地震波在巷道弹塑性围岩中传播规律的数值模拟研究

基于有限元动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟了地震波在具有初始应力情况下的巷道弹塑性围岩介质中的传播过程,分析了该条件下地震波在巷道周边的传播衰减规律。研究结果表明：随着传播距离的增加,地震波传播呈负指数函数关系衰减;地震波加速度幅值在近源场衰减速度快,远源场衰减减缓;当巷道正前方发生挠动时,随着离巷帮的距离越远,地震波加速度幅值越小;巷道围岩的弹、塑性应力状态也是影响地震波传播过程的一个重要因素,在弹塑性围岩介质中传播时,地震波能量的损耗主要是由于波形的几何扩展和介质的塑性变形引起的。     

动力扰动下不同硬度煤层巷道围岩响应特征研究

为了探讨动力扰动对不同硬度煤层巷道围岩稳定性的影响规律,对动力扰动下不同硬度煤层巷道围岩力学响应进行了数值分析。结果表明：动力扰动对软硬煤煤层巷道围岩稳定性显著影响时间为0.4 s;在巷道顶板水平应力波动幅值、顶板及帮部围岩变形程度方面,软煤大于硬煤,而在帮部垂直应力波动幅值、底板水平应力波动幅值、底板变形程度及帮部和底板的塑性区面积方面,硬煤大于软煤;软硬煤煤层巷道顶板变形程度均大于底板和帮部,软煤帮部变形程度明显大于底板;在巷道变形位移显著上升时间段内,软硬煤煤层巷道帮部和底板位移变化速率不一致,而顶板位移变化速率一致。     

轴向静载荷作用下变截面红砂岩应力波衰减特性试验研究

基于动静组合加载试验装置,对变截面红砂岩试件进行应力波传播试验,研究轴向静应力对应力波波形、幅值衰减和频率相关性的影响。结果表明:当无轴向静应力时,应力波均为压缩波,而随着轴向静应力的增加,卸载段尾部出现了拉伸波;对于同一测点,随着轴向静应力增加,波宽逐渐变窄;在相同的轴向静应力增量下,随着传播距离的增加,幅值变化量逐渐减小;应力波幅值随传播距离的增加呈指数形式衰减,其幅值空间响应强度、空间衰减系数随着轴向静应力的增加而逐渐减小,减小速率逐渐变慢;应力波信号的能量主要集中在低频范围内,低频波受静应力的影响更为明显。     

人工调控围岩防冲减振数值研究

煤矿冲击地压产生的冲击应力波由围岩介质向巷道表面传播,强烈应力波作用致使支护结构严重破坏甚至失效。采用水力割缝、爆破、锚固以及注浆等人工调控技术,改变巷道附近围岩体物理力学性质,形成不同强度的层状结构,使其成为优良耗能体,增强衰减和散射冲击应力波能力,进而减少对支护结构的破坏。利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,模拟5种不同人工调控结构类型对耗散冲击应力波的影响。研究结果表明:当巷道附近围岩结构整体强度均匀时,其耗能性能较弱,冲击应力波作用使得巷道剧烈振动,支护结构受到强烈冲击力作用容易发生破坏;采用人工调控技术手段,围岩体形成不同强度的层状结构,具有较强的耗散冲击能作用,大幅度降低冲击应力波振动频率和幅值,支护结构受到冲击作用力明显降低,整体稳定性得到提高。人工调控围岩技术可有效降低冲击地压的振动作用和冲击应力波的强度。     

循环荷载作用下煤样疲劳特性的试验研究

在地下采矿工程活动中,煤岩体时常受到循环荷载作用致使煤体强度降低,从而减少煤柱及巷道的服务年限。本文借助MTS815岩石力学试验机、核磁共振(NMR)无损检测仪对不同应力幅值的煤样进行疲劳损伤研究。结果表明,随着应力幅值的增加,煤的弹性模量、泊松比、滞回环面积以及加卸载响应比均逐渐增加,该结果提供了有益的参考价值。     

