海域第三系软岩巷道蠕变控制及支护机理研究

H2101是我国第一个海下采煤工作面.巷道围岩属于第三系软岩,所以巷道支护难度非常大.根据岩石和围岩的蠕变机理以及软岩流变控制原则,建立龙口矿区北皂煤矿海域第三系软岩巷道围岩蠕变最优支护计算方法,求出软岩支护的两个重要参数,即最优(小) 支护力和围岩最大允许变形量,作为进行支护设计的重要参数,为解决海下安全开采提供了理论依据.     

高地应力条件下软岩隧道大变形支护技术研究

利用Midas GTS软件建立高地应力软岩条件下的隧道模型,通过数值模拟的方法研究了各类支护条件下隧道变形特征与施做各类支护技术后的围岩变形特征,得出了高地应力软岩围岩变形曲线与高地应力软岩隧道支护变形特征曲线。对比了各类支护技术的优劣程度,得出了较为有效的隧道大变形支护方式,提出了解决高地应力软岩隧道大变形的合理方法。     

软岩巷道合理支护强度的研究

针对煤矿软岩巷道围岩变形与破坏问题，通过实验研究，确定了有效控制软岩巷道围岩大变形的合理支护强度。并据此研究结果设计了淮南谢桥煤矿极软岩巷道的支护方案与参数。实践证明，研究结果可靠，应用效果良好。     

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     

高应力软岩巷道支护失效机制及控制研究

 为明确高应力软岩巷道支护失效机制并验证新型支护形式的有效性,以赵楼煤矿千米深井为工程背景,在围岩变形破坏及支护失效规律现场探测、监测分析基础上,采用数值计算方法,通过对FLAC3D中BEAM单元的修正处理实现了拱架支护体系的精细化模拟,讨论了支护强度等级(拱架形式)、地应力等级、围岩强度等级三个因素对巷道围岩变形量、塑性区范围、支护构件受力状态等的影响规律。在此基础上分析了高应力软岩巷道支护失效机制。对于高应力软岩巷道来说,锚网喷支护具有明显的局限性;具有一定刚度和强度的拱架是一种行之有效的围岩控制途径,是必要的。采用方形钢管约束混凝土拱架支护体系进行现场试验,新型高强拱架支护方式使得巷道围岩稳定性得到有效控制。     

软岩隧洞开挖施工技术

在软弱围岩条件下采用钻爆法开挖隧洞,应采取措施减少爆破的负影响并加强支护以保证围岩的稳定。本文结合工程实际介绍了软岩条件下隧洞开挖和支护的施工方法。并阐述了软岩隧洞钻爆开挖的施工经验。     

基于围岩-支护特征理论的高地应力软岩隧道初期支护选型研究

结合正在修建的兰新铁路第二双线LXS-7标的极高地应力大梁隧道,开展型钢钢架与格栅钢架支护机理研究。在综合考虑喷射混凝土时间硬化效应对初期支护强度的影响基础上,基于围岩-支护特征理论综合分析型钢钢架及格栅钢架的支护机理及其适应性,探索高地应力软岩隧道工程中不同刚度支护的力学响应过程,绘制高地应力软岩隧道几种可能的围岩-支护特征曲线,为高地应力软岩隧道合理支护形式的确定提供理论依据,并提出适合于围岩大变形的合理支护形式,以及控制高地应力软岩隧道大变形的合理措施。     

软岩隧道变形特征及支护机理的研究

结合软岩隧道的特点,阐述了软岩隧道失稳原因、破坏特征及其形成的力学特征,分析软岩隧道各种支护方法的作用机理,对软岩隧道支护重点与对策进行了探讨,并对软岩隧道选择合理的支护方法提出了见解,以指导实践。     

软岩巷道围岩流变特性试验研究

流变特性是软岩固有的属性，在长期荷载作用下的软岩巷道支护设计必须考虑岩石的流变特性。针对“三软”煤层巷道围岩大变形、难支护的具体情况，以显德汪矿的主运输大巷为研究对象，进行了三轴压缩流变试验，获得了泥岩的流变参数，从而为下一步的软岩巷道支护设计、施工提供了科学的依据。     

