直墙拱形巷道围岩应力场分析

为得出直墙拱形巷道围岩应力分布规律,应用复变函数弹性理论推导了直墙拱形巷道围岩应力分布的解析表达式。对直墙拱形巷道边界的围岩应力和巷道水平线方向的围岩应力分布规律进行分析,并考虑直墙拱形巷道断面高宽比和侧压系数对其影响规律。研究表明：在不同巷道断面高宽比、侧压系数下,直墙拱形巷道围岩应力集中区域主要集中在直墙底部底角处、拱形顶板中点附近和底板中部3个位置。不同巷道断面高宽比下,直墙拱形巷道沿水平线的应力分布规律基本相同。侧压系数大于1时,采用巷道断面高宽比小于1较有利于巷道稳定;侧压系数小于等于1时,采用巷道断面高宽比大于1较有利于巷道稳定。     

基于FLAC~(3D)模拟的软岩巷道地压显现规律研究

为了研究软岩巷道围岩矿压显现规律,采用FLAC~(3D)数值软件模拟不同侧压系数下,巷道围岩应力、位移和塑性区的变化规律,结果表明:由于侧压系数的不同,巷道开挖后在巷道底板和两帮拐角处出现应力集中,并在两帮中间位置出现了拉应力,最大拉应力为0.013 2 MPa;随着侧压系数的增加,巷道的水平位移大于垂直位移且偏帮严重;整个巷道塑性破坏明显,塑性区主要分布在巷道顶板上0.8 m左右和底板下1 m左右,说明巷道围岩自稳能力差,需要采取支护手段,为研究巷道矿压显现规律提供参考。     

煤矿深部岩体地应力特征及开挖扰动后围岩塑性区变化规律

 基于淮南5个煤矿区的水压致裂法地应力测量结果,揭示淮南煤矿区的地应力特征及其随岩性的变化规律,分析开挖后围岩应力特征及塑性区变化规律,初步得出如下结论：(1) 淮南5个煤矿区地应力以构造应力场为主,属高应力区;(2) 岩性对岩体地应力侧压系数影响大,砂岩区岩体地应力侧压系数为1.52～1.87,泥岩区岩体地应力侧压系数为1.08～1.18;(3) 岩性是影响围岩塑性区特征的重要因素。由于岩性的差异,最大主应力相近的潘一煤矿和顾桥煤矿南区围岩塑性区范围有较大差异。与此同时,刘庄煤矿实测部位最大水平主应力小于潘一煤矿,但由于矿区测试部位的岩性为灰泥岩,围岩塑性区范围明显大于岩性为石英砂岩的潘一煤矿。研究结果可为类似巷道围岩的变形破坏机制分析以及巷道加固支护提供参考。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

动力扰动下侧压系数对卸压孔与锚杆支护的研究

为探讨各因素对深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的影响机制,利用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D-Dynamic模拟了巷道支护模型在动力扰动作用下围岩应力场的分布规律、巷道破坏形态特征。通过分析得到动静组合加载下不同侧压的巷道围岩应力重分布的一般规律,并从破坏单元声发射能量释放的角度分析了动静组合加载对围岩的损伤效应。研究指出,侧压系数λ是静态和动态扰动作用下巷道围岩应力重分布的主控因素;高围压条件下,动力扰动成为触发巷道破裂失稳的主要诱因,且动力扰动作用对不同围压的巷道围岩破坏形态的影响各不相同。     

爆炸载荷诱发地应力瞬态卸荷对深部围岩的损伤特性

地应力瞬态卸荷是造成深部巷道空间变形垮塌的主要诱因。近似认为爆炸荷载与地应力瞬态卸荷的耦合应力场是在一定的地应力条件下,由爆炸荷载激发的动态应力场和地应力瞬态卸荷激发的动态应力场在相应的时域和空间上叠加而成。采用数值模拟的方法研究了爆炸载荷扰动诱发的高地应力瞬态卸荷对巷道围岩的损伤规律。研究表明:爆炸载荷对围岩的扰动先于地应力瞬态卸荷,二次应力分布时程曲线受爆炸应力波的影响显著,耦合应力场对巷道顶板拐角、两帮、顶板、底板中央围岩处的动力扰动仍以爆炸载荷为主,且对顶板的扰动作用更强。巷道两帮的围岩损伤比顶、底板深,质点振动速度峰值随着向围岩远处的传播呈衰减趋势。随着侧压系数的增大,巷道两帮围岩塑性损伤范围减小。     

