边坡层状岩体三维横观各向同性数值分析

建立层状岩体的三维横观各向同性连续介质力学模型,把三维Hoffman强度准则引入到层状边坡稳定性分析中,模拟不同岩层倾角下三维边坡破坏模式。结果表明：岩层为水平分布,剪应力起主导作用,易发生以剪切为主的损伤破坏;岩层为竖直分布,主应力起主导作用,易发生以拉应力为主的倾倒破坏;当层状岩体的走向与坡面走向一致,岩层倾角在0°~90°变化时,岩体从剪应力为主的破坏到拉剪组合破坏再到以拉应力为主的破坏过渡。另外,顺倾岩层的边坡更容易发生剪切滑移型破坏,而反倾岩层的边坡整体不易发生剪切滑移破坏,多存在局部小范围损伤,整体相对较稳定。研究结果可为层状岩体边坡的设计、支护和监测提供借鉴意义。     

岩层倾角对钻井套管剪切变形的影响分析

针对钻井套管剪切破坏问题,基于煤层开采的上覆岩层移动规律,采用ANSYS数值模拟软件建立钻井套管剪切变形的有限元模型,模拟分析了不同的岩层倾角对钻井套管剪切变形区域应力分布的影响。研究结果显示:套管发生剪切变形后,剪切面由原始的圆形变为椭圆形,且椭圆长轴端点区为剪应力的应力集中区;岩层倾角增大会造成套管剪应力的应力集中区面积增大,且应力集中区最大剪应力也在逐渐增大。     

露天转地下挂帮矿开采边坡稳定性及失稳模式研究

为研究露天转地下挂帮矿的开采工作面倾角的布置方式对工作面上覆岩体应力与边坡失稳破坏模式的影响,以海南矿业公司露天边坡挂帮矿井采为例,采用理论计算和数值模拟相结合的方法对其进行了分析。结果表明:露天边坡下开采时工作面倾角的布置对边坡稳定性影响显著;工作面倾角由30°到-30°逐渐减小的过程中,工作面上覆岩体及露天边坡台阶变形量越大,边坡内上覆岩体内剪切应力集中程度和最大主应力集中程度越来越高,边坡失稳破坏的趋势增强;边坡围岩上部压力拱成拱机制较弱,开采工作面右端位移临界区域岩体的抗剪强度对边坡整体稳定性起到关键作用;露天边坡下开采边坡岩体不同区域可能发生的失稳破坏模式主要为张拉破坏—垮落破坏—剪切滑移破坏—剪切错动破坏—挤压鼓胀破坏。     

原地浸矿过程中注液边界的应力路径变化规律

以福建屏南某离子型稀土矿山注液分界线所在区域为研究对象,通过原地浸矿过程中这一区域不同深度处土压力强度实测数据,运用p-q空间应力图,描述了此位置不同深度处的应力路径,并阐述了由原地浸矿引起的边坡变形和矿山内部液位变化对该区域不同深度处应力路径的影响。结果表明:处于液位以上的矿体,其应力路径主要受边坡变形的影响,当边坡破坏形式为推移式破坏或者牵引式破坏时,空间应力图相应表现出平均主应力p和广义剪应力q增大或者p减小、q增大;处于液位以下的矿体,其应力路径主要受液位高度的影响,随着液位高度增大或者减小,空间应力图相应表现出p减小、q不变或者p增大、q不变。     

山体赋存煤层群开采边坡失稳规律研究

以贵州发耳煤矿山体赋存煤层群地质条件为工程背景,通过分析采动过程中山体的变形规律、坡面上的开采沉陷规律、坡角的变化规律等,研究煤层开采引起边坡失稳的规律。山体赋存条件下开采容易引起山体变形破坏、坡角增大等,导致边坡局部出现剪切破坏面进而引起边坡失稳。通过山体条件下开采边失稳规律分析,可对山体边坡安全分析评估,针对局部剪切破坏采取防治措施,保障山体赋存条件下安全开采。     

龙头-硐底石灰石矿露天采场设计边坡稳定性评价

为了论证四川龙头-硐底石灰石矿设计边坡的稳定性,采用phase模拟软件分析了边坡剪应力与位移变化规律;采用slide极限平衡分析软件计算了边坡的安全系数。研究结果表明：各边坡剖面在工况Ⅰ、工况Ⅱ、工况Ⅲ与工况IV条件下,计算所得边坡整体安全系数均大于许用安全系数,设计的边坡角情况下,边坡整体是稳定的;坡体的破坏区主要为拉应力破坏区和剪切破坏区,拉应力破坏区主要分布在台阶坡面及坡面底部与平台交接区域,剪切破坏区主要分布在坡体深部岩体和坡脚;边坡最大位移值出现在坡体中部范围。     

