岩体结构类型与巷道围岩稳定程度的相关性研究

针对阳煤五矿后备区井底车场岩层厚度变化大、岩体结构多样的特点,从岩体结构分类出发,通过分析巷道的应力场特征和破坏区域分布特征研究不同岩体结构特征下巷道的稳定性。研究结果表明:同等条件下巷道稳定程度为整体结构层状结构块体结构碎裂结构散体结构;岩体结构尺寸是巷道围岩稳定性分级的一个重要指标;巷道围岩稳定性与岩体块度尺寸间的数学关系为y=y0+A·eRo·x。其研究成果对于巷道围岩分级以及巷道支护具有理论指导意义。     

深部破碎易风化巷道失稳机制及治理分析

针对深部破碎易风化岩体中巷道失稳破坏机制及支护加固方案开展研究。通过总结分析破碎易风化岩体中巷道失稳破坏模式,探讨巷道破坏失稳机制,提出现有支护方案的不足;通过理论分析得到适用于此类条件下巷道稳定性控制对策和支护结构参数;采用数值分析研究破碎岩体中巷道支护前后围岩位移及应力演化规律,验证优化支护方案的合理性。研究结果表明:破碎易风化巷道开挖,如不及时支护将导致岩体发育节理劣化、膨胀变形,产生拱形垮落及岩块滑塌;巷道拱顶采用Φ22mm快硬水泥锚杆、侧帮采用Φ42mm管缝锚杆且间排距1.0m、拱顶及侧帮5mm薄喷层+钢筋网为合理支护方案;数值分析围岩位移及应力演化规律验证支护方案的合理性,能保证巷道在掘进和回采时围岩稳定性,将变形及应力控制在合理范围内,满足矿山安全和正常生产需求。     

基于岩体质量等级的巷道围岩承载结构分析

针对深部开采下巷道稳定性问题,以某铅锌矿 568 m 水平中段巷道为工程背景,通过支撑结构理论计算 模型,结合 FLAC3D 数值模拟实验,揭示不同岩体质量等级下巷道承载结构分布特征,分析岩体质量等级对各承载结 构区域下最大、最小主应力分布及塑性破坏特征的影响。 研究发现:①岩体质量等级每提高一级,浅、深和关键支撑层 厚度分别平均增加 0. 43、0. 65、0. 21 m,该矿深部巷道的浅、深和关键支撑层厚度分别在 0. 42 ~ 0. 85、2. 31 ~ 3. 08、0. 46 ~ 1. 02 m 之间;②随着岩体质量等级的增加,各支撑层内最大、最小主应力值呈增加趋势,不同区域内应力分布具有 明显的差异性;③关键支撑层外边界到巷道边界之间的围岩会发生塑性破坏;围岩强度较低时,浅部支撑层内巷道底 板及拱角容易出现拉伸破坏,这导致部分巷道出现底角破碎、两帮岩体沿节理面破坏的现象。 岩体质量等级越高,关 键支撑层离巷道越远,塑性破坏范围越大。     

金川二矿区深部巷道支护稳定性数值模拟研究

以金川二矿区深部某中段采准巷道为工程背景,通过应用Q分级方法,地质力学类法(RMR法)、地质强度指标(GSI)进行岩体质量分级和岩体力学参数估算,应用经验公式和理论分析法进行中段采准巷道支护设计.在此基础上,分别对比未支护和支护两种条件下巷道变形和破坏特征,确定采用设计的支护方案可有效降低巷道围岩变形程度并降低围岩塑性区深度,进一步验证表明,为该矿深部采准巷道稳定性控制提供的支护结构参数是合理的.同时,也发现巷道围岩浅层破坏以拉破坏为主,而围岩深层破坏以剪切破坏为主.     

结构面切割不同岩性巷道围岩关键块体研究

为研究红岭铅锌矿矿房在结构面切割作用下的稳定性,分析巷道围岩受结构面的切割破碎程度,减少回采过程中块体掉落造成的危险,采用数字摄影测量技术,进行岩体结构面测量,获取结构面基本参数信息;根据BQ指标进行岩体质量分级,基于推广Hoek-Brown强度理论进行岩体力学参数计算;建立结构面离散裂隙网络模型,进行结构面切割下的不同岩性巷道关键块体研究,并给出破碎程度评价。研究表明大理岩岩体产生123块关键块体,最破碎;板岩岩体产生79块关键块体,破碎程度居中;矽卡岩岩体产生27块关键块体,破碎程度最小。     

