基于裂纹扩展模型的深部硐室围岩致裂规律

根据岩体的非均匀性和存在初始裂纹的特征,在二维有限差分程序中建立了非均质体二维模型,并在模型中考虑初始裂纹的影响,利用程序中的自带编译语言,实现了服从不同分布的初始裂纹的长度和角度的赋值。在模型中,利用亚临界裂纹扩展理论描述与时间相关的裂纹亚临界扩展过程,计算过程可体现裂纹扩展的时间效应,从而实现对所模拟结构的寿命预测。模型中裂纹的扩展方式假定为形成翼型裂纹的形式,利用翼型裂纹的简化模型对裂纹的扩展尺寸,应力强度因子等参数进行计算。在每一计算步中,每个单元中的裂纹扩展方向与该时刻单元所受应力情况相关,应力强度因子与该单元所受应力大小及翼型裂纹简化长度相关。利用该模型对高地应力条件下孔洞开挖卸荷导致围岩破坏的过程进行模拟,分析了深部岩体开挖导致的围岩破坏规律,对不同的孔洞形状和初始裂纹的分布情况分别进行了分析,计算结果显示了非连续破裂的形成与初始裂纹角度分布的关系:分区破裂的表现形态与初始裂纹和最大压应力的夹角相关,并且不同初始裂纹角度均值也会导致围岩破裂时间不同。通过建立的多种孔洞形状开挖模型,对不同孔洞形状围岩破裂形态及破坏时间的规律进行总结,发现相同计算步数内方形孔洞周边围岩处破坏单元数量最多,圆形孔洞周边围岩破坏单元数量最少。研究结果证实了裂纹的分布对孔洞周边围岩破坏形态的影响,对裂纹扩展的时间效应的分析可实现对围岩破坏程度和范围的预测,可为深部高地应力条件下诱导致裂非爆连续开采的实施时间和方式提供指导。     

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.     

深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律试验研究

深部超大断面硐室群因初始地应力高、断面尺寸大、硐室间距小等原因,控制难度很大。本文采用相似材料试验方法,以龙固煤矿井下煤矸分离系统硐室群为背景,设置3条超大断面硐室,利用数字散斑测试系统、声发射监测技术、应力监测系统等进行综合监测,得到深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律。结果表明:单一超大断面硐室开挖后围岩整体变形较小且呈对称分布,裂隙发育较少;相邻硐室开挖导致围岩变形呈非对称性,裂隙发育明显增多。上部硐室开挖后其围岩变形以底鼓和两帮收敛为主,下部硐室围岩应力集中和变形均有较大幅度减小,即对下部围岩应力集中起卸载作用,有条件时硐室群应优选"品"字形布置以有利于维护。硐室群开挖前后锚杆受力变化与围岩应力、变形近似呈正相关关系,不同部位受力差别较大,应根据硐室群不同部位特点针对性设计支护参数。本研究揭示了深部超大断面硐室群围岩破裂演化规律,可为其围岩控制设计提供参考。     

深部高应力硐室群围岩应力分布及破坏特征模拟研究

以潞安集团李村煤矿为研究背景,在地质力学测试的基础上,采用FLAC~(3D)软件对深部高应力条件下硐室群的开挖进行数值模拟研究,分析围岩应力分布和破坏特征。结果表明:硐室群的开挖及相互扰动引起围岩应力集中和变形破坏,最终使得围岩局部失稳,处于亚稳定状态;煤岩体强度提高后,开挖造成的应力集中范围缩小,有效减弱各硐室之间的相互扰动,有利于维护硐室群的稳定性。现场试验表明采用合理的支护及加固技术能有效解决围岩变形控制的难题。     