单裂隙隧洞类岩模型力学特性的数值模拟

为了研究隧道围岩中裂隙分布形态对临空面岩体力学特性的影响,对不同裂隙长度、倾角和空间位置的类岩模型进行单轴压缩颗粒流数值模拟试验,并进行了不同试验工况的对比分析。结果表明：模型中裂隙长度与隧道拱顶围岩内部水平拉应力基本呈反比关系,并在拱圈附近一定范围处存在水平拉应力稳定区,进一步得出隧洞拱顶围岩中垂直应力随着隧道埋深的增大而增大,裂隙长度对其影响程度更大。而模型中裂隙倾角与隧道拱顶围岩内部拉应力、拱肩附近围岩内部压应力呈正比关系。此外,随着裂隙空间位置H增加,拱顶围岩内部拉应力与拱肩围岩内部压应力均出现先减小后增加的变化规律,并进一步得出围岩待加固区宽度(系统锚杆长度最小值)与裂隙长度、拱圈半径之间的相互关系式,可为隧道锚杆设计提供一定的理论依据。     

深部巷道块系围岩分析模型及稳定性探讨

深部岩体具有典型的不均匀、不连续的自应力块系等级构造结构。由于浅部巷道围岩应力场分析是基于连续介质力学理论,没有考虑岩体的块体特性,因而无法应用于深部巷道块系围岩的应力场分析。考虑到深部巷道块系围岩破坏类型主要表现为峰后岩块沿软弱接触面的剪切滑移破坏,通过建立深部巷道的平面应变块系围岩模型,得到了轴对称条件下岩块相互作用的解析解;分别假设岩块之间的接触满足刚塑性和Mohr-Coulomb屈服条件,推导得出上述两种屈服条件下的块系围岩模型和连续介质模型的围岩支护力的计算公式。对比分析表明:围岩块体构造特性对深部巷道施工和承载力设计计算有重要的影响;通过假设块体间剪应力与剪切滑移满足分段线性关系,得到了块系围岩径向位移,剪应力和剪切滑移量的解析表达式,引入无量纲化的深部巷道块系围岩稳定性参数λ,并得出当λ<1时块系围岩是稳定的,当λ>1时块系围岩是不稳定的。     

恒阻大变形锚索支护巷道变形机制模型试验研究

为解决深部软岩巷道大变形问题,以口孜东矿千米深井巷道为工程实例,采用理论分析及物理模型试验的方法,对恒阻大变形锚索支护巷道的围岩变形机制进行研究。首先基于弹性力学理论,将直墙半圆拱断面巷道简化成圆形断面巷道,得出圆形巷道在恒定支护力、不同应力条件下围岩应力分布特征及巷道位移的解析解。其次基于相似理论,设计并完成模型恒阻锚索巷道支护试验,试验结果表明,随着围岩应力的增大,巷道位移程度增大;随着(水平)构造应力增大,巷道缩帮逐渐大于顶底板移进量,构造应力对稳定性影响显著;恒阻大变形锚索能够将应力向深部转移,使锚索锚固区岩体发挥支撑作用。将巷道围岩位移理论计算值与模型试验中各阶段监测值进行比较,结果吻合较好。与现场监测对比发现,巷道变形规律与试验变形规律一致巷道表面位移误差在5%以内,说明模型试验具有一定的参考性。     

煤柱宽度对巷道围岩稳定性影响分析

由于煤柱宽度的变化以及相对工作面位置的不同,矿山压力作用下造成的岩层移动和应力重新分布将对巷道维护及其稳定性产生重要影响.在现场实测分析基础上,应用计算机数值模拟(FLAC3D)综合分析了煤柱宽度变化对巷道围岩应力场分布及应力演化的影响.研究表明,不同宽度煤柱回采期间巷道围岩应力场分布特征均有很大差异,煤柱和工作面内煤体应力随煤柱宽度变化发生转移,巷道围岩稳定性是煤柱宽度变化引起巷道围岩应力分布及其演化共同作用的结果;煤柱的合理宽度应小于工作面内应力向煤柱内转移的临界宽度.该研究为煤柱留设、巷道布置、支护参数选择、巷道围岩稳定性控制等方面提供了理论依据.     

