地下采场失稳的能量突变判断准则及其应用

文章在有限元计算模拟地下采场开挖的实际工程设计中，根据岩石破坏与岩体工程整体失稳破坏的含义不同，提出不能将岩石材料的破坏与岩石工程系统的破坏用同样的破坏准则加以判断的观点．运用能量的原理，借助突变理论的方法，推导出了采场开挖前后系统失稳破坏的能量突变准则，通过计算开挖前后能量变化值，以判断采场系统失稳的可能性．通过对国内某铅锌矿的有限元模拟分析，证明所提出观点和判断准则是正确的，具有一定的实用价值．     

地下采场失稳的能量突变判断准则及其应用

文章在有限元计算模拟地下采场开挖的实际工程设计中,根据岩石破坏与岩体工程整体失稳破坏的含义不同,提出不能将岩石材料的破坏与岩石工程系统的破坏用同样的破坏准则加以判断的观点.运用能量的原理,借助突变理论的方法,推导出了采场开挖前后系统失稳破坏的能量突变准则,通过计算开挖前后能量变化值,以判断采场系统失稳的可能性.通过对国内某铅锌矿的有限元模拟分析,证明所提出观点和判断准则是正确的,具有一定的实用价值.     

基于能量原理的大孤山露天矿西井边坡开挖稳定性动态调控

借助FLAC3D内嵌的FISH语言并基于边坡在开挖过程中的系统能量守恒原理,实现了对露天矿边坡模型在开挖扰动过程中的能量计算,定义了单元体能量损伤变量Du和系统能量损伤变量Ds,结合尖点突变理论并以系统总耗散能作为状态变量,构建了边坡系统的能量突变判据。以大孤山露天矿西井边坡为例,通过能量突变与损伤演化分析、安全系数变化分析、位移场演化分析以及施工成本比较分析,实现了不同治理方案情况下西井边坡开挖稳定性的动态调控并确定了最优治理设计方案。研究表明:能量突变特征值Δ<0是判定露天矿边坡在第ni步开挖后局部围岩系统失稳的充要条件;当西井边坡由-258 m平台开采至-294 m平台时,边坡稳定性受到开挖扰动影响较为严重;通过能量突变与损伤演化分析等上述4个方面分析的综合考虑,建议选用削坡15 m+巷道边坡加固+-210 m平台加固的方案作为西井边坡稳定性综合治理的初步设计方案;能量突变特征值和安全系数随开挖次数的变化趋势具有一致性,验证了利用提出的能量突变判据评价露天矿边坡在开挖过程中的稳定性是合理可行的,为西井边坡在后续开挖过程中局部岩体失稳防治提供了一定的理论参考。     

岩石材料变形稳定性的非线性分析

通过强度准则和非线性突变理论研究了岩石试验系统的变形稳定性问题,岩石的变形稳定取决于环境刚度和岩石本身的等效刚度,岩石的破坏失稳发生本构曲线峰值过后的某个位置。增大环境刚度有利于系统的稳定性,刚性加载一般不会导致强烈的失稳破坏,由尖点突变模型和强度准则求得了试验系统失稳位置所对应的变形值的表达式。     

基于突变理论的两断层中间区域重叠顶底板稳定性分析

为了实时保障位于两断层中间区域矿体开采时采场内作业人员和设备的安全。根据采场顶板破坏特征，结合数值模拟分析结果，运用结构力学分析方法，将采场重叠顶底板简化为固支梁力学模型。基于尖点突变理论，构建采场重叠顶底板的尖点突变模型，在充分考虑断层作用下采场重叠顶底板两端所受拉应力的前提下给出了采场重叠顶底板的失稳判据，为实时判断采场重叠顶底板稳定性提供了一个简单及时有效的计算公式，并通过工程实例验证了计算公式的准确性。结果表明：特殊断层会加大顶板岩梁受到的拉应力与X方向位移，且在重叠顶底板厚度一定的情况下，顶板受到的拉应力与X方向位移越大，重叠顶底板越容易发生失稳。     

突变理论研究单轴加载失稳与实验验证

为研究岩石失稳的破坏过程，将试验机与试样作为一个系统，这样利用突变理论研究该系统的失稳机制，建立产生失稳时的位移突跳计算式，利用自制的模拟材料在试验机上模拟了失稳现象，并测定了失稳时的位移突跳量，理论推导与实验结果相吻合，解释了注水软化抑制岩爆的机理。     

