考虑软化和扩容的圆形巷道围岩Z-P准则弹塑性解

巷道围岩受应力作用表现出的软化、扩容行为对巷道的变形和破环有重大影响。为了研究软化、扩容特性对巷道围岩稳定性的影响,根据岩体的软化特性,建立理想的弹性软化模型,将围岩分为弹性区、塑性软化区和破裂区;基于Zienkiewicz-Pande准则和非关联流动法则,考虑围岩的软化、扩容特性,推导出含中间主应力的圆形巷道弹塑性解析解;将Z-P准则与M-C、D-P等准则进行比较,分析了软化模量、扩容等因素对巷道围岩的影响。结果表明:Z-P准则可良好地适用于发生软化、扩容的巷道;中间主应力系数为0.4时,围岩塑性区范围最小,围岩位移最小,塑性区内应力最大;软化模量越大,围岩破裂区半径越大;剪胀角越大,塑性区位移越大,破裂区半径越大;支护阻力越大,巷道塑性区范围越小,且提高支护阻力能有效控制巷道围岩的变形。     

考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应

为了研究强度准则效应对圆形巷道围岩稳定性的影响,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后将巷道围岩划分为破碎区、塑性软化区和弹性区,同时引入强度参数软化模量和扩容系数,考虑中间主应力效应、岩石峰后应变软化和扩容特性,推导了巷道围岩应力、位移和塑性区半径统一解,并对新解的各影响因素进行了对比分析。分析结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配不同的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的强度准则相对偏于保守,考虑中间主应力效应时,MO准则和权系数<0.5的统一强度理论计算得到的塑性区半径和位移处于中间水平,而外接圆DP准则和权系数>0.5的统一强度理论对中间主应力效应考虑较多,选用时需谨慎;应变软化会使塑性区内围岩的性质得到进一步劣化,出现更大范围的破碎区,提高破碎区残余强度是一种有效的支护方法;巷道围岩的扩容特性不仅与剪胀角有关,而且还与塑性势函数有关,不考虑扩容将会低估围岩的真实变形。研究结果可为巷道围岩稳定性评价和支护设计提供重要理论参考依据。     

深部软岩巷道围岩扩容与流变特性模拟研究及应用

深部软岩回采巷道围岩劣化、扩容和流变效应显著。基于增量塑性流动理论和流变理论，将改进伯格斯体、改进黏塑性体和应变软化塑性体串联建立了BVS模型，可描述围岩应变软化、塑性扩容、蠕变三阶段、稳定与非稳定蠕变、流变损伤和流变扩容6个力学特性。推导了该模型的三维增量本构方程，并开发出可供FLAC^3D调用的数值形式。结合三维增量本构方程导出的参数辨识公式和中煤能源新集口孜东煤矿岩样试验数据，辨识了BVS模型的19个输入参数，并采用试验数据、理论解和数值计算结果相互印证的方式，对多种加载条件下单元件应力-应变响应、力学特性和模型整体进行严格校核。将BVS模型用于口孜东煤矿121302运输巷进行数值模拟计算，结果表明：掘进扰动较弱；流变期间围岩大范围持续劣化，呈顶板下沉量较小、巷帮锚固体整体内移和剧烈底臌的特点；回采影响强烈，使围岩大范围劣化，巷道断面强烈变形。底板泥岩持续臌起驱动不断扩容的底煤挤入巷道空间是发生剧烈底臌的主要原因；底板深度1.5 m处流变直接导致的软化参量全程仅占比0～16%,但流变损伤引起应力调整，间接导致软化参量增大。将数值模拟计算结果与井下实测数据进行了...     

