双剪双参数统一强度准则改进式及其应用

通过莫尔圆分析发现,现有的双剪双参数统一强度准则在形式上可看成是对具有直线型强度包络线的Mohr Coulomb强度准则的改进.由于直线型强度包络线对岩石的抗拉强度特性解释不好,不如双曲线型强度包络线.为此,通过将现有的双剪双参数统一强度准则做相应的非线性化处理,导出了具有双曲线型强度包络线的双剪双参数统一强度准则改进式,并将其用于对静水压力条件下圆形巷道围岩的弹塑性分析.     

基于统一强度理论煤柱尺寸研究及应用

为了提高煤炭采出率,保障巷道稳定安全,煤炭开采时通常设计合理的煤柱尺寸。根据留设煤柱的不同作用,将煤柱分为"保护巷道"和"保护地表"2类。基于统一强度理论,分别对2种类型巷道进行弹塑性分析,建立了考虑中间主应力影响的极限强度计算公式,进而得到2类巷道的屈服宽度及煤柱尺寸的统一计算式。运用该公式计算了某矿8214工作面"保护巷道"煤柱尺寸,并与数值计算对比分析,认为护巷煤柱宽度取10 m是合适的。     

岩石强度理论研究

岩石强度理论是研究岩石在各种应力状况下的强度准则的理论,它表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系.由于强度理论在解决岩体工程实际问题的重要作用,所以,强度理论或强度准则是工程力学界的一个热门课题.数百年来,尽管提出了各式各样的岩石强度准则及其修正理论,但是,由于岩石材料力学性质的复杂性和非确定性,仍有许多问题没有很好地解决,各种观点之间的争鸣一直没有停止过.对于各种各样的强度理论,重要的不是公式的形式和计算,重要的是强度准则的基本思想和解决什么样的工程问题,即这个强度准则用于何处;如何应用强度准则更准确地解决工程实际问题.     

基于统一强度理论的破裂围岩劣化弹塑性分析

基于深部岩体良好的塑性变形能力和高地应力下瞬时破坏特性,建立了适用深部岩体力学行为的弹塑脆性模型。针对长的圆形巷道,将巷道围岩分成破裂区、理想塑性区和弹性区,同时考虑中间主应力和破裂区围岩弹性模量劣化的影响,采用统一强度理论进行非关联弹塑性分析,获得了围岩应力场和变形场的解析解。并通过补充围岩破坏条件获得了确定围岩破裂半径和塑性半径的解析式。最后结合算例,分析了中间主应力、破裂区围岩弹性模量劣化程度对破裂区范围和围岩变形的影响。     

基于统一强度理论的条带煤柱设计

现有条带煤柱设计方法偏于保守,急需更合理有效的条带煤柱设计方法,以提高条带开采的煤炭采出率。基于统一强度理论,建立了合理考虑中间主应力影响的条带煤柱极限强度公式,进而将其应用于条带煤柱屈服宽度和留设宽度的解析计算,并与Wilson公式以及广义SMP准则的拓展结果进行比较,得出中间主应力、煤层黏聚力和内摩擦角的影响特性。研究结果表明:本文所得统一计算式是一系列有序解的集合,具有广泛的理论意义;中间主应力、煤层黏聚力和内摩擦角对条带煤柱设计影响显著,应充分考虑中间主应力效应和煤层强度参数变化;Wilson公式结果过于保守,广义SMP准则结果是本文统一强度理论结果的一个线性逼近。     

三剪强度准则及其在巷道围岩弹塑性分析中的应用

基于12面体单元主剪面上的3个主剪应力及正应力均会对岩石的强度和破坏产生影响,在双剪强度准则的基础上提出了一个新的三剪强度准则,并对其进行了分析．研究表明,强度准则能较全面地反映岩石的基本强度特征．另外,还应用该新强度准则对静水压力条件下的圆形巷道围岩进行了弹塑性分析．分析表明,与采用Mohr-Coulomb强度准则的结果相比,巷道轴向应力和强度理论中的参数b对巷道围岩塑性区半径、应力分布及径向位移等均有影响．     

基于UNWEDGE程序的地下洞室块体稳定性分析

UNWEDGE程序是根据块体理论开发的一种在坚硬岩体中开挖所形成块体稳定性的应用分析软件,具有界面友好、操作简便、功能强大的特点。对该程序的基本原理作了介绍,并将其应用到CCS水电的地下厂房的块体稳定性分析中。研究表明,该程序具有较好的实际应用价值。     

考虑应变软化及剪胀的井壁稳定统一解

基于统一强度理论和弹脆塑性软化模型,考虑岩石应变软化和剪胀特性,对井壁围岩进行弹塑性应力和位移分析,推导出井壁围岩缩径问题的弹性极限荷载、井眼压力和井壁位移统一解,并给出了井眼压力、井壁位移与塑性软化区半径之间的关系.进一步分析统一强度理论参数、应变软化特性参数和剪胀特性参数对统一解的影响,克服了以往基于Mohr-Coulomb强度准则或双剪强度理论的理想弹塑性解的不足,所得统一解可适用于不同强度理论的各类岩石材料的弹塑性分析.以井壁位移或变形作为控制条件的工程,不能不考虑剪胀的影响.     

