使用石膏围岩试件模拟巷道开挖卸荷效应的试验研究

为了掌握巷道(隧道)围岩在开挖卸荷条件下的变形规律及破坏机制,实现对巷道开挖卸荷过程中真实加、卸载过程的模拟,采用具有自主知识产权的巷道围岩开挖卸荷模型试验系统,对高强石膏材料制作的小型围岩试件(厚壁圆筒:高290 mm、外径200 mm、内径100 mm)进行了巷道开挖瞬态、缓慢卸荷以及破坏的模拟试验。试验过程中采集到围岩试件轴向和切向2个方向的应变随时间的变化关系,获得了开挖卸荷全过程的应变-时间曲线。试验结果表明:(1)围岩试件的轴向基本都呈现受压状态,部分测点出现拉压变化,轴向应变在缓慢卸荷时可充分展现其弹塑性变形,而在瞬态卸荷时大部分的变形是在卸荷后慢慢释放的,卸荷结束后围岩试件有轻微蠕变现象;(2)围岩试件的内测切向应变大于外侧,即离洞壁距离越远,应变越小,试件在卸荷过程中向内膨胀;(3)同一测点,卸荷过程中切向应变大于轴向应变,切向应变对卸荷过程的反应更敏感,具有瞬时性,在围岩变形中起主导作用;(4)卸荷破坏时,切向应变先于轴向应变发生突变,即围岩试件破坏方向朝向洞内,试件破坏主要是环向剪切破坏伴随有竖向劈裂。     

卸荷速度对围岩变形影响的试验研究

巷道/隧道围岩的开挖卸荷效应,直接关系到围岩稳定、支护设计和施工工艺的选择。利用自主研发的开挖卸荷试验系统,对水泥砂浆制作的厚壁圆筒小型围岩试件进行了快、慢速卸荷试验研究,获得小型围岩试件在开挖卸荷过程中的变形规律与破坏形态。试验结果表明:①快、慢速卸荷的径向应变及切向应变与时间的关系曲线表现出明显的3个特征阶段:试件压密阶段、快速变形阶段、卸荷后缓慢变形阶段。②同一横断面处,内侧的切向应变对卸荷作用反应更快、更显著,变形量更大。径向内侧产生的变形总量均大于外侧,而轴向内侧产生的变形总量小于外侧。③无论快速或慢速卸荷,同一测点处,切向应变最大,占据重要地位。径向变形集中在卸荷阶段产生,轴向变形集中在卸荷后维持阶段产生。④卸荷阶段,随着压差增大,慢速卸荷的切向、轴向应变呈加速发展趋势,内、外侧径向应变差值约为200×10~(-6)。快速卸荷的切向、轴向应变呈收敛发展趋势,内、外侧径向应变基本相同。维持阶段,快、慢速卸荷切向、轴向内外侧偏差持续增大。快速卸荷时内、外侧径向应变在维持阶段才开始区别开来,且差值越来越大。⑤试件压缩高度变低,且外侧出现环状贯通面并伴随劈裂破坏,在内壁出现片状剪切破坏区;横断面出现两个类似于圆环破坏带的破坏区。     

应力状态及围岩性质对巷道底臌的影响

本文借助有限无法分析了采动、侧压系数对巷道底臌的影响，以及底板软岩层厚度、顶底和两帮围岩力学性质与底臌的关系，充分说明了巷道底臌不仅与底板的物理力学性质及应力状态有关，而且在很大程度上取决于顶板和两帮的状态，它们是不可分割的整体。通过现场实测，更进一步分析了具有不同底板软岩层厚度的巷道底臌量分布，以及采动影响前后巷道底臌量的变化，从而对影响巷道底臌的因素有了进一步的认识。     

矩形巷道围岩应力分布规律模拟试验研究

矩形巷道围岩应力分布规律较为复杂,且与地应力、地质构造、围岩岩性等因素有关。在理论分析的基础上,采用相似模拟试验的研究方法,通过对不同围岩强度等级的矩形巷道围岩应力分布规律开展研究,进一步揭示矩形巷道开挖后围岩的次生应力场分布规律。研究结果表明:矩形巷道开挖后帮部重分布的次生应力场会形成较高的集中应力,应力集中系数平均达到3.0;矩形巷道围岩的应力转移及分布是一个复杂的动态变化过程,其变化与围岩的强度有很大关系。     

