考虑中间主应力的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于Drucker-Prager准则,引入中间主应力系数,推导出不同侧压系数下巷道围岩塑性区边界线方程,用于预测不同侧压系数下巷道围岩塑性区的大小和形状。用单因素分析法,考虑不同中间主应力下,巷道围岩塑性区半径的变化规律。在侧压系数λ=1的时候,对在D-P准则下和在Mohr-Coulomb准则下巷道围岩塑性区的大小进行比较。侧压系数越偏离于1,巷道围岩塑性区水平方向和垂直应力侧差异增加,对围岩塑性区的大小和形状影响也越大;随中间主应力增大,塑性区范围越小。     

地下非圆形巷道周边应力集中系数

使用边界单元法计算无限大弹性介质中孔洞周边应力集中系数,可获得较高的计算精度。采用边界元虚应力法对矩形和直墙拱顶形巷道进行了计算,得到巷道周边关键点上的应力集中系数。将计算结果与近年来国内出版的多种岩石力学专著中相关数据进行了比较,发现这些文献中所引用的部分数据仍存在较大误差,建议相关文献再版时加以更正。     

巷道的周边压力

岩体在未进行巷道开凿之前,任何一处的岩石都受到上下、前后、左右岩石的挤压。岩体中的任何一处的岩石都不可能发生变形、移动或破坏。此时岩石的状态为原始平衡状态。地压的大小决定于巷道围岩的性质、巷道的形状和规格、开凿巷道的时间长短等因素。研究地压,对于设计巷道的形状、规格、位置、支护方法,以及安全生产、降低掘进费用都具有十分重要的意义。     

非均匀应力场圆形巷道塑性区研究

为了研究巷道开挖后巷道围岩的塑性区分布规律,首先分析巷道围岩的应力分布特征,在计算出围岩应力分布规律基础上,依据摩尔库伦强度准则推导出圆形巷道围岩的弹塑性区。通过理论计算得出侧向应力、地应力、黏聚力、内摩擦角参数变化时巷道围岩的塑性区范围,从而总结出巷道围岩塑性区的演化规律,结果表明,侧压力系数λ对圆形巷道围岩的塑性区有很大影响,当λ=1时,巷道围岩塑性区为圆形;当λ1时,塑性区在两帮较大,顶部小;当λ1时,塑性区在两帮较小,顶部大,且角部塑性区发展迅速;随着地应力的增加,塑性区的范围也随之增大;随黏聚力增大塑性区范围减小;随着内摩擦角φ的增大塑性区范围随之减小,但影响较小。     

非均匀应力场圆形巷道塑性区研究

为了研究巷道开挖后巷道围岩的塑性区分布规律,首先分析巷道围岩的应力分布特征,在计算出围岩应力分布规律基础上,依据摩尔库伦强度准则推导出圆形巷道围岩的弹塑性区。通过理论计算得出侧向应力、地应力、黏聚力、内摩擦角参数变化时巷道围岩的塑性区范围,从而总结出巷道围岩塑性区的演化规律,结果表明,侧压力系数λ对圆形巷道围岩的塑性区有很大影响,当λ=1时,巷道围岩塑性区为圆形;当λ<1时,塑性区在两帮较大,顶部小;当λ>1时,塑性区在两帮较小,顶部大,且角部塑性区发展迅速;随着地应力的增加,塑性区的范围也随之增大;随黏聚力增大塑性区范围减小;随着内摩擦角φ的增大塑性区范围随之减小,但影响较小。     

非均匀应力场下巷道围岩弹塑性分析

根据岩石材料的变形特性,引入了在实际工程中对巷道围岩具有一定影响的参数,采用岩石应力-应变三线段力学模型,分析了非均匀应力场下圆形巷道围岩弹性区、塑性软化区、塑性残余区的力学形态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的理论解。在此基础上给出具体算例,分析了不同的影响因素对巷道围岩的影响。通过实例表明：岩石的侧压系数、应变软化、支护压力对围岩的力学形态、塑性区大小都有很大的影响;随着侧压系数的增加,巷道两帮处的塑性区范围在减小;软化模量的降低可以减小塑性区的半径;支护压力增加也可以减小塑性区半径。了解岩石的侧压系数,控制岩体的软化模量,适时加大支护压力均能有效地控制巷道围岩的稳定性。     

基于修正Hoek-Brown准则的巷道围岩弹塑性解分析

利用考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则,结合巷道围岩塑性解的推导方法,进而获得较为准确的巷道围岩塑性区的范围以及支护变形量。通过理论推导了巷道围岩塑性区的半径和位移的表达式,得出塑性解与围岩初始二向等压应力、岩体质量、地质工程参数以及支护反力有关。结论为考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则更加适应巷道围岩塑性区分析过程,获得的结果更加准确,对工程实践有一定的理论指导意义。     