断层位置及强度对地下洞室围岩稳定性影响

岩体工程的稳定性主要受岩体结构控制,而断层是岩体工程中最常见的一类规模较大的地质不连续面。断层的力学性质及其与洞室的相对位置关系决定了围岩的稳定状态,通过数值计算及三峡工程地下厂房变形监测分析表明：断层的存在严重恶化了围岩的应力及变形分布,不同断层位置、不同自然应力场条件下围岩的应力及变形特征存在着明显的差异;断层摩擦强度对断层位于顶拱部位时的围岩变形影响较大,而粘聚力对断层位于边墙部位时影响较大,而且这种影响规律随侧压系数的增大而增大。     

圆形坑道锚注支护理想弹塑性分析

利用弹塑性力学经典力学模型,结合岩体力学知识,建立圆形坑道围岩和锚注支护力学分析模型,得到了圆形坑道围岩和锚注体弹塑性应力分布、塑性半径和弹塑性位移等与支护反力、原岩应力和岩体C、ψ之间的相互关系.合理地考虑围岩与支护共同作用,推导得出了一系列支护结构的计算公式,对弹塑性岩体的圆形坑道稳定性分析与设计具有较强的实用和指导价值.     

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解的讨论

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解——Kastner解适用于软岩和小变形情况,若用于非软岩和大变形情况,从Kastner方程会导得:不论巷道围岩塑性变形多大,巷道周边切应力恒等于岩体峰值强度;围岩所承受的地应力可以随围岩塑性区半径增大而持续增大,随巷道周边位移增大而持续增大;此外,Kastner解中切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处有尖峰向上的应力集中.采用符合岩石实际的弹性、非线性硬化和软化光滑连接的应力-应变关系得到的巷道围岩分析解,可以弥补以上三点不足,恰当地反映巷道临界深度和巷道围岩自承地应力极限问题;所绘出的切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处光滑连接,因而有更广的适用性和精确性,对巷、隧道围岩大变形支护设计有参考作用.     

圆形巷道两帮水平切槽对围岩卸压的数值分析

处于深部高应力的岩体中储存有大量的弹性应变能,它是引发深部硬岩巷道发生岩爆的内因。卸压法可以用于改变巷道和洞室附近围岩的应力场,使这部分围岩处于应力降低区,从而达到保持其稳定性的目的。本文用岩石破裂过程分析RFPA系统模拟圆形巷道周边开卸压槽前后巷道围岩的变形、损伤与破坏过程,分析了不同原岩应力状态(侧压力系数)和切槽长度条件下围岩的应力和损伤区的分布特征,揭示了围岩中开槽卸压的力学机理。数值模拟结果表明,数值模拟证实了当卸压槽深度为巷道直径的0.5倍左右时,围岩的卸压效果明显,但过长的卸压槽长度会导致整个巷道围岩结构体的承载力降低和变形过大。该项研究对于巷道卸压的工程实践具有一定的理论指导意义。     

巷道围岩松动圈形成机理的动静力学解析

考虑巷道围岩在开挖过程中的动静力作用,提出了围岩松动区包含破碎区和塑性软化区两个部分。首先在围岩的瞬间卸载所产生的动力作用下,巷道周边围岩产生张拉裂隙破坏区,随后在原岩应力的静压作用下,产生拉剪复合破坏形成破碎区。塑性软化区是在原岩应力的静压作用下,随围岩变形的增大逐渐形成的。同时,根据弹性力学知识,得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场,提出了破碎区半径的求解方法。根据破碎区围岩应力的分布及残余强度理论,得到破碎区对塑性软化区的支撑反力,再利用塑性区的应力计算公式,得到了确定围岩松动区半径的计算公式。通过实例计算与实际监测对比表明,松动区的半径与现场实际观测到的结果吻合的较好。     

