Numerical simulation and analysis of moisture-heat coupling of soft rock tunnels in the cold regions

With the western development in China, more problems with rock and soil engineering in cold regions will be encountered. To study the stability of rock mass under the frost and thaw condition is of far significance. We attempt to simulate and analyze the temperature and moisture field in the surrounding rock of Dabanshan tunnel at its exit KI06＋025 in the cold region by software Femlab. First, introduced the common numerical solution to the moisture and heat coupled about the soft rock in tunnels of cold region. Then gave emphasis on simulation of the law of temperature distribution coupled temperature-moisture field and draw a parallel between temperature fields with different coefficient of percolation. In the course of simulation we considered the problem of caloric receptivity, thermal conductivity and critical heat varying with temperature.     

软岩交叉巷道开挖围岩稳定性数值模拟分析

本研究以北洺河铁矿为工程背景,针对采准切割工作中出现的软岩交叉巷道,运用FLAC3D对联巷交叉口进行三维数值模拟分析,研究交叉口围岩的力学、位移和变形破坏演化规律,并将控制点的位移监测值与计算值进行对比分析.研究结果表明:数值模拟方法必须辅以现场监控量测,才能客观正确地反映出地下工程在施工过程中围岩应力、位移及塑性区分布等特征,并为施工设计提供有效的参考依据.     

深部软岩巷道锚注支护机理数值模拟研究

自主研制了破裂岩样承压注浆试验设备,开展了破裂岩体注浆加固力学特性试验,分析了破裂岩样注浆加固前后的力学特性与微观结构。提出了"锚注加固体等效层"概念,采用FLAC~(3D)数值模拟研究了深部软岩巷道锚注支护机理,揭示了"锚注加固体等效层"厚度、弹性模量、内聚力、内摩擦角对巷道围岩位移及塑性区的影响规律,即随着"锚注加固体等效层"参数的提高,巷道围岩位移及塑性区随之降低,体现了注浆可提高破裂岩体的完整性与强度,为锚注支护参数优化设计奠定了基础。     

煤矿软岩巷道变形模拟与监测

为探索软岩巷道变形规律,以新上海一号煤矿软岩巷道为例,通过FLAC模拟软件,对软岩巷道变形进行了数值模拟。实地设立4个巷道变形观测站,并对其进行有规律的变形监测,计算变形量。最后,将FLAC模拟变形数据和实地监测变形数据对比,为巷道的优化支护打下基础。     

温度-应力-化学三场耦合作用下深部软岩巷道蠕变规律数值模拟

描述了所建立的连续介质温度场-应力场-化学场三场耦合控制方程。使用有限元程序对地下1 500 m的深部软岩巷道蠕变规律进行了温度场、应力场和化学场三场耦合过程的三维数值模拟,分析了温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变规律的影响。结果表明,深部软岩巷道产生大应变,主要来源是蠕变,弹性应变和热应变次之;温度场、应力场和化学场对深部软岩巷道蠕变都产生不可忽视的影响,就影响程度来看,应力场影响最大,化学场和温度场次之。     

硬脆性岩石卸荷流变试验及长期强度研究

为了进一步认识硬脆性岩石的卸荷流变行为,采用岩石全自动三轴伺服流变仪对硬脆性花岗岩进行了三轴卸荷流变试验,重点观察分析了硬脆性岩石在卸荷条件下的蠕变规律及蠕变特性,并根据试验结果对硬脆性岩石的卸荷长期强度的确定方法进行分析。试验结果表明,硬脆性岩石卸荷流变行为与加载流变不同,侧向比轴向更容易发生蠕变行为;偏应力水平越高,稳态蠕变速率越大,且二者符合指数函数关系;当应力水平超过流变阈值时,岩石进入加速蠕变阶段,并迅速发生延性扩容破坏。根据试验结果,岩石卸荷蠕变的长期强度应根据岩石稳态蠕变阶段轴向和侧向速率交点来确定,这样确定的岩石长期强度值要比传统方法确定的岩石长期强度值提升约10%的可靠度。     

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。     

钻孔应力分布特征及卸压增透技术的数值模拟

对钻孔的应力分布进行了系统研究,采用FLAC3D软件建立三维模型,综合考虑巷道和钻孔的共同影响,分析了不同原岩应力、钻孔深度、钻孔直径及钻孔数目条件下钻孔围岩的应力分布情况,并对水平多孔随钻孔间距变化的应力分布规律进行分析.采用卸压增透技术消除多孔间的应力集中区,对煤体进行卸压增透,消除突出危险性,最后利用数值模拟和现场工业性试验对效果进行验证.     