矿井巷道支护应力状态分析

针对煤销集团兼并重组矿井的现状,结合集团矿井自身特点,采用理论分析和数值模拟的方法对矿井巷道支护应力状态问题进行了分析研究。结果表明:巷道围岩应力以压应力为主,在巷道两帮和拱脚处应力值较大,容易出现应力集中;巷道围岩应力变化主要集中在2倍直径范围内;支护后巷道围岩应力向巷道内转移。     

全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析

以同煤大唐塔山煤矿全煤巷道为例,采用有限差分数值计算软件FLAC 3D,对不同顶煤厚度、不同巷道布置位置、不同巷道高宽比、不同地应力大小、不同锚杆锚索预紧力等情况下巷道围岩受力与变形特征进行了研究。结果表明：顶煤厚度在10 m以内时,随着顶煤厚度增加,应力集中区范围扩大,应力值降低;巷道掘进与相邻工作面回采后在煤柱中形成的应力集中区呈近似“三角形”的分布特征;相同巷道高度下,随着巷道宽度增加,顶煤应力集中程度增加,底板岩体中应力值却降低;煤岩体强度越高,围岩应力值越大;锚杆锚索联合支护时,锚杆与锚索施加的预紧力应在锚固结构中形成相互连接、相互叠加的压应力区。井下试验表明,强力锚杆与锚索联合支护有效控制了巷道围岩变形,为全煤巷道提供了有效的支护手段。     

不同赋存条件巷道围岩力学特征数值模拟研究

为掌握巷道围岩力学特征,以淮南谢一矿513(3)工作面回采巷道的地质条件为背景,采用FLAC3D对不同埋深、不同倾角的巷道进行了数值模拟研究。结果表明:随着埋深的增加,巷道围岩水平位移、垂直位移、水平应力、垂直应力呈非线性增加趋势,并且随着埋深的增加,巷道围岩塑性区逐渐增加;岩层倾角变化对巷道水平位移、水平应力影响较大,对竖直位移、垂直应力影响不大,巷道围岩破坏范围随着岩层倾角的增加逐渐增大,可为安全生产提供指导。     

临兴地区深部煤岩力学性质及其对煤储层压裂的影响

煤、岩力学性质是影响煤储层压裂改造效果的关键因素。基于煤的原位条件的全应力-应变试验、煤和顶底板围岩的单轴和三轴力学参数统计,结合FracproPT压裂模拟软件,揭示了深部煤储层原位力学性质,查明了研究区煤、岩组合特征及力学性质差异,探讨了煤、岩力学性质对深部煤储层压裂的影响。研究结果表明:随着温度的增加,煤的弹性减弱,塑性增强,力学强度呈减弱趋势。温度对煤力学性质的影响很小,对于煤整体的力学强度而言,这种影响可以忽略不计。应力增强了煤岩弹性性能和力学强度,且影响显著,在不同的应力范围内其影响特征不同。在弹性变形阶段,随着有效围压的增大,煤的弹性模量增大,泊松比减小,但是在不同围压条件下,弹性模量和泊松比随应力的变化显示出不同的特征。当有效围压为20 MPa时,随着轴向应力的增大,煤的弹性模量和泊松比先快速增大后逐渐恒定。当有效围压为10 MPa时,弹性模量和泊松比在轴向应力加载初期也呈快速增大趋势,但泊松比在轴向应力为10 MPa附近经历短暂的稳定后继续增大。当有效围压为30 MPa时,弹性模量和泊松比开始就是一个相对恒定的值,缺少弹性模量和泊松比的上升段。在塑性变形阶段,随着有效围...     

全长锚固锚杆早期锚固质量无损检测技术

借鉴桩基检测原理,通过理论分析和实验研究,证明了锚杆锚固体中固结波速确实会发生变化,其变化范围介于激发应力波在自由锚杆杆体中的传播速度和应力波在锚固介质中的传播速度之间,其值大小与锚杆、锚固介质及围岩的黏结强度有关.养护初期（＜14 d ）,随着养护时间的增加,固结波速逐渐减小.当养护时间达到一定值（约14 d）后,随着养护时间的增加,固结波速逐渐增大,并最终趋于定值.同时给出了固结波速和锚固质量的定性关系.     