深部极软岩巷道非均匀支护技术

新安煤矿1208工作面回采巷道埋深大,围岩成分和力学特性分析表明,该巷道为深部极软弱顶底板夹中硬煤层的"极软夹中硬"高应力型回采巷道,并提出了围岩控制的非均匀锚网索联合支护方案。工程实践表明,该支护技术有效地控制了深部极软岩巷道围岩的大幅度破坏,取得了良好的技术经济效果。     

非均匀应力场中巷道围岩变形控制研究

根据岩石的力学特征及峰值应力前后的力学性能,结合岩体损伤特性,得到三维连续损伤演化方程。利用Mohr－Coulomb强度准则和连续损伤力学方法,考虑巷道开挖过程中的空间效应,分析并推导出巷道围岩处于非均匀应力场中损伤应力场的分布,以及围岩—支护达到平衡时的相互作用力解析解。通过现场支护设计和监测,验证了计算分析的有效性,在实际工程计算中有一定的应用前景。     

非均匀应力影响下巷道顶板破坏特征研究

针对红庆梁煤矿回风大巷掘进过程中受非均匀应力影响,顶板出现台阶下沉和局部冒落等问题,借助地质雷达探测了巷道围岩松动圈的范围,利用离散元软件模拟巷道侧压变化,研究了非均匀应力对巷道围岩应力和变形破坏特征的影响,并提出了相应围岩条件的巷道支护对策。研究结果表明:受地应力非均匀分布影响,回风大巷围岩破坏范围不对称,顶板、南帮和北帮松动圈范围分别为1.7、2.0、1.2 m,稳定性随松动圈范围增大而降低;在断层作用下,顶板两侧呈现非均匀沉降,靠近非均匀应力一侧垂直位移和应力峰值明显增加,破坏深度和平均宽度分别增加了150%和117%;且顶板失稳冒落的时间提前,冒落范围扩大,变形破坏持续时间增加。     

渗流作用下非均匀应力场巷道围岩稳定性分析

将巷道围岩视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹塑性理论,分析了非均匀应力场圆形巷道围岩的力学性态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的解析解,基于Mo-hr-Coulumb强度准则,得出了渗流作用下巷道围岩的塑性区边界线方程,并通过具体实例,对比分析了当λ=0.5时渗流作用对应力场的径向应力与切向应力在巷道两帮和顶底板的分布情况。研究表明,考虑渗流作用,对应力场的影响作用更为显著。     

窄煤柱巷道非均匀变形机理及支护技术

为了解决窄煤柱巷道非均匀大变形控制难题,以丰汇煤矿窄煤柱巷道为工程背景,综合采用现场调研、室内实验、数值模拟和理论分析等方法,研究了不同煤柱尺寸影响下,采动巷道围岩应力与塑性区分布特征;分析了窄煤柱巷道变形破坏规律与采场覆岩结构运动特征,揭示了窄煤柱巷道非均匀变形机理,指出采动应力场叠加,支承压力大;覆岩结构非对称,偏载作用显著;煤柱尺寸小、强度低,难以为顶板提供有效支撑;支护方案对称布置,针对性差,是窄煤柱巷道产生非均匀变形的主要原因。基于窄煤柱巷道围岩控制难点,提出以"改变巷道区域支护方式、增加支护密度、破碎围岩注浆改性"为核心的差异化支护技术,加强对围岩局部大变形的控制,充分发挥围岩的自身承载能力;现场监测表明,窄煤柱巷道在服务期间围岩非均匀大变形得到有效控制,稳定性好;可为同类型巷道围岩的控制提供参考。     

地下巷道周边的应力集中系数

采用边界无虚应力法，对无限大弹性介质中开挖有矩形孔洞的情形进行了计算，给出了边界上关键点的应力集中系数，并把这些系数与国内近十种岩石力学教材中所给出的数据作了对比，发现这些教材中的部分数据有较大的误差，建议再版时加以修改。     

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。     

矩形巷道周边应力集中系数的计算与巷道支护

介绍了边界元法和边界元应力法的基本原理,并分别采用边界元应力法和已推导的复变函数公式对矩形巷道进行计算,得到周边关键点的应力集中系数,并将两种计算结果进行对比,得出相同的应力分布规律;在原理上提出矩形巷道采用桁架锚杆支护系统进行支护。     

