巷道围岩支护系统粘弹性分析蠕变柔量法

以圆形巷道为例，讨论了围岩支护系统应力与变形的时间效应，建立了巷道围岩支护系统粘弹性分析的一种新方法——蠕变柔量法，得到围岩支护系统的适用于反问题的粘弹性应力解与位移解．对于反问题，巷道围岩支护系统的新的粘弹性分析方法，使有支护和无支护围岩可以依据相同的粘弹性反分析的解析方法，识别围岩的力学模型和反演力学参数．解决了粘弹性位移反分析解析方法实用化中的一个重要问题     

基于粘弹性理论的巷道围岩应力场、位移场解析预测

以粘弹性理论为基础,采用解析的方法,通过拉普拉斯变换,建立了考虑时效性的围岩应力场、位移场数学表达式。利用位移及应力边界条件,导出了高强预应力锚杆支护下的围岩应力场、位移场解析解。工程实践表明,随着巷道的开挖,锚喷支护能有效控制围岩稳定,且支护后围岩的应力场、位移场随时间的变化趋于稳定,理论上验证了解析解的合理性和科学性。     

基于Drucker-Prager准则下的深部软岩巷道粘弹塑性分析

通过建立深部巷道的力学模型,针对深部软岩巷道的流变问题,利用德鲁克-普拉格强度准则作为岩石塑性屈服条件进行粘弹塑性解析,避免了以往使用库仑强度准则没有考虑中间主应力影响的缺点,用于更全面描述巷道围岩的屈服和塑性破坏.结合粘弹塑性流变模型进行粘弹性区和粘塑性区的应力、位移分析,并且考虑塑性区扩容效应,最终得出结论:粘塑性区的应力解比经典解大,巷道周边位移是一个随时间变化的量,若不及时支护,巷道将破坏.     

考虑巷道周边有非均匀作用力的基尔希解修正

地下工程中的巷道(隧道)围岩大部分情况下会受到两向不等压的地应力作用,通常都需要进行支护。已有研究结果表明,围岩受到两向不等压的地应力作用时会导致巷道周边不同点处的径向位移不再相等,导致支护结构对围岩的反作用力也是非均匀的。原基尔希解为仅仅考虑了围岩受到两向不等压地应力作用的解析结果,因此,有必要研究支护结构的反作用力对巷道围岩的应力场、位移场产生的影响,对原基尔希解进行修正与完善。采用了与基尔希解相同的求解思路,首先,对巷道周边非均匀作用力的分布形式进行了合理假设与分解,将其分解为对称条件和非对称条件的叠加。其中,对称条件下的应力解采用弹性力学中拉梅解的求解方法,非对称条件下的应力解采用弹性力学中的半逆解法求解。将二者进行叠加即求得非均匀力作用于巷道围岩周边的弹性应力解的解析式,再与原基尔希解进行叠加即可得到基尔希解的修正解。其次,利用巷道围岩的几何方程和本构方程推导出了巷道周边处的径向位移和环向位移。最后,通过工程实例的计算,对比分析了λ和q0的变化对σr、σθ和巷道周边径向位移ur的影响,为下一步塑性区的求解提供理论基础。     

基于复变函数不同形状的巷道围岩应力分析

深埋巷道开挖后围岩应力重新分布,影响巷道稳定。因此分析巷道围岩二次应力分布状态对于评估围岩稳定性或设计支护参数具有重要意义。目前岩石力学相关理论中讨论了圆形巷道、椭圆形巷道和矩形巷道二次应力弹性分布特征,缺乏对六边形巷道的分析。本文从弹性力学的孔口问题为切入点,基于复变函数理论,通过保角变换将矩形、六边形巷道转化为单位圆,结合弹性力学理论建立了矩形、六边形巷道围岩分析的力学模型,并分析得到巷道围岩应力分布的解析解。将解析结果与数模拟分析结果对比可知,相同结构巷道围岩二次应力分布一致且大小基本相同,就应力集中情况而言,六边形巷道优于矩形巷道。     

基于锚杆加固作用的圆形巷道围岩弹塑性分析

为研究锚杆支护机理及控制巷道围岩稳定，基于锚杆加固效应，将锚杆的支承作用考虑成作用于锚固区围岩的体积力，将锚杆的加固作用视为增强了锚固区围岩的强度参数|建立巷道计算模型，并进行弹塑性分析，导出了巷道围岩应力、位移解析解。结合算例，将理论计算值与实际监测值进行了对比，比较了锚杆支护与未支护时围岩应力，同时进行了围岩变形的影响参数分析。结果表明：锚杆支护改善了塑性区围岩应力状态，提高了围岩自承载能力|锚杆长度、间排距的参数设计遵循“长而疏、短而密”原则。文中理论解析解考虑了锚杆加固效应，为认识锚杆支护机理提供了理论参考，也能为巷道围岩控制提供合理的锚杆支护方案。     

