范围.研究结果表明:基于...     

深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨

通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩峰值后状态下材料的残留强度芙系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准：浅部工程——坑道最大支撑压力区不破坏的深度：深部工程——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。     

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。     

深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论

 由中国岩石力学与工程学会于2008年6月组织的中国科协第21期新观点、新学说学术沙龙,集中对围岩分区破裂现象以及相关的理论问题进行了讨论,内容涉及近期有关围岩分区破裂的研究成果,包括现场实测和实验室试验工作及分析,围岩分区破裂的形成机制、分区破裂各种现象的解析与数值分析方法,会议还讨论了论题的意义及其研究方法等方面的热点问题。对围岩分区破裂的研究具有探索性,目前的认识尚存在许多争论。对这一工作的讨论,不仅可以促进课题成果及其科学性,而且对整个科研工作的认识和处理方法也有启发性的影响。     

深部岩体分区破裂化现象数值模拟

 利用数值手段模拟深部岩体分区破裂现象的产生及演化过程。从岩石的细观结构层次出发,基于最大拉应力准则和应变能密度理论建立单元破坏准则,并应用弹性损伤力学方法来模拟岩石的破坏行为,数值模拟过程中,必须考虑地下洞室开挖释放的能量足够引起围岩产生动力现象,即将开挖过程视为一个动力过程。基于上述思想,通过FLAC3D中的FISH语言开发分区破裂化现象的计算程序,并应用该程序求解某深埋巷道围岩破裂形态,得到破裂区和非破裂区的宽度和数量,数值模拟结果与现场观测成果有很好的一致性。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策

在淮南矿区深部岩石巷道地应力场和支护研究的基础上,提出了煤矿深部岩巷围岩稳定受高地应力、高渗透压力和温度梯度影响的支护对策。试验和理论分析表明,采用与围岩内部潜在滑移面呈±22.5°布锚方法,运用具高初锚力的超高强锚杆支护,辅助以注浆固结、能量释放等措施可有效控制围岩稳定。     

深部侧空条件下顶板岩层分区破裂探测研究

 采用YTJ20型岩层探测记录仪,对新汶孙村煤矿埋深1 300 m、侧临采空的2222东回风巷内顶板破裂分区进行探测研究,结果表明：深部高应力是深部岩层分区破坏的根源;在侧空开采条件下,处于深部高支承压力集中的区域,顶板岩层内分区破裂数量将大于处于卸荷、大变形区域岩层分区破裂数量,但受岩层沉降大变形的影响,沿着卸荷、大变形区域岩层内原宽裂缝或离层的下部,在张裂作用下破裂区将进一步扩展,因此可以通过观测离层来确定深部较大尺度岩层分区破裂的位置;同时,岩性对分区破裂有一定的影响,粉砂岩比砂岩更易出现分区破裂现象。研究结果为进一步研究深部关键层结构及其力学特征,深部岩层分区破裂和深部岩石力学致灾机制之间的关系提供依据。     

深部隧道围岩分区破裂的内变量梯度塑性模型

在变形进入到塑性阶段之后,隧道岩体中会产生显著的能量耗散和自我组织现象,岩体粒子之间的长程相互作用明显。为此需要在岩体模型中加入内变量梯度项。作为额外的内变量,引入有效塑性应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到岩体的平衡方程、边界条件。利用Clausius-Duhem不等式获得岩体内变量演化方程。对于圆形深部隧道,由上述理论得到有效塑性应变的支配方程和边界条件,并利用岩体理想脆性模型求得支配方程的解。该解能够描述深部隧道围岩的分区破裂现象。     

深部矿区煤岩体强度测试与分析

 基于钻孔触探法原理,开发出小孔径井下煤岩体强度测定装置。在实验室对34个煤岩样品进行试验：在煤岩块上钻取标准试件,测量单轴抗压强度;在留下的钻孔中,用煤岩体强度测定装置测定探针临界载荷,分析探针破坏钻孔壁煤岩的形态;然后确定煤岩块单轴抗压强度与探针临界载荷的关系。试验表明,探针破坏钻孔壁煤岩的形状、深度及范围与煤岩性质密切相关。煤岩体强度越高,破坏范围、侵入深度越小,破坏形状越规则。结合井下实测数据,回归得出描述探针临界载荷与煤岩体单轴抗压强度关系的公式。同时,分析临界载荷的离散性及控制措施,讨论结构面对煤岩体强度的影响及测试分析方法,并在典型的深部矿区——新汶矿区进行井下原位测试。新汶矿区巷道顶板不同岩性的岩层强度相差很大,不同矿井的岩层强度也存在明显差别。煤层强度由于煤帮出现破碎区、煤层性质不均匀、煤层结构面分布不均匀等原因变化较大,出现明显的波动。基于井下煤岩体强度实测数据的巷道支护设计,符合井下环境中的煤岩体条件,设计的合理性与可靠性显著提高,巷道围岩稳定性与支护状况得到明显改善。最后分析钻孔触探法存在的问题,并提出改进建议。