二里河铅锌矿采场结构参数及巷道布置研究

二里河铅锌矿目前正在准备开采埋深500~800 m的深部矿体,从已掘进的1 100 m中段探矿巷道地压显现来看,深部的采场结构参数及巷道布置位置需要优化。应用FLAC^3D正交数值模拟采场结构参数对采场稳定性的影响,建立多指标综合评价模型以便优选采场结构参数;应用FLAC^3D分析距矿体下盘边界不同距离的巷道围岩应力变化,借助监测巷道顶底板上某点的应力变化趋势优选巷道布置位置。研究结果表明:深部采场最佳结构参数为矿房走向长度40 m,间柱厚度10 m,顶柱厚度12 m,其中,顶柱厚度对采场稳定性的影响最显著,增大顶柱厚度是提高采场稳定性的最有效途径;下盘脉外运输巷道布置在距矿体下盘边界线12 m处最为合理;距巷道较近的本中段矿体开采是引起巷道地压显现的主要原因,矿柱回采会加速中段运输巷道的破坏。实践证明,深部采场结构参数及巷道布置的研究结论合理、可靠。     

近距离跨采对巷道围岩稳定性影响分析

针对近距离跨采时，工作面与底板岩巷的不同空间位置关系，采用数值力学分析，详细地分析了工作面开采引起的围岩应力演化过程及特点、近距离跨采引起底板岩巷围岩位移的特点以及巷道位置对其围岩稳定性的影响。研究结果表明，煤柱上支承压力分布是开采影响岩层相互作用的结果，是开采引起集中应力在煤层与直接顶界面上的直接反映。近距离跨采巷道围岩位移受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯决定于煤柱侧支承压力的作用。留设保护煤柱时，底板岩巷应位于集中应力区的外侧或跨采时工作面应推过足够距离，使巷道靠近采空区应力恢复区的下方。最后通过实例给予了分析。     

采动影响下巷道群稳定性数值分析研究

以采动巷道群稳定性为研究对象,采用数值计算模拟研究方法,研究了工作面煤柱不同留宽对巷道群稳定性的影响.分析了不同煤柱留宽时采场侧向支承压力分布规律;分析采场侧向支承压力对巷道群的影响.得到留宽140m时煤柱内侧向支承压力影响至煤柱内部70m左右,在采宽120m时,煤柱内部的垂直应力就已受到采动支承压力以及巷道支承压力的叠加影响.在不对巷道群加强支护的情况下,合理的煤柱留宽为120m.     

圆形巷道围岩变形压力新解法

将巷道围岩塑性区内的岩体视为塑性软化介质，以岩体的全应力─应变曲线后破坏段的应力值作为岩体的塑性软化强度，得到了关于巷道围岩塑性区半径和应力的一般解，适用于具有理想弹塑性、应变软化和应变硬化特征岩体中巷道变形压力的分析计算。由于本文力学模型中引入了岩体的全应力─应变曲线，很好地反映了岩体出现塑性变形后强度降低的特点，所以计算结果对工程实践具有指导价值。著名的Ｈ．Ｋａｓｔｎｅｒ公式可以看成是本文公式在岩体出现塑性变形后强度不变的条件下的一个特解。     

大倾角煤层工作面采场围岩矿压分布规律光弹性模量拟模型试验及现场实测研究

以平煤集团香山矿戊9-0-22090大倾角煤层工作面为工程背景,通过室内光弹性模拟模型试验和工作面现场矿压实测,对大倾角煤层工作面开采后采场围岩矿压分布规律进行研究.光弹试验和现场实测结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响.大倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般缓倾斜煤层工作面,采场支架载荷的分布、来压显现程度、来压步距沿采场倾斜方向均不同.工作面煤层开采后,采场顶板应力分布是高度不均匀、不对称的,在采空区两侧保护煤柱角高度集中,形成支承压力区,采空区上方形成支承卸压区.采场顶底板应力释放,两侧煤柱出现应力集中,采场四个角部位出现较大剪应力.剪切应变主要出现在采场下端部顶板和上端部的底板,而体积应变主要出现在煤层较近顶板和两侧煤柱.研究成果,对香山矿和类似条件下大倾角炮采煤层工作面的开采和顶板的支护的优化和管理具有一定的指导意义.     

鲁中矿区破碎矿体开采地压测试及支护技术研究

 鲁中矿区地质条件复杂,地下裂隙水发育,矿体破碎难以安全采出。采场地压表现为在自重应力作用下,顶板出现拉应力破坏,导致顶板冒落。针对这种情况,开展采场地压规律的动态监测。应用钻孔应变计测量采场地应力变化,采用电子数显式收敛计量测围岩变形,得出采场巷道地压变化的一般规律,为矿山今后选择合理的开采方案和地压控制措施提供科学依据。     