贯通裂隙控制岩体巷道稳定规律的数值模拟

采用ANSYS程序,按照正交设计方法编排了基于潞安矿区巷道围岩裂隙分布状况的多种计算模拟方案,研究了地下岩体中单组和双组贯通裂隙的空间产状、组合特征以及与巷道布置匹配等因素对巷道围岩稳定性的影响规律.研究表明1) 贯通裂隙间距(2～4 m)小于巷宽(4 m)时,巷道围岩稳定性受裂隙控制,反之主要受巷道围岩强度的影响;2) 单组裂隙间距小于3 m,倾角30°～70°巷道围岩收敛量较大,巷道稳定性较差;3) 双组裂隙控制岩体,巷道顶底板稳定性随裂隙倾角(0～70°)增大而提高;裂隙倾角70°时,巷道围岩稳定性相对来说较好;裂隙间距增加使巷道稳定性提高,裂隙间距大于巷宽时,巷道稳定性已趋于恒定,主要受围岩强度的控制;4) 双组裂隙切割围岩体巷道比单组裂隙更易失稳破坏;5) 巷道围岩内最易出现塑性区部位是巷道顶角、巷帮及巷道顶底板中央,双组裂隙围岩的塑性区远超过单组裂隙围岩;6) 裂隙倾角在45°～70°时,塑性屈服的弱面单元数量剧增,巷道围岩体易沿弱面滑动而导致破坏失稳.该项研究成果对受贯通裂隙控制岩体巷道的稳定性评估以及支护设计决策,有理论借鉴意义.     

掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径

分析了煤矿巷道掘进技术与装备现状及存在的问题,采用数值模拟方法研究了掘进工作面围岩应力、变形、破坏分布特征;分析了围岩稳定性的主要影响因素,包括围岩强度、围岩结构及地应力等地质力学参数,巷道断面尺寸、开挖方式、空顶距、掘进速度等掘进参数,及临时支护、永久支护等。巷道开挖后在掘进工作面顶角和巷道四角周围出现应力集中区;围岩位移、破坏在超前工作面一定位置开始出现,随着远离掘进工作面围岩位移和破坏范围不断增大,达到2倍巷道宽度时基本稳定;煤层强度、地应力对围岩变形与破坏的影响十分显著;分步开挖的顶板下沉量及破坏程度明显大于一次开挖;空顶距越大,围岩破坏裂隙越多、分布越广;过快、过慢的掘进速度对围岩稳定性均不利;掘进后安装及时、主动、支护阻力大的临时支护效果好;分次支护围岩位移和裂隙场的扩展均大于一次支护,通过分次支护提高掘进速度是以影响锚杆支护效果为代价的,应限定在一定的围岩条件。根据煤巷掘进工作面空顶距及自稳时间,对煤巷掘进工作面围岩稳定性进行了分类,并提出了相应的支护要求;提出煤巷可掘性的概念,根据被掘煤岩体条件,对煤巷可掘性进行了分类;分析了围岩的可钻性、可锚性及对掘进速度的影响。提出...     

邢东矿深部回采巷道围岩塑性区“蝶形”扩展特征及稳定性控制

深部回采巷道围岩塑性区分布特征是围岩稳定性控制的关键。以邢东矿深部回采巷道为研究背景,根据巷道围岩"蝶形"塑性区理论,结合数值模拟分析发现,邢东矿2225工作面运输巷受采动应力影响后围岩塑性区出现了"蝶形"扩展的特征。通过研究深部条件下不同支护阻力对巷道围岩塑性区的影响,提出深部巷道围岩的稳定性控制思路:提供适当支护阻力减小围岩拉伸破坏,保证巷道围岩塑性区内破碎岩体的稳定性;制定了针对邢东矿2225工作面运输巷围岩"蝶形"塑性区特征的支护方案。该方案现场应用效果良好,为深部回采巷道围岩稳定性控制提供一定借鉴。     

回坡底煤矿回采巷道非对称底鼓机理及防治措施

以回坡底煤矿为工程背景,通过理论分析、数值模拟及现场实测研究了孤岛煤柱下回采巷道的非对称变形机理,提出了相应的底鼓防治措施。研究结果表明:孤岛煤柱下方岩体存在分区破坏特征且以剪切破坏为主,而采空区下方岩体以拉伸破坏为主,岩体破坏形态呈倒梯形;11-1021巷道位于剪切破坏和拉破坏岩体的交界处,导致巷道两侧围岩的破坏程度和破坏特征不同,从而巷道表现出非对称变形特征,1021巷道靠近煤柱侧围岩内应力较大,变形量较小,而靠近采空侧围岩的应力小,底鼓量大。基于巷道两侧围岩的应力和变形分布特征,提出了一种基于让抗结合的底鼓防治技术并进行现场验证,结果表明:当巷道不受采动影响时,经底鼓防治措施处理的区域底鼓量大幅减小,并且随时间增长底鼓速度趋于稳定;当巷道受采动影响时,经防治措施处理区域底鼓量减小近1/2,满足生产要求。     