某矿近距煤层回采巷道围岩控制研究

为研究某矿近距煤层回采巷道围岩控制方法,针对某矿近距煤层遗留煤柱下伏的2~#煤回采巷道围岩变形大、难控制等特点,通过理论计算和数值模拟,研究了1~#煤回采后的遗留煤柱对其下伏煤岩体的应力影响范围,确立了遗留煤柱下伏2~#煤层回采巷道合理布设位置,优化了巷道支护方案,并对优化前后的现场监测数据进行了分析。研究结果表明:①煤层遗留煤柱向下伏煤岩层传递的应力以煤柱中心线为中心呈对称分布,由浅至深,传导应力逐渐降低,且随着应力衰减速度变缓,衰减范围逐渐增加;②在下伏煤层中布置巷道时,应尽量将巷道布置在遗留煤柱扰动应力影响范围外;③巷道围岩支护方案应综合煤岩力学性质和围岩应力环境来制定。     

矿井深部巷道围岩变形破坏机理及支护技术

项目研究了重庆永荣太务局矿井巷道地应力随深度变化的规律、破碎岩体中弹性波传播特性、深部巷道围岩松动圈确定及松动圈与地应力变化规律、深部开采巷道受采动影响的围岩变形规律、深部巷道围岩分类、巷道围岩控制技术及支护技术、可回收锚杆技术及应用等。     

辛置矿矩形巷道围岩变形与应力分布数值模拟研究

针对辛置矿矩形巷道开挖后围岩应力分布、塑性区范围与形态、围岩移动变形等问题,采用Flac3D数值模拟软件对其进行研究。结果表明:矩形巷道宽高比对围岩塑性区分布影响较小,破坏形状呈圆形,围岩移动变形量及最大应力分布随宽高比增大而增大;侧压系数对围岩塑性区的影响较大,随着侧压系数的增大,巷道开挖后塑性区形状由竖向蝶形-横向椭圆形-圆形-竖向椭圆形-横向蝶形规律性变化,巷道围岩变形量和最大应力值随着侧压系数的增加先减小后增大。     

空拱形巷道中电磁波的传输特性

分析了电磁波在空拱形巷道中的传输特性。运用波导理论并结合数值计算法推导出巷道内的衰减率计算公式。对传输频率、巷道横截面以及围岩介质电参数对电磁波传输衰减率的影响做了软件仿真。结果表明:在300～3000MHz特高频段,工作频率越高衰减越小,巷道横截面积越大衰减率越小,围岩介质的相对介电常数越大,衰减越大,且介电常数的变化对垂直极化波的影响大于水平极化波,围岩介质的电导率对衰减的影响不大,可忽略不计。     

空拱形巷道中电磁波的传输特性

分析了电磁波在空拱形巷道中的传输特性。运用波导理论并结合数值计算法推导出巷道内的衰减率计算公式。对传输频率、巷道横截面以及围岩介质电参数对电磁波传输衰减率的影响做了软件仿真。结果表明:在300～3000MHz特高频段,工作频率越高衰减越小,巷道横截面积越大衰减率越小,围岩介质的相对介电常数越大,衰减越大,且介电常数的变化对垂直极化波的影响大于水平极化波,围岩介质的电导率对衰减的影响不大,可忽略不计。     

用声波法对矿山巷道喷层支护作用机理的初步研究

矿山巷道喷层支护致使围岩应力重新分布。根据岩体声波传播速度与应力有一定的相应关系,用声波法对某矿山巷道喷射混凝土前后不同时间的围岩应力变化进行了实测。本文以测得的纵波速度Vp为依据,探讨矿山巷道喷层支护的作用机理。结果表明,喷前与喷后围岩的亩波速度发生变化,且随着喷层龄期的增加而增加。在28天龄期以前,声速变化主要在围岩松动区范围内,而后逐渐扩展到松动区范围以外。原来的低速区转化为高速区,即低应力区转化为高应力区。这标志喷层与围岩形成了统一的承载结构体,支承着作用于巷道围岩的压力。     

