蝶形破坏理论及其应用研究进展

煤矿工作面回采导致巷道所处位置的区域应力场较原岩应力发生剧烈变化，蝶形破坏理论基于采动巷道非等压应力环境建立了巷道围岩破坏形态与区域应力场的量化关系，为研究巷道围岩力学行为和动力灾害提供了理论基础.本文首先系统回顾了蝶形破坏相关研究的发展历程，阐述了蝶形理论的研究趋势；然后，对巷道围岩3种破坏形态及其判别准则、5类蝶形破坏特性、4个方面的蝶形破坏理论适应性等进行了评析，并介绍了蝶形破坏理论在各类巷道围岩稳定性控制、煤与瓦斯共采、冲击地压、煤与瓦斯突出、以及蝶型地震与断层形成机理等方面的应用创新情况；最后，深入探讨了蝶形破坏理论适应性和局限性，从蝶形破坏特性表征、系列机理和机制的实践验证以及新技术研发角度指出了蝶形破坏理论未来的发展方向.     

对《巷道蝶形破坏理论及其应用前景》一文的讨论

对发表于《中国矿业大学学报》2018年第5期《巷道蝶形破坏理论及其应用前景》一文中的核心公式(2)进行分析,发现即使在静水压及地下巷道常见地质条件下,该公式计算的塑性半径仍小于巷道半径,即无塑性区域.故认为该公式不能客观描述巷道围岩变形情况,因此,基于该公式的蝶形理论并不存在,且原文后部分的蝶型冒顶机理、蝶型冲击地压、煤与瓦斯共采中钻孔蝶形增透机制等各结论均不能成立.     

重复采动巷道围岩塑性区叠加扩展形态特征及量化判别方法

重复采动巷道围岩破坏问题一直是矿业学科研究的中心问题,其研究关键在于2种应力叠加影响前后巷道围岩塑性区形态间关系.为研究巷道围岩塑性区叠加扩展形态问题,综合运用数值模拟试验及理论分析的方法,研究不同形态塑性区叠加扩展规律及形态扩展机理,提出叠加塑性区形态量化判别准则,建立以叠加塑性区形态扩展规律及判别准则为依据的叠加塑性区判别方法流程.结果表明：1)巷道围岩叠加塑性区可看作一次塑性区与二次塑性区形态的叠加;当二次塑性区呈蝶形时,蝶叶位置扩展存在不稳定性.2)揭示叠加塑性区形态扩展机理：一次偏应力产生的前态塑性区存在不可逆性,叠加二次应力后产生的后态塑性区是在已破坏围岩基础上的再破坏形式,叠加前后偏应力大小决定后态塑性区形态;不同主应力角度叠加塑性区扩展偏转位置取决于主应力偏转角.3)提出围岩叠加塑性区形态量化判别公式及判定准则,通过叠加塑性区形态系数量化判别叠加塑性区形态.4)建立叠加塑性区形态量化判别方法流程,并通过采场模型及平面模型联合分析,完善重复采动前后围岩塑性区形成扩展过程,为重复采动巷道围岩稳定性控制提供更加准确的理论依据,并通过工程实例对该方法可靠性进行验证.     

巷道围岩蝶形破坏理论的适用性分析

蝶形破坏理论为定量研究地下围岩力学行为及解决地下工程灾害提供新的思路和方法.针对业内专家学者对蝶形破坏理论重点关心的问题展开研究,通过理论分析与数值模拟分析了理论计算的可靠性,以及蝶形破坏理论在不同巷道断面形状、层状围岩条件下的适用性.结果表明:1)理论计算与数值模拟得到的塑性区的形态与发展规律完全一致,仅在塑性区范围计算精度上有所差别,理论公式在研究巷道围岩力学行为规律方面具有可靠性;2)不同巷道断面形状围岩的蝶形破坏具有相似性,理论计算得到的蝶形破坏规律在非圆形断面条件下仍然适用;3)在层状围岩条件下岩层之间性质的差异导致巷道围岩蝶形破坏表现出选择性,但蝶形显现部位仍然符合蝶形破坏的数学界定,因此蝶形破坏理论在层状围岩条件下仍然适用.     

