双模量-强度跌落耦合特征下深部围岩应力场演化

深部地下空间开发在深地能源贮存与开采、生态圈与地下生态城市等领域都有着巨大的潜在价值.针对深部均匀应力场作用下圆形硐室开挖,采用拉压双模量理论和弹性-脆性-理想塑性本构模型,推演了不同远场应力和内压力下围岩的应力解析解及塑性区边界方程,详细分析了围岩弹塑性应力场和塑性区随弹性常数比及残余强度系数的变化规律.结果表明:内...     

开挖顺序对硐室群围岩稳定性影响及支护对策

为研究硐室群开挖顺序对围岩稳定性的影响,利用FLAC~(3D)有限差分计算软件,模拟分析赵庄矿皮带硐室群不同开挖顺序下围岩所产生的变形特性和应力特征,并提出相应的支护对策。研究表明:按不同顺序开挖硐室群会对硐室围岩的应力状态和塑性区范围产生不同程度的影响,以交叉开挖方式开挖,先开挖断面尺寸较小的硐室,对围岩稳定性影响较小。不同开挖顺序下硐室侧壁移近量普遍大于顶底板移近量,开挖造成的围岩应力扩散和叠加使巷道交叉处产生应力集中,对煤柱的整体稳定性影响显著。通过对最优开挖顺序下的围岩变形进行受力分析,选用合理支护方案,对硐室进行及时加固,经现场监测检验,加固效果良好。     

地下硐室围岩结构稳定性特点研究

采用数值模拟方法建立地下硐室模型，研究围岩结构稳定性特点，通过先进物探手段（探地雷达）实测结果的验证，得出地下硐室围岩塑性区的形成具有严格的时间性和一致的规律性，且围岩破碎区发育具有结构特点。     

青岛龙山地下商场围岩稳定性评价及锚喷支护设计

根据岩体结构和岩石力学性质对围岩稳定状态所起重要作用,采用定量与定性相结合的多因素多指标的综合分类法,进行围岩地质构造、毛硐稳定情况调查,现场声波测试、点荷载试验、室内岩石单轴抗压强度试验等,考虑硐室的跨度、埋深等特征,经过综合分析,确定围岩类别,科学评价硐室围岩稳定性,以此作为确定岩体开挖和围岩加固支护方案、计算相应参数的依据。     

基于变形压力分析的有控卸压机理研究

为了确定卸压程度,降低卸压过程中围岩强度弱化对巷道稳定的不利作用,基于应变软化准则建立了变形压力的力学模型,依据变形压力的变化规律分析了有控卸压机理,并提出了"临界塑性区半径"作为有控卸压的判定准则.结合某软岩大巷的有控卸压支护实践,确定该巷道的"临界塑性区半径"为7.78 m,并将该结果应用于有控卸压支护参数的设计.工程应用表明,通过对卸压程度的合理控制,不但有效释放了围岩的变形能减小围岩对支护体的变形压力,并能降低围岩强度弱化对围岩稳定的不利作用,提高二次锚杆支护效果,保证了支护强度满足要求,使巷道处于长期稳定状态.     

运用Drucker-Prager准则的深埋圆形硐室弹塑性分析

基于Drucker-Prager准则,考虑了中间主应力对煤岩塑性屈服的影响,得出了深埋圆形硐室围岩的弹塑性解.与修正的Fenner方程作比较,分析得出了在考虑了中间主应力的情况下,圆形硐室的塑性圈半径变大,而且内摩擦角在20°~45°以及粘结力较大时,两者的塑性圈半径相差并不大,但粘结力较小时两者相差较大,且相差趋势越来越明显.推导结果对现场巷道的支护设计具有参考作用.     

Hoek-Brown破坏准则求解圆形硐室塑性区半径与修正的芬纳公式比较

目的 为定量确定围岩塑性区半径和给支护锚杆的深度设计提供科学依据.方法 以Hoek-Brown破坏准则为极限平衡条件,推求侧压力系数为1.0时圆形硐室理想弹塑性围岩的弹塑性应力和塑性区半径,运用Mohr-Coulomb准则直线拟合Hoek-Brown准则曲线和面积差补方法 ,求取等效的岩体Mohr-Coulomb强度参数后,建立相对塑性区半径随支护力和地质强度指标变化的二元非线性回归数学模型,并与源自于Mohr-Coulomb强度准则为屈服条件的修正的芬纳公式进行比较研究.结果 支护力每增加1.0 MPa,就可确保地质强度指标降低10～20的岩体中不会出现塑性区.在支护力较小和岩体质量较差情况下,采用Hoek-Brown破坏准则推导得出的塑性区半径和修正的芬纳公式计算得出的塑性区半径差别稍大.相对塑性区半径与地质强度指标都呈负乘幂函数关系,随着支护力的增大,塑性区半径随着岩体质量等级的升高而下降的趋势逐渐变缓.建立的相对塑性区半径随地质强度指标和支护力变化的二元非线性回归数学模型简明,使支护力连续变化,提高了工程实用性.结论 在岩体质量较差情况下,锚杆深度取1.8～3.0倍硐半径为宜.     