冲击地压应力波作用机理

针对动载扰动下大型冲击地压的发生及演化过程难题,分析了采场动载应力波的产生机制,研究了动载应力波与静载耦合作用下煤岩体冲击破坏规律,从应力波的产生、传播与致灾过程详细解释了大型冲击地压演化机理。研究结果表明,采场高位坚硬顶板断裂与深部应力集中区煤体破断所产生的动载应力波幅值随着煤岩体强度增大而升高,应力波持续时间随着破断尺度增大而增大,说明在煤矿开采过程中,顶板或煤体强度越高、破断尺度越大,越容易产生大能量的动载应力波;动静载耦合冲击破坏实验结果证实,高静载、高动载应力波、静载与应力波耦合加载条件均能使煤岩体发生冲击破坏,且随着轴向静载的增大,试样发生冲击破坏所需的临界动载应力波强度先增大后减小,其上升段与下降段的分界点约为单轴抗压强度的50%。当静载达到该临界点时,煤体发生冲击破坏所需的动载应力波强度急剧减小,说明高地应力环境煤岩体受到动载应力波的影响更为显著;现场大尺度模拟分析表明,动载应力波作用下,采场煤岩体塑性破坏区范围逐渐增加并主要集中在巷道两侧,且随着应力波幅值和持续时间增加,塑性破坏区范围不断扩大;研究提出了冲击地压应力波作用机理:动载扰动下冲击地压是静载、动载应力波与煤...     

考虑非线性峰后损伤的圆形巷道围岩稳定性分析

为研究巷道围岩的稳定性,考虑围岩损伤后弹性模量的变化,采用统一强度准则,对巷道围岩进行极限平衡状态分析,推导出巷道损伤区半径及应力分布的解析表达式,通过算例分析损伤区弹性模量、中间主应力和扩容对理论解的影响。结果表明:损伤区半径随扩容系数的增大而增大;随着损伤区弹性模量的增大,损伤区半径逐渐增大,切向应力峰值逐渐减小且距离巷道壁面越远;中间主应力系数越大,损伤区半径越小,切向应力峰值越大且离巷道壁面越近。     

不同护巷煤柱宽度采空侧巷道支承应力分布规律

护巷煤柱宽度的不同,将引起采空侧巷道围岩侧向支承应力分布重新分布,对于回采巷道稳定性有着极大的影响。以常村矿3~#煤S6-1工作面的地质条件及工程为背景,采用UDEC数值模拟并且结合现场实际进行研究,揭示了不同护巷煤柱宽度对采空侧巷道围岩侧向支承应力分布的影响。研究表明,随着煤柱宽度的增加,支承应力峰值为先增大后减小最后趋于稳定。煤柱宽度小于20 m时,垂直应力呈三角形分布,煤柱宽度大于20 m时,垂直应力分布由三角形向梯形过渡;巷道围岩破坏情况随煤柱宽度的变化而变化。     

地应力特征对矩形巷道围岩松动区变形的影响研究

利用离散元数值分析方法,对矩形巷道在不同水平应力条件下围岩松动区应力分布及其变形破坏特征进行了分析研究。分析结果表明,侧压系数越大对围岩松动区深度及变形影响越大,并且侧压系数在较小值范围变化时,对松动区的影响明显小于侧压系数在较大值范围变化时的影响程度。变形量随着围岩深度的增加呈现非线性减小趋势,进一步证实围岩松动区变形量的大小主要体现在承载体与载荷体组成的平衡结构,变形主要产生在该平衡结构失衡与再平衡的形成过程。该研究对揭示巷道围岩的失稳机理以及矩形巷道支护方案的确定具有一定的借鉴作用。