采矿巷道应变软化模型的稳定性研究

对于软岩破碎条件下的巷道围岩稳定性问题,建立巷道围岩变形破坏应变软化模型,将模型的相关参量进行敏感性分析,结果表明残余黏聚力对于巷道围岩变形敏感性最高,取值最为关键,进而解出优化参量组合。结合中关铁矿的工程背景,将数值模拟的结果与现场监测结果对比,结果表明基于应变软化模型得到的计算结果是比较合理的;应变软化模型可以反映出软破条件下巷道围岩变形破坏的特点,对于巷道围岩变形趋势预测、稳定性维护具有一定的理论指导意义。     

基于退化角的岩石峰后应变软化模型

反映围压对岩石峰后脆性的影响,提出了描述岩石峰后软化行为的新参数,即退化角。对山西含碳泥岩三轴试验数据拟合表明,退化角与围压呈线性关系。推导了岩石峰后软化中等效塑性剪切应变与退化角之间的关系式,提出了基于退化角的岩石峰后应变软化模型。在FLAC环境下,利用Fish函数方法开发了相应的数值计算程序。数值算例研究了山西含碳泥岩在不同围压下的应变软化过程,模拟结果与试验数据规律基本一致,表明：退化角能较好地描述围压对岩石峰后脆性的影响;建立的峰后应变软化模型合理而可靠,为岩石峰后软化过程模拟提供了新的思路。     

基于应变软化模型的抽采钻孔封孔段稳定性研究

为了解决软弱煤层中瓦斯抽采钻孔漏气严重的问题,基于煤岩体黏聚力沿塑性区线性弱化的应变软化模型,采用理论推导的方法得出了应变软化效应下抽采钻孔封孔段围岩的应力、位移及塑性范围的求解公式,利用数值模拟的方法对抽采钻孔封孔段围岩稳定性进行了数值模拟研究。研究表明:基于煤岩体应变软化模型钻孔围岩的塑性区范围及孔壁位移显著大于未考虑煤岩体应变软化效应的结果;随着孔内压力的增大,钻孔塑性区缩小,孔壁位移降低,钻孔的变形破坏受到抑制,且服从应变软化模型的围岩变形更易受到孔内压力的抑制。研究成果应用于河南某煤矿软弱煤层的瓦斯抽采封孔实践,表明在该矿软弱煤层瓦斯抽采中采用具有主动支护作用的囊袋式封孔法较聚氨酯封孔法瓦斯抽采浓度提高约18.1%,取得了良好的抽采效果。     

基于Hoek-Brown应变软化模型的煤柱稳定性特征数值模拟研究

以研究煤柱稳定性和设计合理煤柱尺寸为目的,基于岩体本构特性的基础,分析不同煤柱尺寸条件下的承载特征和稳定性特征,给出了煤柱承载的阶段性特征、强度特征、峰后强度衰减特征及煤柱尺寸的相关性。     

基于能量原理的混凝土三相导热模型研究

通过对预制混凝土进行不同荷载加压,测取在各个荷载下混凝土导热系数及相应孔隙率,通过能量原理建立相应的混凝土导热模型,得出以下结论:混凝土在被压缩时,导热系数增长速率由快变慢,达到一定数值后增长平稳;外界做功使得导热系数增大,导致混凝土孔隙率降低,温度升高,最终混凝土内部温度差基本保持不变;通过对比孔隙率和导热系数的试验值与计算值对比,说明了基于能量原理建立的导热系数与孔隙率模型的正确性。     

基于应变软化模型的岩体单轴压缩裂隙扩展

分别采用FLAC~(3D)程序中的应变软化模型及空模型来描述岩石及裂隙的力学行为,同时采用超细单元划分法对计算模型进行剖分以模拟裂隙扩展。采用上述数值计算模型研究了单轴压缩荷载下裂隙长度、倾角和裂隙条数对裂隙扩展路径及岩体力学特性的影响。计算结果表明,试件单轴抗压峰值强度随裂隙长度增加而逐渐降低,当裂隙长度不同时,次生翼裂纹的出现位置及扩展路径也有较大差别。翼裂纹的萌生位置及扩展规律均随裂隙倾角而变化;试件峰值强度随裂隙倾角由0°增加到75°时,类抛物线规律变化,当裂隙倾角为30°时,试件峰值强度最低。裂隙条数对裂隙扩展路径及试件破坏模式有较大影响,且试件峰值强度随裂隙条数增加而逐渐减小。     

基于应变软化模型的软岩巷道卸压孔布置

为解决煤矿软岩巷道的高应力钻孔卸压孔的布置问题,选用考虑应变软化的摩尔库伦准则作为理论依据,根据现场提供的岩石进行力学参数试验,计算巷道周围应力变化趋势,并得出巷道开挖后其塑性区的范围大小,再根据圆形巷道的轴对称原理分析钻孔时周围的应力应变关系,得出软岩巷道钻孔时应力影响范围,并将此范围作为设计布置卸压孔间距的依据。     

