厚煤层直墙半圆拱巷道围岩破坏影响研究

采用FLAC3D数值模拟的方法，分析了不同埋深、不同侧压系数下厚煤层直墙半圆拱形巷道围岩塑性区发育特征、应力分布特征和围岩变形特征。研究表明：随着埋深的加大，巷道的围岩变形量呈线性增加，围岩破坏深度更大且塑性区呈环绕形分布；侧压系数对巷道的破坏形态影响较大，当侧压系数为0.5时，塑性区的分布呈现出“蝶翼形”，随着侧压系数逐渐增大到1时，塑性区分布呈“帆船形”，分布较为均匀，侧压系数继续增加后，巷道逐渐成“窄高形”并最后发展成“沙漏形”。对鱼卡矿回风巷支护方案进行了优化，采用锚网索联合支护，并对巷道表面进行喷浆，巷道稳定后顶板下沉量为35 mm，帮部位移量为50 mm，满足安全生产需要。     

基于开口梁的直墙半圆拱U型钢支架强度研究

针对直墙半圆拱U型钢理论计算不精确问题,以U29型断面为例,基于Nastran的考虑剪切应力的开口梁Beam单元研究了直墙半圆拱型支架Mises应力分布规律,得出采用Beam单元与Bar单元以及理论计算的结果在棚腿底部和拱顶角度为90°时最大Mises应力相差较大,但在棚腿最大Mises应力处三者相差不大,仅为3%~10%。     

直墙半圆拱U型钢封闭支架控底力学模型及应用

针对深部巷道底臌治理难题,建立了直墙半圆拱整体支架的力学模型,运用极限载荷法推导了高应力条件下的支架承载能力和反拱临界失稳载荷,将反拱拱高与半径的比值定义为反拱控底影响因子ζ,研究了ζ在0~0.7范围内不同巷道宽度的反拱支架受力特征及稳定性。计算表明:对于净宽为5 m的巷道,反拱矢跨比宜取值在0.2~0.3,反拱控底影响因子和反拱半径的最佳取值分别为0.2和4 m,在淮南矿业集团丁集矿西11-2开拓巷道50 m试验段工程实践表明该支架对底臌具有良好的控制能力,2 a期的巷道底臌小于50 mm,且不需要卧底返修。     

直墙半圆拱U型钢支架最大轴向应力影响因素分析

针对直墙半圆拱U型钢支架校核准则问题,提出直墙半圆拱U型钢支架的最大轴向应力强度标准,并基于理论计算给出了直墙半圆拱U型钢支架的最大轴向应力计算公式。在此基础上分析了棚腿高度、拱顶半径、载荷集度和应力集中系数4个因素对不同断面型号的直墙半圆拱型支架的最大轴向应力影响规律。     

基于应变软化模型的软岩巷道卸压孔布置

为解决煤矿软岩巷道的高应力钻孔卸压孔的布置问题,选用考虑应变软化的摩尔库伦准则作为理论依据,根据现场提供的岩石进行力学参数试验,计算巷道周围应力变化趋势,并得出巷道开挖后其塑性区的范围大小,再根据圆形巷道的轴对称原理分析钻孔时周围的应力应变关系,得出软岩巷道钻孔时应力影响范围,并将此范围作为设计布置卸压孔间距的依据。     

围岩应变软化巷道锚杆支护作用的计算

从围岩应变软化巷道弹塑性力学计算出发,引入软化模量与非关联流动法则,用锚杆两端对围岩体内锚固区施加的两组夹紧力来考虑锚杆支护对巷道围岩应力状态改变的影响;在锚固围岩体力学性质的黏结力和内摩擦角不变的情况下,建立了锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学模型.通过计算,得到了不同锚杆支护强度和锚固区半径下的围岩应力、巷道位移、围岩应变软化区半径及破碎区半径的理论计算公式;分析了围岩应变软化巷道锚杆支护的应变软化区、破碎区及巷道周边位移变化趋势,并在巷道锚杆支护的参数选定中进行了应用.     

