软岩巷道开挖面承载结构研究及分层支护设计

通过研究深部软岩巷道开挖面围岩力学承载结构的形成机理和演化规律,指导巷道结构性失稳支护工艺设计。基于软岩力学模型和统一强度准则,考虑“开挖面效应、时间效应”,推导围岩弹塑性解。在算例分析中,建立围岩力学承载结构,提出围岩结构性失稳的梯次支护的原理,发现围岩力学承载结构对巷道破坏特征有一定影响,并分析“面效应、时间效应”影响下的围岩力学承载结构稳定性。据此设计“短锚杆全长注浆-端头锚注-短锚索”梯次支护方法;经数值计算,可知改进后的梯次支护能够确定合理的锚注有效范围,该支护能使围岩形成稳定的承载结构,并及时减小围岩松动圈范围。     

考虑中主应力和剪胀的深埋圆形隧道黏弹塑性蠕变解

深埋圆形隧道的开挖支护是与时间相关的复杂力学过程。为了描述这一过程,假设隧道围岩为Burgers体与Drucker-Prager准则组合的黏弹塑性模型。隧道开挖支护完成瞬时围岩表现为弹塑性,此时考虑中主应力的影响,推导出原岩应力和支护反力共同作用下的应力场;随后,假设此应力场保持不变,隧道围岩表现出随时间变化的蠕变性能,进一步推导出深埋圆形隧道考虑剪胀性能的围岩蠕变位移解析式;结合实际算例,分析围岩剪胀角与支护反力对深埋圆形隧道围岩蠕变位移的影响规律。结果表明,剪胀角的变化会对隧道围岩蠕变位移产生较大影响,而支护反力并不能完全控制高地应力作用下的深埋隧道围岩位移随时间的持续增加。     

软弱围岩蠕变损伤机理及合理支护时间的反演分析

基于软弱围岩的蠕变损伤机理，提出了围岩蠕变损伤具有变形损伤与时间损伤耦合效应的观点。运用Burgers模型引入蠕变损伤变量，采用位移反分析方法对圆形巷道的粘弹性变形规律进行研究，得出软岩巷道合理支护时间的确定方法。通过工程实例证明该方法是合理的。     

核废料地下储库围岩长期水力响应特征

黏土岩由于其低渗透性和损伤自修复等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。以黏土岩为研究对象,结合相关室内试验和现场监测成果,在总结黏土岩蠕变变形规律的基础上,考虑蠕变过程中的损伤和应变累积,建立黏土岩非线性蠕变损伤本构模型,并将其应用于比利时核废料地下实验室长期水力响应特征分析。研究结果表明：(1)非线性蠕变损伤本构模型能较好地反映黏土岩的非线性蠕变损伤过程;(2)巷道开挖对巷道洞周围岩水力性质影响显著,洞周附近围岩变形增大、孔隙水压力迅速减小;(3)围岩变形与开挖巷道距离和流变时间密切相关：随着与巷道距离的增大,开挖对巷道洞周附近围岩变形、孔隙水压力的影响逐渐减小,而随着时间的增长,巷道洞周附近围岩变形、孔隙水压力逐渐增大;(4)高放废物处置库衬砌的蠕变变形规律与现场监测结果相吻合,验证了模型的可靠性。研究成果将为我国未来黏土岩核废料地下储库的建设和稳定性评估提供重要理论依据。     

北山坑探设施开挖全过程围岩内部位移现场量测试验研究

为研究硬岩条件下巷道开挖围岩内部位移变化特征,以高放废物地质处置地下实验室北山坑探设施为试验平台,设计原位试验方案,开展围岩内部位移现场量测试验,分析巷道开挖全过程围岩内部位移的演化特征,采用Lee方程、Hoek方程、V-D方程3个典型LDP曲线方程进行掌子面空间效应分析和损失位移求取。研究结果表明:北山花岗岩地质条件下,巷道爆破开挖全过程中,围岩内部位移变化随掌子面的推进呈现初始增长、快速增长和稳定收敛3个阶段;量测断面附近的围岩内部位移时态曲线呈现出阶跃特征,与分级加载下岩石蠕变试验曲线的形态特征相类似;距离巷道侧壁较远的测点受掌子面空间效应的影响范围较小,且在掌子面前方产生的位移释放量所占比重较大;采用Hoek方程求解的损失位移与实测值更为接近,为最优求解方程;在距掌子面2 m远设置量测断面,其损失位移已占总位移的50%以上。研究结果可为后续地下实验室开挖过程中的围岩内部位移量测和分析提供借鉴与参考。     