高应力硐室底鼓控制的应力转移技术

煤矿硐室受煤层跨采影响产生的采动应力通常在其原岩应力的3倍以上，这是造成硐室严重底鼓的主要原因．从围岩应力控制的角度出发，提出了控制硐室底鼓的应力转移新技术，即通过在硐室底板掘巷，并结合在底板开掘巷道问、或底角进行松动爆破，形成一定范围的围岩弱化区的方法．这一方法可将硐室围岩附近因开采形成的高采动应力转移到围岩较深部，同时降低采动应力向硐室底板传递的强度，以此使被保护硐室处于应力相对较低的区域中，达到有效控制硐室底鼓的目的．进而利用数值模拟研究的方法对该应力转移技术的主要参数进行了分析和确定了施工方案．工程应用结果表明，应用该技术可以显著地降低硐室围岩附近的高应力，从而有效地控制硐室底鼓，为矿井的安全生产创造条件．     

渗流损伤耦合作用下深埋圆形隧道的弹塑性解

为了研究深埋圆形隧道在考虑渗流损伤耦合作用下的弹塑性解,选择Drucker-Prager屈服准则,基于Biot有效应力原理推导具有衬砌支护的深埋圆形隧洞在施工阶段和运行阶段下的弹塑性解,得到塑性半径和衬砌围岩应力的公式,分析不同因素对塑性半径和衬砌围岩应力的影响。结果表明：在施工阶段,围岩损伤对塑性区的扩展起到促进作用,同时塑性半径与渗流力呈现正相关趋势,环向应力在衬砌与围岩交界处出现突变并最终趋于地应力;在运行阶段,塑性半径与损伤因子呈线性增加关系,与渗流力呈负相关趋势;随着内压力的进一步增加,对塑性半径的影响分为5个阶段,即低内压力阶段、中低内压力阶段、第一高内压力阶段、第二高内压力阶段、高内压力阶段等。研究结果可为深埋圆形隧道工程建设提供指导和帮助。     

运用Drucker—Prager准则的深埋圆形硐室弹塑性分析

基于Drucker—Prager准则,考虑了中间主应力对煤岩塑性屈服的影响,得出了深埋圆形硐室围岩的弹塑性解．与修正的Fenner方程作比较,分析得出了在考虑了中间主应力的情况下,圆形硐室的塑性圈半径变大,而且内摩擦角在20°～45°以及粘结力较大时,两者的塑性圈半径相差并不大,但粘结力较小时两者相差较大,且相差趋势越来越明显．推导结果对现场巷道的支护设计具有参考作用．     

深部软岩巷道立体交叉硐室群稳定性分析

为了确定巷道开挖顺序对硐室群稳定性的影响,运用三维有限差分数值计算软件FLAC^3D,结合鹤岗矿务局兴安矿四水平泵房吸水井硐室群工程实例,分析了深部软岩巷道立体交叉硐室群围岩由于开挖顺序的不同而产生不同的位移变形与应力状态的力学响应及变形特性．结果表明：深部软岩巷道立体交叉硐室群的开挖过程是和应力路径与应力历史密切相关的非线性不可逆过程,开挖顺序不同,巷道围岩的位移及应力分布情况有明显的差别．先施工断面小的支巷,再施工断面大的主巷对硐室群稳定性影响最小．     

考虑中间主应力的深埋圆形巷道弹塑性位移解

平面应变条件下的深埋圆形巷道一般忽略中间主应力的影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异．为了充分考虑中间主应力对深埋圆形巷道的影响,基于平面应变假设与关联流动法则将Mohr-Coulomb准则精确匹配为Drucker-Prager准则,在此基础上推导了理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式结合关联流动法则．不引入任何假设,得出塑性区体积扩容的关系式;进一步推导了考虑中间主应力影响的深埋圆形巷道塑性区应力位移解析式,其中径向应力、切向应力及塑性区半径的表达式与卡斯特奈（Kastner）解完全一致,但卡斯特奈（Kastner）解无法得出中间主应力,而新的位移解析式则与以往的文献完全不同;经与以往文献的位移理论解比较分析知,新的位移解答更加合理．因此,考虑中间主应力的解答为深埋圆形巷道的计算与设计提供更为科学的理论基础．     