不同接触角下接触带巷道顶部剪应力分布特征研究

地下开采中接触带巷道围岩剪应力是巷道出现剪切破坏和局部冒落的主要原因,构成矿山开采的重大安全隐患。为控制接触带巷道稳定性,研究了不同接触角下接触带巷道围岩剪应力分布特征。采用三维光弹应力冻结试验法,制作了0°、15°、30°和45°的接触带巷道光弹试验模型,定量分析了不同接触角下接触带巷道顶部在4 000 k N载荷时的剪应力分布特征。试验表明:光弹切片的应力条纹图直观显示了不同接触角下接触带巷道顶部的应力场分布;接触带弹性模量为6.69 GPa的一侧剪应力大小是弹性模量为3.20 GPa一侧的2~10倍,巷道顶部接触带上存在剪应力突变;当载荷一定时,接触带与巷道交界处剪应力值和接触带巷道顶部上最大剪应力值随接触角的增大而增大。研究结果表征了不同接触角下接触带巷道顶部的剪应力分布特征,对实际工程具有一定指导意义。     

考虑围岩峰后破坏的全锚锚杆受力特性

基于中性点理论,考虑围岩峰后剪胀效应及破坏形式,推导了瞬时稳态下全长锚固锚杆轴向正应力和剪应力表达式,系统性地分析了孔口处锚杆端头轴力和残余黏聚力、剪胀系数和应变软化系数对锚杆杆体轴向正应力、剪应力以及中性点位置的影响。研究结果表明:锚杆轴向正应力沿杆体内端点至外端点呈现出先增大后减小的变化特征,且应力曲线在弹性区与峰后破坏区呈现出明显的差异性;锚杆剪应力沿杆体内端点至外端点呈现先减小后增大的变化特征,且在弹塑性交界处的连续与否与围岩剪胀系数和剪切刚度密切相关;锚杆轴向正应力和剪应力均随着残余黏聚力的增大而减小,随着剪胀系数与应变软化系数的增大而增大;同时,锚杆杆体轴向正应力和外端点侧剪应力均随着孔口处锚杆端头轴力的增大而增大,内端点侧剪应力随着端头轴力的增大而减小。中性点位置随着残余黏聚力的增大呈现出先增大后减小的变化特征,当残余黏聚力大于某一临界值时中性点位于弹性区,反之,位于峰后破坏区;此外,中性点位置也随着剪胀系数、应变软化系数的增大而减小。     

开挖条件下软弱夹层对岩质边坡稳定性的影响

以金川露天石英石矿采场岩质多级边坡为研究背景,运用岩石破裂过程分析软件RFPA对多级边坡的在开挖卸荷条件下的变形失稳过程进行数值模拟,对含软弱结构面的边坡进行分层处理并与完整结构面的边坡变形失稳特征进行对比分析。研究结果表明:边坡的软弱夹层附近更易产生局部应力集中并且最早出现初始裂纹;含有软弱层的应力场在边坡变形失稳破坏前后均存在较大应力波动,与完整结构面的边坡相比应力场的剪应力的峰值提升了1.1MPa。在强度折减过程中滑动贯通面形成的时间提前了五步,边坡强度安全储备系数下降了0.47;研究结果对于边坡的整体稳定性评价具有一定的参考价值。     

锯齿结构面剪切数值模拟

为探讨锯齿结构面的力学特性,利用FLAC~(3D)建立岩体结构面的三维模型,分析结构面力学性质的影响因素.研究表明:剪切强度随起伏角的增大由线性关系演变到非线性关系,体现在结构面的破坏效应由爬坡效应逐渐演变成啃断效应,最后发展成复合破坏效应;低正应力条件下,强度较大的锯齿先受到破坏,而较高正应力条件下却不同,先受到破坏的则是强度较低的锯齿;随着加载速率的增大,峰值数目增多,峰值依次减小,且结构面残余剪应力逐渐降低.     

“煤体-支柱(架)-胶结体”联合作用下顶板超静定梁模型

针对胶结充填开采中工作面煤壁、控顶区与胶结体形成区间上方的顶板受力问题,考虑胶结体强度前期快速增长、中期缓慢增长和后期稳定的形成特性,以及胶结体对顶板的支撑作用随距离工作面的长度增长而增大的特性,建立“煤体-支柱（架）-胶结体”联合作用下顶板超静定梁模型。基于结构力学解析方法,得到该模型及其2种特殊情况下的岩梁两端支座反力、两端弯矩和整个岩梁剪力、弯矩分布的表达式;确定最大剪力位于煤壁处;加快充填体强度形成的速度,能减小岩梁两端及支座所受应力。模型算例表明：① 支柱和胶结体的介入,较大地改变了顶板应力分布,岩梁剪力和弯矩分布均具有非对称性;② 煤壁处支座剪力和弯矩均大幅高于采空区侧支座的剪力和弯矩;③ 与垮落法开采相似,充填开采岩梁最大剪力和最大弯矩所在位置仍然在煤壁处,但量值均大幅减小,岩梁应力波动幅度小;④ 胶结充填开采有利于减少煤壁片帮,有利于工作面超前支护和顶板管理。     

