考虑渗流作用的锚杆支护巷道围岩稳定性分析

为研究渗流作用下锚杆支护巷道的稳定性,应用等效分析方法,将锚杆的支护效果考虑成作用于锚固体两侧的1组夹紧力和强化围岩参数作用,并将渗流场转化为1组均匀分布在围岩中的一维径向体积力,同时考虑锚杆支护作用与渗流作用对围岩的影响,应用弹塑性理论,推导出了巷道围岩应力分布,得出了渗流作用下锚固体与围岩协调变形的塑性区半径方程,最后提出了围岩稳定性评价方法。结果表明:通过算例,对比分析了不考虑渗流作用和考虑渗流作用下,锚杆支护参数对围岩稳定性的影响;在相同的条件下,考虑渗流作用时需要锚杆提供更大的支护力。     

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。     

考虑渗流和剪胀特性的Z-P准则及巷道稳定性分析

在地下工程结构中,渗流和剪胀特性严重影响了巷道的稳定性。为了研究渗流和剪胀特性下巷道围岩的稳定性,基于Zienkiewicz-Pande准则和弹塑性理论,分析了受渗透水压力作用下的巷道围岩弹塑性解;推导了渗透水压力作用下的巷道围岩塑性区半径、位移和应力分布的解析解;分析了中间主应力和剪胀角对巷道围岩塑性区的影响规律。结果表明:基于Z-P准则的塑性区半径、位移和围岩应力公式能够很好地反应规律;随着中间主应力的增大,塑性区半径、位移和弹性区应力先减小后增大,塑性区应力先增大后减小;渗流作用下的塑性区半径和位移显著增加;围岩的剪胀特性对巷道应力分布和塑性区半径影响较小,但对位移分布有显著影响,随着剪胀角的增加,塑性区位移逐渐提高。     

非均应力场圆形巷道围岩塑性区解析分析

巷道围岩塑性区大小是评价围岩稳定性的重要依据及进行巷道支护设计的理论基础。一般圆形巷道所受原岩应力场为非均匀应力场。通过对圆形巷道围岩的力学分析,获得了围岩主应力场分布规律,结合极限平衡条件下的莫尔-库仑准则,得到了圆形巷道在不等压原岩应力作用下围岩的塑性边界方程。软岩巷道围岩控制的基本出发点是充分发挥围岩的自承能力,其基本原则之一便是圆形巷道形式。     

基于统一强度理论的TBM斜井围岩弹塑性解

对TBM斜井围岩应力场和渗流场进行耦合分析,基于统一强度理论对斜井围岩进行弹塑性力学研究,考虑中间主应力、侧压力系数、斜井倾角和渗流作用的影响,推导出TBM斜井衬砌和围岩中应力、位移解析表达式及塑性区半径计算式。结合工程实例计算分析,结果表明考虑中间主应力作用时,围岩自身稳定性得到增强;在二向非等压状态下,围岩侧压力系数、斜井倾角和渗流作用会对围岩塑性区分布和应力大小产生不同程度的影响。研究结果为渗流条件下TBM斜井施工及安全性评价提供了理论依据,具有工程参考意义。     

渗流作用下圆形巷道围岩弹塑性分析

在假设岩体在无限小的区域内材料属性相同,将岩体划分为若干个塑性区域环的情况下,应用统一强度理论,结合岩石应变软化力学模型与围岩峰后强度和变形演变规律,推导了渗流作用下圆形巷道围岩破裂分区的计算公式,分析了渗流作用下巷道围岩的弹性区、塑性软化区和破裂区的力学性态。结合具体算例,对比分析了渗流作用下和无渗流作用下巷道塑性区范围影响因素,得出支护反力、巷道半径以及采深对渗流作用下的巷道塑性区域影响尤为明显。研究表明,考虑渗流作用使得分析结果更加接近于实际,能显示出巷道围岩变化破坏情况,为地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。     

渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。     

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。     

崩落回填区渗流场与应力场耦合有限元分析

以金山店铁矿崩落回填区为例,建立了崩落回填区渗流与应力耦合的数学模型,分析了渗流场与应力场耦合特性。模拟结果表明：在巷道附近渗流速度较大时,通过巷道边界的渗流量为1.3×10-3 m3/（s.m）;考虑耦合比不考虑耦合总水头值总体上是减小的,特别是在底部区域,影响更为明显;耦合对应力场也有一定的影响;总水头值随着耦合系数β的增加而逐渐减小。     

靖丰煤矿松软煤巷支护技术研究与应用

基于弹塑性时论理论研究了围岩与锚杆支护互馈作用机制,分析了支护对巷道围岩应力状态的影响,研究表明锚杆支护阻力对巷道围岩的应力应变状态有较大影响,通过调整锚杆支护阻力可以改变围岩的应力状态,保证巷道安全稳定。     

基于统一强度理论的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于统一强度理论，推导出非均匀应力场的巷道围岩塑性区边界线方程式，可用于预测不同侧压系数时地下深埋隧洞的塑性区大小及形状.当不同程度地考虑中间主应力的影响时，围岩塑性区形状和大小有较大不同，且随水平应力与垂直应力差异性的增大，这种影响趋于明显.     

