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。     

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...     

开挖卸荷条件下巷道围岩卸载变形特性的模拟试验研究

隧道开挖过程中,围岩变形是影响隧道结构稳定性和施工使用安全的重要影响因素。基本此工程背景,通过三轴压缩试验与FLAC~(3D)建立数值分析模型分析天然砂岩在不同内径条件下和不同卸载状态时围岩结构的应变和破坏特征,对比分析两种试验方法的试件的变形特征,得到以下结论:在相同的试验条件下,试件的尺寸越大,试件的切向应变逐渐增大;瞬态卸载相较于缓慢卸载的应变值较大,缓慢卸载的卸载作用更加充分,数值模拟得到的切向应变值较三轴压缩试验较小,但两种试验条件下应变值的变化趋势基本相同。     

高应力巷道开挖围岩损伤分析

首先运用岩石破裂过程分析RFPA分别对有、无裂纹情况下的高应力巷道开挖围岩损伤过程进行了分析,随后,对有、无裂纹情况下的高应力巷道开挖围岩损伤进行了理论分析.模拟结果再现了巷道围岩开挖卸荷后声发射变化全过程.数值模拟与理论分析表明:高应力巷道围岩卸荷破坏是个损伤逐渐累积最终演致破坏的过程;垂直方向为最大主应力情况下,损伤主要从两帮开始,然后向两帮深部扩展,扩展到一定程度后沿大主应力方向扩展;卸荷损伤过程受裂纹影响很大,裂纹改变巷道围岩损伤演化过程,对损伤演化过程起主要控制作用;提出的理论分析方法可用于巷道围岩开挖卸荷后损伤破坏情况的分析.     

深部硬岩巷道围岩板裂破坏试验研究进展与展望

深部硬岩巷道及隧道围岩开挖后易诱发大致平行开挖面的板裂或层裂破坏现象,严重影响深部工程的稳定和安全。板裂现象的形成不仅与开挖前深部围岩岩性、所处应力环境有关,还与巷道开挖过程中围岩所经历的应力路径密切相关。室内试验是研究深部围岩板裂破坏的一种重要方法,而比照深部硬岩巷道开挖的应力条件和应力路径开展室内试验研究是获得板裂破坏特征和科学揭示板裂破坏形成机制的关键。根据室内试验研究所选的试样类型出发,从实心长方体试样板裂试验、含预制孔洞试样板裂试验以及“先加载后孔内卸荷”板裂试验三方面,重点介绍了板裂破坏室内试验设备发展情况和取得的研究进展,总结了板裂破坏室内试验研究中主要存在的问题和难题,提出了板裂破坏室内试验研究的未来发展趋势和方向：(1)研发与岩石性质相似的3D打印材料,构筑深部岩体大尺度巷道开挖模型试验试样;(2)研制能真实模拟巷道围岩应力条件和应力路径的大尺度、高吨位的真三轴试验系统,实现三维应力环境中巷道开挖过程模拟;(3)开发能显示围岩实时变形、裂隙和应力状态的监测技术和软件。在此基础上,开展室内巷道板裂破坏试验模拟,并结合数值模拟试验结果,总结板裂破坏特征和演化规律,获得板裂...     

特厚煤层大断面开切眼支护研究

针对大同塔山煤矿8102工作面开切眼在原支护下围岩破坏,难以维护的问题,应用FLAC3D软件对开切眼无支护下围岩应力、变形破坏等进行了数值模拟分析,得到巷道围岩破坏范围。分析认为处在煤巷中的大断面开切眼围岩容易破碎、开挖后应力重新分布过程中剪切和高拉伸应力是造成围岩破碎、离层和破坏的原因。结合现场实际,提出采用锚杆、锚索、金属网进行联合支护,巷道围岩的强烈变形得到有效控制,围岩变形稳定。     

厚煤层沿空留巷掘进变形破坏规律研究

为研究厚煤层下回风巷道掘进过程中围岩的变形破坏规律,以朔州煤电铁峰公司南阳坡矿5800回风顺槽为背景,采用FLAC3D对其应力、变形和塑性区变化情况展开数值模拟分析,得到了3个成果:(1)巷道开挖完成后,巷道围岩最大主应力出现在巷道煤柱帮表面以及实体帮深部约2 m的位置,最大剪应力出现在巷道两帮位置;(2)巷道顶板和两帮在巷道表面上的位移均呈抛物线分布,且其最大值与巷道开挖推进距离呈"指数衰减式"增大关系;(3)巷道开挖过程中,巷道煤柱侧的塑性区范围要明显大于实体侧,巷道顶板靠近煤柱侧的塑性区范围大于另一侧,而巷道底板则基本不发生破坏,整个巷道围岩破坏范围约为1.5～2 m。     