基于塑性区形态系数的巷道冲击风险性量化评估方法

采用理论分析、数值模拟、现场案例分析的方法,从巷道围岩塑性区演化扩展与能量释放入手,研究了不同形态塑性区对应力变化的响应规律.建立了一个以塑性区形态系数为量化指标、以塑性区形态特征为评估判定依据、能够对处在一定应力与围岩环境中的巷道进行量化的冲击风险性评估方法.结果表明:圆形、椭圆形塑性区范围小、应力响应迟钝,蝶形塑性...     

圆形巷道围岩偏应力场及塑性区分布规律研究

以弹塑性力学中的圆孔应力解和塑性力学的偏应力理论为基础,利用莫尔-库仑强度准则,研究了围岩偏应力场和塑性区分布规律,得到了非均匀应力场下圆形巷道围岩偏应力的计算式和塑性区半径计算方法.结果表明:巷道埋深、极坐标r、极坐标θ和侧压系数与最大和最小主偏应力的大小曲线分别呈线性分布、"八"字型分布、"笔尖"型和"X"型分布;侧压系数小于、等于和大于1.0时,会出现不同形态的蝶形塑性区;随着侧压系数的增大,塑性区边界各位置的最大主偏应力会逐渐增大,而最小主偏应力却逐渐减小,两者之间的差值越来越大;内摩擦角、内聚力和圆形巷道半径的增加,都会导致塑性区半径的减小.     

回采巷道动压区锚索强化支护机理及参数优化设计

以车集煤矿2901工作面为工程背景,探究了回采巷道动压区锚索强化支护机理.通过构建梯形巷道等效围岩力学结构模型,推导了巷道围岩塑性区半径公式,基于悬吊理论建立了巷道锚索支护力学结构模型.采用FLAC3D软件对比分析了单体支柱和补强锚索不同方案支护时的巷道损伤破坏特征.结果 表明:梯形巷道顶板竖直方向最大塑性区半径为5....     

近距采空区下回采巷道非对称变形机理及控制对策

针对山西某矿4~#煤回采巷道掘进后出现的非对称变形严重、支护困难等问题,基于巷道围岩的自稳隐形拱理论,综合工程地质分析、理论力学解析、数值模拟和现场试验相结合的方法,对非对称变形机理和控制对策进行了研究.结果表明：1)上覆采空区和遗留煤柱下方支承应力改变了巷道围岩最大主应力的大小和方向,支承压力的差异性是造成巷道发生非对称变形的主要因素;2)回采巷道的片帮使自稳隐形拱的最大高度由1.74 m增加为2.68 m,最大高度的位置向遗留煤柱侧偏移了0.2 m,巷道两帮非对称变形加剧了巷道整体变形的非对称变化趋势;3)采空区和遗留煤柱下方底板的非均匀应力造成回采巷道围压比增加数倍,回采巷道塑性区呈现非对称蝶形破坏;4)建立了近距采空区下回采巷道自稳隐形拱支护模型,利用预应力锚杆提供主动压应力使回采巷道两帮改变为类刚性结构,并通过锚杆对巷道围岩关键区进行补强,通过自稳隐形拱理论定量化的设计锚杆索合理支护参数,非对称变形问题得到良好控制.     

巷道围岩稳定性及蝶形破坏理论内涵探讨——对《对〈巷道蝶形破坏理论及其应用前景〉一文的讨论》的回应

针对读者对《中国矿业大学学报》2018年第5期《巷道蝶形破坏理论及其应用前景》一文的质疑,分析讨论了巷道围岩稳定性及蝶形破坏理论内涵,表明静水压力下巷道围岩无塑性区或者较小塑性区符合基本认知;同时指出蝶形破坏形态是地下工程孔洞围岩中的一种客观存在,巷道蝶形破坏理论创新性不是创造了蝶形破坏或蝶形破坏的名称,而是率先迈入蝶形破坏特性规律研究的新领域(包含均质围岩条件的一般规律和非均质条件的特殊规律),并将蝶形破坏特性研究成果引入解决工程问题,将地下工程多种类型灾害伴随的物理现象统一到蝶形破坏理论框架中来.巷道蝶形破坏理论及应用的许多工作都是开创性的,因此非常欢迎对此展开质疑和讨论,无论是证真或证伪,对于科学进步都是有益的.     

