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.     

应变软化与扩容特性极弱胶结围岩弹塑性分析

极弱胶结岩体具有显著的峰后应变软化与体积扩容变形特性,这是造成极弱胶结地层巷道围岩产生大变形的主因.基于极弱胶结岩体应变软化与扩容特性,建立了考虑岩体应变软化与扩容特性的围岩弹塑性力学模型,分析了力学计算模型、扩容系数、软化系数及支护抗力对围岩塑性区范围与位移的影响规律.将巷道围岩塑性区及位移的理论解答与数值计算结果进行了对比分析,验证了极弱胶结岩体扩容大变形本构模型的适用性.结果表明:考虑极弱胶结岩体的扩容和应变软化特性使得分析更加合理准确,研究成果对极弱胶结地层巷道支护设计与施工具有一定指导意义.     

深部巷道组合钢架合理支护间距数值模拟研究

为确定深部巷道组合钢架合理支护间距,有效控制深部巷道围岩变形,提高巷道施工机械化水平,以焦作煤业集团赵固(新乡)能源有限责任公司赵固二矿11071工作面回风巷为研究背景,采用三维有限差分软件对深部巷道6种支护方案的围岩变形、应力和塑性区分布进行对比分析.结果表明:深部巷道围岩变形和塑性区分布受围岩局部让压效应影响显著;在巷道拱顶、拱底以及两帮与底板交接部位均易出现应力集中现象;巷道开挖引起的岩体破坏以剪切破坏为主.根据数值模拟试验得出了深部巷道组合钢架合理支护间距,优选出的最佳支护方案可以减缓围岩变形,改善围岩应力状态,减少围岩塑性破坏范围,从而提高深部巷道围岩的稳定性.     

深井软岩巷道预留刚隙柔层厚度的确定及应用

针对深井软岩巷道围岩变形、破坏的特点,提出了预留刚隙柔层的厚度就是巷道围岩出现松动破坏前的塑性区径向位移．采用Bonaitin-Thomson模型对分区的巷道围岩进行了力学分析,推导出黏弹性区、稳定塑性区的径向位移计算式,并讨论了影响预留刚隙柔层厚度的主要因素．结果表明：巷道围岩位移与时间有关,且随时间的增长而增加,并最终趋于一稳定值．预留刚隙柔层厚度随巷道半径和原岩应力的增大而加大,随一次支护强度的增加而减小,但受一次支护强度的影响较小．曲江矿运输大巷预留刚隙柔层37cm,使巷道围岩充分释放变形能的同时又不损害围岩自身的支撑能力,二次支护后,巷道围岩变形量较小．     

杨庄矿深部矩形煤巷围岩破坏特征及支护技术

为解决深部矩形煤巷支护难题,以巷道宽度为变量,采用室内实验、数值模拟、现场实测、理论研究的方法,建立了双裂隙抗剪切滑动力学模型,提出了高强高预紧力锚网索耦合分区支护技术.结果表明:顶板围岩主应力差分布范围、剪切破坏塑性区扩展延伸区域、变形延伸深度的响应程度均比底板、两帮强烈;顶板围岩可划分为裂隙贯通区、裂隙发育区、微裂隙区和无裂隙区;高强高预紧力锚网索耦合分区支护技术能积极调动顶板深部围岩强度,改善锚固体的应力状态,控制巷道围岩变形,满足矿井"安全、高效"的生产要求.     

线性软化土体中球孔扩张问题的解析解

采用三折线线性软化模型描述了土体应力－应变关系，以Mohr-Coulomb为屈服准则，同时考虑塑性区弹性变形、土体剪胀以及土体软化的特性，推导了孔扩张后孔周各个区域的应力、应变及位移解析解，讨论了剪胀角、应变软化系数、是否考虑塑性区弹性变形对解答结果的影响.结果表明，最终扩张压力、塑性区半径都随剪胀角的增大而增大；软化系数对塑性区半径影响很小，但对最终扩张压力影响较大，随着软化系数的增大，最终扩张压力增大；考虑塑性区弹性变形对扩张问题解答的影响随扩张半径的增大越趋明显；考虑塑性区的弹性变形，最终扩孔压力偏小.     