回采影响区巷道围岩应力应变状态研究

在回采影响下,巷道围岩应力应变状态的改变,对选择包括回采巷道维护在内的采区开采方式有重要作用。无煤柱开采要用加强支架维护供复用的巷道时,研究围岩应力应变状态具有特殊意义。目前基本利用两种结果较为可靠的研究巷道围岩应力应变状态方法,即试验分     

深井巷道围岩应力松弛效应与控制技术研究

深井巷道开挖时,围岩应力状态发生变化,在应力松弛效应下容易造成巷道变形过大,引起煤矿事故。分析巷道围岩变形破坏机制,探究影响其变形的地应力、地质构造等因素,加强对于巷道围岩变形机理的理解。并对应力松弛效应进行详细介绍。     

山羊洼2^#隧道开挖围岩应力测试技术研究

北京八达岭高速５路山羊洼２＃隧道为越岭式隧道,位于延庆山字型构造体系的脊柱附近,岩体多受近东西向的挤压作用而形成近南北向的挤压破碎带,并拌有“Ｘ”型扭断裂。隧道区段内共有三条挤压破碎带穿插,其中一条位于东南洞口,另外二条与隧道斜交。挤压破碎带及构造裂隙具扭动性质,破碎带的分布在平面和立面上呈相互平行状,构造裂隙主要发育有二组,相互交切呈“Ｘ”型,均为剪裂隙,裂隙面平直光滑,呈闭和状,无填充物。隧道采用２．６４５％的单一纵坡,东低西高,洞口的设计标高分别为２６２．５４２ｍ和２６４．２９６ｍ,最大埋…     

高应力软岩巷道围岩控制技术研究

以郑州矿区某矿地质条件为基础,针对该矿的高应力软岩巷道变形破坏特征进行分析,总结了该类巷道变形破坏原因,提出了高应力软岩巷道围岩控制技术,并进行了现场工业性试验,试验结果表明,该项技术能够有效控制高应力软岩巷道围岩变形.     

化学腐蚀下深部巷道高强围岩力学性能的实验研究

深部巷道复杂的地质条件是影响巷道围岩力学性能及其稳定性的重要因素.文章模拟深部巷道复杂的地下环境,配制了不同离子浓度和酸碱度的化学溶液,将岩样放置在上述溶液中浸泡,然后开展高强岩石的轴压实验.实验得到不同条件下的岩石强度和基本力学参数.实验结果表明,水浸泡、中性盐和碱性溶液对高强岩石的力学性能影响不大,而酸性环境对岩石的强度影响较大.另外,酸性越强,影响越明显;浸泡时间越长,影响越明显.     

巷道围岩锚固体变形破坏特征的试验研究

为了研究巷道围岩锚固体的破坏特征及裂隙演化规律,模拟组合载荷作用下巷道围岩锚固体的变形破坏失稳过程及锚杆工作阻力的变化.试验结果表明:当侧压系数1≤λ≤1.4时,锚固体则出现垂直于锚杆的水平层理;当1.4＜λ≤1.6时,锚固体出现细小裂纹,锚杆托板陷入岩层,锚杆间出现片状脱落,锚固体下部岩层松动破坏,锚固体稳定,而锚固体外出现和岩层层面呈30°～40°的倾斜裂纹;当λ=2.0时,锚固体内外岩层离层量增加,锚固体下部片落块度和深度增加,托板失去作用,锚固体整体失稳;λ和巷道围岩锚固体裂隙维数D呈正变关系.随着λ的增加,各锚杆工作载荷相差不大,呈波状降低趋势;巷帮锚固体承载能力变化不大,而顶板锚固体承载能力逐渐降低.水平载荷对巷道顶板锚固体的稳定性影响较大,其离层量随λ的增加而加大,内部出现不均匀沉降.     