非均匀型顶帮围岩巷道矿用工字钢支架支护

针对非均匀应力作用下矿用工字钢支架支护困难煤巷围岩产生大变形的工程问题,将工字钢支架与巷道围岩间的非均匀支护进行分类;综合数值模拟和理论分析方法对2种类型下工字钢支架的顶梁和侧梁在非均匀受力作用下应力和位移变形特征进行研究,得出:一侧梁不加载时工字钢变形量和承受应力值远大于局部不加载类型;对困难煤巷中工字钢支架合理支护提出控制对策。     

大断面巷道非均匀变形机理及稳定性控制研究

为探究围岩受采动影响条件下巷道变形破坏与稳定性控制,以桑树坪二号井3309工作面运输平巷为工程背景,采用FLAC3D数值模拟方法分析“一掘二采”期间大断面巷道围岩主应力差分布特征,结合现场试验,揭示大断面巷道围岩非均匀大变形破坏机理,分析提出巷道围岩非均匀变形控制补强支护设计方案。研究结果表明：①一次回采和二次回采期间,巷道煤柱及煤壁两侧煤体峰值应力差分别为7.93MPa、12.96MPa,煤柱帮峰值应力远高于煤壁帮,两侧煤体呈非对称变形破坏特征|②与一次回采相比,二次回采期间3309工作面运输平巷煤柱帮主应力增大11.46MPa,塑性区范围从4.5m增加至煤柱宽度,煤壁帮主应力差增加27.46MPa,塑性区增加1.5m,巷道围岩处于高强度剪应力状态,易引起大变形破坏|③基于大断面巷道两侧煤体非均匀变形破坏特征,针对性提出“一长一短”两种补强支护方案,现场试验后巷道围岩稳定性控制效果良好。     

榆家梁矿回采巷道非均匀对称变形支护技术

以榆家梁矿地质条件为基础,针对43304工作面辅助运输平巷为工程背景,运用理论分析,同时结合FLAC3D数值模拟,系统地计算分析回采巷道的支护参数,提出合理的支护方案,经现场工业验证并监测研究表明:采用所提出支护方案支护后,巷道围岩能够承受开采的扰动,巷道表面变形较小,保障了工作面安全高效开采.     

考虑岩体及支护弹粘性的圆形巷道薄壁支护解析解

利用拉氏变换方法推导了圆形巷道处在平面应变情况下,在原岩的竖向和侧向应力相等时的薄壁筒支护弹粘性解析解,其中支护材料假设为马克斯韦尔体,岩体为包埃丁－汤姆逊体。以此为基础提出了考虑支护材料力学性质随时间变化的支护受力、变形计算方法,即把支护受力过程根据精度需要分成若干个首尾相接的时间区间,在每一区间内支护材料的力学参数取一定值,用不同区间内参数取值的不同,反映材料力学性质的变化,使用推得的解析式计算各个区间内的支护受力、变形,每一区间的应力、应变初值取为前一区间的终值。根据实验所得的混凝土在各时间区间的力学参数数据及现场的岩体参数数据,利用该方法对一巷道支护进行了力学计算。     

考虑轴向应力影响的圆形巷道围岩塑性区边界近似解

为了研究考虑轴向应力作用的巷道围岩塑性区边界问题,基于Mohr-Coulomb准则,通过引入Lode角参数,推导出考虑轴向应力作用的圆形巷道围岩塑性区边界隐性方程,通过变化巷道水平应力σ_x、轴向应力σ_y分析了不同应力场下的围岩塑性区尺寸及形态,并通过数值模拟进一步说明了理论分析的可靠性。此外还研究了围岩黏聚力C、内摩擦角φ、巷道半径R、泊松比v对巷道围岩稳定性的影响。结果表明：(1)固定轴向侧压变化水平侧压的条件下,围岩塑性区尺寸变化会分为敏感区和迟钝区,且在水平侧压变化的过程中围岩塑性区形态会呈现圆形、椭圆形及蝶形3种形态。(2)固定水平侧压变化轴向侧压的条件下,围岩各位置的塑性区会呈现强烈的区间效应,通过与平面应变问题下的塑性区尺寸对比将区域分为轴向应力影响区和轴向应力无影响区。在轴向应力影响区内,轴向侧压的变化对围岩的塑性区尺寸影响较大。(3)巷道围岩的破坏形态由水平侧压η1决定,轴向侧压η2对塑性区形态影响较小,对尺寸影响较大。(4)围岩C、φ的增加会使巷道围岩的塑性区尺寸不同程度的减小,R的增加会使围岩不同位置塑性区呈等差数列增大。...