迎上下采空孤岛面沿空掘巷围岩变形破坏特征

为了研究分析上下煤层两侧都采空而形成的孤岛面沿空掘巷和煤层开采时围岩应力分布及变形破坏特征,应用理论分析、计算机数值模拟与具体工程实践相结合的研究方法,分析了上下煤层两侧采空情况下,下孤岛工作面迎上孤岛面沿空掘巷期间及煤层开采过程中,采场围岩应力分布、变形破坏规律。结果表明:该情况下孤岛工作面围岩结构特征因受多次开采影响,其整体性和联动性都有所降低,采场围岩应力分布特征有所不同,且煤柱宽度尺寸对巷道受力变形有较大影响。掘巷期间轨道巷煤柱帮的变形量大于实体煤帮变形量,顶板下沉量大于底鼓量;回采期间顶板运移特点决定了两巷围岩主要呈现拉剪破坏,随着工作面的推进,采动影响阶段和影响剧烈阶段范围逐渐增大,巷道断面收缩率随着距工作面距离的减小而增大。对于孤岛面开采沿空巷道的特殊围岩条件,应遵循“强顶、固帮、控底的全断面围岩控制技术思路,对上下隅角附近巷道加强支护,提高围岩自身强度,为类似条件孤岛面巷道维护及安全开采提供理论技术保障。     

采场围岩宏观应力壳演化特征

 基于综放采场围岩宏观应力壳的发现及其力学特征的分析,采用现场实测、实验室相似材料模拟试验及计算机数值模拟(FLAC3D)综合方法开展留窄煤柱非对称综放开采采场围岩应力壳壳基、壳体应力演化特征、演化形态及演化参数间的关系分析。研究结果表明,应力壳演化是工作面推进过程中采动高应力在围岩空间的动态平衡过程,其演化形态随工作面推进根据采场结构发生变化,非对称开采条件应力壳演化分为旧壳扩展阶段、新壳形成–壳基上提阶段及新旧壳贯通趋于相对稳定3个阶段,应力壳在覆岩空间中的演化形态近似呈半空间椭球壳,揭示应力壳应力演化及其形态特征。研究为采场围岩控制、巷道布置及其围岩控制、瓦斯抽采、安全高效开采等提供理论依据。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

考虑剪胀的线性软化柱形孔扩张问题

从常规试验成果出发，用弹性软化－残余塑性三线性应力应变模型来模拟应力应变软化关系曲线；用三折线来模拟体积应变、小主应变与大主应变的关系曲线。采用双剪统一强度理论的屈服函数形式，推导并给出了柱形孔扩张时，应力场、应变场、位移场和最终扩张压力计算时所需公式和计算求解步骤。最后，通过对某一算例的计算求解，与弹脆塑性模型作了对比，着重分析了不同软化模式对应力场和位移场的影响。     

黄土非线性应力–应变新模型及对比研究

目前,黄土的应力应变曲线只能根据其形态类型选择不同的数学模式来描述,为实现描述应力应变数学模式的统一,提出了一种新的非线性模型,并给出了各参数的确定方法。通过应用新模型与现行主要的非线性模型(邓肯–张双曲线模型、指数模型、驼峰曲线模型),同时对结构性黄土常规三轴试验所得的各种类型的应力应变曲线进行模拟,并经与实测应力应变数据点对比研究表明:新模型表达式比驼峰曲线描述软化型应力应变曲线的精度高;同样新模型比邓肯–张双曲线模型、指数模型描述硬化型应力应变曲线的精度也高,说明此非线性新模型既可描述应变强硬化型也可描述应变弱硬化型应力应变曲线;既可描述应变强软化型也可描述应变弱软化型应力应变曲线。通过新模型对经典实例应力应变曲线的描述,进一步说明新模型具有良好的适应性。新模型为形态各异的应力应变曲线提供了一个统一的数学模型。     

既有混凝土应力-应变曲线方程的研究

根据对已使用了10、20、40年的既有混凝土圆柱体试件进行单轴抗压试验,测得17条应力-应变全过程曲线,并与相同强度的新混凝土应力-应变曲线对比回归出了不同使用年限既有混凝土的应力-应变全曲线方程。试验结果为既有混凝土结构进行非线性分析,预估其使用寿命和对其进行加固改造提供了理论依据。     

土应力-应变关系转型曲线及参数研究

将土的三轴剪切试验测得的应力-应变关系分为硬化和峰值后软化两种类型,提出可以统一表示这两种类型的数学表达式以及阐述了表达式中参数的意义,对杭州粘性土在该表达式的基础上结合考虑前期固结压力pc,初步提出了一个能反映转型现象的应力-应变关系表达式,并指出应力-应变关系的初始切线模量应与前期固结压力PC有关。     