深部软岩巷道围岩变形特征及数值模拟分析

针对深部煤矿开采条件下软岩巷道围岩出现持续流变时间长、变形大、地压高、巷道难以维护等特点,首先分析了深部软岩巷道变形特征,采用FLAC^3D数值模拟软件,分析了不同埋深条件下巷道围岩垂直应力分布、水平应力分布以及巷道围岩塑性区扩展规律。研究得出,深部软岩巷道的围岩岩块呈松散破碎形态,相互翻转和滑移,岩体的模量和强度低;随着巷道埋深的逐渐增加,巷道围岩应力集中系数逐渐减小,巷道垂直、水平应力峰值逐渐变大,塑性破坏范围扩展速率逐渐增加。研究为深部软岩巷道支护提供理论基础。     

基于FLAC3D数值模拟的深井软岩巷道稳定性及支护方案设计研究

为了解决深井软岩巷道变形破坏严重及支护困难的问题,采用数值模拟手段及井下现场工业试验对深井软岩巷道的稳定性及支护方案进行了研究。结果表明:与矩形巷道相比,采用拱形巷道作为巷道断面的布置形状,能够有效改善巷道开挖后周边围岩的受力状态及应力值,能够在一定程度上增强巷道的稳定性;在对铜辉铜矿业深井脉外运输软岩巷道原支护现状进行相关分析的基础上,提出了"锚网+喷射混凝土+钢支架支护"的复合支护技术,经过井下现场工业试验可知,采用该复合支护方案能够有效控制软弱破碎围岩巷道的变形破坏。     

软弱破碎巷道围岩深浅承载结构力学分析及数值模拟

巷道围岩-支护相互作用体系中围岩承载区是围岩应力的主要承载体,控制围岩承载区域的稳定对巷道围岩的稳定具有积极作用。针对软弱破碎巷道围岩工程地质特性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法对巷道围岩承载结构进行研究。考虑巷道开挖后岩体强度、应力和变形特征,建立了软弱破碎围岩巷道的理论计算模型,得到了围岩的应力场、位移场和塑性破坏区范围的解析解;考虑岩石峰后强度软化、剪胀扩容效应、原岩应力和支护阻力等因素的影响,在空间上将巷道围岩承载结构划分为"浅支撑层"和"深支撑层",同时在深支撑层内,存在一个高应力区域,承担了围岩的大部分荷载,对深支撑层的承载能力与稳定起着关键作用,称其为"关键支撑层"。通过算例分析了围岩残余强度和支护作用对深浅支撑层结构演化特征和巷道变形的影响。采用FLAC3D程序对深浅支撑层结构演化特征及巷道变形进行了数值模拟。研究结果表明:围岩的残余强度越大,深浅支撑层结构在空间上表现的越明显;剪胀扩容效应发生在深支撑层中的软化区内,但其最终导致浅支撑层发生变形;随着原岩应力的增大,巷道围岩深浅支撑层的厚度均不同程度的扩大。     

深部软岩巷道注浆扩散规律的数值模拟研究

为了研究软岩巷道破碎岩体注浆扩散规律,以裴沟煤矿深部42采区巷道为背景,建立了注浆液体扩散的数值计算模型,采用离散元软件分析了5种不同注浆压力和5种不同水灰比条件下浆液扩散特征,研究表明影响浆液扩散半径显著的因素排序为注浆压力大于水灰比,并探讨了巷道围岩径向和切向方向上注浆压力随着距离巷道表面距离增加呈先增大而后衰减的变化规律,但衰减具有差异性,最后进行了注浆效果的检验。研究结果对软岩巷道破碎岩体注浆加固具有很好的参考价值。     

爆破震动影响下软岩巷道变形破坏特征研究

针对爆破震动对软岩巷道的稳定性产生影响的问题,对爆破震动条件下巷道变形破坏规律进行了研究。以矿山岩石力学理论为指导,对巷道稳定性受爆破震动影响的力学机理进行了理论分析。采用现场试验和三维数值模拟实验方法进行了实验研究,获得了爆破震动条件下软岩巷道的稳定性特征。研究结果表明当受到爆破震动影响时,巷道围岩内的塑形区将显著增大,从而加剧了巷道的变形破坏。     