考虑岩体塑性硬化与软化特性的巷道围岩变形理论分析

为深入探究岩石峰值强度前后非线性硬化与非线性软化特性对软岩巷道围岩变形及力学行为的影响,引入硬化系数与软化系数的概念,基于莫尔-库仑屈服准则与非关联流动法则,推导出圆形巷道围岩四区应力、位移和半径的解析表达式。通过算例,分析了硬化系数和软化系数对塑性硬化区与塑性软化区巷道围岩的影响。结果表明:对于巷道围岩塑性硬化区,其径向与切向应力随内摩擦角、黏聚力硬化系数的增大而增大,径向与切向应变也随内摩擦角硬化系数的增大而增大;而对于塑性软化区,其径向与切向应力随内摩擦角、黏聚力软化系数的增大而减小,径向与切向应变也随内摩擦角软化系数的增大而减小。因此提高巷道围岩塑性硬化区的内摩擦角、黏聚力硬化系数与降低塑性软化区的内摩擦角、黏聚力软化系数可提高围岩承载能力。     

基于四阶段应力-应变模型的深部巷道围岩弹塑性分析

为分析巷道破裂区范围,基于统一强度准则和非关联流动法则,考虑中间主应力及扩容系数的影响,建立了深部巷道围岩弹性区-塑性区-软化区-破裂区四阶段应力-应变模型,并求得围岩应力、应变及变形的封闭解。结合工程案例,分析了不同强度参数、应力-应变模型、剪胀角、残余黏聚力等对围岩状态变化的影响。研究结果表明：强度参数对围岩应力、应变及峰后破坏范围均具有重要影响。随着强度参数的不断增加,围岩环向应力峰值及峰后破坏范围均不同程度增大,应力曲线左移;扩容系数与强度参数和剪胀角均成正相关关系;随着残余黏聚力的不断增加,围岩峰后破坏范围及表面位移均呈现出非线性减小特征,其减小速率不断降低;与其他应力-应变模型相比,围岩峰后破坏区位移呈现出EBM>EPBM>ESM>本文模型>EPM的变化特征。此外,随着峰后破坏区剪胀角的不断增加,其围岩表面位移也不同程度增加：破裂区剪胀角对其影响最为显著,软化区剪胀角次之,塑性区剪胀角影响最小。这些分析结果可为围岩稳定性分析及支护参数设计提供重要理论依据。     

基于Mohr-Coulomb准则的球形洞室围岩应变软化弹塑性分析

通过用一系列的塑性流动与脆性跌落近似逼近峰后应变软化过程,将开挖球形洞室引起的塑性变形区划分为k个同心球壳。假定各球壳内岩体均质且各向同性,采用Mohr-Coulomb准则和非关联流动法则对受静水压力球形洞室围岩的应力和变形进行理论计算。由各球壳内岩体属性表征点建立岩体再破坏的补充方程,得到了围岩塑性半径求解方程组。通过算例验证了方法的合理性。最后,考虑岩体进入峰后阶段后,变形参数也随之劣化,讨论了弹性模量线性劣化对洞壁位移、软化半径和破裂半径的影响。     

弱胶结软岩巷道围岩应力与位移分布规律及支护技术

针对西部浅埋弱胶结软岩巷道的复杂地质条件,基于X射线衍射试验、电镜扫描、岩石力学物理试验与现场监测,揭示了西部浅埋弱胶结软岩巷道围岩变形破坏失稳机理。根据巷道围岩大变形破坏特征,建立了FLAC3D数值模型,模拟演化了弱胶结软岩巷道的围岩应力位移分布规律和塑性区范围,研究结果表明:弱胶结软岩巷道围岩最大主应力决定了巷道围岩的破坏深度,且随围岩深度近似呈"へ"形分布;巷道围岩不同方向深部变形s与巷道表面距离h呈负指数衰减变化的关系。通过对比分析,数值模拟塑性区范围和地质雷达探测松动圈厚度基本一致,从而为弱胶结软岩巷道围岩稳定性分析及支护加固方案设计提供了科学指导。最后针对弱胶结软岩巷道塑性区范围,提出了"锚网喷主动支护+36U型钢支架+全断面锚注"的联合支护技术,现场监测结果表明改进的支护方案可以有效控制巷道围岩变形及塑性区的扩展,保证了巷道的长期稳定及安全。     