综放面切眼开挖方式对围岩稳定性的影响分析

为满足综放工作面高产、高效及安全生产要求,切眼断面尺寸逐渐增大;受切眼开挖方式的影响,围岩内部应力的差异分布对巷道围岩稳定性及支护措施产生重要影响。结合西沙河煤矿1901综放工作面现场条件,通过数值模拟的方法研究不同开挖方式下巷道围岩的应力分布规律及变形特征,研究结果表明,二次开挖采用"宽导窄扩"的方式施工对围岩破坏程度最小。现场工业性试验表明,通过选择合理的开挖方式和支护方案设计,切眼围岩的扰动破坏得到有效控制,围岩保持较好的稳定性。     

节理倾角对巷道围岩的劣化效应及围岩分区域控制研究

为解决节理发育巷道围岩控制难题,采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法,研究节理倾角对巷道围岩的劣化效应,分析节理发育大断面回采巷道围岩的变形特征和发展规律。研究结果表明：节理弱化了岩体强度,使岩体呈现各向异性,节理发育巷道围岩呈现碎块化、低承载力和弱稳定性;小节理角度(0°~45°)发育的岩体在载荷作用下节理扩展成拉裂纹,后发生张拉破裂、翻转转动,岩体呈现显著的拉及拉剪混合破坏,使得矿山巷道岩体灾变失稳。提出了节理发育围岩分区域控制原则,以及以围岩改性加固、锚网索联合支护为主的控制技术,实测巷道顶板最大下沉量为120 mm,两帮最大移近量为90 mm,巷道变形量较小,节理发育的巷道围岩变形得到了有效控制。     

深井巷道围岩锚固体流变控制力学解析

围岩流变是深井巷道变形破坏的主要特征,通过相似材料无锚体及锚固体蠕变实验,得出了锚固体蠕变特征及控制模式,建立了深井巷道围岩锚固体流变控制力学模型,分析了各因素对围岩锚固体流变稳定性的影响,确定了基本锚杆支护参数,最后进行了工程算例与实测对比。结果表明：锚固体流变的基本特征有别于无锚岩体,不仅表现出锚固体位移比无锚岩体位移小,而且锚固体呈现等速蠕变阶段时间长及蠕变应力水平高的特点,且锚固体存在明显的蠕变二阶段（主要）或三阶段（次要）特征;巷道围岩锚固体流变稳定性主要与围岩所处应力水平、锚固厚度、断面尺寸及加锚弹性模量有关;合理的锚杆支护参数能够实现巷道围岩锚固体流变稳定,实测数据与理论计算较为吻合,巷道支护效果显著。     

锚杆工作荷载与巷道围岩变形相关性实验研究

在现有锚杆支护巷道围岩稳定性研究的基础上,提出了通过锚杆工作荷载评估巷道围岩稳定性的设想。采用物理相似模拟的方法对其进行了实验研究。根据巷道围岩控制理论和实验研究结果,分析了承载条件下巷道周边围岩变形特征;揭示了在巷道加载破坏过程中,锚杆工作荷载随巷道围岩变形位移的演化规律;重点研究了在巷道变形、失稳、破坏各阶段中锚杆工作荷载与围岩表面位移的相关性,并建立了其对应关系。利用这一对应关系,通过锚杆工作荷载的无损检测实现对巷道围岩稳定性的判断和评估,为现场实时分析和评价巷道围岩稳定性及其支护结构的合理性提供了必要的理论与技术支持。     

厚顶煤高煤帮巷道围岩稳定及控制分析

为解决厚顶煤高煤帮巷道围岩控制难题,通过数值模拟研究了不同高度时巷道围岩的变形破坏情况。结果表明:巷道高度的增加对两帮的变形破坏影响最大,顶板次之;在巷道顶板和两帮岩层中存在围岩变形剧烈程度的分界点,且分界点位置与断面尺寸、顶板岩性有关。根据巷道围岩的变形破坏特征和具体生产地质条件确定了锚杆锚索联合支护方案,现场实践表明该方案有效控制了巷道围岩变形。     