深部大规模松软围岩巷道破坏分区理论分析

综合考虑巷道破坏特征及典型软岩应力应变曲线特征,对深部巷道松软围岩进行破坏分区,提出了适合破坏分区的四线段本构模型,建立了深部大规模松软围岩巷道应力分析的力学模型,推导了不同破坏分区应力解,得出了界定各破坏分区范围的表达式,结合具体工程验证了巷道破坏分区划分的正确性和合理性.研究表明:深部松软巷道围岩自巷道向外分别为塑性流动区、应变软化区、塑性硬化区和弹性区4个分区,各分区临界应力满足Mohr-Coulomb准则;围岩塑性区的范围随支护阻力、应变硬化系数、应变软化系数以及内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大;各分区范围的理论解能够有效指导支护设计,实现对深部大规模松软围岩巷道的长期稳定.     

采高对下层煤回采巷道稳定性影响分析

针对近距离煤层下层煤回采巷道布置在应力降低区时,掘进过程中仍出现围岩破碎、局部地段有底鼓的现象,采用理论分析的方法,对不同采高情况下上层煤遗留煤柱上支承压力分布规律进行分析,结合煤矿实际利用计算机对不同采高时下部煤层巷道围岩力学特征进行数值模拟,得出随着采高增大下层煤回采巷道受上层煤采动影响越大,下层煤巷道靠近煤柱一帮破坏越严重,巷道底鼓量越大的规律.为采高变化时下层煤回采巷道支护参数设计提供了依据.     

基于顶板风化程度及塑性破坏深度的围岩综合分类法

地下工程围岩分类是支护设计和施工的基础,国内外学者已提出了多种分类方法并取得满意成果,但诸如巷道上覆严重风化层等复杂地层的围岩分类,其研究成果还极为有限。以极限平衡区深入围岩深度为指标的分类方法为基础,首先考虑了矿山采动及煤岩体力学性质的影响,然后考虑了煤层顶板风化程度,最后得到最终塑性破坏区半径并进行分类。方法核心在于分析塑性破坏区和顶板严重风化区是否贯通,并根据贯通情况对塑性区半径进行修正。葛泉矿11912工作面回采巷道情况复杂、部分顶板严重风化,利用上述方法进行了巷道围岩分类,根据分类结果提出相应的支护对策并取得了良好支护效果。     

矿岩接触带巷道失稳分析及控制方法研究

矿岩接触带往往是巷道的薄弱区域,根据矿岩接触带变形破坏特征,并结合其特殊围岩情况,分析了矿岩接触带巷道薄弱区域的围岩稳定性.同时,将巷道围岩中的矿石和岩石的物理力学参数划分开,结合现场变形监测数据和矿岩物理力学参数,采用数值模拟进一步对矿岩接触带巷道支护前后的应力应变分布做了研究,探索失稳机理,研究发现矿岩接触带一般沿接触带层位发生剪切破坏且不与巷道中心线对称.根据上述研究,分别从塑性区拉伸破坏体积、剪切破坏体积和总体积分析对比分析锚杆支护、喷射混凝土支护、锚喷联合支护的应用效果,最后提出了针对矿岩接触带巷道的分区支护方法 .     

破碎围岩梯度支护模型及分级控制研究

针对深部巷道大变形难控制问题,基于深部巷道围岩梯度破坏机理及巷道等强支护理论,进一步提出了围岩梯度支护分级控制原理和屈服破坏判据.针对巷道围岩破碎区,采取锚杆和高强水泥材料加固控制;对围岩塑性区,采取锚索和纳米基水泥材料控制,由此实现基于梯度破坏机理的巷道围岩分级三维承压壳控制.研究结果表明：破碎半径、支护强度以及加固厚度对梯度支护模型的敏感度较大,当r=R₁和r=R_p时,基于围岩梯度破坏的梯度承压壳发生屈服破坏的极限强度分别约为25和15 MPa;理论分析验证加固后的梯度承压壳可以实现破碎区边缘和塑性区围岩的恢复,理论得出最好状态分别能近似恢复至初始状态的52%和95%左右.梯度支护模型和分级控制方法在一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导.     

