高应力巷道开挖围岩损伤分析

首先运用岩石破裂过程分析RFPA分别对有、无裂纹情况下的高应力巷道开挖围岩损伤过程进行了分析,随后,对有、无裂纹情况下的高应力巷道开挖围岩损伤进行了理论分析.模拟结果再现了巷道围岩开挖卸荷后声发射变化全过程.数值模拟与理论分析表明:高应力巷道围岩卸荷破坏是个损伤逐渐累积最终演致破坏的过程;垂直方向为最大主应力情况下,损伤主要从两帮开始,然后向两帮深部扩展,扩展到一定程度后沿大主应力方向扩展;卸荷损伤过程受裂纹影响很大,裂纹改变巷道围岩损伤演化过程,对损伤演化过程起主要控制作用;提出的理论分析方法可用于巷道围岩开挖卸荷后损伤破坏情况的分析.     

基于塑性区控制的巷道围岩支护理论与技术研究进展

随着煤层开采深度的不断增加,深部巷道围岩稳定性控制已成为采矿领域的重大难题之一,深部巷道围岩控制效果直接关系煤矿井下的安全生产和人员健康。巷道开挖后,塑性区的出现是影响巷道围岩稳定的主要原因。从塑性区形成与扩展的视角出发,在整理和归纳现有巷道破坏机理和围岩塑性区理论等成果的基础上,探讨了巷道破坏模式与围岩塑性区分布的内在关系,认为巷道围岩控制从本质上来说就是控制围岩塑性区形成与扩展的过程。围岩塑性区扩展的时效特性以及锚杆支护对围岩塑性区的控制作用,成为科学有效控制巷道围岩的重要理论依据,并基于此提出巷道围岩稳定性的控制理论与技术。结果显示,塑性区是巷道开挖的产物,围岩塑性区的形成与扩展是矿山压力作用的结果,对于深部巷道,围岩塑性区的出现是必然的。科学控制塑性区需要全面认识塑性区在巷道围岩中所起的作用,既要让围岩通过塑性破坏释放体内能量,又要防止塑性区的无序扩展。因此,在巷道围岩控制过程中应以充分发挥围岩自承能力为主,支护干预为辅。深部巷道围岩塑性区的控制具有全局性和过程性,将对巷道全周期内围岩塑性区的控制划分为3个阶段,通过调控塑性区形态、抑制塑性区扩展,实现深部巷道围岩的稳定控制。     

深部巷道围岩分区破裂化数值模拟

采用有限差分数值计算软件FLAC对巷道围岩分区破裂化进行研究,分析了分区破裂的产生及演化过程,即巷道开挖后,随着原岩应力的释放,多条破裂带从巷道表面或临近周边逐步向围岩深处延伸,在延伸过程中,单条破裂带可能会分叉成两条甚至多条破裂带,这些破裂带互相交叉,在巷道浅部围岩形成网状间隔破裂区,在深部围岩形成环带状间隔破裂区。岩体初始应力水平、侧压系数及巷道断面形状等对巷道围岩分区破裂化都有显著影响。数值模拟结果与前人的现场研究成果有很好的一致性。     

矩形巷道围岩破坏规律数值模拟

运用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),对矩形巷道的破坏进行了数值模拟研究,通过对开挖后的应力分布、裂缝形成和发展及最终破坏模式进行数值计算和分析,获得了不同条件下矩形巷道的破坏规律.结果表明,矩形巷道由于其断面形状和围岩组成结构的关系,其开挖后的应力分布及破裂结果与其它形状巷道破坏模式明显不同.     

大跨度穿断层软岩巷道顶板非对称破裂机制与控制对策研究

针对大跨度穿断层软岩巷道顶板非对称大变形失稳的工程难题,总结分析原支护条件下巷道变形破坏特征及其主控影响因素,给出基于MATLAB图像处理技术的钻孔裂隙发育程度定量表征方法,模拟研究巷道顶板位移场、主应力场及裂隙场演化规律,揭示巷道顶板渐进非对称破裂机制;根据不同区域巷道变形破坏情况与离散模拟结果,针对性地提出顶板"非对称分区强化控制、减跨控顶支护、破碎围岩分区深浅注浆、强化联合支护"的过断层支护对策,优化支护方案并进行现场应用.研究结果表明:1)巷道顶板破坏深度、变形特点、破裂模式等均呈现明显的非对称变化特征,断层左侧(I区)及右侧(II区)顶板裂隙密度均随巷道表面至深部距离变化呈负对数衰减特点,后者数值较大且降速较快,表明II区顶板整体较为破碎且破坏深度较广,应为重点控制对象;2)巷道开挖至稳定过程中,II区浅部围岩首先发生张拉破坏,并伴随大量裂隙的萌生与扩展,然后左帮顶角位置因应力集中也出现裂隙密集区且逐渐向顶板断层部位延伸,而后顶板表面裂隙均随开挖时间的增加向深部非对称渐进扩展,浅部离层发生并伴随局部块体脱落,顶板发生非对称冒落失稳;3)采用优化支护方案后,顶板最大变形量低于91 mm,较原支护降低了63.89％;浆液与破碎岩体黏结形成复合结构,围岩完整性提高;锚杆受力最大值为81.76 kN,最小值为60.5 kN,分别为屈服载荷的43％和31.8％,基本满足工程需求.     