采用总荷载不变法的非静水压隧道摄动拓展解

为描述实际地应力场下隧道塑性区演化规律和支护设计原则,基于Mohr-Coulomb准则和弹-脆-塑性模型,采用总荷载不变法并引入弹性区应力摄动解,建立了非静水压力下圆形隧道水平轴和竖向轴处的塑性区半径方程,继而利用几何相似原理拓展至其他方位角处,并与文献总荷载不变法(以应力基尔希公式为基础)、Kastner法、复变函数法和实测数据进行对比,结合非关联流动法则推导塑性区位移解析解,探讨侧压力系数与脆性软化对隧道塑性区边界线、塑性区位移分布和围岩特征曲线的影响特性。结果表明：相比文献总荷载不变法和Kastner法,2阶摄动解作为非静水压圆形隧道的弹性区应力表达式更合理,且得到复变函数法的正确性验证;侧压力系数对隧道塑性区边界线的形状和范围均有明显影响,需针对具体方位角选择支护类型和尺寸以调控收敛约束交点处的支护压力与围岩稳定变形;隧道塑性区半径和洞壁位移随围岩峰后强度的降低而显著增加,宜使用弹-脆-塑性模型构建围岩特征曲线。     

深井软岩巷道底板卸压钢丝绳网锚注支护技术研究

针对平顶山天安煤业股份有限公司一矿深井软岩回风上山巷道工程地质条件和围岩变形特征,采用数值计算方法,研究了底板卸压槽卸压前后巷道围岩应力场、塑性区的变化规律,分析了底板卸压槽卸压机理,提出了钢丝绳网锚注支护技术,并进行了工业性试验。研究结果表明:(1)巷道底板开掘卸压槽卸压后,底板围岩垂直应力和水平应力的高应力区及其峰值应力均向底板深部转移。卸压后底板同一深度的围岩应力均小于卸压前的围岩应力;卸压后巷道顶底板和两帮围岩的塑性区范围均增大,底板卸压效果明显。(2)深井巷道围岩的破碎区和部分塑性区是支护的重点。回风上山巷道采取开挖底板卸压槽、钢丝绳网锚杆支护和围岩注浆加固等支护措施后,在围岩中形成了锚注体支护圈,提高了围岩的强度和自身承载能力。巷道围岩经历加速变形阶段、减速变形阶段和稳定变形阶段后,一直处于稳定变形状态。卸压槽+钢丝绳网锚注支护在回风上山巷道的支护试验取得成功,可为深井软岩巷道支护提供参考依据。     

考虑剪胀和软化的巷道围岩弹塑性分析

在应力跌落模型的基础上引进软化阈值,建立了弹塑脆性模型,模拟岩土材料的脆性软化性质。基于Mohr-Coulomb准则,考虑了岩土材料屈服后的塑性软化和体积膨胀,推导了圆形巷道围岩的软化区半径、塑性区半径、洞周位移及围岩内应力表达式,最后通过算例分析了剪胀、软化程度和弹模劣化对破裂区范围的影响,为巷道的稳定分析以及支护设计提供理论依据。     

软岩巷道锚注支护结构蠕变分析

对锚注前软岩巷道围岩应力状态进行弹塑性分析,计算出锚注前围岩残余强度区半径;在此残余强度区内进行注浆,并将注浆区再细化为弹性区和塑性区,引入岩石蠕变的鲍尔丁-汤姆逊模型,建立了软岩巷道锚注支护结构的蠕变分析模型,采用塑性区岩体体积不变的假设,对锚注支护结构进行了黏弹性分析和黏塑性分析,推导出软岩巷道锚注支护结构应力及位移的蠕变公式.理论分析与相似模拟结果表明:软岩巷道锚注支护结构弹性区应力与时间无关,塑性区应力随时间而变化;弹性区、塑性区位移随时间的推移而不断增大,最后趋于一定值,且塑性区位移与半径成反比关系.     