厚软岩层巷道全断面锚固量化分析模型

考虑围岩应力释放,采用叠加原理将厚软岩层巷道全断面锚固模型分解为锚固前的初始状态模型和锚固后的增量模型2种子模型。基于无锚杆时模型的拉梅解和锚杆影响区模型对2种子模型下围岩的力学量进行了解析,叠加后得到了原模型下锚固围岩的力学解。解析结果表明,锚固区围岩的径向应力大幅度提高,有利于形成承载拱,但切向应力变化不大,在非锚固区,围岩的应力解与无锚杆时的拉梅解相同,锚固后巷道位移明显的减少,尤以锚固区位移变化最显著。基于以上特点,利用锚固前后锚固区内围岩应力、位移的相对变化量定义了锚固效应的3个量化指标,并进一步讨论了围岩弹性模量和锚杆预应力的影响,结果表明锚固对软弱围岩的力学量改变比对硬岩更加显著。最后针对锚固对围岩塑性区的控制作用,建立了支护参数和围岩弹塑性状态的函数关系,并分析了不同强度围岩处于弹性状态的临界支护参数。     

新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析

针对新城金矿滕家矿区深部巷道围岩进行现场工程地质调查、岩石力学实验，分别应用RMR、Q和GSI方法对巷道围岩进行岩体质量分级，确定其围岩体质量等级为III级，岩体质量差~一般。以岩体质量分级为基础，应用Hoek-brown准则和经验公式估算岩体力学参数。应用弹塑性力学解析巷道围岩塑性区破坏范围，并以此为基础应用Phase2对巷道围岩稳定性进行分析。结果表明：巷道顶板塑性破坏范围为0.598 m，两帮塑性破坏范围分别为0.84 m和0.695 m；巷道顶板位移为7.2 mm，两帮位移分别为7.6 mm和6.8 mm；从巷道围岩应力分析可以看出，深部巷道开挖产生的应力集中超过岩体强度，由此判断深部巷道围岩破坏主要是开挖扰动应力作用在节理化岩体上致使巷道围岩失稳破坏，本研究结果对该矿深部巷道围岩支护提供依据。     

锚杆预紧力对煤矿巷道支护效果的响应特征研究

为从理论上揭示锚杆预紧力对巷道支护效果的作用机理,针对锚杆支护岩石巷道,建立了分析巷道围岩力学特征的理想弹塑性应变软化模型,获得施加预紧力锚杆支护后巷道围岩位移、应力分布的解析表达式,从理论上表明:提高锚杆预紧力对控制巷道围岩变形及改善巷道周边围岩的应力状态有积极的作用,有利于保持巷道围岩的稳定。并结合现场实际研究了锚杆预紧力对巷道支护效果的影响关系,研究成果对分析锚固作用机理及进行锚杆支护设计具有指导意义。     

软岩巷道围岩应力分布规律光弹性模拟实验研究

应用相似模拟理论和光测弹性力学模拟实验方法,对煤矿软岩巷道围岩应力分布特点及位移特征进行了模拟研究,得出了软岩巷道围岩在巷道有无封闭式支护情况下的应力分布规律、应力集中程度及位移特征,并探讨了由光弹模拟实验所得资料进行模拟应力分离计算和位移分析确定的方法。实验结果揭示了支架与软岩巷道围岩相互作用的一些基本规律,对软岩巷道的支护设计及软岩工程相关问题的理论研究和生产实践具有指导意义。     

基于锚固力学效应巷道围岩稳定性分析

为了分析巷道在锚杆支护时锚杆和围岩耦合作用下形成的锚固承载层对巷道围岩稳定性的影响,根据围岩应力分布曲线特点,将巷道围岩划分为塑性区和弹性区进行研究。结合MohrCoulomb准则,分析锚杆在施加预紧力时引起容重的变化,可求解得到锚固承载层范围内切向应力的解析表达式,由静力平衡方程推导计算出锚固承载层外边界所能提供的等效支护力以及在等效支护力作用下巷道围岩塑性区的应力、半径和巷道位移计算解析表达式。通过上述所求的计算解析表达式结合全长锚固锚杆的预紧力、长度、间排距来分析3者对巷道围岩的力学效应影响。研究结果表明:等效支护力对巷道围岩的稳定性有一定的影响,在等效支护力的作用下,对巷道围岩应力分析可知,围岩应力峰值发生变化,且位置向巷道壁转移;全长锚固锚杆预紧力越大,锚杆长度越长,间排距越密,锚固承载层范围内的等效支护力越大,对巷道围岩的稳定性越有利;锚固承载层厚度与等效支护力的大小成正比,随着等效支护力的增大,巷道围岩的塑性区范围和巷道表面位移都会明显下降,等效支护力对围岩的稳定性有着很好的抑制作用。通过FLAC3D数值模拟对理论分析结果加以验证,根据模拟锚固承载层作用下的塑性区半径和巷...     

