深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究

 为模拟分区破裂的产生条件和破裂机制,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程,通过多种测试手段获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律,从巷道围岩的破裂现象及其应变和位移的变化规律,有效揭示深部巷道围岩分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究深部巷道围岩的非线性变形破坏机制奠定坚实的试验基础。     

深部岩体分区破裂化现象数值模拟

 利用数值手段模拟深部岩体分区破裂现象的产生及演化过程。从岩石的细观结构层次出发,基于最大拉应力准则和应变能密度理论建立单元破坏准则,并应用弹性损伤力学方法来模拟岩石的破坏行为,数值模拟过程中,必须考虑地下洞室开挖释放的能量足够引起围岩产生动力现象,即将开挖过程视为一个动力过程。基于上述思想,通过FLAC3D中的FISH语言开发分区破裂化现象的计算程序,并应用该程序求解某深埋巷道围岩破裂形态,得到破裂区和非破裂区的宽度和数量,数值模拟结果与现场观测成果有很好的一致性。     

深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨

通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩峰值后状态下材料的残留强度芙系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准：浅部工程——坑道最大支撑压力区不破坏的深度：深部工程——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。     

深部不同断面巷道分区破裂形态与围岩结构控制

采用理论分析、现场实测、模拟分析的方法,研究了各向等压条件下等效开挖矩形、直墙半圆拱和圆形断面分区破裂形态及围岩稳定结构。结论：3个断面分区破裂形态不同,矩形断面分区破裂呈“■”状分布,直墙半圆拱断面分区破裂呈多层的“■”状分布,圆形断面分区破裂呈“花瓣”状分布;三个断面位移特征相似,位移等值线浅部呈正立的“鸡蛋壳”形,深部呈“碗”形;支承压力在主破裂面处降低,在最外层主破裂面头部集中,在破裂面之间完整岩层处升高,呈分区集中,“波谷—波峰—波谷”震荡增高的特征向外传播;理想正方形破裂面弦长有a_n+1=2(1/2)a_n(n=1,2,3,4)关系;浅部围岩分区破裂形成后,相当于深部围岩的伪开挖,3个断面均存在多层“■”形围岩承载结构。巷道稳定原理就是促进多层承载结构相互依存,共同承载。具体措施：加密、加粗、加长锚杆(索)支护结构,建立浅部与深部多层承载结构相互联系,在浅部形成稳定锚固体促进深部围岩稳定,主破裂面精准注浆修复围岩破裂面和限制主破裂面滑移。     

深部隧道围岩分区破裂的内变量梯度塑性模型

在变形进入到塑性阶段之后,隧道岩体中会产生显著的能量耗散和自我组织现象,岩体粒子之间的长程相互作用明显。为此需要在岩体模型中加入内变量梯度项。作为额外的内变量,引入有效塑性应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到岩体的平衡方程、边界条件。利用Clausius-Duhem不等式获得岩体内变量演化方程。对于圆形深部隧道,由上述理论得到有效塑性应变的支配方程和边界条件,并利用岩体理想脆性模型求得支配方程的解。该解能够描述深部隧道围岩的分区破裂现象。     

深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

随着经济建设与国防建设的不断发展,深部岩体工程越来越多,如逾千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和南非金矿等)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等.深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象.除了岩爆和围岩挤压大变形以外,围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注.基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究,归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律,揭示分区破裂化现象产生的条件;提出这一领域的研究方向;同时介绍国内在该领域实验和理论方面的研究进展.     

深部巷道围岩分区破裂化现象现场监测研究

 随着矿产资源的开发,深部巷道围岩中出现了破裂区和完整区相间的分区破裂化现象,这是一种新发现的特殊工程地质现象,引起了国内外岩石力学界的关注,但相关研究还不深入。为在现场监测深部巷道围岩的分区破裂化现象,在淮南矿区近千米深井半径不同的巷道选择了4个监测断面,每个断面布置了3～5个钻孔,采用矿井钻孔电视成像仪对巷道断面围岩不同钻孔内的破裂情况进行了监测,监测到了围岩内的分区破裂化现象,并给出了4个断面围岩的分区破裂分布图。通过分析巷道所在岩层、地质资料及钻孔内裂隙的形状,说明裂隙是由巷道开挖引起的。监测结果表明,3个大断面巷道围岩内的相同破裂分区的半径和厚度相差不大,小断面巷道围岩内的破裂分区与大断面相似,只是相同各破裂分区的半径和厚度相应减小,表明各破裂分区的半径是巷道半径r的关系式为 (i = 1,2,3,4)。4个监测断面围岩内均产生了4个破裂分区,第1个破裂分区厚度与巷道半径相当,破裂程度最严重,第2个破裂分区其后各破裂分区厚度和破裂程度均依次减小。研究结果对于认识深部巷道围岩的破裂模式及其稳定性支护具有重要意义。     