矿岩接触带巷道失稳分析及控制方法研究

矿岩接触带往往是巷道的薄弱区域,根据矿岩接触带变形破坏特征,并结合其特殊围岩情况,分析了矿岩接触带巷道薄弱区域的围岩稳定性.同时,将巷道围岩中的矿石和岩石的物理力学参数划分开,结合现场变形监测数据和矿岩物理力学参数,采用数值模拟进一步对矿岩接触带巷道支护前后的应力应变分布做了研究,探索失稳机理,研究发现矿岩接触带一般沿接触带层位发生剪切破坏且不与巷道中心线对称.根据上述研究,分别从塑性区拉伸破坏体积、剪切破坏体积和总体积分析对比分析锚杆支护、喷射混凝土支护、锚喷联合支护的应用效果,最后提出了针对矿岩接触带巷道的分区支护方法 .     

基于煤体强度软化特性的综放沿空掘巷巷帮受力变形分析

基于深井综放沿空掘巷巷帮围岩受力特征,考虑巷帮与顶底板界面煤岩体强度软化特性,建立了实体煤帮和煤柱帮力学分析模型,推导出两帮极限平衡区宽度和煤体应力位移理论计算,明确了煤层埋深、巷道高度、煤层顶底板界面软化系数和界面强度参数等因素对煤体极限平衡区宽度、围岩应力和位移分布的影响规律,给出了工程建议措施,并通过现场工程实例对理论分析成果进行了初步应用.研究表明:极限平衡区宽度随煤层埋深、巷道高度及顶底板界面软化系数的增加而增大,随界面强度参数的增加而降低;煤体围岩应力和位移分布沿应力极限平衡区宽度呈双曲函数分布,极限平衡区内围岩竖向应力和水平应力随煤层埋深及界面强度参数的增加而增大,随巷道高度及界面软化系数的增加而降低;极限平衡区内煤体水平位移随煤层埋深、巷道高度、界面软化系数的增加而增大,随界面强度参数的增加而降低.     

巷道蝶形破坏理论及其应用前景

以弹塑性力学中孔洞围岩破坏的平面应变模型为基础,研究了圆形巷道围岩塑性区形态和扩展规律.提出了巷道围岩蝶形破坏理论,该理论建立了巷道围岩破坏形态与非等压区域应力场的力学模型,阐明了巷道围岩破坏具有圆形、椭圆形和蝶形3种基本形态,给出了巷道围岩3种基本破坏形态的数学界定标准和应力围岩判别准则,从应力环境、围岩条件、支护阻力3个方面阐述了蝶形塑性区具有方向性、突变性、变异性、蝶叶缺失和跃透、支护微效性等基本特性.在论述蝶形塑性区工程意义的基础上,探讨了该理论在巷道围岩控制、动力灾害防治、煤与瓦斯共采等工程领域的应用前景,介绍了大变形巷道蝶叶型冒顶机理、蝶型冲击地压机理、蝶叶型煤与瓦斯突出机理、煤与瓦斯共采中钻孔蝶形卸压增透机制等新认识和新方法.     

深部软岩巷道合理喷层厚度确定

为分析深部软岩巷道锚喷支护合理喷层厚度,以淮南矿区具有典型特征某深部采区软岩巷道为例,采用FLAC3D软件,建立了合理应变软化数值计算模型,基于数值模拟方法分析不同喷层厚度围岩塑性范围及位移场分布,在此基础上进一步分析不同巷道埋深喷层厚度对围岩松动破碎影响。结果表明:深部巷道喷层对围岩塑性圈范围及松动破碎都有显著控制作用。针对淮南矿区典型深部巷道,合理喷层厚度应为200 mm。     

深部软岩巷道围岩变形分析与控制

针对某深部软岩巷道支护困难问题,首先对围岩进行力学性能试验,然后利用有限元分析方法,在基于不同埋深软岩巷道围岩变形特征研究的基础上,从巷道开挖和围岩支护两方面对深部高地应力软岩巷道围岩变形与控制进行深入研究.结果表明:随软岩巷道埋深增大,巷道围岩变形呈线性增大趋势;在深部高地应力下掘进巷道时,全断面开挖法围岩变形最大,...     