围岩应变软化巷道锚杆支护作用的计算

从围岩应变软化巷道弹塑性力学计算出发,引入软化模量与非关联流动法则,用锚杆两端对围岩体内锚固区施加的两组夹紧力来考虑锚杆支护对巷道围岩应力状态改变的影响;在锚固围岩体力学性质的黏结力和内摩擦角不变的情况下,建立了锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学模型.通过计算,得到了不同锚杆支护强度和锚固区半径下的围岩应力、巷道位移、围岩应变软化区半径及破碎区半径的理论计算公式;分析了围岩应变软化巷道锚杆支护的应变软化区、破碎区及巷道周边位移变化趋势,并在巷道锚杆支护的参数选定中进行了应用.     

煤矿巷道直墙半圆拱形波形钢腹板支架稳定承载性能

将新型波形钢腹板支架用于煤矿巷道金属支架结构中,采用试验研究和有限元数值模拟分析相结合的方法,研究波形钢腹板支架结构的稳定承载性能。设计了2榀直墙半圆拱形波形钢腹板支架的模型试验,得到支架的失稳破坏形态、应变与位移发展规律,并分析了波形钢腹板翼缘厚度变化对支架承载力的影响程度。结果表明:波形钢腹板支架破坏形态为整体非对称失稳,支架翼缘厚度由12 mm增加为16 mm时,即增幅为33%,支架的承载力提高27. 38%,表明翼缘厚度对支架的承载性能有显著影响。试验结果与有限元分析结果吻合良好,验证了有限元模型的正确性。同时采用有限元方法对用钢量基本相同的矿用工字钢支架和波形钢腹板支架进行对比,结果表明:波形钢腹板支架承载力比矿用工字钢提高了31. 68%,其变形约为矿用工字钢的4/5。通过数值模拟分析波形钢腹板支架截面各参数对支架弹性和弹塑性屈曲荷载的影响,发现腹板高度和厚度是较敏感参数;并比较了波形钢腹板支架和矿用工字钢支架分别在静水压力作用下、垂直单向应力作用下和垂向力为主的荷载作用下的支护性能,发现在相同的用钢量情况下,波形钢腹板支架具有较高的抗剪承载力,在高厚比很大的情况下不容易发生屈曲,且翼缘用钢量集中,使得截面的抗弯和轴压稳定承载力也大幅度提高,故它在各种荷载状态下的变形量均小于矿用工字钢支架,其支护效果优于矿用工字钢支架。     

直墙半圆拱可缩性U型钢支架卡缆临界约束力理论研究

针对直墙半圆拱可缩性U型钢支架的卡缆约束力不合理问题~([1]),对可缩性U型钢支架提出卡缆临界约束力概念。通过建立直墙半圆拱可缩性U型钢支架的力学模型,给出了支架的卡缆临界约束力的计算公式,并得出在静摩擦系数f=0.20、上下卡缆约束力相等、侧压系数λ=0.4~2.0时,直墙半圆拱可缩性支架系列卡缆临界约束力。     

基于应变软化的巷道锚固失稳分析

针对西部弱胶结软岩巷道出现的喷层脱落、锚固力降低、严重底鼓等支护难题,通过在内蒙古鲁新煤矿主要运输大巷砂质泥岩地层现场取样,在实验室进行不同围压的三轴压缩试验,结果表明:泥岩的峰后应变行为具有明显软化特征,并存在残余变形阶段,更适合采用三折线型应变软化模型进行分析。通过对FLAC中的双线型应变软化模型进行fish修正实现该模型的数值应用,验证模型表明该三折线型应变软化模型更符合泥岩的变形特征,通过对泥岩巷道施工稳定性分析并借助软化度指标进行评价,表明泥岩巷道因最大软化度和软化深度不断增加,使得锚喷支护作用下围岩变形的控制效果并不明显,锚杆轴力先增加后降低失去支护作用。     