动压影响下纵跨巷道力学分析与围岩裂隙控制技术

采用力学分析、数值模拟、现场监测等手段研究了动压条件下煤矿工作面纵跨巷道围岩的稳定性。基于岩石材料的流变特性,采用弹塑性理论分析纵跨巷道的围岩受力特征,求出了巷道围岩的应力各分量的解析解;数值计算表明,巷道受工作面前方支承压力和侧向应力的叠加应力影响,随着工作面的推进,超前支承压力对其影响逐渐减弱,侧向应力将长期影响巷道围岩的稳定性。确定了煤层工作面端头侧向应力作用下的流变效应是影响跨采巷道稳定性的重要因素之一。采用注浆封堵技术,确保了巷道围岩不被软化,保持了巷道围岩的强度和承载能力,达到了控制巷道围岩稳定性的效果。     

深部煤巷围岩变形与控制机理的数值模拟分析

 摘要：为解决深部煤巷支护难题,应用FLAC数值模拟程序研究了深部煤巷围岩变形全过程、地应力对巷道变形的影响和巷道变形控制机制。得出了围岩开挖变形应力场、位移场和塑性区变化规律,地应力对巷道变形的影响规律以及深部煤巷围岩变形控制的内在机制。结果表明：随着开采深度的加大,巷道变形对地应力的敏感度增强;底板是巷道整体稳定的关键,底板变形加剧两帮及其它部位的变形;巷道底板控制应当从围岩整体相互作用的角度实现变形控制。     

倾斜产状软弱夹层贯穿巷道围岩稳定性分析

 研究倾斜产状软弱夹层从不同部位贯穿巷道对巷道围岩稳定性的影响,利用数值仿真软件Flac3D分析相同条件下无软弱夹层、软弱夹层贯穿巷道顶部、中部、底部四种模型中软弱夹层对巷道围岩位移场、应力场以及塑性区的影响。数值结果对比表明：软弱夹层的存在导致巷道围岩整体位移场、应力场分布不均匀,塑性区范围增加,存在软弱夹层的部位容易发生大变形,相对来说软弱夹层贯穿巷道顶部时巷道的顶板稳定性最差。针对现场的巷道变形观测也验证了数值模拟的分析结果。若巷道中有软弱夹层贯穿时,应采取相应的支护措施控制软弱夹层引起的位移、应力集中以及塑性区的增加,对今后相应条件下的支护措施有一定的指导意义。     

巷道围岩渗流场和应力场各向异性特征分析及应用

依托范各庄煤矿12号煤层底板的砂岩巷道工程实际,应用岩体结构面非接触测量（ShapeMetriX3D）系统,对巷道开挖面进行岩体结构面数字摄影测量及识别,得到岩体结构面的几何分布参数;在此基础上,利用Mont-Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论计算岩体的渗透张量和弹性张量,研究了岩体力学参数各向异性和尺度效应;最后,建立了平面应变情况下的巷道围岩各向异性渗流力学模型,采用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件,计算得到了可以考虑节理分布特征的巷道围岩应力场和渗流场,并讨论了岩体力学性质主方向对围岩应力场、渗流场及损伤区的影响。研究表明,岩体的各向异性对数值模拟结果影响显著,等效连续介质的各向异性模型能考虑岩体结构面的影响,更符合工程实际。     

采动巷道围岩非均匀变形特征及稳定性控制技术研究

受到原岩应力与采动应力叠加影响的巷道会产生非均匀变形,甚至发现顶板事故,采动巷道围岩稳定性控制是实现矿井安全高效开采的关键。针对长岭一号煤矿152106工作面轨道巷受到采动影响变形严重的问题,采用现场监测、数值模拟等研究方法,分析了采动巷道围岩变形特征及塑性区演化规律。结果表明：在采动影响下,巷道围岩变形呈非均匀特征,工作面前方巷道围岩变形量小于工作面后方,巷道煤柱侧变形量大于煤壁侧,顶板出现离层并且靠近煤柱侧底鼓量更大,局部可达400mm|工作面前方最大主应力、主应力比值、塑性区范围均小于工作面后方,塑性区呈椭圆形分布,巷道围岩位移量与塑性区范围具有一致性。据此提出了补强支护方案,即顶板补打锚索、煤柱对穿锚索及打设单体液压支柱,现场试验结果表明轨道巷煤柱帮变形减少了65%,巷道底鼓量260mm,工程应用效果较好。     

节理岩巷应力分布规律与失稳机制研究

为研究具有层状特征的节理岩巷应力分布规律与变形机制及控制对策,通过将巷道直墙拱形断面等效为圆形断面,分析层状节理岩巷应力分布和应力集中影响,并以云南某矿埋深为750 m的阶段运输巷道为研究对象,通过现场调查和Phase 2数值模拟等方法,分析了巷道变形机制并给出了相应的支护对策.结果表明:通过粒子群算法得出的巷道应力集...