破碎围岩梯度支护模型及分级控制研究

针对深部巷道大变形难控制问题,基于深部巷道围岩梯度破坏机理及巷道等强支护理论,进一步提出了围岩梯度支护分级控制原理和屈服破坏判据.针对巷道围岩破碎区,采取锚杆和高强水泥材料加固控制;对围岩塑性区,采取锚索和纳米基水泥材料控制,由此实现基于梯度破坏机理的巷道围岩分级三维承压壳控制.研究结果表明：破碎半径、支护强度以及加固厚度对梯度支护模型的敏感度较大,当r=R₁和r=R_p时,基于围岩梯度破坏的梯度承压壳发生屈服破坏的极限强度分别约为25和15 MPa;理论分析验证加固后的梯度承压壳可以实现破碎区边缘和塑性区围岩的恢复,理论得出最好状态分别能近似恢复至初始状态的52%和95%左右.梯度支护模型和分级控制方法在一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导.     

巷道围岩非均质性对其分区破裂化的影响

通过在FLAC~(3D)应变软化模型中引入Weibull分布函数,得到了非均质应变软化模型.分析了Weibull分布函数中的形状参数对逐步开挖马蹄形巷道围岩不同平面及测线上剪切应变增量分布特征的影响.研究发现,在均质性较差的围岩中开挖巷道时,围岩的破坏较严重,分区破裂化较复杂,分区破裂化的范围较大.过巷道轴线平面上两簇剪切带的发展可以导致垂直于巷道轴线平面上复杂的分区破裂,第1簇向掌子面方向发展,其前端可能超越掌子面,第2簇背离掌子面发展.剪切应变增量高值区在围岩的环向及径向均有发展.当围岩的均质性较好时,可出现连通的圆环形剪切应变增量高值区.在过巷道轴线平面上,本文结果与已有的试验观察到的围岩中的倾斜裂缝或剪切带在定性上一致.在垂直于巷道轴线的不同平面上,将观察到不同的分区破裂化现象.     

回采巷道锚杆支护两帮稳定性分析

根据巷道围岩应力变化特点结合锚固体变形破坏的相似材料模拟试验, 分析了巷道两帮锚固体的变形破坏特征, 指出锚杆支护巷道两帮表面主要发生张性破坏, 锚固体内部发生剪切破坏, 据此建立起回采巷道锚杆支护两帮稳定的分析模型, 提出了两帮稳定的判别准则, 即锚固体中锚杆的拉应变必须小于锚杆的允许拉应变, 在巷道两帮围岩较松软时, 还必须满足巷道周边位移值的要求     

回采巷道锚杆支护两帮稳定性分析

根据巷道围岩应力变化特点结合锚固体变形破坏的相似材料模拟试验,分析了巷道两帮锚固体的变形破坏特征,指出锚杆支护巷道两帮表面主要发生张性破坏,锚固体内部发生剪切破坏,据此建立起回采巷道锚杆支护两帮稳定的分析模型,提出了两帮稳定的判别准则,即锚固体中锚杆的拉应变必须小于锚杆的允许拉应变,在巷道两帮围岩较松软时,还必须满足巷道周边位移值的要求.     

深部煤层大巷围岩破坏特征及强力锚固控制技术

河南焦煤能源有限公司赵固一矿北翼深部煤层回风大巷围岩节理化严重,在采掘支承压力作用下,矿压显现强烈,表现为两帮收缩、底鼓严重,巷道支护系统失效.针对此问题,采用数值模拟方法研究原岩应力场、采动应力场和支护应力场的"三场"应力分布特征,为巷道高强支护提供理论依据,同时应用再造承载层巷道围岩控制原理,提出北翼深部煤层回风大巷采用"锚网索+喷浆+注浆+底板鸟笼锚索+补强锚索"围岩控制方案,并用数值模拟方法对不同支承压力作用下的巷道围岩变形、塑性区演化、支护受力和主应力差等进行研究,结果表明:随着支承压力集中系数增大,巷道断面收缩率逐渐增加,围岩塑性区由拱形演变为蝶形、蟹形和龟形;锚索在高支承压力作用下将逐步失效,主应力差呈现多峰值现象.工程实践表明,提出的强力锚固支护技术能有效控制围岩的变形破坏,具有较好的技术性和经济合理性.