巷道围岩应力壳力学特征与工程实践

综合采用数值模拟、理论分析和现场观测,深入研究了巷道围岩力学特征及其对围岩稳定性的影响规律。研究发现,巷道开挖后围岩存在连续包络的高应力束组成的应力壳,巷道处于应力壳内的低应力区,巷道围岩矿压显现受控于应力壳的存在及其空间演化;巷道围岩应力壳的空间分布对巷道围岩稳定性有关键性影响,且存在"稳定"和"非稳定"两种形态,维护巷道围岩稳定性的实质是保证巷道围岩应力壳形态的稳定;通过科学的巷道布置和有效的支护手段"控制围岩最小变形",优化围岩应力壳形态是保证巷道围岩稳定性的关键所在。研究和工程实践均表明:巷道轴向与最大水平主应力方向平行时易维护,在于巷道围岩中易形成稳定态应力壳;两者垂直时巷道难于维护,在于巷道围岩中易形成非稳定态应力壳。揭示了最大水平主应力方向对巷道围岩稳定性影响的内在力学本质。     

基于地应力的巷道围岩支护设计及校核

以赵庄二号井2301工作面两侧巷道为工程背景,通过地质勘测、地应力测试、力学分析、数值模拟及矿压观测的方法,对巷道掘进方向及围岩支护方案进行了设计。结果表明:巷道掘进方向与水平构造应力方向相一致时有利于防范底板冲击的发生;第二偏应力和塑性区分布结果验证了支护方案设计的合理性。现场巷道表面收敛位移量均控制在5%以内,为类似条件巷道支护设计提供了借鉴意义。     

软岩巷道围岩应力分布规律光弹性模拟实验研究

应用相似模拟理论和光测弹性力学模拟实验方法,对煤矿软岩巷道围岩应力分布特点及位移特征进行了模拟研究,得出了软岩巷道围岩在巷道有无封闭式支护情况下的应力分布规律、应力集中程度及位移特征,并探讨了由光弹模拟实验所得资料进行模拟应力分离计算和位移分析确定的方法。实验结果揭示了支架与软岩巷道围岩相互作用的一些基本规律,对软岩巷道的支护设计及软岩工程相关问题的理论研究和生产实践具有指导意义。     

巷道埋深对大断面巷道围岩变形及应力分布规律影响

针对断面大巷道难以支护、巷道变形严重等特点,采用三轴压缩试验和巴西劈裂试验对巷道围岩力学参数进行测试,利用数值模拟分析了大断面巷道围岩变形及应力分布规律。研究得出,随着巷道埋深的增加,巷道垂直位移越来越大、垂直应力集中系数逐渐减小、垂直应力逐渐向深部延伸、巷道底板泥岩出现软岩的性质,巷道围岩破坏深度和破坏面积也逐渐增加。     

针对高应力软弱顶板的巷道围岩稳定控制方案

高应力软弱顶板动压回采巷道具有特殊性。本文介绍了高应力软弱顶板动压回采巷道覆岩的结构以及矿压显现特征。工程实践结果表明,根据顶板结构分类选取断面形状并采取合理支护方式能有效的控制围岩变形,满足矿井安全生产要求,有着良好的技术经济效益。     

深部厚顶煤巷道围岩稳定性相似模型试验研究

针对深部厚顶煤巷道围岩控制难题,采用相似模型试验方法,分析了埋深、构造应力等因素对厚顶煤巷道围岩变形、围岩应力及支护结构的影响,揭示了厚顶煤巷道围岩稳定性规律:随着埋深增大,两帮及顶煤内应力峰值增大,围岩变形破坏程度增大;随着构造应力增大,围岩变形破坏程度增大,构造应力对顶煤稳定性影响显著,顶煤水平应力呈现出"两端低、中部高"分布形态,且应力峰值位置随构造应力增大向深部转移,下位顶煤、煤层与顶板交界面附近的顶煤破坏严重,最终发生"尖顶型"垮冒;顶板锚杆和穿过煤岩层交界面的锚索易被剪断。对于深部构造应力作用下的厚顶煤巷道,认为提高顶煤锚固体的抗剪能力尤为重要,提出采用"高强高预紧力锚杆及斜拉锚索梁"支护技术,以此增强厚顶煤锚固体的抗剪能力、提高两帮承载能力,顶煤和两帮稳定性的提高则有助于减小底臌量。研究成果成功应用于工程实践。     

地应力场方向对巷道围岩稳定性的影响

地应力测试结果表明在构造应力场水平应力是垂直应力的1.8～2.7倍,而且两个水平应力之比是1.5～2.5。构造应力场是影响对巷道稳定的主要因素之一。本文运用COMSOL 3D有限元软件在初始应力场轴向变化的情况下模拟了巷道围岩的应力状态,分析得出巷道轴向与最大水平应力方向之间的夹角越大,巷道越不稳定。此时巷道围岩的剪破坏区深入到巷道顶底板。因此在构造应力场掘进巷道时要尽量使最大水平应力方向与巷道轴向一致。