深部大断面硐室围岩变形柱体力学模型及其应用研究

针对深部煤矿大断面硐室帮部变形剧烈、破坏失稳严重的现象,以新巨龙煤矿大断面煤矸分选硐室为研究对象,基于帮部初始变形的特点,建立大断面硐室帮部"柱体"力学模型,得到各影响因素与柱体初始位移和柱体拉应力之间的关系,分析深部煤矿地质开采参数对柱体初始位移和柱体所受拉应力的影响规律。结果表明:柱体初始位移、拉应力随埋深、侧压系数和应力集中系数增大而逐渐减小,随界面内聚力、岩体内摩擦角、界面内摩擦角和支护阻力的增大而变大。通过优化硐室布置方向与尺寸、减缓硐室附近的采掘应力集聚、控制顶板下沉、加固破碎围岩等技术手段,可提高大断面硐室的围岩稳定性控制效果。研究成果可为深部大断面硐室帮部稳定性控制提供借鉴和参考。     

深部高应力硐室支护方案数值模拟分析

针对峰峰集团九龙煤矿大埋深高地应力条件以及复杂水文地质情况,以临时变电硐室为研究对象,通过分析硐室围岩的工程地质条件,采用FLAC3D数值模拟软件,揭示了临时变电硐室围岩的位移场及塑性区的分布规律,提出了以"锚网喷+锚索+钢筋梯子梁"为主的联合支护方案。结合现场实测围岩位移的收敛规律表明,该支护方案能够有效控制深部高应力硐室的大变形、底鼓和流变现象。     

深部高应力立井连接硐室群围岩稳定控制与支护技术

针对深部高应力立井连接硐室群围岩稳定控制和支护中出现的问题,通过硐室围岩调查取样并进行室内物理力学试验,基于Hoek-Brown强度准则选取了深立井硐室群围岩计算参数,利用GTS对硐室群开挖过程中围岩位移场和应力场分别进行了数值模拟分析,提出优化的支护设计方案。通过围岩表面收敛监测,确定了围岩滞后注浆的最佳时间,围岩变形和支护结构受力的实测验证了支护的可行性,满足了生产需要。     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

砂岩蠕变模型及参数演化规律

为更深入认识岩石黏弹性力学行为,建立了改进的Maxwell模型,以砂岩蠕变试验结果为依据,检验了模型的可行性,并在此基础上,提出了获得不同加载时刻该模型参数的方法,对采用该法得到的结果进行拟合及敏感性分析。研究结果表明,改进的Maxwell模型可以描述砂岩黏弹性特性,且弛豫时间对应力水平较为敏感,而分数阶导数恰恰相反;分数阶导数与岩石内裂纹发育情况呈正相关;岩石稳态蠕变变形过程就是由黏弹性过渡到弹黏性的过程;分数阶演化方程中,系数a主要调控分数阶导数衰减速率,系数b反映分数阶导数衰减方式。该研究成果为明确模型参数物理意义,揭示岩石蠕变全过程提供了参考。     

深井大断面软岩巷道数值模拟研究及注浆支护实践

深部岩体处于高地应力、高地温、高孔隙水压力的"三高"环境,工程地质条件恶化、破碎岩体增多、地应力增大,导致硐室围岩控制与支护的难度加大。借助FLAC3D,以某矿为背景,通过对千米深度条件下大断面巷道的围岩应力、变形及破裂规律的研究表明:大断面巷道围岩具有软岩特性,表现出十分特殊的破裂规律。据此提出采用锚网带喷和注浆锚索联合支护方案进行治理,取得了良好的效果。     

深部采区车场硐室群围岩变化特征与控制技术

为了探究深部延伸采区硐室群围岩稳定性变化规律,以裴沟煤矿深部四二采区为地质背景,通过现场实际地质及开拓条件分析,建立了具有针对性的硐室群工程地质数值模型。通过数值模拟分析了硐室群开挖后不同地段围岩的水平应力、竖直应力、塑性区和位移等变化及分布特征,获得了硐室群开挖后由于多次重复扰动对围岩变形破坏非常明显。在此基础上,提出了相应的支护控制措施。     

金川Ⅲ矿区破碎站硐室施工变形监测与优化控制

为了有效控制金川Ⅲ矿区1 165m水平破碎站大断面硐室围岩变形,根据对破碎系统工程的大件道工程围岩变形监测、变形影响因素的分析得出该矿区岩体具有临界蠕变应力低和碎裂剪胀蠕变特征,且变形持续时间长.针对该岩体的变形特点,在破碎站大断面硐室施工中采用“留空让压强支”原则,并提出留空让压强支方案的综合评价指标.设计了3因素4水平的正交数值模拟试验方案,通过综合评价指标的分析确定了合理让压位移量,即毛硐让压变形90 mm,初衬让压变形0,一次支护让压变形50 mm.为了破碎站硐室的安全评价和长期稳定性预测,采用FBG点式光纤光栅传感器监测围岩变形.     