深部巷道组合钢架合理支护间距数值模拟研究

为确定深部巷道组合钢架合理支护间距,有效控制深部巷道围岩变形,提高巷道施工机械化水平,以焦作煤业集团赵固(新乡)能源有限责任公司赵固二矿11071工作面回风巷为研究背景,采用三维有限差分软件对深部巷道6种支护方案的围岩变形、应力和塑性区分布进行对比分析.结果表明:深部巷道围岩变形和塑性区分布受围岩局部让压效应影响显著;在巷道拱顶、拱底以及两帮与底板交接部位均易出现应力集中现象;巷道开挖引起的岩体破坏以剪切破坏为主.根据数值模拟试验得出了深部巷道组合钢架合理支护间距,优选出的最佳支护方案可以减缓围岩变形,改善围岩应力状态,减少围岩塑性破坏范围,从而提高深部巷道围岩的稳定性.     

地下巷道锚杆作用机理的流变分析

对于采用锚杆支护的巷道，根据流变力学的基本理论，分析了两向等压条件下锚杆支护区围岩应力－位移随时间的变化规律，建立了与时间有关的锚杆支护护破坏准则，对地下水巷道的支护设计具有一定的参考价值。     

数值模拟软岩巷道支护技术研究

软岩巷道多具有高应力、变形大、难支护等工程特征,单一支护方式难以控制围岩变形.通过对围岩变形机理、破坏过程分析研究,利用模拟围岩变形破坏的RFPA计算软件,建立了数值计算力学模型.对软岩巷道围岩变形破坏、应力转移过程进行模拟分析,为软岩巷道支护方案设计提供了依据.     

数值模拟软岩巷道支护技术研究

软岩巷道多具有高应力、变形大、难支护等工程特征,单一支护方式难以控制围岩变形.通过对围岩变形机理、破坏过程分析研究,利用模拟围岩变形破坏的RFPA计算软件,建立了数值计算力学模型.对软岩巷道围岩变形破坏、应力转移过程进行模拟分析,为软岩巷道支护方案设计提供了依据.     

含软弱夹层顶板采动巷道冒顶机理与控制方法

为揭示采动巷道顶板软弱夹层位态与冒顶的内在关联,以南山矿回采巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场探测等综合研究方法,研究了含软弱夹层顶板采动巷道围岩破裂形态及冒顶机理.结果表明:巷道顶板整体的破裂形态主要取决于软弱夹层厚度、破坏状态及其下位坚硬岩层物理力学性质.采动影响作用下,巷道顶板软弱夹层极易出现破坏,并伴有强烈的膨胀变形压力,有可能致使顶板整体破裂,南山矿回采巷道顶板软弱夹层下位坚硬岩层不足1.0 m时,则出现冒顶隐患.据此,提出了含软弱夹层顶板采动巷道冒顶控制应以抑制软弱夹层破裂区扩展为主,并对南山矿回风顺槽进行了支护设计优化,监测结果表明该支护对策效果良好.     

深井软岩巷道预留刚隙柔层厚度的确定及应用

针对深井软岩巷道围岩变形、破坏的特点,提出了预留刚隙柔层的厚度就是巷道围岩出现松动破坏前的塑性区径向位移．采用Bonaitin-Thomson模型对分区的巷道围岩进行了力学分析,推导出黏弹性区、稳定塑性区的径向位移计算式,并讨论了影响预留刚隙柔层厚度的主要因素．结果表明：巷道围岩位移与时间有关,且随时间的增长而增加,并最终趋于一稳定值．预留刚隙柔层厚度随巷道半径和原岩应力的增大而加大,随一次支护强度的增加而减小,但受一次支护强度的影响较小．曲江矿运输大巷预留刚隙柔层37cm,使巷道围岩充分释放变形能的同时又不损害围岩自身的支撑能力,二次支护后,巷道围岩变形量较小．