煤与瓦斯突出多物理场分布特征的数值模拟研究

为揭示煤与瓦斯突出过程煤体多物理场耦合灾变机制,在含瓦斯煤气固耦合方程基础上,利用COMSOL软件中的固体力学与PDE模块,模拟了突出前后煤体应力场、变形场、气体流动场分布规律。与前期开展的突出物理模拟试验结果进行对比验证,证实了数值分析方法的可行性。模拟结果表明：突出后孔洞壁附近煤体发生塑性变形,导致此处煤体渗透率增大,且随着应力增大,突出孔洞壁处煤体渗透率可比原始渗透率增加2～3个数量级;突出后气体压力从突出孔洞壁面到煤体深部呈现先急剧上升后降低至原始气压的变化趋势,在孔洞壁处形成较高压力梯度,是突出持续发生的必要条件。     

深井软岩硐室底板加固技术及数值模拟研究

为了解决潘一东深井高应力软岩硐室底鼓难题,根据潘一东副井东等候室的工程地质条件,通过计算机数值模拟,提出了在对硐室顶帮浇筑混凝土的基础上对硐室底板超挖回填结合深孔锚索注浆进行底鼓治理。数值模拟和工程实践表明,方案实施后不仅提高了等候室围岩的稳定性,而且有效地控制了硐室的底鼓。     

彭庄煤矿软岩巷道底臌控制技术及数值模拟研究

 针对彭庄煤矿巷道围岩节理、裂隙发育,岩层浸水软化严重的复杂地质条件,以马头门大范围内的岩体为研究对象,通过对围岩物理力学性能的测试、底臌影响因素的理论分析和底臌控制技术的数值模拟,提出了采用全断面注浆、高强超长锚杆加固顶板和两帮、底角锚杆和混凝土反底拱加固底板的综合控制底臌方案。并对马头门围岩收敛变形进行了长期的监测,监测结果表明马头门围岩顶底板的总变形量仅为5mm,这说明该方案有效地控制了底臌。     

深井断层破碎带穿层软岩巷道锚网索耦合控制对策

旗山矿开采深度近千米,随着开采深度的增加,在高地应力、特别是在水平构造应力和断层切割条件的影响下,巷道围岩出现顶沉、帮缩和底鼓等大变形破坏现象,其中顶沉及帮缩量最大处超过1 100 mm,原有支护很难控制巷道围岩稳定性,严重影响和制约了煤矿的安全生产。基于此,以旗山矿千米深井断层破碎带穿层软岩巷道为例,详细分析了巷道破坏特征及主控因素,得出了高应力膨胀型软岩巷道的破坏力学机制,提出了注浆+非对称锚网索+底角锚杆耦合支护控制对策,实现支护体与围岩在强度、刚度和结构上的耦合,从而达到控制深部软岩巷道稳定的目的。上述成果在现场进行了应用,监测结果表明耦合支护对深部高应力断层破碎带穿层巷道的稳定性起到很好的控制效果。     

大倾角硬顶软底软煤走向长壁综放开采集成技术

针对硬顶软底软煤大倾角煤层埋藏条件复杂、开采难度大的条件,通过工作面“三机”配套、超前预爆破、回采工艺、巷道优化布置、矿山压力监测、工作面安全管理保障技术集成体系的应用,解决了该类煤层走向长壁综放开采难题,取得了良好经济社会效益。     

极软岩层巷道围岩控制机理及支护技术

为了探讨极软岩巷道围岩合理的控制方法,根据牛马司矿业公司水井头煤矿412下山地质构造条件和围岩特征,采用现场观测、X射线衍射图谱分析和钻孔窥视仪观测,分析了极软岩层巷道的岩石矿物成份、变形机理和破坏原因,提出了高阻让压、大刚度、高强度耦合支护技术,并运用FLAC2D进行数值模拟,结果表明采用大刚度、高强度耦合支护是可行的.根据现场监测数据和耦合支护原理,确定了合理的各支护环节耦合支护时间,工程实践表明,该技术能够软岩有效的控制极软岩巷道围岩的强烈变形,保证巷道的稳定,为解决类似条件的极软岩巷道支护问题提供了新的思路.     

软岩底板突水机理分析及数值试验

结合煤矿地形特征和煤层赋存条件,通过数理方程确定底板发生破坏的条件,实现对突水通道的初步预测与定位;利用RFPA软件对煤矿软岩底板进行突水机理数值试验研究,进行煤层底板突水路径的应力场、渗流场和声发射演化过程分析,再现底板突水的形成过程,即底板在水压驱动下出现裂纹萌生、扩展以及水压跟踪传递,最后底板隔水层变成导水通道层。研究结果表明：董家河煤矿可通过调控煤层底板突水的条件使之不发生突水事故;该数值计算方法适用于具有类似地质条件的煤矿,可为煤层底板突水机理研究和防范矿井突水事故的发生奠定理论基础和方法指导。