大柳树坝址区松动岩体中硐室围岩破坏变形特征

以黄河大柳树坝址为例，对松动岩体硐室围岩破坏变形特征进行了研究，松动岩体具有断裂张开、节理错动、岩体架空、岩石高强度、岩体波速等特征。研究得出松动岩体硐室围岩破坏变形特征为结构松散，塌落范围大，变形破坏受水影响大及围岩压力以重力为主等特点。     

地下大跨度破碎站硐室稳定性可靠度分析

根据叠加压缩拱承载结构和围岩耦合的力学特点,基于极限平衡理论建立了高应力矿区大跨度硐室工程的可靠度分析模型,利用FOSM法确定了高应力大跨度硐室的可靠度指标。通过对金川矿区破碎站硐室施工特点、地质调查和岩石力学3方面变异参数的均值及方差的计算,得到适合该矿区的可靠度指标计算式,并对金川Ⅲ矿区破碎站硐室的可靠度指标计算,其最小值为1.137。假设影响破碎站硐室稳定性的随机变量服从正态分布,则可靠度指标和失效概率存在确定的关系。根据标准正态分布函数关系式可以计算得到硐室结构的失稳风险概率小于5.87%,即该硐室稳定性可靠度大于94.13%满足硐室稳定性要求。     

深埋隧硐含水围岩弹塑性稳定极限平衡分析

在岩体内开挖隧硐后,由于干扰了原岩应力分布和渗透水压力的作用,硐室含水围岩中呈现次生应力,这种新出现的不平衡应力是引起岩体产生变形、位移甚至破坏的主要根源.以圆形截面隧硐为例,在莫尔库仑理论的基础上,从围岩弹塑性变形的角度出发,分析和计算地下隧硐含水围岩极限平衡时的稳定性和临界支护抗力,为实际地下工程和支护打下理论基础.     

井下煤矸分选硐室群结构特征与紧凑型布局方法

针对井下煤矸分选硐室群优化布置难题,采用理论分析、数值模拟与现场调研相结合的研究方法,分析了煤矸分选硐室群的主要结构特征,探讨了煤矸分选硐室群紧凑型布局原则,提出了煤矸分选硐室群紧凑型布局方法,得到了硐室合理间距判别公式.结果表明:煤矸分选硐室群具有整体断面尺寸大、主硐室宽高比小于1、巷道化布置及流线化回路布局的结构特点;煤矸分选硐室群布置应遵循主硐室优先布置、主硐室间平行布置、主辅硐室垂直布置、非等高巷硐渐进式过渡、尖角区域倒角过渡的基本原则;缩小主硐室间距是实现煤矸分选硐室群紧凑型布局的重要途径,主硐室间距不仅需要确保岩柱稳定,还应满足原煤入选要求.     

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.     

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。     

Hoek-Brown强度准则的非圆形隧道塑性区半径预测

应用Hoek-Brown强度准则判断围岩塑性区具有很多优势,但应用起来繁琐,因此提出将Hoek-Brown强度准则的应变软化模型应用于隧道塑性区分析中,推导得到非圆形隧道的塑性区半径表达式.以重庆兴隆隧道为依托,采取四种不同的等代圆方法计算塑性区半径,并与现场声波探测结果得到的松动圈半径进行对比,发现采用Hoek-Brown应变软化模型分析围岩塑性区时计算得到结果与现场实测结果最为接近,验证了运用考虑应变软化的Hoek-Brown强度准则计算围岩塑性区半径的方法是可行的.     

软岩巷道支护荷载的确定方法

通过分析巷道围岩与支护的相互作用原理 ,得出了软岩巷道失稳的原因是由于围岩自承力与支护力不足的结果 .认为一个优化的软岩巷道支护设计应在确保支护稳定的前提下 ,最大限度地释放围岩的能量 ,使以变形形式转化的工程力达到最大 ,同时最大限度地发挥围岩的自承能力 ,使工程支护力达到最小 ,而其关键是确定变形能释放时间和最佳支护时间 .软岩巷道开挖后 ,通常在巷道周围形成塑性软化区和塑性流动区 ,实施支护力就是要控制塑性流动区的范围与发展 ,达到最佳支护时间时的支护荷载为最小支护荷载 ,可以通过塑性软化区和塑性流动区内岩石的重力求得