深部侧空条件下顶板岩层分区破裂探测研究

 采用YTJ20型岩层探测记录仪,对新汶孙村煤矿埋深1 300 m、侧临采空的2222东回风巷内顶板破裂分区进行探测研究,结果表明：深部高应力是深部岩层分区破坏的根源;在侧空开采条件下,处于深部高支承压力集中的区域,顶板岩层内分区破裂数量将大于处于卸荷、大变形区域岩层分区破裂数量,但受岩层沉降大变形的影响,沿着卸荷、大变形区域岩层内原宽裂缝或离层的下部,在张裂作用下破裂区将进一步扩展,因此可以通过观测离层来确定深部较大尺度岩层分区破裂的位置;同时,岩性对分区破裂有一定的影响,粉砂岩比砂岩更易出现分区破裂现象。研究结果为进一步研究深部关键层结构及其力学特征,深部岩层分区破裂和深部岩石力学致灾机制之间的关系提供依据。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

基于应变梯度理论的分区破裂机制分析研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩中将出现与浅埋洞室破坏模式迥异的分区破裂现象。为进一步研究分区破裂现象的形成机制,基于应变梯度理论和连续损伤力学建立分区破裂弹性损伤软化模型,推导考虑平面外应力影响的准平面应变问题的平衡方程和边界条件,应用Matlab求得深部洞室围岩中径向位移、径向应变和应力的波峰和波谷交替出现的振荡型变化规律。理论计算值与地质力学模型试验实测值在量值与变化规律两方面均符合较好,这证实了分区破裂弹性损伤软化模型在解释深部岩体分区破裂问题中的适用性。深部洞室围岩中应力场的波峰和波谷交替出现的振荡型变化规律是导致分区破裂现象出现的关键原因。     

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。     

电阻率法在深部巷道分区破裂探测中的应用

 淮南丁集煤矿西部采区南运输大巷埋深达955 m,已显现出深部开挖的特征。为研究深部巷道围岩破裂情况,在该巷道选取2个监测断面(宽5.0 m,高3.8 m),每个断面布置5个钻孔,测量围岩电阻率沿钻孔深度的变化。电阻率是岩石的重要电性参数,岩体的破碎程度对电阻率的影响较大,一般有裂纹的地方,电阻率产生突变。采用ResiTest–4000电阻率测试仪和研制的孔内探头,对钻孔内岩体电阻率进行测试。岩石破碎区电阻率基准值根据每一钻孔电阻率平均值(剔除特异点)确定,大于基准值的为破碎区。根据测试结果,绘制巷道围岩分区破裂图,与钻孔电视观测结果较吻合。结果表明,该巷道围岩有4个破裂分区;破裂分区带的半径与巷道半径基本呈线性关系;巷道周边破裂区宽度最大,平均达到3.12 m,依次分区破裂带的宽度有递减趋势。     

深部地下洞室施工期围岩大变形机制分析

大岗山水电站引水发电系统地下洞室埋深大,花岗岩因风化卸荷强烈,岩脉破碎带发育,应力较高。在施工过程中,岩脉、断层穿越的主变室部位出现较大的变形,严重影响施工安全与进度。采用地质调查和现场监测的方法,结合现场施工情况分析主变室围岩大变形特征和机制,提出2种可能的大变形破坏模式,分析影响围岩大变形的因素,并评价主变室的稳定性。研究结果表明:主变室围岩大变形主要受辉绿岩脉8 1和断层f59,f60控制,同时,地应力高、施工强度大、支护进度滞后加剧围岩的大变形。深部地下洞室施工期的地质调查及现场监测可以及时预测高应力区卸荷围岩的大变形,以确保洞室施工期的稳定安全。研究成果对类似工程具有重要的参考价值。