高地应力区结构性流变围岩稳定性研究

主要针对金川矿区地下巷道,根据大量的现场调研以及丰富的试验、测试和监测资料,同时查阅并参考了国内较多类似地下工程的资料,发现这类高地应力区较破碎的坚硬或较坚硬围岩的流变性及其他相关特征,在时间和空间上,既具有理论上的普遍规律,同时也显示出诸多特殊性,从而围岩的变形破坏特征兼具软岩和硬岩的部分性质。这些特殊的时空特征与目前的科学概念相悖,也是现有理论所不能解释和解决的。究其原因,它们不是由岩石变形引起,而是由结构面的时间相关性变形所致。据此,提出围岩结构性流变的新观点。结构性流变(structural rheology)是指在高地应力区完整性差的坚硬或较坚硬岩体内,由于工程开挖,结构面依应力状态而发生一系列复杂的时间相关性力学行为和力学响应,致使工程岩体表现出显著流变的现象或过程。利用多种实测资料,从围岩应力、围岩位移、围岩压力和巷道变形破坏的时间和空间分布特征、弹性波速度的时空变化特征以及渗流场的时空变化特征等方面,论证了围岩动态过程中,结构面随时间而发生变化,导致围岩产生强烈的流变和其他相关特征。并用这些资料,讨论了围岩的结构性流变的动态特征、机制和模式,也给出了结构性流变的理论解析解和数值计算结果。理论解析解和数值计算结果与实测结果吻合非常好,     

深部软岩隧道施工性态时空效应分析

随着我国交通事业的迅速发展,在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少,随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明,计入围岩流变效应,考虑深部软岩隧道时空效应影响,在作业面影响范围内,开挖面空间效应占主导因素,围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放;在此范围外,软弱岩体流变属性得以充分发挥。通过分析和施工实践证明,对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护,以改善承载环范围内围岩受力,减少扰动,提高围岩自承能力;由于软岩流变效应显著,必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力,限制围岩大变形。研究成果丰富了地下工程施工力学理论,可应用于工程实践。     

金川二矿区巷道围岩力学参数空间效应数值分析

用有限元位移反分析法，对金川二矿区某巷道的围岩力学参数(变形模量)进行了空间效应的数值分析。分析结果表明，在岩体破碎、工程地质条件恶劣且处于高地应力环境中的金川矿区，巷道由于开挖卸荷，岩体质量下降，相应的力学参数变化很大。最后，初步得出了此巷道围岩变形模量的空间分布规律。     

松散软岩巷道破坏的颗粒离散元模拟分析

松散软岩巷道的开挖与支护问题一直是理论与工程难题,围岩破坏机理则是围岩变形控制的关键。结合具体工程,针对一种典型的松散软岩,根据其地质条件和物理力学特性,采用颗粒离散元软件对软岩中巷道的开挖过程进行了数值模拟。文章还再现了软岩从开挖到破坏的整个力学演变过程,以及围岩在一定范围内从裂隙产生到贯通的整个渐进式破坏过程,详细分析了围岩各个关键部位的应力特征,得到巷道围岩应力分布特征图。在等围压的情况下,岩体还表现出较好的成拱效应,能够较好地自稳,得到巷道围岩成拱示意图。分析结果与巷道弹塑解能很好地吻合。以上结果表明,颗粒离散元对类似的岩土工程力学过程和机制的分析有很好的运用前景。     

膨胀岩隧洞时效变形预测模型及应用

膨胀性软岩隧洞变形是一个以吸水膨胀性变形为主,蠕变、扩容等多因素影响的复杂时变问题。为了预测隧洞开挖后围岩的变形,假设隧道围岩遵循Burgers体与Hoek-Brown准则组合的黏弹塑性模型,并结合湿度场理论和非关联的流动法则,推导了膨胀性软岩遇水工况下的黏弹-塑性时效变形方程,最后根据所得的位移解析式,结合理想案例和Nabetachiyama隧道实例分析了不同参数对深埋圆形隧洞围岩位移随时间变化的影响规律。结果表明:采用的预测模型可以较好地预测膨胀性软岩在遇水工况下的时效变形,且参数相对较少,物理意义明确,识别简单,本文方法可以很好地应用于地下工程实践。     

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。     

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。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

高应力软岩近距离巷道工程的掘进扰动与稳定性

针对高应力近距离巷道工程的开挖掘进及稳定性问题,进行了理论分析、数值计算及现场监测等一系列研究。首先,在某矿山深部巷道工程的地质与施工条件基础上,采用理论方法分析了掘进爆破扰动应力传播规律及其对邻近巷道或硐室围岩稳定性的影响,并给出了扰动波在岩体中的衰减方程。然后,根据相关理论,采用FLAC软件进行了一次爆破掘进长度和开挖工序等掘进方案的数值分析,结果表明：在动荷载（爆破掘进）作用下,由施工巷道开挖时所产生的变形会直接影响到邻近硐室或巷道周边岩体,应力释放区域较大；当一次爆破掘进长度较小时,由于整段巷道的扰动次数较多而会引起变形增大,但初始速度较小,则反之。最后,采用监测的方式,对施工巷道进行了开挖扰动分析,结果表明：相距为20 m左右的两条巷道,开挖爆破扰动程度较大区域在后掘巷道掘进工作面的前后10～20 m范围之内,而对本条巷道扰动程度较大范围一般距掘进工作面25 m左右；并按照扰动程度大小可分为破坏区、影响程度较大区和影响程度较小区,破坏区和影响区一般位于掘进面30 m以内。     