特厚顶煤单双夹矸层巷道开挖围岩变形破坏特征研究

针对特厚顶煤巷道开挖掘进时,单双夹矸层巷道围岩变形破坏特征不明晰的问题,以山西某矿13103工作面进回风巷道为工程背景,运用数值模拟的方法对巷道开挖过程中围岩变形破坏特征进行研究。研究结果表明,应力集中于巷道顶角上部并呈椭圆状分布,顶板最大下沉量出现在巷道中部且随掘进长度呈指数增长;单夹矸层巷道相比双夹矸层巷道应力集中幅度更高,应变更大,顶板破碎更严重。通过对单夹矸层巷道部分锚杆锚索倾斜打设并加长锚索后巷道变形控制效果显著提升,围岩强度得到明显增强,能够保证巷道稳定。     

基于FLAC3D的深部巷道支护围岩稳定性研究

为了验证某煤矿巷道支护设计是否满足矿井支护要求,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了巷道周围煤岩体应力分布、巷道周围煤岩体塑性区分布、巷道周围围岩体变形规律以及巷道支护中锚杆、锚索轴向力分布。研究得出:巷道顶底板围岩变形为31 mm,巷道两帮变形量为22 mm,巷道右侧锚杆受力明显大于巷道左侧锚杆受力,巷道围岩出现失稳破坏。因此,在进行最终巷道设计时,应增加锚杆、锚索的抗拉强度及减少锚杆、锚索的间排距,从而达到巷道围岩的稳定性,保证矿井安全生产。     

岩块锚固机理的模拟试验研究

为研究锚杆对深部巷道围岩的作用机理，利用自制三轴加载物理相似模拟试验系统，进行了加锚与不加锚完整和预裂岩石试件(400 mm×400 mm×400 mm)的加载对比试验，比较了锚杆预紧力和支护密度对完整和预裂岩石试件的锚固效果，分析了锚杆对完整和预裂岩石试件的作用时机。研究结果表明：无论完整试件或预裂试件，锚杆支护均可提高其峰值强度，尤其预紧力对提高峰值强度的作用明显，对预裂试件峰值强度的提高幅度比完整试件更大。加锚预裂试件相对于无锚预裂试件其应力应变曲线从竖向加载一开始就相对滞后；而加锚完整试件相对于无锚完整试件，从竖向加载开始到试件峰前连续变形阶段，应力应变曲线差别不大，无锚完整试件在达到其峰值强度后，承载力开始下降，而此时加锚完整试件承载力继续增大，只是增速有所减缓。对于预裂试件，锚杆承载具有即时性，即与试件基本同时承载；而对于完整试件，锚杆承载则体现出延时性，即锚杆在岩体发生破坏、产生较大变形后才开始承载。因此，锚杆支护难以阻止巷道围岩的塑性变形和塑性区的形成，深部巷道的围岩控制理念应由变形控制向稳定控制转变。深部巷道锚杆的主要作用一是提高破碎岩体的残余强度，二是阻止破碎岩体裂...     

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

脆性岩体在不同围压下卸载的岩爆特性

岩爆是高地应力环境下开挖扰动的一种地质灾害。通过对类岩体大尺寸试件进行不同围压下的顶部梯度加载-单面卸载的加卸荷试验,采集试件内部测点在岩爆前后的应变过程,结合岩爆岩体的宏观破坏现象,分析脆性岩体在不同围压加卸载条件下的岩爆特性。研究表明：不同围压下进行加卸载试验时,试件卸载时的围压大小会直接影响岩体在岩爆时的破坏形态;试件在2种加载路径下发生岩爆时,卸载面产生的岩爆起裂点均是由卸载面中部的拉伸破坏,进而由卸载面上、下处岩体的压缩破坏引起的;试件在高围压环境下产生岩爆瞬间,内测点的垂直应变变化值大于其在低围压环境下的变化值,试件在高围压加卸载路径下产生的岩体岩爆烈度相对较大。     

深井沿空巷道合理位置确定及围岩控制技术

针对深井高地应力矿井煤柱应力大、巷道围岩变形严重及煤柱宽度大造成资源浪费等特点,以麦地掌煤业21214工作面为研究背景,通过地应力测试、钻孔应力测试了解工作面侧向应力峰值位置及大小。通过现场实测及分析得侧向应力峰值约为43MPa,且位于距巷帮约17m处。并运用理论计算、数值模拟,研究沿空掘巷围岩在掘采期间的变形破坏特征、合理窄煤柱尺寸的确定及沿空巷道的围岩控制。结果表明：煤柱宽度为6.5m时巷道围岩稳定性较好,掘进初期,围岩变形量及变形速率较大,后逐渐减小,掘进影响期为15天,回采期间由于小煤柱侧的支护强度大于工作面侧,小煤柱侧的变形量小于工作面侧的变形量,最大变形量分别为110mm和248mm,均在可控的范围内。     

深井软岩巷道强力一次性支护技术研究及应用

为解决14040工作面下顺槽底抽巷深井软岩巷道围岩变形显著问题,针对巷道地质条件及原支护变形情况,分析了巷道变形原因,研究了深井软岩巷道变形控制机理,同时根据巷道条件提出了强力一次性支护技术,通过数值模拟研究了围岩控制效果,并进行现场观测验证了支护技术的围岩控制效果.研究结果表明:原支护围岩控制效果不佳的根本原因是泥岩...     

薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制

针对百色矿区薄煤层开采条件下半煤岩巷道大变形及难控制等问题开展了一系列研究工作。首先,在巷道工程资料与数据的基础上,开展了薄煤层回采巷道工程地质特征的分析,发现薄煤层巷道围岩地质构造普遍较为复杂,岩体完整性差;现场监测了回采巷道围岩的变形全过程,分析了掘巷影响阶段、掘巷影响稳定阶段和工作面回采期阶段等时期的围岩工程行为及变形特征。然后,根据所收集的岩样和自制的煤岩组合体试样,分别进行了点载荷强度和不同高度比的煤岩组合体力学强度试验,结果表明,此类岩石力学强度较低,煤体与岩体破坏呈不均匀性。最后,在现有的理论基础上,分析了半煤岩巷道的滑移机制,推导了煤岩体层间滑移与巷道围岩失稳的本构方程,根据锚索的挤压承载和锚杆抗剪作用机理等阐明了软弱半煤岩巷道控制原理和支护要点,提出了以"顶板预应力长锚索+帮高刚度桁架锚索"为主体的"锚、网、索、梁"整体支护技术。支护试验表明:所提出的支护技术对于半煤岩巷道的控制效果较好,围岩变形在可控范围之内。     

软岩巷道破坏机理及锚网支护设计研究

为了保证拜什塔木铜矿软岩巷道支护的安全性。采用理论分析和现场测试的方法,开展巷道变形监测试验,分析软岩巷道变形破坏机理,提出了锚网支护方式,设计软岩巷道锚网支护参数,并通过数值模拟验证锚网支护的可行性。研究表明:软岩巷道顶板及两帮变形收敛大,具有显著的时空效应,且采动影响大,原支护方式不能满足巷道安全性的要求,锚杆和锚网设计参数分别为,锚杆直径为20 mm、长度为1 800 mm、间排距为800mm,锚网尺寸为2m×1m,直径为6mm,网孔尺寸为100mm×100mm。数值模拟验证了锚网支护可以满足软岩巷道安全性的要求,锚网支护有效地解决了软岩巷道变形大等问题,为类似矿山软岩巷道支护设计提供一定的参考。     

采动应力下急倾斜煤层顶板砂岩的力学及渗透特性

针对煤矿开采过程中垂直应力集中及水平应力卸载所引起的岩体变形破坏和渗透特性等问题,运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以急倾斜煤层顶板砂岩为研究对象,开展不同静水压力条件下,砂岩定轴压卸围压瓦斯三轴渗流试验,研究应力集中状态对砂岩卸围压破坏过程中变形规律及渗流特性的影响。得出的主要结论有：岩样屈服阶段存在一点,为岩样卸荷由张拉破坏向压剪破坏的转折点,且卸荷点越接近屈服强度,岩样卸荷破坏越突然和剧烈,岩体破碎度越高;初始围压(轴压)相同时,砂岩的峰值强度随初始轴压(围压)增大而有所提高;砂岩卸荷破坏卸荷量百分比随轴压增大而减小,随初始围压增大而增大;砂岩卸荷破坏后,峰值瓦斯流量与体积应变之间存在指数函数关系;砂岩卸荷破坏形态主要表现为沿层理方向的张剪混合裂缝,且微裂缝十分发育,岩样的渗透性与裂缝的发育程度具有较好的相关性。岩体渗透性与其所处的应力状态密切相关,开展采动应力下煤系砂岩的变形破坏规律及瓦斯流动特征研究对指导急倾斜煤层开采中瓦斯抽采钻孔的合理布设、提高瓦斯抽采效率具有重要的理论及现实意义。     

基于数字散斑技术的深部巷道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

借助数字散斑观测技术,采用相似材料模拟方法通过对深部岩巷开挖过程中围岩应力演化特征、变形破坏规律的分析,揭示了深部岩巷围岩稳定性控制机理。分析不同支护作用下开挖速度影响的围岩变形破坏规律,寻求岩爆发生与深部岩巷变形破坏的内在联系。分析实验结果得如下规律：开挖速度加快后,围岩变形塑性区逐渐扩大,深部岩巷岩爆倾向和围岩破坏程度逐渐增大;弱锚网支护对围岩变形有一定的控制作用,强锚网对围岩支护作用明显,支护强度提高,深部岩巷抵抗塑性变形的能力增强,整体变形减小、围岩稳定性提高。     

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。