深部层状岩体巷道承载特性的物理模拟试验研究

为研究深部高应力条件下层状岩体巷道的承载特性及失稳机理,采用物理相似模拟试验方法,并借助高速摄像机、静态电阻应变仪、位移计等手段,研究了不同支护方式(无支护、锚杆支护、锚杆索支护)层状岩体巷道的变形破坏特征和应力演化规律;同时,从压力拱的角度分析了层状岩体巷道的成拱特性。研究结果表明:无支护条件下,巷道围岩变形破坏严重,顶板大面积垮落,呈现倒V型破坏区,无法形成有效的压力拱结构;采取锚杆支护和锚杆索支护后,巷道围岩应力状态得到改善,能够形成有效的压力拱,围岩变形量减小。研究成果为类似地质条件巷道支护设计提供了依据。     

不同水平应力作用下巷道围岩破坏特征的物理模拟试验

利用自行研制的YDM-E型采矿工程物理模型试验系统,通过相似材料模拟试验研究不同水平应力作用下锚杆支护巷道以及无支护条件下巷道围岩变形破坏特征.实验结果表明：随着水平应力的提高,巷道无支护情况下顶板呈现楔形冒落;锚杆支护巷道顶板呈现层状整体垮落,当水平应力加大到一定程度,锚固体全部垮落之后,锚固区外亦呈现楔形冒落;巷道底板出现剪切滑移破坏,破坏的外轮廓线呈反拱形;巷道两帮的破坏程度小于顶、底板的破坏程度.因此,高水平应力作用巷道围岩控制的重点在于控制巷道顶、底板.     

回采巷道锚杆支护顶板稳定性分析

在分析巷道围岩应力分布特征和锚杆支护巷道顶板破坏形式的基础上, 指出巷道锚杆支护顶板严重破坏的类型可分为两类： （１） 顶板锚固岩体沿巷道两帮上方的滑落, 即出现剪切破坏; （２） 顶板锚固岩体发生压缩破坏． 据此建立了巷道顶板稳定性分析模型, 提出了顶板稳定的判别准则．     

倾斜煤层巷道围岩应力分析与支护设计研究

首先分析了岩层自重应力倾斜方向的分量和水平应力对巷道围岩应力分布规律的影响,然后根据围岩应力分布提出相应的支护措施,最后通过现场应用测试对锚杆受力和巷道变形进行监测,以验证选取巷道断面形状和支护方式的合理性。结果表明:选取巷道断面为梯形能够降低岩层自重应力倾斜分量对巷道围岩的剪切破坏程度;锚杆工作状态较合理,充分发挥了锚杆的支护作用;设计支护参数能够有效控制该倾斜煤层的巷道围岩变形。     

灵湖金矿巷道围岩变形破坏及锚杆支护数值模拟分析

通过现场地质调查和监测,确立灵湖金矿330工程450巷道围岩体地质模型,查明硐室在受低地应力状态下的围岩等级,巷道围岩变形破坏程度及松动圈范围。针对硐顶掉(落)石块典型破坏类型,采用离散元UDEC软件进行数值模拟分析,反演硐室开挖后应力重分布,顶板产生拉应力区,导致围岩体发生变形破坏的过程和力学机制,并采取预应力锚杆支护措施稳固失稳岩体。     

特厚煤层大断面开切眼支护研究

针对大同塔山煤矿8102工作面开切眼在原支护下围岩破坏,难以维护的问题,应用FLAC3D软件对开切眼无支护下围岩应力、变形破坏等进行了数值模拟分析,得到巷道围岩破坏范围。分析认为处在煤巷中的大断面开切眼围岩容易破碎、开挖后应力重新分布过程中剪切和高拉伸应力是造成围岩破碎、离层和破坏的原因。结合现场实际,提出采用锚杆、锚索、金属网进行联合支护,巷道围岩的强烈变形得到有效控制,围岩变形稳定。     