深部大断面硐室动静载作用下锚固承载结构稳定机理研究

针对动载扰动条件下深部大断面硐室围岩锚固支护结构稳定性差、支护设计不合理等问题,以新巨龙煤矿井下煤矸分离大断面硐室为例,采用现场调研、理论分析和室内试验等手段,研究在深部冲击应力与高围岩应力叠加构成的复杂应力环境下大断面硐室围岩锚固支护结构损伤演化特征,构建动静载荷作用下深部大断面硐室围岩锚固承载结构损伤演化模型,获得深部大断面硐室围岩锚固支护结构破坏机理并对深部大断面硐室的围岩锚固支护设计提出合理建议。结果表明:1)深部冲击应力与高围岩应力叠加是大断面硐室围岩变形破坏的主要原因,在受到强动载冲击时,深部大断面硐室顶板、两帮锚杆(索)受损严重,很容易造成顶板大面积垮塌及帮部煤体突出;2)通过室内SHPB动态冲击试验获得了动静载组合作用下,加锚试件的强度和峰后回弹斜率均随着动态应变率的增大而升高,加锚试件对动载冲击能量的耗散能占比与动态应变率呈现出正相关的特性,锚固界面(锚固剂/锚杆、锚固剂/岩体)的黏结程度在锚固体对应力波能量耗散过程中起到了关键作用;3)深部大断面硐室锚固承载结构的失稳破坏是由于动载作用下硐室围岩、锚固剂和锚杆三者之间不协同变形造成的剪切滑移及锚固体受动载压缩变形导致的。提高硐室围岩、锚固剂和锚杆的抗滑移特性,增加锚固密度提高抗压缩变形能力可有效降低动载应力波对深部大断面硐室围岩支护结构的影响。研究成果对井下永久硐室及巷道的加固工程具有一定的理论指导和借鉴意义。     

不支护情况下不同断面尺寸硐室围岩稳定性数值模拟研究

以许疃煤矿3_238风巷地质条件为背景,运用FLAC3D数值模拟方法,分析该风巷不同断面尺寸硐室在硐室开挖后,在没有支护情况下的断面尺寸对硐室围岩稳定性的影响。研究表明:随着硐室断面尺寸的增大,围岩垂直应力峰值增大,且峰值位置不断向围岩深部转移;更大范围的围岩通过硐室开挖来释放应力,硐室两帮水平应力回升至原岩应力所需的距离越远。塑性区变化,主要发生在硐室上下方。在距围岩表面4 m深以内,顶底板围岩位移差异明显;帮部围岩位移则随深度增加,越发明显。     

基于BP网络的深部软岩巷道围岩力学参数反演研究

为探索高地应力下深部软岩巷道围岩应力场及位移场的分布情况, 建立了简化的应变软化模型, 分析了此模型的关键参数; 采用均匀设计法设计了数值计算中待分析的参数方案, 且将各方案参数代入FLAC^3D软件中进行了数值仿真分析; 再将各工况下监测点计算的相对位移与岩体力学参数代入BP网络进行训练、学习, 并将监测点位移相对监值输入训练的BP网络, 获得参数反演值。以淮南矿业集团顾桥煤矿轨道巷为工程背景, 进行了巷道深部位移监测, 根据监测结果反演了简化应变软化模型的关键参数, 经正分析对比验证了力学参数反演结果的准确度、可靠性, 反演结果为后续工程数值计算奠定了基础。     

软岩巷道围岩蠕变滞流效应分析

根据现场围岩变形实测数据,发现软岩巷道围岩蠕变能力随软岩层厚度减少而逐渐减弱的特点,提出了软岩巷道围岩蠕变“滞流效应”的观点。基于软硬岩层间摩擦阻力及围岩质点位移约束应力的作用,分析了“滞流效应”发生的力学机理。利用动态仿真技术得到了围岩发生“完全滞流”所对应的临界条件,给出了临界厚度的确定方法。在上述研究的基础上,较为深入地剖析了“让压”的本质原理,指出了“让压”原理的适用性,补充与完善了 “二次支护”的内在含义。最后借助于现场工业性试验论证了“滞流效应”的研究对巷道支护方案设计的重要性。     

金山店铁矿粉矿围岩变形粘弹性有限元位移反分析

根据金山店铁矿粉矿围岩所具有的瞬时加载时弹性变形和随时间变化蠕变变形趋向收敛的特性,参照现场监测得到的位移 时间曲线,选择Poyting Thomson本构模型,应用有限元位移分析,得到包含粘弹性参数的综合弹性模量E′v(tj,j),考虑开挖步骤对围岩变形的影响,对综合弹性模量进行回归分离出弹性模量E1,E2,粘性系数η,将这些参数应用到类似粉矿巷道的变形预测中,可以预测该围岩不同时刻的变形量和变形稳定时间。     

深部岩体力学与开采理论研究进展

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的"三高"赋存环境的本真属性及资源开采"强扰动"和"强时效"的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家"十三五"重点研发计划"深部岩体力学与开采理论"针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了"强扰动"和"强时效"特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了"高保低损"型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。     