失稳倾向矿床结构参数优化及稳定性的能量突变分析

讨论了失稳倾向矿床的采场结构参数的优化问题,以平均能量释放率为优化目标,将数值模拟与正交设计方法相结合,提出了失稳倾向矿床采场结构参数优化的一般方法。采用作者改进的优化方法与程序,对某失稳倾向矿床的采场结构参数进行了优化研究,获得了该矿床开采设计较优的采场结构参数。并用能量释放理论进行分析,讨论了其稳定性,为矿山实际生产提供了可靠的理论依据。     

软煤层大采高综采煤壁片帮燕尾模型研究

以边坡工程分析方法为基础,建立了软煤层大采高开采面煤壁片帮的燕尾突变模型。通过讨论分析系统稳定性和煤壁的突变失稳过程,得知存在2种失稳情况。通过比较极软煤层不同煤硬条件下释放能量值,结果表明煤壁发生突然破坏失稳伴随着能量大量转化与释放的现象。最后提出了控制煤壁片帮的措施方法,从理论上验证了煤壁片帮现象是一种非线性突变现象,是一个由不同因素影响的复杂过程。     

充填开采过程中岩体能量释放规律研究

充填法开采过程中充填体与岩体的耦合力学作用是一个能量耗散过程。分析了岩石破坏比能,采用有限元方法研究了矿床开采过程中岩体能量的释放规律。研究表明,随着开挖体积的增加,岩体能量释放率逐渐增大,且随开挖体积呈二次曲线增长,采场充填对于减小岩体能量释放率具有显著的效果。     

基于突变理论的矿柱失稳破坏研究

针对岩体变形破坏具有的突变性,结合材料力学理论,建立了岩梁-矿柱的尖点突变模型。利用该模型研究矿柱失稳破坏发生的机理,并得出系统发生失稳破坏的条件及发生失稳破坏时系统释放的能量。研究结果表明,岩梁-矿柱系统的稳定性取决于系统自身的力学-几何特性,与外界因素无关。最后,以某金矿为实例,利用系统失稳条件对其采场结构参数的选取合理性进行了分析判断。     

基于有限元强度折减法的采场结构整体稳定性极限分析

以铜陵某铜矿开采设计稳定性研究为例, 利用有限元强度折减法对采场结构的整体稳定性进行了极限分析。计算结果表明, 由于采场结构布置和受力复杂, 仅靠数值计算解的不收敛性作为整体失稳判据是值得商榷的, 而以顶板塑性破坏带大面积贯通、关键点位移突变、破坏单元体积突变和塑性应变最大值突变作为整体失稳判据则具有一致性, 可作为采场结构整体失稳的判据, 由此得到采场结构的整体安全系数, 对地下矿山采场结构稳定性分析具有一定参考作用。     

基于突变理论的崩落法转充填法隔离矿柱安全厚度计算

崩落法转充填法开采过程中,合理确定隔离矿柱厚度对保证过渡采场安全回采具有重要意义。通过构建隔离矿柱力学模型,分析隔离矿柱破坏特征,建立了隔离矿柱的系统总势能关系式;基于突变理论,推导出隔离矿柱失稳的尖点突变模型;根据尖点突变模型失稳的充分条件和必要条件,建立了隔离矿柱安全厚度的计算模型。将此计算模型应用于研究鄂东某铁矿无底柱分段崩落法转充填法隔离矿柱厚度,理论计算的隔离矿柱厚度取值范围为15.49～19.36m。在数值模拟验证和工程试验生产中,取隔离矿柱厚度为17.50m时,隔离矿柱处于稳定状态。理论分析和验证结果表明,突变理论可解释隔离矿柱失稳的非线性动力学特征,隔离矿柱安全厚度计算模型可为工程设计提供一定的理论依据和工程指导。     

基于突变理论和广义H-B强度准则的采空区顶板稳定性分析

为实现煤矿采空区塌陷区土地的治理利用,对煤矿采空区进行顶板稳定性的分析与研究。鉴于采空区顶板的失稳破坏是一个非线性的过程,分别从结构力学和岩体本构关系两个角度建立采空区顶板稳定性分析模型。首先将采空区顶板岩梁结构简化为力学三铰拱模型,然后进行力学分析,求出其力学结构系统的总势能,基于突变理论,建立其力学结构失稳破坏的尖点突变模型;其次构建基于极限平衡法的采空区顶板筒状塌落一般模型,考虑到实际工程的广泛应用,进而建立基于广义H-B强度准则的矩形采场顶板筒状塌落极限平衡分析模型。最后通过不同工程算例分别对2个模型进行了分析和验证,且二者计算结果均与工程实际情况一致,说明两种模型均适用采空区顶板稳定性的分析,为研究采空区稳定性提供一种新的途径。     