考虑弹塑性耦合效应的应变软化模型

深部岩体峰后呈现应变软化特征、弹塑性耦合特征和塑性变形破坏等非线性特征。充分探明开挖工作面的岩体力学特征有助于预测围岩变形或破坏区域的形状,为后期的合理支护设计提供科学依据。然而,当前广泛使用的一维模型(例如Mohr-Coulomb和应变软化模型)无法很好的反映深部地下工程在高围压下的岩石变形特征。对此,通过三轴循环加卸载试验,获得各级围压下不同塑性累积阶段的岩石力学参数,进而研究塑性变形与围压二者综合影响下的围岩受力变形特征。通过构建应力-塑性剪切应变二维函数针对性描述其上述特征,建立了考虑围压影响的黏聚力、内摩擦角、弹性模量和剪胀角随塑性变形变化的数学模型。研究表明:黏聚力和内摩擦角可用指数函数及线函数分别描述其塑性变形和围压的相互关系,由此构建的二维函数,拟合精度可达95%;弹性模量随着围压增大而增大,可用负指数函数来描述,随着塑性变形而衰减,可用线函数来描述;剪胀角随着围压线性衰减,随着塑性变形先增大后减小,可用差值型指数函数描述;通过FLAC^3D的二次开发,将该应变软化模型用于模拟岩石三轴压缩试验,证实模型设置准确合理。针对深部圆形硐室开挖,所提出的本构...     

基于能量原理的水-岩耦合下砂岩破坏准则研究

针对深部砂岩水-岩耦合受力情况复杂性问题,采用砂岩流固耦合试验、砂岩破坏准则理论研究与FLAC~(3D)数值模拟验证分析相结合方法,对饱和砂岩在不同围压和孔隙水压作用下的破坏机理与力学特性等进行了深入研究。结果表明:围压对于轴向变形影响要远远小于径向变形,且随着围压增大,岩石延性特征和应变硬化特性越明显,同时孔隙水压越大,岩石破坏强度越低;基于能量原理破坏准则计算的理论值与试验值误差均在5%之内,而其它两个破坏准则远小于试验值,误差值最大分别达到了35.34%和37.11%;FLAC~(3D)数值模拟分析较好地模拟和描述了饱和砂岩三轴压缩破坏过程特征,验证了水-岩耦合作用下基于能量原理的砂岩破坏准则具有正确性和合理性。     

基于应变软化模型的煤柱采动应力分布精细化数值模拟

以山西经坊煤业08综放工作面工程地质条件为背景,开展了工作面护巷煤柱采动应力的现场钻孔应力实测;同时,分别建立了基于摩尔-库伦(MC)本构模型以及应变软化(SS)本构模型的数值计算模型,精细研究了综放工作面煤柱采动应力空间分布及演化规律。现场钻孔应力监测及数值模拟结果表明：与传统的MC模型相比,基于SS模型的精细化数值模拟能够准确地获得综放工作面煤柱采动应力空时分布规律,其结果更接近于现场钻孔应力监测结果;基于SS模型的煤柱上的支承压力峰值位置滞后工作面40-50m,而基于MC模型煤柱采动应力峰值位置始终处于采空区中部,不能反映采空区顶板垮落破断对采动应力分布规律的影响;基于SS模型的煤柱上的侧向支承压力与工作面前方的超前支承压力分别相比基于MC模型的结果小43.3%与26.2%。研究成果对于指导综放工作面护巷煤柱尺寸留设以及巷道布置与支护设计具有一定的理论与工程指导意义。     

裂隙岩体损伤应变软化本构模型数值模拟研究

结合采矿工程实际,利用开发的本构模型,对芦岭煤矿某轨道大巷进行数值模拟,分析其稳定性。结果表明:将该自定义本构模型用于裂隙岩体巷道围岩稳定性分析,具有较强的可行性,可对工程施工提供合理建议。     

基于脆性模量系数的岩石应变软化及渗透率演化模型

岩石峰后应变软化力学行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性和安全性分析的基础。在三轴实验基础上分析了围压对岩石峰后应变软化力学行为的影响规律,提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量和脆性模量系数,分析了脆性模量的物理意义和脆性模量系数方法的应用范围。基于脆性模量系数,结合强度退化指数、扩容指数、FLAC中的SS模型和体积应变增透率,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型和渗透率演化模型。利用本文模型较好地模拟再现了不同围压下Gebdykes白云岩变形和巴里坤砂岩渗透率的演化过程,验证了本文模型的合理性。将本文模型应用于某煤层开采过程中围岩变形和渗透率的动态演化预测,结果表明随着煤层开采,采动应力引起围岩变形、破坏,其渗透率也随之动态变化,本文模型能较好地再现煤层开采过程中围岩的渗透率动态演化规律。     

基于应变软化的巷道锚固失稳分析

针对西部弱胶结软岩巷道出现的喷层脱落、锚固力降低、严重底鼓等支护难题,通过在内蒙古鲁新煤矿主要运输大巷砂质泥岩地层现场取样,在实验室进行不同围压的三轴压缩试验,结果表明:泥岩的峰后应变行为具有明显软化特征,并存在残余变形阶段,更适合采用三折线型应变软化模型进行分析。通过对FLAC中的双线型应变软化模型进行fish修正实现该模型的数值应用,验证模型表明该三折线型应变软化模型更符合泥岩的变形特征,通过对泥岩巷道施工稳定性分析并借助软化度指标进行评价,表明泥岩巷道因最大软化度和软化深度不断增加,使得锚喷支护作用下围岩变形的控制效果并不明显,锚杆轴力先增加后降低失去支护作用。     

冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

在煤矿巷道掘进过程中,巷道围岩在动载作用下变形将会增大,为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散,以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象,利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验,对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下,随着平均应变率的增加,砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大,割线模量逐渐降低,砂岩试样的塑性增加,强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系,峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加,砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势,且试样破碎程度不断增大,在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展,沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下,随冲击荷载作用次数的增加,砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大,峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时,随着冲击次数的增加,入射能基本保持不变,反射能和吸收能均逐渐增大,透射能逐渐减小,砂岩试样的单位体积...     

一种基于应变软化模型的直墙半圆拱巷道开挖计算分析

为研究软岩直墙半圆拱巷道的变形破坏规律,以梅花井煤矿1110208工作面为研究对象,基于应变软化模型来反映软岩的泥化以及膨胀特征,计算了直墙半圆拱巷道开挖后围岩中塑性区及支承压力分布情况。研究结果表明,应变软化模型受巷道围岩中铅直应力影响显著,当埋深较大时,巷道围岩中铅直应力显著增加;基于应变软化模型计算得到巷道围岩中塑性区分布面积显著增大,巷道顶板及顶板中的拉应力分布区也显著增加,应变软化参数对巷道围岩中塑性区分布影响显著;随塑性剪切应变增加,岩石材料内聚力下降幅度越大,巷道围岩中塑性区分布面积越大;应变软化参数对巷道围岩中铅直应力最大值及最小值应变不显著,但对巷道顶板及底板中拉应力分布区影响显著;随塑性剪切应变增加,岩石内聚力下降幅度越大,巷道顶板及底板中拉应力分布区越大。     

岩石应变软化弹塑性有限元分析

本文从岩石的变形特性和界面约束理论出发,建立了应变软化规律及其有限元本构方程。这种方程的求解存在着解法难与收敛慢和漂移界面的两个问题:其一,分析各种解法,采用初应力法,并进行改进(称改进的初应力法)以加速其收敛;其二,考查比较了各种漂移界面的修正法,选取了一种较佳的方法。于是,编制了一个相应的EPSF程序。最后对金川某巷道进行软化有限元分析。     

冻结砂岩单轴抗压应力应变复合幂指数模型

为研究冻结砂岩应力应变关系,以内蒙古原状砂岩为试验对象,采用WDT-100冻土单轴试验压缩机开展了不同温度状态下冻结砂岩单轴抗压强度试验,得到应力应变曲线并分析试验结果。基于复合幂指数非线性理论进行曲线拟合,得出不同冻结温度下模型的参数方程。考虑温度因素的影响,改进复合幂指数非线性模型,提出一个与冻结温度有关的新型复合幂指数应力应变模型,将理论曲线与试验结果进行对比,发现拟合情况较好,显示了所建模型的合理性。     

基于应变水平的砂岩脆性破坏声发射信息研究

岩石脆性破坏过程中的声发射信息与其受载变形破坏过程密切相关,在岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置存在声发射会出现突增现象。利用岩石破坏的三维重整化群理论给出了岩石破裂前声膨胀点所对应的应变和岩石峰值应力对应的应变水平比值的表达式,单轴荷载条件下其临界比约为74%与78%之间,并通过砂岩刚性加载试验得到了验证;同时通过对试验数据的分析发现,岩石破裂前的膨胀点、应力峰值点和应力-应变曲线峰值后拐点位置所对应的应变值之间具有很好的比值关系。     

基于损伤演化的砂岩能量参数围压效应研究

岩石材料损伤演化状态所对应的特征参数,对岩土工程的稳定性设计、预测及监测等至 关重要。 本文开展不同围压下砂岩分级循环加卸载试验,利用横向应变法和体积应变法确定受 载岩样损伤演化状态,基于损伤演化状态分析各阶段、各损伤演化特征点处能量参数演化特征及 与围压的关系。 结果表明:不同围压下,峰前各阶段能量参数随应变增大而增大;随着围压的增 大,峰值应力处的弹性应变能、耗散能突变向峰后转移;峰后残余应力阶段各能量参数降低并趋 于平缓。 σcc 处能量参数与围压成幂函数下降关系,且耗散能随围压增大趋于稳定;σci、σcd 及 σp 处能量参数随围压呈线性增加,各特征点处输入能量与弹性应变能差值随围压的变化趋势较小, 且在 σcd 处两者相对差值最小,输入能量转化为弹性应变能最多。     

巷道围岩软化力学模型研究

本文在前人研究的基础上，提出了巷道围岩塑性软化阶段的“直线－曲线－直线”办化模型，引入内聚办软模量和内磨擦角软化模，并认为内聚力和内磨擦角是控制巷道岩软化的参变量。