高应力软岩巷道成功实现一次支护的实践探索

通过数值模拟分析技术对高应力软岩巷道在不同支护环境下的伸缩变形进行了模拟分析,结合四种支护方式的实际测量数据,通过对比分析提出:对于高应力软岩巷道通过预留或是主动在支架和围岩间形成间隔,形成一次支护在技术上是可行的,并且设计开发了针对秦源煤矿轨道石门的全断面锚网喷+锚索+圆形钢梁联合支护的施工工艺。     

软岩允许变形合理值现场估算

现场实测了巷道围岩两帮及顶底相对变形随时间的变化,分析了围岩变形不同阶段巷道围岩表面变形随时间的变化规律,结合支架受荷测量确定了一种软岩允许变形合理取值的简单可行现场确定方法,为充分发挥软岩自撑能力和合理确定U型棚支架支护参数提供了依据。     

巷道围岩最优恒阻支护计算方法

根据岩石和围岩的蠕变机理以及岩石流变控制原则,在实验研究的基础上,提出了新的岩石稳定蠕变准则,并建立起一个岩石最优恒阻支护计算方法。用这一计算方法能求出岩石恒阻支护的重要技术参数,即最优(小)恒阻支护力、围岩最大允许变形量、恒阻U型钢支架的截面积、联接螺栓的预紧力和直径及最优支护力的拧紧力矩。按最优恒阻支护计算方法设计巷道支护,可以达到经济且安全的最佳支护效果。文中应用了课题组近期岩石流变实验研究的结果:应力偏量第三不变量对岩石蠕变影响显著;岩石侧向蠕变的应力阀值比轴向蠕变应力阀值低20%～40%。这些结果的应用使巷道岩石支护的设计更趋于安全。     

基于时效变形的脆性围岩最优支护时机研究

现代地下工程支护结构设计的基本指导思想是按照"新奥法"原理,强调通过适时加固围岩,使得围岩成为承载结构的主体。但是对于支护时机的掌握,目前仍然缺乏可靠的理论和公式的指导,只能根据现场监测信息和经验判断来确定。提出脆性围岩的"适时支护",是指在围岩达到弹性极限应变而破坏之前进行支护,即在时效变形作用下,围岩应力处于本构关系弹性段后段,但是还没有进入软化的非稳定段。基于这一思想以及地下工程时效变形特征,提出了最优支护时机的近似计算公式。研究表明:最优支护时机与围岩收敛时间、围岩强度应力比、开挖后应力以及支护围压相关。由于围岩应力处处不同,可以由公式计算得到顶拱、边墙等不同部位的最优支护时机,从而指导支护设计。研究对长期困扰地下工程界的脆性围岩最优支护时机问题提出了一种理论方法。     

乔家山隧道粘土岩大变形及支护结构稳定性分析

在大西客运专线乔家山隧道粘土岩地层前期施工中,支护结构出现大变形现象和混凝土开裂。为了寻求粘土岩地层隧道的有效支护方案,采用室内外试验对粘土岩物理特性展开了调查。物相分析和微观结构试验结果表明,该粘土岩中含有较多的片状粘土矿物绿泥石和伊利石,致使现场围岩具有流变特性。针对围岩流变大变形,优化调整了支护结构参数。选取典型断面进行支护结构内力监测,结果表明,初期支护钢拱架和二次衬砌混凝土基本上呈受压状态,钢拱架均有部位压应力达到或接近于钢材的屈服强度。然而,在初期支护强度充分发挥基础上,及时施做二次衬砌。二次衬砌受力较小,有效地保证了粘土岩地层的隧道结构安全。本研究可望为粘土岩地层隧道设计和施工提供借鉴,具有一定的工程应用价值。     

Triaxial creep tests and back analysis of time-dependent behavior of Siah Bisheh cavern by 3-Dimensional Distinct Element Method