基于蝶形破坏理论的深部巷道围岩控制技术研究

现阶段巷道围岩控制仍是煤炭资源深部开采的重大难题之一,而围岩塑性的形成与发展是导致巷道大变形和破坏的主要原因。通过数值模拟研究了巷道塑性区形成与发展规律以及对巷道稳定性的影响,结合理论分析和室内试验研究了锚杆支护的作用机理并阐述了支护与围岩变形的内在关系,基于蝶形破坏理论探讨了深部巷道围岩的控制原理,提出深部巷道围岩控制技术并在工程中予以应用。结果显示：(1)锚杆支护能够有效减少围岩变形,但是无法控制巷道不发生变形,即在现有的支护水平下巷道存在着部分无法控制的围岩变形,即“给定变形”,且“给定变形”随巷道埋深的增加不断增大。(2)锚杆支护对于巷道围岩剪胀、滑移等非连续性变形的控制效果明显,而对于完整岩体的连续性变形的影响十分有限。因此,锚杆支护主要是通过控制巷道塑性区内岩体的非连续性变形进而控制巷道的总变形。(3)巷道总变形主要包括“给定变形”和“支护残余变形”2个部分。巷道围岩控制的主要途径就是减少“支护残余变形”。(4)锚杆支护的作用机理要求锚杆的锚固基础必须始终位于完整岩体中,因此巷道开挖后的塑性区形态以及塑性区在服务期内的发展规律对于锚杆支护方式的设计至关重要。巷道塑性区形态及...     

三软煤层巷道围岩变形机理及支护优化技术研究

为了解决15101工作面三软煤层巷道围岩变形破坏的问题,在确定巷道顶底板环境的基础上,对三软煤层巷道围岩侧向支承应力分布及变形机理进行了分析。研究表明:三软煤层巷道侧向应力呈现出应力峰值位置远离煤壁、应力最大值降低、侧向支承应力影响范围扩大等特点,巷道发生变形主要是由于力源集中区应力传递导致帮部剪切滑移破坏和底板挤压夹持破坏;建立了巷道围岩受力力学模型,理论分析了巷道围岩在横向变形和纵向变形的应力表达式,得出巷道变形受到巷道支护强度、底板支承能力、煤体应力传递衰减系数和底板剪切滑移等因素的影响。最后,提出了"控制顶板、加固两帮、强化底板和固定滑移"的巷道围岩控制原则,采取"长预应力锚索+帮部加密锚杆+底板注浆"的综合支护方式对巷道围岩进行了支护优化设计,确保了三软煤层巷道的安全稳定。     

深部巷道等强支护控制理论

本文调查了大量的煤矿巷道现场破坏案例,提炼了6类15种典型破坏模式,分析了圆形与矩形巷道的围岩受力特征及应力分布规律。基于巷道围岩梯度破坏机理及矩形巷道等强梁支护模型,提出了深部巷道等强支护控制理论力学概念模型,即根据巷道围岩受力特征,采用开槽卸压、注浆加固、锚杆(索)主动支护、钢管混凝土被动支护等综合手段,有效调整巷道围岩的应力状态,以期实现不同位置围岩能够达到安全且与地应力比相匹配的等效应力状态,获得应力分布趋于均匀、塑性区范围相似的理想状态。给出了不同埋深、不同断面形状巷道所需的等强支护强度计算公式,数值模拟了圆形与矩形巷道在等强支护前、后围岩应力变化,验证了等强支护后围岩应力场能明显改善。等强支护控制模型一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导。     

超前锚杆预支护模拟试验

介绍锚杆、无锚杆和超前锚杆预支护结构整体模拟试验，论述锚杆和超前锚杆预支护对岩体力学性能的变化和巷道围岩应力状态的改善及破坏机理，并提出新的解释。     

玄武岩裸体斜井井筒围岩稳定性分析

地下井巷的开掘工作破坏了地层原岩应力的平衡状态,导致井巷周围岩体内应力的重新分布和应力集中,当集中应力超过井巷周围岩体强度时,将引起井巷围岩变形、松动垮落和底板鼓起等一系列矿压显现现象。显然矿压显现的剧烈程度不仅和矿山压力的大小有关,而且和井巷围岩自身的物理、力学性质也紧密相关。针对西南某在建矿井玄武岩裸体斜井井筒围岩的稳定问题,利用弹性力学和岩石力学的相关知识,采用理论分析和数值模拟相结合的综合研究方法,对井筒开掘引起的周边围岩内的最大集中应力以及最大集中应力和玄武岩岩体许用强度之间的关系进行了深入研究,得出了最不利情况下井筒周边围岩的最大集中应力仍然小于玄武岩岩体的许用强度、该段斜井井筒可以采用裸体巷道的重要结论,为现场的支护设计与施工提供了科学的理论依据。     

