开滦矿区深部开采中巷道围岩稳定性研究

在对开滦矿区赵各庄矿、唐山矿深部开采过程中巷道围岩变形、破坏特征和矿井动力显现观测的基础上,结合数值模拟研究发现:(1)开滦矿区在千米深开采时水平构造应力远大于自重应力,原岩应力值远大于巷道围岩强度值,巷道将不可避免地要遭受破坏并表现为大变形强流变和严重底鼓;(2)随着开采深度增大,软弱煤岩层发生冲击地压的危险性随之增大,通常以煤层的整体突出为特征,其发生机理和高应力状态下硬岩(煤)中的岩爆有区别;(3)原岩应力状态对巷道围岩的变形破坏有着重要影响,而巷道形状对巷道围岩的破坏形式影响不大。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

深部软岩隧道施工性态时空效应分析

随着我国交通事业的迅速发展,在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少,随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明,计入围岩流变效应,考虑深部软岩隧道时空效应影响,在作业面影响范围内,开挖面空间效应占主导因素,围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放;在此范围外,软弱岩体流变属性得以充分发挥。通过分析和施工实践证明,对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护,以改善承载环范围内围岩受力,减少扰动,提高围岩自承能力;由于软岩流变效应显著,必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力,限制围岩大变形。研究成果丰富了地下工程施工力学理论,可应用于工程实践。     

非均质复合岩巷围岩破坏机理及底鼓控制技术

深部高地应力、层间软弱夹层（结构面）等复杂应力环境下复合煤（岩）巷道围岩变形严重,底鼓问题尤为突出。针对某矿-830水平大巷复合区域岩巷底鼓大变形技术难题,梳理了复合岩巷现场变形破坏特征,分析了围岩破坏力学机制。结合滑移线场理论建立底鼓力学模型,推导了底板破坏半径R0的显式解析式,并借助ZDY钻孔窥视仪对围岩内部损伤裂隙发育程度进行量化表征。建立UDEC数值计算模型反演了原支护下复合岩巷围岩应力、裂隙发育特征以及位移分布规律,综合分析了复合岩巷底鼓变形机理。结果表明：高地应力、邻近岩石极限强度差异大、底板岩性差、底板无支护或弱支护是复合岩巷产生底鼓大变形的根本性原因。结合现场调研及数值模拟分析结果,基于“固底–强帮”整体支护、“强–弱–强”组合承载圈分梯次加固底板的控制思路,提出了一种“全断面锚索+预制块反底拱”锚注联合支护技术应用于复合岩巷底鼓返修实践中。现场监测结果表明,巷道返修60 d内底鼓缓慢变形直至趋于稳定,最大底鼓量约为67.9 mm,相比原支护条件下底鼓变形量降低了95%,大大降低了巷道重复返修的可能性,确保了该矿煤炭资源安全高效开采。     

松散软岩巷道破坏的颗粒离散元模拟分析

松散软岩巷道的开挖与支护问题一直是理论与工程难题,围岩破坏机理则是围岩变形控制的关键。结合具体工程,针对一种典型的松散软岩,根据其地质条件和物理力学特性,采用颗粒离散元软件对软岩中巷道的开挖过程进行了数值模拟。文章还再现了软岩从开挖到破坏的整个力学演变过程,以及围岩在一定范围内从裂隙产生到贯通的整个渐进式破坏过程,详细分析了围岩各个关键部位的应力特征,得到巷道围岩应力分布特征图。在等围压的情况下,岩体还表现出较好的成拱效应,能够较好地自稳,得到巷道围岩成拱示意图。分析结果与巷道弹塑解能很好地吻合。以上结果表明,颗粒离散元对类似的岩土工程力学过程和机制的分析有很好的运用前景。     

巷道开挖面抗剪承载结构形成和蠕变规律研究

为掌握深部软岩巷道应力承载结构的形成机理和发生剪切蠕变失效规律,通过研究巷道抗剪力学承载结构划分方法和形成特征,掌握该承载结构的空间效应和蠕变效应。以开挖面附近围岩为研究对象,利用工程实测开挖面附近不同区段围岩应力场和裂隙场分布规律,探讨空间效应影响下围岩抗剪承载结构形成机制;通过理论分析方法,基于统一强度准则和岩石三线段力学模型,获得开挖后软岩巷道次生应力场、位移场的定量解析式,推导“弹塑性”位移释放后围岩蠕变定量解析解。由算例结果可知,不同区段围岩承载结构演化规律受空间效应影响较大。最后,根据围岩抗剪承载结构蠕变失效特征,提出动态补强支护方案。     

软岩巷道变形与压力分析、控制及预测

博士学位论文煤炭一直占我国能源的70%以上,在国民经济建设中占有举足轻重的地位。随着煤炭开采越来越向深部发展,矿井软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出。能否解决好软岩巷道的支护问题,是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键,迫切需要对其进行深入的研究和探索。本文系统地论述了软岩的特征及其力学属性、软岩巷道破坏的特点、围岩变形的影响因素和软岩巷道的支护原则及其巷道的维护方法等。从软岩巷道承载机理出发,分析了软岩巷道支护与围岩相互作用机理、锚杆与围岩的最佳匹配强度,并对软岩巷道围岩压力和支架载荷作出了解析分析,为软岩巷道围岩及支护变形控制分析和数值计算奠定了理论基础。本文重点应用矿压理论和非线性有限元方法,探索了软岩巷道支护变形和压力计算的反算法、内外边界元方法和开巷初期临时支护压力预测等新方法。这几种方法避免从正面直接研究问题的复杂性,而是以实测软岩巷道围岩位移(或压力)为依据,利用Hooke-Jeeves优化方法,将计算位移(或应力)向实测位移(或应力)逼近,从而反推算出作用于巷道支护上的围岩压力分布。实现边界罚单元与有限元法的结合,可直接预测开巷初期围岩压力的分布,推导了带有边界罚单元的有限元方程。论文中应用国际上著名的大型有限元分析SAP,ANSY     

软岩巷道开挖面承载结构研究及分层支护设计

通过研究深部软岩巷道开挖面围岩力学承载结构的形成机理和演化规律,指导巷道结构性失稳支护工艺设计。基于软岩力学模型和统一强度准则,考虑“开挖面效应、时间效应”,推导围岩弹塑性解。在算例分析中,建立围岩力学承载结构,提出围岩结构性失稳的梯次支护的原理,发现围岩力学承载结构对巷道破坏特征有一定影响,并分析“面效应、时间效应”影响下的围岩力学承载结构稳定性。据此设计“短锚杆全长注浆-端头锚注-短锚索”梯次支护方法;经数值计算,可知改进后的梯次支护能够确定合理的锚注有效范围,该支护能使围岩形成稳定的承载结构,并及时减小围岩松动圈范围。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

沿空巷道围岩破坏规律研究

为研究回采条件下沿空留软岩巷围岩变形与破坏,采用理论分析方法总结了沿空留巷围岩应力场分布规律及围岩大变形的破坏机理,通过室内试验方法获得工作面不同围岩的物理力学性质,根据围岩的受力特征及岩性的力学特性,设计了矩形巷道断面的支护结构设计。采用有限差分方法建立回采条件下软岩巷道的数值模型,并数值模拟开采影响下不同支护条件的软岩巷道变形和破坏规律,通过建立锚杆和锚索的数值单元来模拟不同支护方案下围岩的变形和破坏规律,最终得出了一些有意义的结论。