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。     

蠕变和中间主应力影响下围岩变形分区弹塑性分析

考虑蠕变和中间主应力的影响,基于巷道变形稳定后围岩的峰值应力应为一定围压下岩石的长期强度的观点和统一强度理论,同时考虑围岩峰后阶段的应变软化和扩容特性,求得了围岩变形分区的弹塑性解析解。最后通过实例分析了蠕变和中间主应力对围岩应力、位移和塑性区半径的影响。研究表明：当忽略蠕变的影响时,一定程度上高估了围岩岩性,塑性区半径的理论结果仅为3.05m,与现场实测结果5.5m相差较大,当考虑蠕变的影响时,塑性区半径的理论结果为5.68m,接近于实测结果|验证了围岩的位移及塑性流动区半径随中间主应力增大而减小的性质,在设计支护时可适当考虑增大中间主应力。研究结果可为软岩巷道的支护力学计算及支护方案设计提供参考。     

支护阻力对软岩巷道围岩变形控制作用的研究

本文研究了围压对软岩峰后软化特性的影响 ,根据三轴压缩试验的应力—应变曲线 ,运用 Hoek提出的由主应力圆包络线确定粘聚力和内摩擦角等效值的方法和曲线拟合的方法 ,研究软岩的宏观物性参数峰后应变软化规律 ,建立了峰后应变软化数值模型。对软岩巷道的数值计算研究表明软岩巷道中支护阻力使巷道周边围岩由二向受力状态转变为三向受力状态 ,产生一定的围压 ,从而提高其残余强度 ,并减小其强度随塑性应变增大而衰减的速度 ,从而实现了对围岩破碎区范围的控制 ,最终控制巷道位移量     

大磨岭煤矿滑动破碎围岩巷道非对称变形特征及控制对策研究

根据神火集团大磨岭煤矿-426m水平西回风大巷的支护现状及滑动构造特殊地质条件,采用现场巷道变形观测及钻孔窥视效果分析总结出巷道围岩非对称变形特征及其影响因素。结果表明,巷道围岩松动圈发育随巷道暴露时间的增加而增大,受层面滑动等影响同断面内松动圈发育呈不对称分布。基于上述研究提出了"长锚杆顶锚索不对称联合支护技术",利用3m长锚杆控制浅部围岩强度,调整锚杆间排距、锚索以及高强底脚锚杆对产生层间滑移变形等关键部位进行加强支护。     

凿岩钎具使用技术研究

本文分析了凿岩过程中球齿钻头的破岩机理，探讨了深孔凿岩钎具的使用技术。     

岩石的热损伤效应

以实验结果为基础,着重从热损伤对岩石强度、断裂韧度和破碎性能的影响等方面,论述了加热引起的岩石力学性质及破碎性能的变化情况。结果表明,岩石的热开裂损伤是一种普遍现象,并对岩石的力学性质等有显著影响。根据岩石的热损伤效应,作者指出,在选矿工程中对矿石进行热处理后冷却,然后再进行机械破碎和粉碎可能是一条比单纯机械破碎或单纯热冲击破碎更有效的途径。     

煤岩胀裂破坏过程微震特性试验

运用建立的煤岩胀裂破坏微震观测试验系统,研究了煤岩试样在胀裂破坏过程中微震信号的特性规律。研究结果表明:煤样胀裂破坏过程中,微震信号的变化与载荷能够进行良好对应,基本呈正相关;煤样胀裂破坏过程中的微震信号是不连续的,阵发性的,但总体上呈群震型;岩样胀裂破坏过程微震阵发性明显,信号零星稀少,总体上呈前震-主震-后震型或主震-后震型;微震信号的变化规律体现了煤岩内部裂隙的发展发育过程,反映了煤岩的受载状态,可以利用微震信号的变化规律预测预报煤岩动力灾害的发生。     

覆岩破坏裂缝探测技术的新进展

离层注浆技术是近几年提出的控制开采沉陷的新方法,尽管这一方法在多个矿区进行了应用,取得了一定的效果,但由于缺少对离层位置等的准确描述,使得注浆效果难以控制,从而影响了该技术的推广应用.介绍了覆岩破坏探测技术新的发展,为采煤造成的覆岩离层位置的探测提供了新的观测方法.重点介绍了应用较为成功的几项新的探测方法,包括利用EH4电导率成像系统探测地层构造和覆岩破坏形态;用钻孔彩色电视系统观测覆岩中裂缝形态和宽度.     