深井巷道围岩锚固体流变控制力学解析

围岩流变是深井巷道变形破坏的主要特征,通过相似材料无锚体及锚固体蠕变实验,得出了锚固体蠕变特征及控制模式,建立了深井巷道围岩锚固体流变控制力学模型,分析了各因素对围岩锚固体流变稳定性的影响,确定了基本锚杆支护参数,最后进行了工程算例与实测对比。结果表明：锚固体流变的基本特征有别于无锚岩体,不仅表现出锚固体位移比无锚岩体位移小,而且锚固体呈现等速蠕变阶段时间长及蠕变应力水平高的特点,且锚固体存在明显的蠕变二阶段（主要）或三阶段（次要）特征;巷道围岩锚固体流变稳定性主要与围岩所处应力水平、锚固厚度、断面尺寸及加锚弹性模量有关;合理的锚杆支护参数能够实现巷道围岩锚固体流变稳定,实测数据与理论计算较为吻合,巷道支护效果显著。     

红透山铜矿深部斜坡道围岩发生层裂破坏数值分析

本文围绕红透山矿红透山矿深部-707m水平13#采场斜坡道围岩层裂破坏,通过现场工程地质调查、岩石力学实验、围岩应力分析,对13#采场斜坡道的围岩质量进行分析及岩体力学参数估算;在此基础上,应用FLAC3D分析回采对斜坡道围岩层裂破坏影响,开采矿体围岩在切向应力作用下,岩体微裂纹沿切向应力方向扩展、贯通,形成平行于开挖边界的宏观裂缝;数值分析采动过程斜坡道围岩层裂发生力学机制及其围岩应力场变化规律,数值模拟结果表明,深部斜坡道围岩高应力、采动应力以及爆破震动共同作用造成岩体产生层裂破坏。     

粘弹性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性研究

为了研究粘弹性岩体位移反分析的唯一性问题，本文根据弹性岩体径向位移推导了粘弹性岩体中符合Maxwell模型的圆形巷道位移解析解，并根据参数可辨识性条件对粘弹性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性进行了研究。结果表明，无论布置多少个测点都不能唯一地反分析出所有的5个参数；必须至少已知2个参数，才有可能唯一地反分析出其他参数；侧压力系数是否为1和地应力是否为0对反分析唯一性有明显的影响；随着已知参数的增多，参数的可辨识性增强；地应力和侧压力系数的可辨识性最好，弹性模量、泊松比和粘滞系数次之。研究结果对于岩体参数的反演计算具有一定的指导意义。     

U型约束混凝土拱架力学性能及变形破坏机制试验

针对深井高应力巷道支护难题，基于常规U型钢拱架设计了一种U型约束混凝土(UCC)支护系统。为明确支护系统核心构件UCC拱架的力学性能及变形破坏机制，采用自主研发的地下工程约束混凝土拱架1∶1力学试验系统，并结合数值计算方法，开展了系统的试验研究。结果表明，均压加载条件下，室内试验UCC29拱架的屈服荷载为1 230 kN，极限荷载为1 310 kN，数值模拟与室内试验结果相差仅为8.86%和12.5%，拱架整体呈现“拱顶上升，拱腿内敛，整体变瘦高”的变形形态，最大变形部位在拱腿中部至起拱点位置。拱架变形破坏机制为局部强度破坏造成拱架整体失稳。现场应用效果显示，UCC拱架具有显著的围岩控制效果，为深井高应力巷道提供了一种新型支护形式。     

蠕变和中间主应力影响下围岩变形分区弹塑性分析

考虑蠕变和中间主应力的影响,基于巷道变形稳定后围岩的峰值应力应为一定围压下岩石的长期强度的观点和统一强度理论,同时考虑围岩峰后阶段的应变软化和扩容特性,求得了围岩变形分区的弹塑性解析解。最后通过实例分析了蠕变和中间主应力对围岩应力、位移和塑性区半径的影响。研究表明：当忽略蠕变的影响时,一定程度上高估了围岩岩性,塑性区半径的理论结果仅为3.05m,与现场实测结果5.5m相差较大,当考虑蠕变的影响时,塑性区半径的理论结果为5.68m,接近于实测结果|验证了围岩的位移及塑性流动区半径随中间主应力增大而减小的性质,在设计支护时可适当考虑增大中间主应力。研究结果可为软岩巷道的支护力学计算及支护方案设计提供参考。     

特厚倾斜复合顶板巷道破坏特征与稳定性控制

大倾角特厚复合顶板巷道因其围岩原位强度低、层间黏结力弱,在复杂应力作用下巷道围岩具有非对称破坏特征。结合具体工程实例,采用相似模拟试验、FLAC3D数值模拟和工程测试等方法,分析不规则梯形与拱形巷道在常规对称支护和非对称强力支护条件下围岩应力、位移等变化规律,揭示特厚倾斜复合顶板巷道的非对称破坏机理。研究表明:受岩层赋存特征影响,巷道围岩结构和应力分布的非对称性是造成巷道非对称性破坏的根本原因;复合层状岩层结构面法向约束力减小与钝角部位应力集中直接导致弱面剪切滑移失稳;采用拱形巷道与非对称强力支护能有效改善围岩应力状态、减小围岩变形,提高巷道支护体系的平衡承载能力。