Time dependent effects or creep behavior of rocks has great importance in further development of knowledge in the field of rock mechanics. An increase of pressure on support system due to creep behavior of rock is one of the most important issues in underground structure with weak surrounding rock mass. In this contribution a time-dependent behavior analysis of Siah Bisheh pumped storage powerhouse cavern with complex geometry being under construction on the Chalus River at the north of Iran were investigated. The cavern surrounded rocks containing Shale, Limestone, Sandstone and igneous rock in major parts is located in Alborz Structural Zone. The cavern is being built in a region that is highly prone to sheared and faulted zones. Therefore, it is essential to analyze and design underground structures to prevent any serious long-term damages in this region. The rock mass may exhibit continuous or discontinuous deformations due to excavation of large underground openings; therefore, deformation include shearing of joints and creep deformation of rock material. Because of the fractured and jointed rock mass, the Discrete Element method used to back analysis the time-dependent behavior of the Siah Bisheh cavern. In addition, triaxial creep tests were performed on rock specimens in order to estimate the time-dependent behavior of rock around the cavern. The creep tests and in situ measurements were employed to estimate parameters of power constitutive creep model being able to model the primary and secondary creep regions of rock masses implemented in the 3-Dimensional Distinct Element Code. Simulation results show good agreement with monitoring data. By excavating the lower stages of the cavern, some instantaneous deformation occurs in displacement-time curve of the crown.     

大刚度高强度二次支护巷道控制机理与应用

通过理论研究和现场多种支护方式的对比试验,建立了大刚度高强度二次支护巷道黏弹、黏塑性力学模型;进行了软岩巷道一次锚网喷支护、二次大刚度高强度支护围岩稳定控制的理论计算、分析与应用。根据理论计算结果,分析了二次支护前后围岩体应力状态的转化结果,得出了二次支护最大工作阻力值的黏弹、黏塑性理论解析解;并确定了第二次大刚度高强度支护的合理参数,选择了安全可靠的支护方法,实现了巷道的长期稳定。二次支护巷道围岩稳定控制的机理为:一次支护让压围岩体受力达到较低变形速率下的力学平衡,充分发挥围岩的承载作用;二次大刚度高强度支护避免围岩体处于高应力状态下及再次应变软化与蠕变劣化导致的承载力降低、状态恶化,减少巷道岩体偏应力,促进围岩应力向长期强度和巷道稳定的流变停止状态转化。     

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。     

基于DE-SVM三维隧道智能反馈分析研究

为了解决隧道围岩参数不确定性的问题,本文引入支持向量机、差异进化算法和三维数值模拟建立了隧道围岩参数快速反馈分析方法。介绍了方法的原理、步骤和实现过程,开发了隧道监测在线反馈分析软件平台。该方法克服了传统优化方法因为三维数值计算耗时长而无法应用以及容易限于局部最优解的不足,可以与多通道自动监测仪器实时配合使用。将该方法应用于兰州白家坡隧道K8+750到K8+1000桩号之间区域监测分析,搜索得到了围岩力学参数,精度令人满意,本方法提供了隧道围岩三维快速反馈分析的有效途径。     

高地应力特厚煤层“蠕变型”冲击机理研究

多起“蠕变型”冲击事故分析表明：该类冲击属于典型的隐蔽性灾害,具有自发性和时滞性的特点,发生机理的不明导致其防治极具挑战,给深部特厚煤层的安全开采造成了严重威胁。“蠕变型”冲击与不稳定蠕变密切相关,通过建立蠕变模型和三维蠕变方程,得到高地应力与特厚煤层为不稳定蠕变的形成提供了有利的孕育条件;分析了巷道围岩不稳定蠕变破坏的过程,认为不稳定蠕变通过强度“腐蚀”和应力解除2方面实现启动冲击和减小阻抗,从而在受外部静态应力叠加影响的巷道薄弱区域形成“蠕变型”冲击,并提出了判别其发生可能性的评估公式。针对这类冲击的发生机理,提出了针对性的防治措施建议：合理布置巷道、加强主动支护、优化卸压参数和长期监测。