深部岩巷在动力扰动下的破坏机理分析

结合某巷道工程实例,利用新开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFPA2D分析了动力扰动对深部岩巷破坏过程的影响,从细观角度分析了不同深度或受不同静压力的岩石巷道在动力扰动下的破坏规律.结果表明,对于不同埋深的巷道,所受应力状态不同,则所处稳定状态也不同.当巷道埋深较小时,处于较稳定状态;当巷道埋深较大时,越来越接近临界稳定状态,较小的扰动便可以导致裂纹的大规模瞬时动力扩展,诱发巷道的失稳破坏,并伴随着应变能的高速释放.深部巷道所受静压较大,在动力扰动下比浅部巷道更易发生失稳破坏.     

卸压爆破下岩体损伤模拟研究

深部矿床应力集中区易诱导岩爆等地质灾害,利用卸压爆破法将应力集中区多余的能量释放,使整个能量体系达到动态平衡,实现高应力向深部岩体转移,围岩应力重新分布,继而达到防治岩爆的效果。为研究深部初始地应力场对卸压爆破效果的影响,采用ANSYS/LS-DYNA软件分别模拟3种开采深度条件下岩体卸压爆破过程。结果表明,开采深度由1 000 m增加到3 000 m 时,卸压爆破损伤范围变化较为显著,随初始地应力进一步加大,地应力对卸压爆破损伤抑制作用进一步加剧,导致爆炸应力波和爆生气体所形成的损伤区体积逐渐缩小,呈非单调变化;岩体卸压爆破损伤类型由拉伸破坏逐渐转向为剪切破坏,地应力对拉伸破坏起进一步抑制作用,对剪切破坏起到促进作用。结果对深部矿体卸压爆破设计具有理论指导意义。     

近距离巷道群覆岩活动的扩大压力拱理论与岩柱荷载研究

随着各类采矿工程和其它岩土工程的不断发展,越来越多的地下工程都涉及到近距离巷道群的设计、施工与维护问题。近距离巷道群围岩的变形破坏规律和巷间岩柱荷载计算成为地下工程界十分关注的热点课题之一。在对单个巷道周围有极限平衡区应力分布规律研究的基础上,结合巷道覆岩活动的压力拱理论,系统研究了近距离巷道群周围的应力分布规律,提出了近距离巷道群覆岩活动的“扩大压力拱”理论,给出了计算近距离巷间岩柱荷载的计算公式,提出了防止近距离巷间岩柱连锁破坏的技术措施。     

考虑围岩峰后破坏的全锚锚杆受力特性

基于中性点理论,考虑围岩峰后剪胀效应及破坏形式,推导了瞬时稳态下全长锚固锚杆轴向正应力和剪应力表达式,系统性地分析了孔口处锚杆端头轴力和残余黏聚力、剪胀系数和应变软化系数对锚杆杆体轴向正应力、剪应力以及中性点位置的影响。研究结果表明:锚杆轴向正应力沿杆体内端点至外端点呈现出先增大后减小的变化特征,且应力曲线在弹性区与峰后破坏区呈现出明显的差异性;锚杆剪应力沿杆体内端点至外端点呈现先减小后增大的变化特征,且在弹塑性交界处的连续与否与围岩剪胀系数和剪切刚度密切相关;锚杆轴向正应力和剪应力均随着残余黏聚力的增大而减小,随着剪胀系数与应变软化系数的增大而增大;同时,锚杆杆体轴向正应力和外端点侧剪应力均随着孔口处锚杆端头轴力的增大而增大,内端点侧剪应力随着端头轴力的增大而减小。中性点位置随着残余黏聚力的增大呈现出先增大后减小的变化特征,当残余黏聚力大于某一临界值时中性点位于弹性区,反之,位于峰后破坏区;此外,中性点位置也随着剪胀系数、应变软化系数的增大而减小。     