基于实际围岩变形的全长锚固锚杆杆体应力分布特征分析

在全长锚固锚杆支护过程中,锚杆与围岩之间会相互作用,进而引起锚杆应力分布变化。为探究全长锚固锚杆正常支护过程及临界失效时锚杆应力分布规律,以围岩变形为基础,建立了锚杆-围岩相互作用模型,推导出锚杆在正常支护过程中及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式,进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线。并在考虑锚杆及锚固剂弹性模量、锚杆及锚固剂横截面面积等锚固参数的条件下分别分析了围岩条件、锚杆长度、托锚力对全长锚固锚杆杆体应力分布的影响。结果表明:在全长锚固锚杆正常支护过程中,杆体应力分布符合中性点理论;影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有围岩条件、锚固参数、托锚力;在锚杆正常支护过程中,全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论,随着围岩变软,锚杆为了限制变形,中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大;托锚力影响杆体应力分布,托锚力越大,轴力分布越不均匀,且孔口到中性点处剪应力越小,中性点到杆端剪应力越大。所以在工程实际中可实时监测锚杆托锚力,依靠本文理论依据可深入揭示锚杆支护过程中受力特征;在锚杆支护临界失效时,围岩越坚硬,剪应力及轴力越大,且分布更加集中;锚杆长度影响全长锚固锚杆的支护性能,但在锚杆长度超过一定范围后再增大锚杆长度并不能显著提升锚杆的锚固效果。     

锚杆支护锚固力传递机理研究

锚杆支护锚固力的传递机理非常复杂,在前人研究的锚固力剪应力指数分布基础上,考虑了围岩体和锚固剂相对刚度对剪应力分布的影响,给出了锚杆锚固力沿杆体长度的计算表达式,并推导出了锚杆锚固段围岩体剪应力沿径向的分布曲线,以期为锚杆支护设计和施工提供更有效的理论指导。     

土工合成材料加筋土界面渐进拉拔行为的理论解析

随着国民经济的发展,土工合成材料被广泛应用于边坡和挡墙等实际工程中。筋土界面的界面摩阻力是设计中的关键考虑因素。文中主要分析加筋土界面拉拔状态下的渐进破坏行为,将拉拔过程分成三个阶段:纯弹性阶段,界面的剪切应力与剪切位移呈弹性关系;弹—塑性阶段,通过一个临界点划分弹性区和塑性区;完全塑性阶段。并且给出了各个阶段的拉力、位移和剪应力的解析解。最后通过两组拉拔试验结果与解析计算的比较分析验证了该模型的准确性。对筋土界面摩阻力分布规律进行了详细研究,深入地分析了加筋长度、筋材的弹性模量、剪切刚度和塑性区间长度等因素对加筋土界面的渐进拉拔行为的影响。     

基于Timoshenko梁的盾构上跨对既有隧道纵向变形影响研究

采用修正的Loganathan理论研究了盾构上跨过程中土体损失引起的既有隧道纵向位移,考虑剪切变形的Timoshenko梁理论分析隧道内力变化及管片间错台量,基于弹性力学理论中的剪切效应建立了隧道纵向变形微分方程并求解,研究了隧道剪切刚度、土体损失率对隧道弯矩、剪力、管片间错台量变化规律。将计算结果与已发表监测数据对比,分析了Timoshenko梁发生弯曲变形后梁横截面不再与中性轴垂直,与不考虑剪切变形的Euler-Bernoulli梁的差异。研究表明:考虑剪切变形的理论解能准确预测隧道纵向变形,能矫正不考虑剪切变形条件下弯矩、剪力内力值过大以及无法计算管片错台量的缺陷。研究为预测盾构近距离上跨对既有隧道影响分析提供一种有效方法。     