空场法矿柱破坏规律及稳定性分析

为预测空场法采矿时矿柱破坏规律及失稳分析,运用断裂力学及突变理论建立了矿柱失稳的尖点突变模型.将开采厚度远小于采场跨度的空场法采场假定为无限大板上相隔一定间距的共线裂纹,采用断裂力学Ⅰ型裂纹模型,得出了矿柱破坏宽度的计算公式;基于突变理论以失稳阻抗因子和矿柱破坏发展因子为控制变量,矿柱应力强度比Fq为状态变量建立了矿柱失稳的尖点突变模型,研究表明:当Fq>1,矿柱会发生失稳;当Fq<1时,矿柱不会发生失稳.实例分析表明利用该模型对矿柱稳定性进行分析,其结果满足工程要求.     

基于能量释放理论的采场顶板极限跨距研究

基于对现有能量释放率和采场顶板跨距计算研究的基础上,将能量释放率运用于采场顶板跨距计算,经过理论计算得到对于单个采场和多个采场开采时,能量释放率均能适用,且采场失稳的能量释放主要是由顶板失稳造成的。在此基础上提出适用于采场失稳的面能量释放的概念和计算公式,并推导出顶板极限跨距和安全厚度的计算公式,可知顶板极限跨距和顶板安全厚度与弹性模量、埋深等呈非线性关系,将顶板极限跨距计算公式运用于其他矿山得到验证,并运用于挑水河磷矿开采的顶板极限跨距的计算,指导实际生产,也为顶板极限跨距和安全厚度计算提出新思路和方法。     

陈家沟煤矿冲击地压巷道支护抗震性能评估

基于冲击地压能量理论,推导冲击地压巷道在震源扰动时失稳冲击破坏的能量判别准则,提出冲击地压巷道支护能量评估方法,以支护系统吸收能量与冲击发生后巷道围岩释放能量为评价指标,对陈家沟冲击地压巷道支护能力进行计算评估.通过能量评估方法,结合陈家沟煤矿8514工作面巷道支护工程实践,假设发生最大能量为9.81×104 J矿震事...     

条带式Wongawilli开采煤柱系统突变失稳机理及工程稳定性研究

对于条带式Wongawilli新型减沉开采技术,煤柱失稳直接导致地表沉陷,影响建(构)筑物的安全,采用突变理论和损伤本构方程,建立了采硐间狭窄煤柱和条带煤柱失稳的尖点突变模型。计算分析了条带式Wongawilli开采煤柱系统工程稳定性及突变影响参数,得出了窄煤柱与条带煤柱的突跳压缩量计算公式,通过工程实例计算与数值模拟验证了结果的合理性。研究结果表明:采硐狭窄煤柱满足突变失稳的必要条件,其所受载荷、屈服刚度和峰值载荷压缩量决定着突变的发生;当采高在2~6 m变化时,采留宽度比需控制在0.16~0.75,才可保证系统不产生突变失稳。条带煤柱保持稳定则要求其核区率大于17%,在弹塑性区宽度比小于0.21的情况下,条带煤柱可能发生突变失稳。     

硬岩矿床岩爆防治的能量释放控制措施

讨论了在岩爆防治中能量释放控制的重要性，在以能量释放率作为衡量指标对冬瓜山铜矿深埋矿床采场结构参数和开挖步骤进行数值分析的基础上，提出控制能量释放的合理采场结构参数和开挖步骤，结合该矿岩爆现场调查资料，采矿方法以及支护原理，分析并提出控制巷道及采场围岩能量释放的支护及工程处理措施，研究结果已应用于该矿采矿设计和施工。     

深埋隧道围岩突变失稳风险预测

利用突变理论,基于现场拱顶下沉实测资料,建立了隧道开挖围岩失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结合工程实例进行预测,预测结果与现场施工情况一致。所提出的预测模型,可为预防深部隧道失稳破坏、采取合理施工措施提供参考依据。     

岩体工程失稳的塑性能突变判据及其应用

岩体工程失稳形式的判定是近年来岩石工程界关心的一个重要问题。在总结前人研究的基础上,根据能量耗散原理、突变理论,提出了岩体工程灾变失稳的塑性能突变判据,并应用于金川二矿水平矿层的稳定性判定,结合水平矿层的现场工程地质调查和声波探测结果,得出结论：水平矿层现已遭受新的破坏,处于峰值强度后的破裂状态,水平矿层在开采过程中不会发生突然性的灾变失稳。