临近巷道掘进扰动效应下巷道变形监测分析

对淮南朱集矿轨道巷进行两帮收敛、拱顶沉降、底臌和锚索拉力的现场监测,基于监测结果,阐明轨道巷在相邻的胶带巷和回风巷扰动影响下围岩变形和锚索拉力的变化趋势。监测结果表明：轨道巷围岩受到了回风巷和胶带巷的扰动;变形经历较长时间后达到稳定,且底臌值大于两帮收敛和拱顶沉降;胶带巷和回风巷对轨道巷的扰动影响程度和巷道群的空间布置相关,在巷道间距大于5倍硐径情况下扰动仍然存在,而且扰动影响不是突变性的,具有时空效应。     

下石节煤矿214煤仓给煤硐室失稳破坏数值模拟分析

以下石节煤矿214煤仓因给煤硐室混凝土承载结构受围岩、水及压力的长期影响而变形破损严重，不能满足矿井正常生产需要为背景，结合理论分析与数值模拟，分析了214煤仓给煤硐室失稳破坏原因及煤柱高应力、水对给煤硐室稳定性的影响。研究表明：高应力作用下，硐室混凝土承载结构及围岩处于较大范围的剪切屈服状态，承载结构表面因围岩的强烈挤压而发生拉伸破坏；硐室底板炭质泥岩及根土岩遇水后的膨胀及弱化，会导致底板围岩的强烈鼓出，混凝土底板承重梁受底板围岩挤压而鼓出并几乎完全处于拉伸破坏状态，立柱也因受到挤压而发生强烈剪胀并完全处于拉伸破坏状态，导致了混凝土承载结构的整体失稳破坏。     

基于蝶形破坏理论的地震能量来源

地震发生时释放的巨大能量从何而来,一直以来都是还没有认识清楚的问题。考虑到两组地壳破裂带交叉部位强震频发的基本特点,基于蝶形破坏理论,构建以软弱异性体为中心的能量计算模型,提出了地震能量的计算方法。从软弱异性体围岩发生塑性破坏引发能量改变角度出发,数值模拟分析地震过程中有软弱异性体存在对地壳围岩能量分布的影响,探讨了自然地震触发的一般规律;以中国大陆西南地区含鲁甸ML6. 5级地震震中位置区域为地质背景,进一步对比分析有无软弱异性体条件下,地震震源能量与分布特征的变化规律。研究结果表明:地壳内部软弱异性体使其周围岩体应力重新分布,形成围绕软弱异性体的应力集中;随着挤压与张拉构造应力的加剧,软弱异性体围岩出现蝶形破坏区,蝶形破坏区蝶叶周围岩体集中的大量弹性能,是地震能量主要来源;软弱异性体使其周围岩体能量积聚特征呈指数型变化,且在软弱异性体围岩蝶形塑性破坏演化过程中会形成蝶形能量集中区,标志着系统由稳态向非稳态能量集中的转变;地震发生时软弱异性体周围岩体塑性破坏范围与积聚能量所处的状态决定了地震发生级别的大小,在蝶形塑性破坏的剧烈扩展阶段,微小的应力扰动即可引发整个围岩能量系统的灾变,引发大级别的自然地震。     

深井软岩巷道破坏原因及矿压显现规律

根据现场调查和实测结果，分析了马路坪矿软岩巷道围岩变形和破坏的主要原因。通过数值模拟计算，分析了巷道围岩破碎区、塑性区范围和应力位移分布规律，为巷道合理支护形式的选择提供理论依据。     

谢桥煤矿锚注-爆破卸压修复巷道的试验研究

针对高应力软岩巷道修复问题,采用锚注-爆破对巷道进行卸压,通过注浆加固和合理选择爆破参数,将应力控制理论与新奥法支护有机结合,充分利用围岩自承能力支护围岩。爆破卸压改变了围岩应力自然调节过程,改善了围岩应力分布状态,支护结构上应力减小,采用较少的支护即可维护高应力软岩巷道的稳定。