平顶山矿区深部大规模松软围岩巷道支护技术

针对平顶山矿区深部大规模松软围岩稳定性控制问题，以典型大规模松软围岩巷道为研究对象，研究确定其围岩的赋存条件，采用离散元方法模拟巷道围岩的变形破坏过程，揭示其破坏机制，提出相应的支护对策，结合深部巷道围岩稳定性控制理论拟定支护的总体思路，确定具体支护方案，研发围岩巷道的抗折抗裂喷层技术及深部巷道底臌治理技术。研究结果表明：围岩承受的高地应力与其自身低强度之间的矛盾是造成深部大规模松软围岩巷道失稳的主要原因；巷道首先在拱顶、底板中央区及两侧边墙受张拉破坏，拱肩及两侧底角受剪破坏，破坏区范围逐渐向深部扩展直至失稳。现场实测数据表明：在方案实施2个月后，锚杆、锚索受力在较高值趋于恒定，充分发挥了支护作用；水平收敛、拱顶下沉和底板臌起趋于稳定，大规模松软巷道围岩稳定性得到有效控制。     

STUDY OF DOUBLE-CABLE-TRUSS CONTROLLING SYSTEM FOR LARGE SECTION COAL ROADWAY OF DEEP MINE AND ITS PRACTICE

 针对深井大断面煤巷围岩支护过程中出现的顶帮大变形控制难题,综合现场调研、数值模拟、理论分析、井下试验及现场实测,分析围岩变形破坏特征,提出高应力大断面巷道围岩控制系统--双锚索桁架,并对其组成结构、控制机制、支护优越性、应力场分布特征、关键支护参数等进行系统化研究,得出：(1) 深井大断面煤巷围岩变形特征为：移近量大、敏感系数高、变形具有持续性及破坏针对性强;(2) 新型双锚索桁架控制系统在巷道围岩中形成厚承载层和梯次锚固体结构,提高锚固岩层抗拉(剪)强度,保障巷道围岩和支护结构的稳定性;(3) 模拟得出双锚索桁架在岩层中形成垂直顶板(帮)均匀预应力带,预应力分散度低,影响范围集中于锚索锚固点区域3～5 m处;(4) 详细介绍井下运用双锚索桁架控制系统的一典型深井大断面煤巷成功实例。研究成果在邢东矿区获得全面应用,对类似条件工程的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

主应力演化影响下的深部巷道围岩变形破坏特征试验研究

研究主应力变化对深部巷道围岩变形破坏特征的影响是巷道支护中非常必要的。以某矿处于深部高水平应力条件下的巷道围岩为工程背景,以大尺度三维相似材料模拟试验系统和制作的主方向应力传感器量测工具,采用"先加载后卸载"的开挖方式模拟主应力大小和方向演化影响下的有支护巷道围岩产生剪切滑移的变形破坏特征。研究表明,在高水平应力环境下巷道在掘进开挖过程中顶底板受挤压剪切作用产生变形破坏,破坏范围呈现"楔形"渐进发展;通过模型剖切面发现巷道围岩顶底板产生了不同数量的对称螺旋状剪切滑移裂缝,并向巷道两帮发展并交叉,将巷道围岩形成一定范围的剪切破坏区域;通过分析主应力大小及方向的演化可知,巷道围岩受高水平应力作用形成的剪切滑移裂缝破坏与主应力大小及方向演化存在必然联系,认为最小主应力的调整对剪切滑移裂缝的形成起到了重要作用。     

新疆中生代复合型软岩大变形控制技术及其应用

 针对新疆沙吉海矿区中生代复合型软岩产生的顶板离层冒落、侧墙鼓出、底板鼓起等非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、理论分析、数值计算、物化分析、软岩水理作用测试、现场测试等手段和方法,深入分析本区中生代复合型软岩巷道围岩的分子膨胀+岩体结构面错动+开挖扰动的复合破坏机制,提出以恒阻大变形锚网索耦合支护为核心的主动支护技术体系。通过恒阻装置充分释放围岩膨胀能和塑性能,减小支护荷载及高应力集中,同时借助高阻性能抑制过大有害变形,合理控制围岩塑性圈;然后通过锚网索二次耦合支护消除围岩塑性大变形、层间软弱结构面的错动引起的围岩–支护之间的变形不协调,并采用注浆锚管控制底鼓大变形,最终形成围岩–支护结构协同承载体系。基于非线性大变形力学设计方法及数值分析,进行施工过程设计及参数设计。工程实践表明,该技术得到成功应用,保证了巷道的稳定。