突水淹没矿井动水巷道截流阻水墙建造技术研究

在突水巷道中通过灌注骨料实现截流堵水的过程涉及多个力学演化阶段,实践中为了快速复矿需更重视堵水效果,阻水墙建造的关键技术问题研究很少受到关注。结合以往工程案例的堵水过程数据,分析了从骨料灌注到注浆截流的水力学模型,提出了阻水墙建造的关键技术参数设定方法,研究了阻水墙内部应力分布状态及破坏机理。研究表明:(1)阻水墙建造可分为4个阶段的水力学模型,即突水稳定阶段的管道流模型、骨料灌注阶段的管道流-低速渗流模型、骨料接顶阶段的高速渗流-低速渗流模型、注浆截流阶段的低速渗流模型;(2)动水中骨料堆积形态是水平和垂向两个维度共同生长的结果,堆积过程与流场存在动态平衡关系;(3)考虑压差、巷道阻力、堆积段阻力、浆液初凝时间4个要素,提出了堆积段长度估算模型,建立了不同灌注阶段巷顶流速的预测方法和骨料粒径选择方法;(4)注浆后阻水墙的最大剪应力发生在距来水方向较近的位置,相较堆积段全部长度,受力影响范围仅为其很小一部分;水压力越大,剪力和轴力越大,但分布状态、影响范围及峰值位置均不变;围岩与墙体弹性模量比越大,阻水体剪应力分布越集中,峰值剪应力越靠近来水方向;当剪应力最大位置首先达到抗剪强度后,剪应力将向下游产生塑性变形直至形成新的平衡状态,否则失稳破坏。     

贵州丹寨汞矿渣抗剪强度特性及其细观机理

我国贵州省天然斜坡上广泛分布着汞矿渣堆积体，危险性及危害性大，急需对其抗剪强度特性及机理进行深入研究。汞矿渣具有结构疏松、分选性差、粒径相差大且有弱胶结性等特点，选取贵州省丹寨县典型场地，开展汞矿渣颗粒分析试验及现场大型直剪试验。基于颗粒离散元PFC2D程序，进行了与现场直剪试验相应的数值试验，研究了抗剪切过程中的细观机理。现场与数值试验获得的曲线形态和抗剪强度参数接近，证实了数值试验的可靠性和高仿真性。试验结果表明：接近剪切应力峰值时，剪切带区域出现了明显的拉张接触力，而较远区域拉张接触力较不明显；随着剪切的进行，主动剪切盘的颗粒整体向右运动，而固定盘中与剪切带较近区域的颗粒也有向右运动的趋势；靠近剪切带区域出现了数个应力集中区，越靠近剪切墙应力越大；大颗粒对应力分布影响较大；固定盘中的应力集中区靠近剪切带，主动剪切盘应力集中区分布更广、受剪切作用影响更大。     

巷道锚固体内离层对树脂锚杆承载特性影响分析

针对回采巷道锚固体内出现的离层现象,基于荷载传递规律、界面剪切滑移模型和锚固体离层面两侧轴力及剪应力布等研究成果,研究了锚固体上任意处发生离层前后不同锚固方式树脂锚杆的承载特性。结果表明：受锚固方式、锚杆预紧力和锚固体离层的影响,锚杆承载特性呈明显的不均匀分布特征。离层发生前,尽管端头锚固、加长锚固和全长锚固锚杆的界面剪应力和锚杆极限承载力峰值相同,但其界面剪应力和锚杆极限承载力分布形态各异。离层发生时,三种锚固方式锚杆不仅界面剪应力和锚杆极限承载力分布形态都发生了明显变化,而且其界面剪应力和锚杆极限承载力峰值也各不相同。全长预应力锚固锚杆承载特性要优于端头、加长锚固和全长锚固锚杆,对围岩变形和离层有更好的约束和抑制作用,在容易发生围岩离层的回采巷道应优先采用全长预应力锚固锚杆。     

预应力锚索锚固段剪应力分布特性研究

基于弹性理论,利用弹性半空间体在边界上受法向集中力作用的布西内斯克应力解,建立了弹性理论空间模型,对预应力锚索锚固段剪应力沿长度方向的分布规律进行模型研究。得到剪应力沿锚固段轴向的分布曲线,求出了剪应力分布曲线的特征点;并通过与现场试验结果对比,验证了该模型的合理性,得出锚固段周边剪应力分布的合理结论。     

树脂锚杆锚固性能及影响因素分析

采用理论分析、实验室试验、数值模拟及井下实测相结合的方法对树脂锚杆锚固性能及影响因素进行研究。理论分析了锚杆在拉拔与全长锚固状态下的应力分布特征;在实验室进行了不同形状锚杆、不同钻孔直径下锚杆拉拔力试验,得出了锚杆形状、孔径差对锚杆拉拔力的影响程度;测试了不同模拟钻孔温度、淋水量下锚杆的拉拔力,得出了温度、淋水量与锚杆拉拔力之间的关系。采用有限差分数值模拟软件FLAC3D,计算了不同杆体形状、孔径差、居中度及不同围岩强度下锚固剂、围岩中的剪应力大小,分析了诸因素对剪应力分布的影响,得出了不同条件下剪应力分布特征。在平庄风水沟煤矿井下进行了软岩可锚性试验,实测了软岩不同含水状态下锚杆、锚索拉拔力。最后,提出改进树脂锚杆锚固性能、提高锚固力的建议。