基于四阶段应力-应变模型的深部巷道围岩弹塑性分析

为分析巷道破裂区范围,基于统一强度准则和非关联流动法则,考虑中间主应力及扩容系数的影响,建立了深部巷道围岩弹性区-塑性区-软化区-破裂区四阶段应力-应变模型,并求得围岩应力、应变及变形的封闭解。结合工程案例,分析了不同强度参数、应力-应变模型、剪胀角、残余黏聚力等对围岩状态变化的影响。研究结果表明：强度参数对围岩应力、应变及峰后破坏范围均具有重要影响。随着强度参数的不断增加,围岩环向应力峰值及峰后破坏范围均不同程度增大,应力曲线左移;扩容系数与强度参数和剪胀角均成正相关关系;随着残余黏聚力的不断增加,围岩峰后破坏范围及表面位移均呈现出非线性减小特征,其减小速率不断降低;与其他应力-应变模型相比,围岩峰后破坏区位移呈现出EBM>EPBM>ESM>本文模型>EPM的变化特征。此外,随着峰后破坏区剪胀角的不断增加,其围岩表面位移也不同程度增加：破裂区剪胀角对其影响最为显著,软化区剪胀角次之,塑性区剪胀角影响最小。这些分析结果可为围岩稳定性分析及支护参数设计提供重要理论依据。     

基于应变软化模型的岩体单轴压缩裂隙扩展

分别采用FLAC~(3D)程序中的应变软化模型及空模型来描述岩石及裂隙的力学行为,同时采用超细单元划分法对计算模型进行剖分以模拟裂隙扩展。采用上述数值计算模型研究了单轴压缩荷载下裂隙长度、倾角和裂隙条数对裂隙扩展路径及岩体力学特性的影响。计算结果表明,试件单轴抗压峰值强度随裂隙长度增加而逐渐降低,当裂隙长度不同时,次生翼裂纹的出现位置及扩展路径也有较大差别。翼裂纹的萌生位置及扩展规律均随裂隙倾角而变化;试件峰值强度随裂隙倾角由0°增加到75°时,类抛物线规律变化,当裂隙倾角为30°时,试件峰值强度最低。裂隙条数对裂隙扩展路径及试件破坏模式有较大影响,且试件峰值强度随裂隙条数增加而逐渐减小。     

考虑弹塑性耦合效应的应变软化模型

深部岩体峰后呈现应变软化特征、弹塑性耦合特征和塑性变形破坏等非线性特征。充分探明开挖工作面的岩体力学特征有助于预测围岩变形或破坏区域的形状,为后期的合理支护设计提供科学依据。然而,当前广泛使用的一维模型(例如Mohr-Coulomb和应变软化模型)无法很好的反映深部地下工程在高围压下的岩石变形特征。对此,通过三轴循环加卸载试验,获得各级围压下不同塑性累积阶段的岩石力学参数,进而研究塑性变形与围压二者综合影响下的围岩受力变形特征。通过构建应力-塑性剪切应变二维函数针对性描述其上述特征,建立了考虑围压影响的黏聚力、内摩擦角、弹性模量和剪胀角随塑性变形变化的数学模型。研究表明:黏聚力和内摩擦角可用指数函数及线函数分别描述其塑性变形和围压的相互关系,由此构建的二维函数,拟合精度可达95%;弹性模量随着围压增大而增大,可用负指数函数来描述,随着塑性变形而衰减,可用线函数来描述;剪胀角随着围压线性衰减,随着塑性变形先增大后减小,可用差值型指数函数描述;通过FLAC^3D的二次开发,将该应变软化模型用于模拟岩石三轴压缩试验,证实模型设置准确合理。针对深部圆形硐室开挖,所提出的本构...     

考虑岩石流变及应变软化的深部巷道围岩变形理论分析

为深入探究岩石流变作用下巷道围岩变形分区机理及弹塑性理论解,基于巷道围岩在流变作用下所能承受的最大应力值应为岩石的长期强度这一重要特性,结合岩体峰后应变软化及扩容特性,推导出巷道围岩四分区应力、位移及半径解析解,并揭示黏聚力软化模量与内摩擦角及初始黏聚力之间的量化关系.通过算例验证该理论的可行性,并分析流变作用下不同围...     