爆炸载荷下邻近硐室迎爆侧原先裂纹扩展机理研究

为探究爆炸载荷下邻近硐室迎爆侧围岩中原先裂纹的扩展机理,采用动态焦散线方法进行了试验研究.研究发现:爆炸载荷作用下,裂纹动态断裂韧度与硐室自由面和裂纹倾角无关,但硐室自由面的存在使预制裂纹的起始扩展时间提前;迎爆侧围岩中预制裂纹的扩展方向与硐室自由面、炮孔处诱发主裂纹扩展方向以及硐室围岩应力分布特征有很大关联.预制裂纹扩展初期,由于自由面反射拉伸波的作用,裂纹近似竖向扩展;裂纹扩展中期,炮孔诱发主裂纹对应力波能释放的导向性改变了预制裂纹周边应力场,使裂纹扩展方向与主裂纹扩展方向基本平行;裂纹扩展后期,受邻近硐室自由面应力分布特征影响,裂纹扩展方向偏向于拱形部位,并最终与拱形部位贯穿.结合LS-DYNA软件,分析了爆炸载荷下邻近硐室围岩应力分布特征,从迎爆侧底角到起拱点再到拱顶,有效应力表现为先减小后增大再减小的规律.其中,极大值点位于底角、起拱点和拱顶之间位置,极小值点位于直墙位置,最终导致预制裂纹往往止裂于拱顶与起拱点之间的某一位置.     

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。     

岩爆的复合能量动力学机理

发生岩爆受多种复杂因素控制。如何从其现场实录出发,寻找其本质,是一个极其困难的工作。通过对各种岩爆能量机理分析,提出了基于复合能量为根本的岩体快速破裂后能量叠加引起工程围岩体动力破坏的岩爆发生机理。依据岩体裂纹快速起裂的能量判据,分析了裂纹开裂、扩展、贯通到煤岩运动的准静态到动态的过程。从岩体卸荷、流变的特性出发,阐述了基于复合能量条件下的止裂技术在应用于防治岩爆时的理论基础。     

深部隧洞掘进开挖瞬时卸荷动态破坏研究

瞬时卸荷是岩体开挖形成的瞬时岩体应力释放和调整。针对高应力区隧洞岩体开挖瞬时卸荷过程,通过能量守恒推导出了瞬时卸荷位移公式;基于Kachanov准则对构件的脆性破坏理论推导出隧洞侧壁围岩卸荷的初始破裂时间和完全破裂时间,并得出完全破裂时间等于岩体开挖卸荷完成时间;通过锦屏二级水电站某隧洞瞬时卸荷分析得出岩体在开挖瞬时卸荷条件下会产生岩爆,并且卸荷岩体的初始破裂时间较完全破裂时间短,但破裂却已很明显。     

弱胶结软岩地层马头门稳定性分析

本文对影响马头门稳定性的因素及其作用方式进行了研究,认为开挖使围岩应力重分布并引起围岩的力学软化是首要因素;围岩的吸水软化性是重要因素;其他仅影响马头门局部稳定性的为次要因素。文中通过采用数值分析的方法对开挖后围岩的力学软化进行了研究,马头门右侧硐室底部、左侧硐室两帮、马头门与井筒相贯线位置以及井筒上下一定高度范围内的围岩破坏严重,最大竖向位移值的为相贯线位置,其次为马头门右侧硐室底部;通过现场观测分析可知,开挖之初围岩主要发生力学软化,塑性位移增长速率大,同时伴随着岩体完整性的降低,锚索支护能对抑制围岩内应力软化的扩展有较好的效果。     

强采动下近距离硐室群围岩应力演化及加固对策

以成庄煤矿井下甲、乙水仓及变电所等近距离硐室群为背景,采用FLAC3D有限差分程序计算分析了2322工作面强采动下近距离硐室群围岩应力演化规律,采用UDEC离散元软件研究了近距离硐室群注浆加固机理,并提出了相应的加固对策。研究结果表明:成庄煤矿甲、乙水仓及变电所等近距离硐室群开挖后,围岩间垂直应力叠加效应较水平应力更为明显,但水平应力集中程度更高;2322工作面回采引起煤柱支承压力向底板传递,受煤柱高应力与底板高应力叠加作用,硐室变形特征将首先表现为强烈底鼓;相同注浆压力和水灰比条件下,沿注浆孔切向方向浆液的扩散半径大于沿径向的扩散半径;注浆锚索加固后,硐室群浅部围岩承载力大幅提高,工作面回采产生的强烈采动应力由深部转移至浅部,防止了深部岩体的进一步破坏。井下试验表明,注浆锚索加固后,2322工作面回采过程中各硐室围岩保持稳定,实现了强采动影响下近距离硐室群围岩变形的有效控制。     

扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究

为研究扰动诱发不同中间主应力单面卸荷岩体破坏特征,通过真三轴扰动卸荷测试系统和声发射监测系统,进行了不同中间主应力卸荷实验及卸荷扰动实验,研究了中间主应力对单面卸荷岩石强度特征、演变规律及破裂模式的影响,分析了中间主应力σ₂方向扰动作用后卸荷岩石的力学特性。结果表明:在一定范围内,随着中间主应力的增大,卸荷岩石的稳定性和峰值强度都有所增强,但较大的中间主应力会逐渐弱化岩石的承载能力;随着中间主应力的增大,卸荷岩石的开裂模式由张拉-剪切破坏逐渐转变成张拉-劈裂破坏;在σ₂≤30 MPa时,声发射信号经历了平静、持续出现伴随小幅突增、陡升高峰、持续低峰、大幅突增破坏;在σ₂>30 MPa时,声发射信号经历了平静、持续出现、多低峰、持续升高、突增破坏;不同类型扰动作用后卸荷岩石的破坏差异明显,中频中幅扰动后卸荷面形成明显V型破坏坑,分形维数最大,中频中幅扰动不仅加速了约束力小的卸荷面附近的小裂纹发育成核,同时也加速了远离卸荷面的大裂纹之间的连接贯通;扰动对岩石承载能力的损伤为中频中幅>高频低幅>低频高幅;工程...     

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。     

四体构件真三轴数值试验的底板冲击失稳研究

 摘要：针对深部地下工程底板冲击失稳的相关特点,提出了采用四体构件模拟煤岩体结构,运用Flac3D数值软件模拟试件真三轴压缩过程,通过不同中间主应力系数和卸载路径模拟深部开采环境,从构造应力和能量角度出发,分析了深部开采底板冲击相关特点。结果表明：当从最小主应力方向卸载时,卸载后到底板冲击发生所经历的时间较卸载中间主应力时长;不同的卸载方向导致底板冲击所经历的时间步与中间主应力系数呈指数关系,当卸载最小主应力时,煤层开采到发生冲击所经历的时间步与中间主应力系数成指数关系上升,而卸载中间主应力时反之;发生冲击的岩体经历了脆-延-脆-塑的转化过程。     

大红山铁矿采区贯通后的围岩应力重分布监测

为研究大红山铁矿围岩应力分布特征，以大红山铁矿两个特大采区逐步因爆破而贯通这一特殊工程背景，在探究围岩应力分布机理的基础上，通过对微震监测和应力监测结果进行分析，重点研究了采区贯通后围岩应力重分布情况。研究结果表明：位于中II采区南部的采空区围岩体中以应力增加为主，应力增加的程度与离采空区的远近呈反比，但是在靠近采空区约20 m左右的近距离范围内产生了一定程度的卸载，结合现场观察来看，该区域岩体受力变形破裂较严重；南翼采区440 m分段、420 m分段相继回采的过程中，围岩内的应力增加速度开始明显变大，应力增加程度增大，部分临近采空区的围岩从卸载变为应力增加；中II采区下方，即南翼采区的南部区域的围岩以应力卸载为主，这对南翼回采中布置在下盘的回采进路与沿脉干线的稳定性有益，除了会受矿体回采的扰动应力外，采空区贯通产生的扰动应力对这些区域的巷道影响较小.     