软岩巷道稳定性分析

基于粘弹性理论,分析了深部软岩巷道的稳定性。采用FLAC3D软件模拟了某地下矿山软岩巷道分步开挖时巷道围岩的力学特性及变化状态,分析了巷道锚注支护前后的应力、应变、塑性屈服情况及巷道支护的效果。结果表明,锚注联合支护对控制软岩巷道的塑性区、大位移量及变形有较好的效果。     

基于约束收敛法的Hoek-Brown岩体巷道大变形分析

轴对称圆形巷道的弹塑性理论分析是深部软岩巷道施工过程的基础问题和重要问题。基于约束收敛法、有限变形次弹塑性理论、Hoek-Brown破坏准则、应变软化本构模型等基本理论,开展了深埋软弱围岩圆形巷道开挖诱致挤压大变形现象的基础研究。在相关大变形研究的基础上,以巷道开挖后围岩脆塑性解析解来表征岩体应变软化区划分圆环岩体响应解析解的方法,简述Hoek-Brown岩体深埋软岩巷道围岩各分区应力与变形解析解求解思路。通过现场监测数据和不同力学模型的计算结果分别进行模型有效性对比验证,并对m、s、a等岩体强度相关参数进行了影响分析。基于大变形和小变形理论下围岩特征曲线差别,提出软弱破碎岩体的支护建议,为深部不利赋存条件下软弱围岩支护工程设计提供理论分析手段和指导。     

软岩巷道二次合理支护时间的确定

针对软岩巷道围岩破坏性强、难支护的特性,提出了软岩巷道二次合理支护时间的确定方法,用于指导工程实践。从岩石应力-应变关系、蠕变过程、长期强度和能量耗散的角度进行软岩巷道的流变破坏机理分析。采用圆形断面巷道及西原模型,结合弹性力学基本解与西原模型本构关系,引入损伤变量,应用拉普拉斯变换及逆变换,并求导得到围岩变形速率方程。通过蠕变试验结合最小二乘法拟合或者位移反分析法求出蠕变参数,进而确定软岩巷道围岩二次合理支护时间,对于地下支护理论设计具有一定的指导意义。     

王庄煤矿1304工作面顺槽锚杆支护稳定性分析

在现场实测围岩位移与收敛的基础上,采用相似模拟试验与边界单元数值计算方法,分析了顺槽全锚支护的稳定性问题。首先现场实测巷道开挖后围岩的位移与收敛值;然后利用位移反分析原理确定初始应力与围岩变形模量等参数,根据边界单元法数值分析结果确定围岩松动圈范围,利用全长锚固原理设计锚杆参数;再通过相似模拟试验模拟巷道支护后围岩变形情况,对锚杆支护顺槽围岩稳定性进行分析。     

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.     

非静水压力条件下巷道围岩破碎区应力分布特征

煤矿巷道围岩的应力状态与稳定性关系密切,尤其是巷道围岩破碎区的分布范围及应力分布特征的研究,对于确定巷道支护方案,提高巷道围岩稳定性具有重要的理论意义和工程指导价值。以非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区分布范围为研究对象,建立了非静水压力条件下巷道围岩应力状态分析的力学模型,给出了非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区及塑性区的应力与位移的解析解,对比分析了2者随埋深及侧压系数的变化特征。以辽宁大兴煤矿北二采区902工作面运输巷道为工程背景,通过数值分析和理论计算,对比分析了巷道围岩破碎区的应力与位移随埋深及侧压系数的变化特征,评价了围岩稳定性。研究结果表明:在巷道掘进后围岩环向正应力的变化明显比径向正应力剧烈,围岩破坏的主要形式是沿纵向开裂;由于不同区域的围岩变形特征不同,使其黏聚力及内摩擦角等物理力学参数的大小存在差异,从而导致围岩破碎区、塑性区和弹性区边界应力产生不连续现象;在一定埋深范围内巷道围岩破碎区及塑性区范围随埋深的增加而线性增大。当巷道埋深较小时,巷道围岩破碎区较小,巷道处于相对稳定的状态。当埋深较大时,巷道左、右两帮处较顶底板更易发生失稳破坏;塑性区及破碎区半径的比值随埋...     

孔隙水压对岩体蠕变影响研究

将巷道围岩视为多孔介质，考虑地下水渗流作用的影响，应用弹性力学理论以及粘弹性蠕变力学理论。导出了巷道围岩的应力、应变、位移等的分布规律，以及它们与孔隙水压力之间的关系；找到了影响蠕变的又一主要因素——孔隙压力，建立了深部岩体非线性蠕变的力学模型和数学模型。     

高应力回采巷道变形特征及数值模拟

以陕西彬长文家坡矿4106运输巷为工程研究背景，结合室内岩石力学实验、FLAC^3D数值模拟、工程试验等多种研究方法，基于围岩工程力学理论，研究了支护参数优化后确定间排距下的巷道围岩应力、应变以及巷道位移量情况，并分析了支护及锚固效果。结果表明，应力增高区均发生在巷道肩窝和底脚，应力降低区则出现在巷道顶底板及两帮；竖直方向巷道最大位移量为6.46 mm,水平方向为3.62 mm,分别出现在巷道正中央和中下部；顶底板闭合量和两帮收敛量均较小，均在可控范围之内，优化后支护参数能有效控制巷道围岩变形。但是，通过工程效果检验得知，支护参数存在过度支护现象，应该对巷道予以合理性支护处理，充分发挥锚杆(索)主动支护作用。