考虑应变软化的超千米深井巷道锚杆支护机理研究

为揭示超千米深井巷道锚杆支护系统作用机理,以山东新汶华丰煤矿2613下平巷为工程背景,在考虑围岩应变软化的条件下,采用数值模拟手段进行研究,最后通过现场监测数据进行验证。研究表明:锚杆支护系统可增强巷道围岩径向约束,围岩应力在较浅处即可达到平衡,阻止破坏进一步发展;锚杆支护系统可降低围岩应变软化程度,强化峰后围岩;以上2方面原因使巷道围岩塑性区和位移量大幅减小;采用数值模拟进行锚杆支护初步设计时,应准确考虑围岩的应变软化效应。     

考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应

为了研究强度准则效应对圆形巷道围岩稳定性的影响,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后将巷道围岩划分为破碎区、塑性软化区和弹性区,同时引入强度参数软化模量和扩容系数,考虑中间主应力效应、岩石峰后应变软化和扩容特性,推导了巷道围岩应力、位移和塑性区半径统一解,并对新解的各影响因素进行了对比分析。分析结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配不同的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的强度准则相对偏于保守,考虑中间主应力效应时,MO准则和权系数<0.5的统一强度理论计算得到的塑性区半径和位移处于中间水平,而外接圆DP准则和权系数>0.5的统一强度理论对中间主应力效应考虑较多,选用时需谨慎;应变软化会使塑性区内围岩的性质得到进一步劣化,出现更大范围的破碎区,提高破碎区残余强度是一种有效的支护方法;巷道围岩的扩容特性不仅与剪胀角有关,而且还与塑性势函数有关,不考虑扩容将会低估围岩的真实变形。研究结果可为巷道围岩稳定性评价和支护设计提供重要理论参考依据。     

基于应变软化模型的煤柱采动应力分布精细化数值模拟

以山西经坊煤业08综放工作面工程地质条件为背景,开展了工作面护巷煤柱采动应力的现场钻孔应力实测;同时,分别建立了基于摩尔-库伦(MC)本构模型以及应变软化(SS)本构模型的数值计算模型,精细研究了综放工作面煤柱采动应力空间分布及演化规律。现场钻孔应力监测及数值模拟结果表明：与传统的MC模型相比,基于SS模型的精细化数值模拟能够准确地获得综放工作面煤柱采动应力空时分布规律,其结果更接近于现场钻孔应力监测结果;基于SS模型的煤柱上的支承压力峰值位置滞后工作面40-50m,而基于MC模型煤柱采动应力峰值位置始终处于采空区中部,不能反映采空区顶板垮落破断对采动应力分布规律的影响;基于SS模型的煤柱上的侧向支承压力与工作面前方的超前支承压力分别相比基于MC模型的结果小43.3%与26.2%。研究成果对于指导综放工作面护巷煤柱尺寸留设以及巷道布置与支护设计具有一定的理论与工程指导意义。     

不同埋深条件下直墙拱顶巷道破裂的数值试验

为研究不同埋深条件下直墙拱顶巷道围岩破裂形态,采用RFPA2D软件进行了数值模拟试验。通过数值试验发现:不同埋深条件下的巷道围岩均从巷道的拱脚和墙角处最先发生破坏,且沿拱脚斜向下和沿墙角斜向上扩展,最终导致巷道两帮围岩破裂失稳;同时由于深部巷道围岩的荷载较大,破坏裂缝也从巷道两帮扩展到拱顶和底板。通过分析巷道围岩应变数据,发现围岩体内径向拉应变是造成巷道围岩破坏的主要原因。该数值试验结果与有关物理试验结果具有一致性,能进一步丰富深部岩体破裂方面的研究成果,更好地指导深部地下空间的开发和应用工作。     

不同形状巷道断面对深部破碎回采煤巷的影响分析

为了确保煤矿巷道断面的合理设计,以云盖山煤矿一矿实际矿井地质条件为例,采用数值模拟软件,分别对梯形、矩形、直墙半圆拱形断面巷道进行数值模拟研究,研究了巷道周围煤岩体位移、塑性区分布,巷道周围煤岩体最大主应力、最小主应力云图。研究得出:在无支护的情况下,当采用直墙半圆拱形断面时,巷道顶板变形量、左帮变形量最小,因此该煤矿运输巷断面设计为直墙半圆拱形最合理,有利于确保矿井安全生产。