地下选厂硐室群开挖引起的围岩破裂特征

针对张家湾地下选矿厂硐室群开挖引起的围岩损伤破裂问题,建立RFPA2D数值分析模型,模拟硐室群岩体内部的裂纹起裂、扩展的演化过程,探索阶梯形硐室群开挖卸荷引起的应力效应及其对围岩开裂的影响,并以声发射(AE)作为岩体瞬态卸荷开裂的依据,研究卸荷作用下硐室围岩的破裂范围。结果表明:硐室边墙最先出现起裂破坏,并逐渐沿着竖向发展;围岩裂纹沿着平行于最大主应力的方向发展;岩石非均质性对裂纹的延伸扩展影响很大,均质度越高,应力分布越集中,围岩破裂表现的脆性越强。     

综采工作面砂岩夹矸层酸化压裂破碎机理

以榆林小保当矿区112201大采高工作面煤层砂岩夹矸层为研究对象,通过夹矸层砂岩物理力学化学性质综合性实验分析,提出了以微量CO2水合物为主的复配专用岩石酸化压裂方法。对高压CO2耦合溶液作用下砂岩中矿物溶蚀的物理化学机理进行研究,分析了高压酸化压裂引起的岩石微观结构变化共同作用下的岩层变形破坏特征及孔渗影响规律。结果显示:CO2水合物酸化专用压裂方法,对夹矸砂岩组成中方解石和白云石组分的影响显著,高岭石膨胀作用增强,压裂液溶蚀孔隙数量显著增多,孔径变大,综合孔隙度和渗透率均增大。通过开采验证,煤层夹矸层CO2耦合压裂破碎后,与正常回采区段及常规水压致裂区段相比,耦合压裂区段工作面回采率显著提高,同时节能降耗效果最为明显。     

Research on inversion high mining pressure distribution and technology of preventing dynamic disasters by MS monitoring in longwall face

Under two rock strata combination conditions, over 10,000 microseismic events were received with microseismic location monitoring technology which possessed by the author’s studying team, used in fully mechanized coal face of Huafeng Mine of Xinwen Coal Mining Group Co., Shandong Province. On the basis of the achievement of the location results, the conclusions were drawn as follows: On the basis of the achievement of 3D strata fracturing situation and the section plane of microseimic events in different areas, the relationship between spatial structure of overlying strata and mining pressure field was found, and we might describe distribution range of dynamic pressure of advance pressure and lateral stress around long face, and range of structure ad-tivation. Quantitative guidance to prevent dynamic disasters was provided. The practice in coal mine got a effective results. According to the FLAC^3D soft numerical simulation of diameter drilling hole (the diameter is 300 mm) to relieve pressure in specified geological condition in Huafeng Mine, the right distance of two dirlls is 2.5 m and the right depth is 12 m. The research pro-vided basic guiding and practical experiences for the underground microseismic monitoring and disaster prevention in side slopes or tunnels engineering. Supported by the National Natural Science Foundation of China (40674017, 50534080); the Open Fund of State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining(2007-04); the Open Doctor Innovation Fund of Shandong Province (200703020); the Chinese Postdoctoral Science Fundation (20080440304)     

常见商品房住宅裂缝的原因分析与处理

分析了商品房住宅中常见裂缝出现的部位及产生的原理。提出了裂缝控制及处理的方法。     

冻融作用下单裂隙类砂岩冻胀力与强度变化规律研究

为研究不同裂隙长度、宽度、深度和长宽比(横截面面积相同)条件下冻胀力的大小及其萌生演化规律,首先通过室内试验对冻融过程中裂隙冻胀力进行了监测,初步得到了冻胀力与裂隙尺寸的函数关系,进而对冻融前后的试样进行单轴压缩试验,获得了冻融前后试样强度的损失规律。结果表明,非贯通裂隙试样冻胀力演化过程包括孕育阶段、爆发阶段、跌落平衡阶段、融化上升阶段和消散阶段; 冻结过程中冻胀力峰值、稳定值和融化过程中冻胀力峰值均与裂隙长度呈二次函数负相关,与裂隙宽度呈二次函数正相关,与裂隙深度呈线性正相关,与裂隙长宽比呈线性负相关; 随着裂隙长度、深度和长宽比增加,裂隙试样单轴抗压强度逐渐降低; 试样强度与裂隙宽度无明显相关关系。