含地下洞室的露天矿边坡稳定性研究

地下洞室是危害露天矿边坡稳定性的重要因素，其分布情况更是评价露天矿边坡稳定性的重要条件。通过分析地下洞室的应力分布情况，利用极限平衡法及格里菲斯强度理论，讨论并研究了地下洞室对露天矿边坡稳定性的影响，发现地下洞室的直径和其走向与整体边坡走向的关系对露天矿边坡稳定性的影响很大。     

水利水电工程地下洞室围岩稳定性分析评价方法研究

主要对目前使用的地下洞室围岩稳定性分析评价方法进行了系统的阐述。     

考虑中间主应力和软化的圆形隧道围岩弹塑性分析

为研究中间主应力在圆形隧道围岩承载力所发挥的作用,根据统一强度理论和塑性增量的非相关性流动法则,提出了考虑中间主应力影响的应变软化围岩特征曲线的有限差分计算方法,并通过实例验证该方法的正确性。由于围岩的力学模型对特征曲线的影响较大,采用3种不同力学模型——弹塑性模型、弹脆性模型和应变软化模型,分别研究了中间主应力和支护力对圆形隧道围岩塑性区半径,应力分布和隧道洞壁处位移的影响。结果表明:当围岩采用弹塑性模型时,计算的塑性区半径和洞壁处的位移均较小,没有考虑岩体强度在塑性区的弱化,建议慎重选择;中间主应力对塑性区半径和洞壁处的位移发展均有抑制作用,特别是在无支护状态下弹脆性模型的抑制作用最显著;中间主应力对塑性发展的抑制作用随着支护力的增加而减小;弹塑性交界处围压,应变软化模型下软化区与残余区交界面的围压均与支护力无关,且随中间主应力影响系数的增加而减小。     

基于双屈服面模型的圆形软岩巷道围岩变形弹塑性解

软岩巷道过大的径向位移对煤矿生产有较大影响。基于双屈服面模型,利用某种泥岩材料的常规三轴实验数据,分别拟合了以第一、第三塑性主应变(ε_1~p,ε_3~p)为硬化参量的加载面,根据对完全加载假设的验证,推导了此泥岩材料的非关联流动法则,得到了围岩塑性区范围和径向位移的解。研究结果表明:该泥岩材料的2个加载面形式为二次函数,各项系数均可表示为ε_1~p或ε_3~p的一次函数,由此确定塑性应变增量分量的大小;推导出的非关联流动法则中含有常数项,其原因为:在加载过程中,会先达到以ε_3~p为硬化参量的加载面,当ε_1~p恰好为0时,ε_3~p即为该常数的值;考虑了岩石的非线性应变软化特征,排除了"人为假定流动法则"等主观因素的干扰,求解了塑性区范围和径向位移的解析解,得到了在一定地应力和该岩性条件下二者与开挖半径的线性拟合公式。     

基于统一强度理论的煤层平动冲击失稳解答

以统一强度理论作为煤层塑性区的屈服判据,考虑中间主应力对煤层强度的提高作用,建立了平动冲击失稳之前煤层的应力统一解、扰动深度解析式以及塑性区宽度统一解,对其进行可比性分析、文献已有解答的对比验证,探讨了中间主应力效应、煤层埋深与厚度、煤层强度参数对平动冲击失稳的影响特性。研究结果表明:本文所得应力统一解和塑性区宽度统一解均是一系列有序解答的集合,并得到文献Mohr-Coulomb准则解答、Hoek-Brown准则解答以及Lippmann理论的验证,具有广泛的理论意义和良好的工程应用前景;当统一强度理论参数b从0增加到1时,煤层发生冲击失稳的破坏范围减小了25.3%,冲击倾向性即塑性区扩展率由0.63减小到0.47,这表明中间主应力对煤层平动冲击失稳的影响显著,应合理考虑中间主应力效应,以充分发挥煤层的承载潜力;支护力对煤层的塑性区宽度影响较大,当支护力从0增加到1 MPa时,塑性区宽度平均减小了21.3%,需切实构筑有效支护以减小煤层平动冲击失稳的破坏范围;深埋煤层的稳定性较差、冲击失稳时破坏范围较大,另外厚煤层相比于薄煤层的稳定性较高,但发生冲击失稳的破坏范围更大;黏聚力和内摩擦角作为煤层的重要强度参数,对煤层平动冲击失稳的影响十分显著,开挖设计时应充分考虑煤层强度参数的变化,特别是内摩擦角。     