基于Hoke-Brown准则的围岩稳定性

巷道是矿井下交通运输的重要通道,为了进一步的研究巷道围岩的稳定性,本文基于广义Hock-Brown非线性屈服准则,利用C语言编写程序,求解了不同GSI)的围岩巷道数值解。根据计算的数值结果,绘制了煤岩巷道塑性区半径、破坏区半径、位移以及切向、径向应力随GSI的变化关系曲线;研究结果表明:当GSI增大的时候巷道围岩的塑性区半径和破碎区半径都显著的变小,较差围岩中洞室的塑性区比位于较好围岩中洞室的塑性区发展快;随支护力的增大,巷道稳定性增强,在支护力相同时,支护结构对处于较差围岩中的圆形洞室洞壁位移约束效果较差,巷道围岩的GSI值对巷道围岩的稳定性具有重要的影响。通过对处于不同GSI值的巷道围岩稳定性进行数值计算和模拟研究,可以为在深井巷道设计时对巷道围岩的施工、支护等提供参考和借鉴。     

圆形隧道开挖卸荷效应的动静态解析方法及结果分析

针对地下圆形隧道的开挖卸荷效应,基于岩石动力学和弹塑性理论,在求解其动、静态显式解析解方面进行新的尝试。首先,探讨非均匀应力场中圆形隧洞开挖卸荷的力学模型,研究初始应力的分布规律以及卸荷过程的处理方法。基于Laplace变换和留数定理,给出一种计算隧道开挖时围岩响应规律动态解析解的方法,得到线性卸荷条件下围岩应力和位移的解析表达式。其次,考虑岩体的非线性硬化和软化特性,运用弹塑性解析法,推导出围岩应力和位移的静态解析表达式。对比分析动静态解析结果的差异,结果表明：(1) 卸载阶段,惯性力的存在能减少开挖卸荷对围岩的破坏,保持围岩的完整性,故而在动态解析结果中,围岩的扰动范围小,位移小,应力集中系数低,但应力梯度较高。(2) 动态解中,径向应力一直处于压缩状态,而切向应力先拉后压,有利于径向拉裂纹及层板结构的形成。(3) 卸荷速率存在临界值,当卸荷速率达到临界值时,质点的振幅及频率都达到最大值。     

赵庄矿深部巷道围岩变形机理研究

随着煤炭开采不断向深部地层发展,深部高应力条件下巷道容易发生较大变形,造成冒顶、片帮等事故,因此以赵庄矿× ×矩形巷道为工程背景,结合现场试验测得的围岩力学参数,采用FLAC 3D数值模拟软件对不同条件下巷道围岩变形机理进行研究,研究结果表明了巷道宽度、高度、埋深、侧压系数的改变对巷道围岩塑性区分布状态和围岩变形量的影...     

巷道开挖面抗剪承载结构形成和蠕变规律研究

为掌握深部软岩巷道应力承载结构的形成机理和发生剪切蠕变失效规律,通过研究巷道抗剪力学承载结构划分方法和形成特征,掌握该承载结构的空间效应和蠕变效应。以开挖面附近围岩为研究对象,利用工程实测开挖面附近不同区段围岩应力场和裂隙场分布规律,探讨空间效应影响下围岩抗剪承载结构形成机制;通过理论分析方法,基于统一强度准则和岩石三线段力学模型,获得开挖后软岩巷道次生应力场、位移场的定量解析式,推导“弹塑性”位移释放后围岩蠕变定量解析解。由算例结果可知,不同区段围岩承载结构演化规律受空间效应影响较大。最后,根据围岩抗剪承载结构蠕变失效特征,提出动态补强支护方案。     

流变岩体中既有隧道与新建平行隧道相互影响的理论解

在流变岩体中进行隧道施工时,既有隧道与新建隧道的相互作用将使围岩应力、位移分布与单隧道问题有明显不同,且与时间相关。针对黏弹性岩体中深埋双圆形隧洞考虑施工顺序问题,用复变函数方法、Laplace变换、黏弹性叠加关系导出两隧道周边开挖增量位移和应力场的求解方法和理论解答,并与有限元解进行了比对。根据解答分析了既有和新建隧道孔边增量位移与全应力分布特点;隧道周边增量位移随时间的变化;周边位移随隧道间距的变化规律。可用于黏弹性岩体中双圆形隧道顺序开挖的施工分析。相比数值方法,理论解可更方便地进行参数分析和初步设计。