巷道围岩渗流场和应力场各向异性特征分析及应用

依托范各庄煤矿12号煤层底板的砂岩巷道工程实际,应用岩体结构面非接触测量（ShapeMetriX3D）系统,对巷道开挖面进行岩体结构面数字摄影测量及识别,得到岩体结构面的几何分布参数;在此基础上,利用Mont-Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论计算岩体的渗透张量和弹性张量,研究了岩体力学参数各向异性和尺度效应;最后,建立了平面应变情况下的巷道围岩各向异性渗流力学模型,采用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件,计算得到了可以考虑节理分布特征的巷道围岩应力场和渗流场,并讨论了岩体力学性质主方向对围岩应力场、渗流场及损伤区的影响。研究表明,岩体的各向异性对数值模拟结果影响显著,等效连续介质的各向异性模型能考虑岩体结构面的影响,更符合工程实际。     

突出和冲击地压中层裂现象的机理研究

针对突出和冲击地压中常出现的岩壁应力突然卸载的力学条件,建立简化的层裂发生及发展数学模型。利用动力学理论,分析了岩壁应力突然卸载时应力在岩体中的传播规律,得出了层裂破坏的原因,并通过数值模拟方法再现了层裂过程。结果表明,冲击地压中层裂现象产生的主要原因是由于地应力突然卸载而形成卸载波,该卸载波向深部传播过程中发生部分反射,反射波和入射波叠加使岩石受拉应力而破坏。煤与瓦斯突出中层裂现象的产生不仅受到卸载波反射叠加的影响,还受到瓦斯的影响,分别表现为高压游离瓦斯参与了煤中裂隙的扩展,以及伴随着层裂的间断性出现,瓦斯压力的间断性释放又会产生向深部传播的卸载波。     

采动影响下陡倾断层面对岩移的屏障效应及其发生机制

为研究采动影响下陡倾断层面对岩体移动的屏障效应及其发生机制,基于数值模拟方法,分析了采空区分别位于断层面上盘和下盘时,断层面对围岩位移场和应力场的影响。结果表明:假定条件下,采动影响范围内的断层面破坏了岩体移动和变形的连续性和协调性,影响了围岩应力的传播,具有一定的屏障效应;断层面上盘开采比在下盘开采引起的断层面两侧围岩位移差和应力差更大,采动产生的卸围压效应更强,并揭示了陡倾断层面对岩移屏障效应的发生机制。研究成果对于断层影响下岩体移动范围的确定具有重要的意义。     

沿空留巷围岩应力演化规律及大变形机理分析

针对沿空留巷围岩要经受上下两个区段工作面采动应力影响,围岩变形量大、巷道维护困难的特点,以沁新煤矿为工程背景,运用数值计算的方法得出了沿空留巷全寿命期围岩应力演化规律和变形特征。通过对围岩加、卸载荷规律及破坏效应的分析,总结了沿空留巷围岩产生大变形的原因。结果表明:1巷旁支护体与实体煤帮力学性能的差异及其在形成稳定承载结构过程中为适应上区段工作面顶板垮落而产生的围岩持续变形是沿空留巷围岩大变形的主要组成部分;2沿空留巷全寿命期内围岩的受力可看作卸围压条件下的三次轴向加载和卸载作用,卸围压条件下的反复加卸载在加剧围岩变形破坏的同时也是围岩变形量积累的过程,最终导致围岩大变形的发生。     

高应力超大采空区围岩破裂机理研究

针对红透山铜矿岩爆等地压灾害频发现状,采用声发射与多点位移计联合监测技术,对27采场4分层边墙和顶板的岩体破裂及变形进行长期监测。通过位移与AE事件数的不同分时累计曲线比较发现：①硬脆性岩体在强卸荷后,其释放的变形很小,而且变形的波动总是先于AE事件。根据岩体变形破坏能量释放机制,围岩变形释放的应变能决定了岩体耗散能,而耗散能是导致岩体破裂的直接原因,所以,围岩变形是微破裂产生的先决条件。②岩体微破裂的开裂扩展改变了岩体的内部结构,在应力场的二次调整过程中,裂隙不断发育,直至产生稳定的岩体构造。为避免硬脆性岩体在高应力强卸荷条件下出现片帮、岩爆等剧烈破坏,建议通过增加卸荷瞬时释放变形的方式,加强岩体应变能的释放,从而减少耗散能;同时在爆破开挖后及时支护阻止岩体内部构造的劣化。另外在岩爆多发地段,增加布设高精度位移监测设备,通过卸荷后围岩变形的突变,对高应力条件下的地质灾害进行预测预报。