循环荷载作用下应力速率与应变速率不同步研究

 为深入研究循环加卸载作用下岩体的变形规律,针对三峡库区砂岩进行了56组循环加卸载试验。根据试验的不同步现象,对应力–应变滞后概念进行修正：(1) 应力超前于应变和应力滞后于应变现象共存,故将“应力–应变滞后现象”更名为“应力–应变不同步现象”更为合理;(2) 在应力–应变不同步现象的基础上,应考虑应力速率–应变速率的不同步现象。通过分析循环加卸载试验的不同步机制,提出应力–应变吸引点、应力速率–应变速率吸引点、应力–应变补偿机制和应力速率–应变速率补偿机制4个概念,并且得到：应力–应变同步与应力速率–应变速率同步不能同时出现;不同步现象是必然而同步仅存在于某一时刻点;应力–应变处于螺旋式循环递进的过程。基于循环加卸载试验,首次发现应力速率–应变速率不同步现象,在不同步现象中提出了3个不同步阶段的定义,并通过分析预测变形速率–实际变形速率、表观弹性模量以及岩样的瞬时泊松比随时间的变化规律,提出3种对不同步阶段定量判别的方法。此外,基于同频率不同峰值强度下试验得到,随着峰值强度 的增加,岩样的 值逐渐增加,式 吻合度也逐渐增加。     

普强高性能混凝土受拉应力-应变全曲线试验研究

本文对普强高性能混凝土的单轴受拉特性进行了试验研究,通过分析试块受拉应力-应变关系曲线的上升段和下降段,提出了普强高性能混凝土单轴受拉应力应变全曲线方程,经过与试验结果进行对比,数据吻合较好。     

考虑初始各向异性的砂土弹塑性本构模型及试验验证

基于复杂应力条件下的试验结果,就针对不同主应力方向对应力–应变关系的影响进行了试验研究,并在此基础上结合状态概念提出了基于应力–剪胀关系和应力–应变拟双曲线关系的弹塑性本构模型。利用应力–应变拟双曲线关系描述了主应力方向对有效应力路径、应力–应变发展模式的影响,并通过常规三轴试验测定了试验参数,同时与试验结果进行对比,说明基于状态概念,引入状态参数,利用主应力方向对塑性模量的影响,能够同时描述初始物理状态及初始各向异性对砂土应力–应变关系的影响。     

Explicit full-range stress-strain relations for stainless steel at high temperatures

This paper presents a new explicit stress-strain relation for stainless steel at high temperatures. The relation is an approximation of the closed form inversion of an existing two-stage stress-strain relation based on a modified Ramberg-Osgood equation with corresponding temperature-dependent parameters. This new expression for the stress σ, as an explicit function of the total strain ?, is obtained by making a modified power law assumption on the fractional deviation of the actual stress-strain curve from an idealized linear elastic behaviour. The validity of the inverted expression is tested over a wide range of material parameters and a wide range of temperatures. The tests show that the new expression results in stress-strain curves which are both qualitatively and quantitatively consistent with the fully iterated numerical solution of the full-range stress-strain relation for normal as well as high temperatures.     

堆石料的剪切强度与应力-应变特性

通过对堆石料的大型三轴剪切试验结果进行分析,揭示了堆石料的强度及应力–应变的变化规律,堆石料的强度包络线呈非线性,应力–应变曲线多呈现软化型或弱硬化型。并对邓肯模型的修正及其模型参数试验值的变化规律进行了讨论。     

基于超高性能混凝土弯曲拉伸特性的二次倒推分析法

为简便获得超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)的受拉应力-应变曲线,提出考虑剪切变形和曲率分布非线性的二次逐点倒推分析法。基于不同浇注方式的四点弯曲试验梁的荷载-挠度曲线进行了二次倒推分析,并与直接拉伸试验结果及其他倒推法进行了对比。研究表明：①对于剪跨比和高跨比均为1/3的四点弯曲梁,跨中荷载-挠度曲线达比例极限时,剪切变形引起的剪弯挠度比可达24.8%,倒推分析不能忽略;②基于挠度测试的四点弯曲试验,二次倒推分析得到的UHPC材料应力-应变关系近似呈伪应变硬化特性,梁的荷载-挠度曲线比例极限点大致对应直接拉伸应力-应变曲线的线性偏离点;③二次倒推分析法求得的应力-应变曲线总体应力水平高于直接拉伸试验结果,且水平方向浇注的试件应力比垂直方向浇注的高约10%;④相对于其他倒推法,二次倒推分析法得到的本构曲线的应变特征值与直接拉伸试验结果吻合更好,二次倒推分析法用以获得UHPC材料受拉应力-应变关系的可行性较好。     

Inversion of three-stage stress-strain relation for stainless steel in tension and compression

Presented in this paper is a new stress-strain relation for stainless steel alloys that provides the stress as an explicit function of the strain. The relation is an approximate inversion of a recently proposed three-stage stress-strain relation based on a modified Ramberg-Osgood equation. The three-stage relation is a much more accurate formulation than the previous two-stage formulations and is applicable to both tensile as well as compressive stresses. The new relation is derived by making a rational function assumption on the fractional deviation of the actual stress-strain curve from an idealized linear elastic behaviour. The new expression is valid over the full range of the stress well beyond the elastic region. The validity of the inverted expression is tested over a wide range of material parameters. These tests demonstrate that, the new expression results in stress-strain curves which are both qualitatively and quantitatively in excellent agreement with the fully iterated numerical solution of the full-range stress-strain relation with a maximum error below 4%.