深部软岩巷道开挖变形影响因素的数值分析

根据深部软岩巷道变形力学机理,采用不连续变形分析(DDA)软件对影响巷道开挖变形的岩体力学因素,包括地应力、围岩破裂面倾角、围岩块体弹性模量、围岩块体泊松比、围岩破裂面黏结力、围岩破裂面内摩擦角、围岩破裂面抗拉强度变化引起围岩变形位移的规律进行数值模拟研究分析。结果表明地应力是影响围岩变形的最重要因素,影响围岩变形的诸多因素指标存在临界值,得出了影响围岩变形位移的围岩特性因素重要性顺序,提出深部软岩巷道围岩控制的关键在于及时加固围岩以提高其残余强度,优化支护形式,在围岩中形成关键承载结构以阻止变形区的扩展。     

深部洞室围岩分区破裂化的研究现状与分析

深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩的变形和破坏出现了一系列新的科学特征现象,如岩爆和围岩分区破裂化。其中,深部巷道围岩的分区破裂化现象与浅埋地下巷道开挖时在其洞周出现破裂区、塑性区和未扰动弹性区依次排列的现象有很大不同,这引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注。本文根据国内外对分区破裂化研究现状,分析总结了分区破裂化现象的研究成果,并对该领域的研究方向进行了探讨。     

非构造应力下圆形巷道的内部变形破裂规律研究

为获得高应力作用下岩体内部的变形破裂时空演化规律,以平煤集团的一条深埋巷道为背景,分别采用透明岩体相似材料和三维离散颗粒流软件PFC3D对其开挖过程进行物理模拟和数值模拟,并在获得岩体内部变形破裂随开挖时间的发展演化规律的基础上,提出深埋圆形巷道的支护对策。研究结果表明：1)本文提出的透明岩体实验方法能够有效获得深部岩体的内部变形破裂时空演化规律。2)巷道顶底板处的岩体径向位移y均与其距巷道表面的距离x呈指数衰减关系;围岩变形在巷道刚开挖通过的1~2h内增长速度最快,当开挖通过2h后,如不进行后续推进开挖,围岩变形发展就基本保持稳定。3)巷道开挖后,巷道顶底板处的岩体均不发生破裂,而巷道两帮岩体则在拱腰处先出现剪切滑移破裂并随时间逐渐往深部和顶底板方向扩展。     

内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响

巷道围岩分区破裂化(或分区破碎化、分区碎裂化)是指在深部开挖巷道时围岩交替呈现破裂区和未破裂区的现象,该现象与对围岩破坏的传统认识不同。正确认识不同强度围岩分区破裂化的发育程度,可为其治理及应用奠定基础。巷道掘进会引起掘进工作面附近岩石涌向巷道,这将导致掘进工作面附近垂直于巷道轴线平面的应力状态并非平面应变,而是三维状态。采用以FLAC~(3D)应变软化模型为基础发展的非均质应变软化模型(通过引入Weibull分布函数实现),研究了内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响,考察了围岩中剪切应变增量、最小主应力及最大主应力在巷道即将贯穿模型时的分布规律。研究发现:①内摩擦角越小,围岩的破坏越严重,剪切带的发育越充分,分区破裂化越明显;②并非围岩的破坏就会导致分区破裂化,围岩破坏到一定程度后,才会出现分区破裂化;③分区破裂化的机理为:在载荷及开挖作用下,在过巷道轴线的平面上,随机分布的缺陷发展成(共轭)剪切带,从而在垂直于巷道轴线的平面上,形成多个相间隔的圆环形的破坏区。本文过巷道轴线平面上的结果与室内实验结果在定性上一致。根据本文的研究,在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化不同,这意味着不必选择统一的巷道支护参数,例如,在分区破裂化显著的部位,延长锚杆的长度,反之则不然。     

矩形巷道围岩塑性区扩展规律分析

为研究深部矩形巷道围岩塑性区形成与发展过程,采用理论分析和数值模拟等手段,分析了不同埋藏深度、巷道高宽比、侧压系数对巷道围岩塑性区的形成、发展以及形态范围的影响规律.分析表明:(1)矩形巷道围岩失稳破坏是围岩塑性区畸变向巷道围岩深部非均匀恶性扩展的结果,对于深部矩形巷道而言,其经历了完整的塑性区恶性扩展过程,对于浅部巷道而言,巷道塑性区扩展过程并不完整;(2)在矩形巷道高宽比较小时,塑性区向巷道围岩深部非均匀扩展、恶性扩展的范围及巷道顶板变形量与高宽比呈正相关;(3)垂直载荷一定情况下,水平载荷过小或者过大,围岩塑性区越容易形成不规则的塑性区,侧压系数的改变直接改变了塑性区的几何形态.