巷道围岩连锁冲击破坏机理及稳定控制方法研究

利用虚拟交界面将巷道围岩整体结构分成若干岩体单元和弹性单元，建立巷道围岩连锁冲击破坏理论及其力学结构模型，分析了不同静载、动载组合巷道围岩连锁破坏形式，建立了连锁破坏的力学方程和能量方程，揭示了巷道围岩储能结构、阻力结构在冲击启动和破坏过程中的作用和影响机制。研究表明，冲击地压是动力扰动诱发煤岩体内部弹性能突然释放的结果，其中煤岩体储能结构是冲击破坏的内因和动力源泉，动载诱发局部岩体破坏和能量连续释放；煤岩体冲击破坏时，其整体结构转变为向巷道自由空间运动的多滑块（岩体单元）结构，各滑块间存在相对运动、挤压以及弹性单元触发产生的冲击力，使各岩体单元的速度和加速度均处在动态变化当中；巷道围岩防冲控制的有效思路是调整巷道围岩整体结构，合理分布储能结构和冲击阻力结构，主动破坏能量持续解锁所需的弹性单元，使巷道周边围岩由储能结构转变为阻力结构区域。     

不同均质度下巷道压剪损伤算法与模拟研究

基于韦伯分布理论,依据非均质岩石剪切破坏准则,采用弹性全量法分级加载,通过Fortran语言编写出非均质岩石剪切破坏有限元程序,模拟不同均质度下巷道顶板单轴受压作用下的破坏过程。研究结果为:应力场和变形场明显受到岩体非均质性的影响,其损伤区域分布表现出无序、随机的特点;均质度是影响巷道围岩宏观强度的重要参数,覆压作用下的最终破坏形式以剪切破坏为主。该研究成果为预测巷道结构整体稳定性提供了方法和依据。     

基于3DEC的大采高回采巷道围岩变形特征研究

为探究大采高回采巷道围岩变形失稳特征,通过3DEC数值模拟软件,以22204辅助运输平巷为背景,分别分析了巷道围岩裂隙发育、应力分布、位移分布以及塑性区分布特征。研究结果表明：大采高回采巷道围岩裂隙发育、变形具有非对称性,随着工作面向前推进,巷道围岩位移量不断增大,其中较大水平位移向巷帮中上部及顶板位置转移,且靠近煤柱一侧巷帮水平位移、裂隙发育较为显著;采动影响下巷道围岩发生了一定程度的剪切破坏,导致其煤岩体应力释放,且煤柱长期处于高应力状态,因而靠近煤柱一侧的巷帮及巷道顶板塑性破坏较为严重和频繁。基于此,明确了大采高回采巷道围岩变形的重点防控区域,为该类巷道围岩稳定性控制提供参考。     

金川矿区深部高应力破碎岩体巷道支护技术研究及应用

针对金川矿区深部高应力破碎岩体巷道围岩变形量大、支护难、使用周期短等特点,基于以往巷道围岩变形破坏特征,从工程地质条件、地应力特征、采动影响等三个方面,分析了深部高应力破碎岩体巷道变形破坏原因。针对典型的巷道破坏特征与工程地质条件,提出了四类相应的新型支护方案,分别开展了现场工业试验;通过巷道围岩收敛变形监测,验证新型支护形式的支护效果。结果表明,新型支护形式有效地控制了深部高应力破碎岩体巷道围岩变形,实现了维护巷道围岩长期稳定的目的。     

结构性效应对层状岩体力学特性与破坏特征的影响

煤矿地层广泛分布有层状砂岩、煤、页岩等层状岩体,层状岩体是一种沿着层面力学性质相同、垂直层面力学性质各异的各向异性岩体,基质和层面的不同组合导致层状岩体具有尺寸效应、层理密度和层面倾角效应等结构性效应,将影响层状岩体的强度和破坏特征。针对结构性效应对层状岩体力学性质和破坏特征的影响,开展了基质的尺寸效应、层状岩体的层理密度和层面倾角效应研究,分析了结构性效应对层状岩体应力-应变曲线特征、峰值强度、变形特征和破坏特征的影响。结果表明：峰值强度和弹性模量均表现出随试样高宽比增大而减小的尺寸效应;围压对尺寸效应有弱化作用,围压约束条件下,岩体结构性失稳程度减弱,延性特征逐渐显现;层面倾角为90°时层状岩体的峰值强度和弹性模量达到最大值;围压和层面倾角影响层状岩体的脆延转化特性、损伤程度和破坏形式。研究结果可为深井巷道层状围岩力学参数标定和破坏机制分析提供重要的理论依据。     

回采巷道锚杆支护顶板稳定性分析

在分析巷道围岩应力分布特征和锚杆支护巷道顶板破坏形式的基础上, 指出巷道锚杆支护顶板严重破坏的类型可分为两类： （１） 顶板锚固岩体沿巷道两帮上方的滑落, 即出现剪切破坏; （２） 顶板锚固岩体发生压缩破坏． 据此建立了巷道顶板稳定性分析模型, 提出了顶板稳定的判别准则．