基于三剪能量理论的巷道围岩弹塑性分析

针对弹塑性圆形巷道,应用三剪能量屈服准则,理论推导了塑性区半径、应力及径向位移公式,在塑性区半径公式的基础上,应用Mohr-Coulomb准则,进一步推导了破裂区应力及位移公式;通过具体算例,分析了不同影响因素对塑性区半径的影响。实例表明：原岩应力、黏聚力、支护反力、围岩应力对塑性区半径有一定影响。原岩应力及支护反力均随塑性区半径的增大而增大,但支护反力对塑性区半径的影响变化不大,当增大到一定程度时,半径将保持不变;黏聚力随塑性区半径的增大而降低;围岩应力随塑性区半径的增大而增大,当半径达到塑性区半径时,切向应力将保持不变,其值为原岩应力值,而径向应力在一定范围内仍将保持递增,但递增率减小,一直到原岩应力值;对比于单剪条件（Mohr-Coulomb准则）,得出了三剪能量准则条件下的巷道围岩弹塑性公式比Mohr-Coulomb准则条件更为准确的结论。     

基于不平衡力的坚硬顶板破断数值分析

掌握煤矿采场坚硬顶板破断规律对揭示煤矿开采过程中的来压规律等方面具有重要作用。 坚硬顶板破坏实质上是结构变形不协调的体现,有必要对结构可能存在的变形不协调区域开展数 值方法研究。 提出一种有限元数值模拟思路,计算常规弹塑性有限元方法无解时屈服面外应力场 的等效节点力并称为不平衡力,阐明不平衡力的物理意义及以不平衡力分布指示变形不协调区域 的理论依据,并以重设网格体现层间变形不协调对结构的影响,形成一套以不平衡力指示变形不协 调区域的煤炭开采过程弹塑性有限元数值方法。 以同忻煤矿 8102 工作面为研究对象,采用以上方 法对该工作面随开采过程的顶板破断情况进行模拟,并得到了模型试验、现场实测资料的对比验 证。 研究表明:1 连续介质边值问题解不存在意味着平衡条件、变形协调条件及本构关系无法同 时满足,将出现变形不协调情况,并出现不平衡力。 2 不平衡力是结构应力状态偏离平衡位置的 度量,其分布可用于指示煤炭开采过程中的变形不协调区域,进而判断顶板破断过程。 3 不平衡 力分布主要受开采距离及厚硬层位的影响,8102 工作面存在 2 个厚硬层位对不平衡力发展起阶段 性控制作用。 4 在开采至 110 m 及 270 m 时,不平衡力分布区突破厚硬层位并向上发展,意味着 厚硬顶板断裂、地应力得到释放,可能是导致剧烈来压的重要原因。     

巷道围岩弹塑性解析解及工程应用

基于统一强度理论和非关联流动法则,合理考虑中间主应力、围岩塑性区弹性应变和剪胀特性等影响,建立了巷道围岩弹塑性应力和位移解析解。研究结果表明：中间主应力和围岩剪胀特性对围岩特征曲线和支护压力的影响显著,考虑中间主应力的影响能充分发挥围岩的强度潜能;不考虑塑性区体积变化所得支护压力较小,设计偏危险;巷道支护设计应考虑围岩剪胀特性的重要影响。     

割压联合作用下钻孔塑性区范围分布研究

为准确获得超高压水力割缝与水力压裂联合作用下的钻孔塑性区分布规律,基于统一强度理论,考虑煤体塑性软化和中间主应力,建立了钻孔在割压联合作用下的力学模型,推导出钻孔塑性区范围表达式,并通过算例分析了相关参数对钻孔塑性区的影响规律。研究结果表明：采用割压联合技术后,钻孔塑性区半径随着中间主应力系数的增大几乎保持不变,随着软化系数的增大而逐渐减小,随着压裂压力的增大逐渐增大;对比钻孔正常施工和超高压水力割缝情况下,钻孔塑性区半径显著增大。研究成果可为矿井更好地解决低透气性煤层瓦斯抽采治理技术难题提供一定的理论依据。