岩性弱结构巷道围岩的塑性区与松动圈形态

根据煤系地层赋存的不均一性和巷道围岩变形破坏的不均衡性，提出了巷道围岩弱结构与弱结构体的概念：在数值模拟及现场实测的基础上，分析了不同类型、断面形状及围岩应力状态下的岩性弱结构巷道塑性区的分布特征，以及岩性弱结构巷道围岩松动圈的发育特征。研究结果为岩性弱结构巷道的非均称控制提供了依据。     

深井巷道层状围岩变形破坏特征及机制研究

层状岩体变形破坏特征与均质岩体存在很大差别,深入揭示层状围岩在掘进过程中的变形破坏特征和机制,对于确保矿井安全生产具有重要的理论意义。本文通过进行层状岩石室内试验,建立了横观各向同性应变软化力学模型,通过掘进全过程的现场监测和数值模拟结果揭示了深井层状围岩的变形破坏特征和机制,采用相似材料试验揭示了预应力锚杆支护结构对层状围岩变形破坏的控制作用。学位论文完成的主要工作有:(1)分别开展了不同层理角度时的互层状砂岩三轴压缩试验、岩样破裂面的电镜扫描和巴西劈裂试验。分析结果表明:层状岩石强度随层面角度增大呈U型分布规律,层状岩石的各向异性程度随围压增大而降低;层状岩石破坏形式由围压、层理角度和岩石细观结构共同控制;竖直层理岩样弹性模量大于水平层理,倾斜层理岩样最小,这主要是由不同层理倾角时层状岩石的承载方式决定的;岩样抗拉强度随线荷载与层面角度增大而增大,其机制为岩样破坏由层理面的剪切破坏演化为穿过层理面的剪切–拉伸破坏,并最终过渡为基质的拉伸破坏。(2)针对现有横观各向同性力学模型未考虑单元应力状态的不足,基于互层状砂岩压缩试验结果,提出了考虑体积应力的塑性内变量表达式,并以此为基础分别研究了基质和层理的应变软化规律,建立了考虑体积应力的横观各向同性应变软化力学模型。基于该模型编制了相应的岩石变形破坏有限差分程序,并通过试验结果进行了检验。结果表明,无论从曲线的变化规律还是定量描述上,数值计算结果和试验曲线均体现了很好的一致性,说明利用该模型可以较好地反映层状岩石的力学特性和变形特征。(3)采用单因素分析方法对建立的横观各向同性力学模型的参数进行了敏感性分析,确定了对围岩变形敏感的参数;通过设计基于粒子群(PSO)优化算法的参数反演程序并将其嵌入FLAC3D程序中,建立了对变形敏感的力学参数的反演方法,为深井巷道层状围岩开挖模型参数的确定奠定了基础。(4)以济宁三号煤矿深井层状围岩为研究对象,通过布置超前监测断面,首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的变形规律,将巷道围岩变形划分为缓慢增长、迅速增加和变形稳定三个阶段,得出其演化机制主要与围岩的瞬间卸荷及应力调整有关。通过掘进面后方收敛变形的监测,将巷道表面收敛变形划分为失稳破坏、持续变形和变形稳定三个阶段,得到围岩变形的空间效应主要集中体现在第一阶段,而时间效应则主要体现在第三阶段。(5)基于深井巷道围岩深部位移实测数据,采用前文确定模型参数反演方法,得到了对变形敏感的七采区层状围岩力学参数。将所建立的横观各向同性应变软化模型应用于深井层状围岩巷道的分步开挖过程的模拟,获得了围岩的应力、塑性区和变形等参数随掘进面推进的演化规律,并给出了相应的巷道支护建议。通过相似材料试验分别模拟了未施加锚杆和施加预应力锚杆后含人工预制层理试样的变形破坏特征,揭示了预应力锚杆支护结构对于层状岩体变形破坏的控制作用和效果,为现场施工及支护设计提供了理论支撑和依据。     

深部不同断面巷道分区破裂形态与围岩结构控制

采用理论分析、现场实测、模拟分析的方法,研究了各向等压条件下等效开挖矩形、直墙半圆拱和圆形断面分区破裂形态及围岩稳定结构。结论：3个断面分区破裂形态不同,矩形断面分区破裂呈“”状分布,直墙半圆拱断面分区破裂呈多层的“”状分布,圆形断面分区破裂呈“花瓣”状分布;三个断面位移特征相似,位移等值线浅部呈正立的“鸡蛋壳”形,深部呈“碗”形;支承压力在主破裂面处降低,在最外层主破裂面头部集中,在破裂面之间完整岩层处升高,呈分区集中,“波谷—波峰—波谷”震荡增高的特征向外传播;理想正方形破裂面弦长有${a_{n{text{ + 1}}}} = sqrt {text{2}} {a_n}$（n=1,2,3,4）关系;浅部围岩分区破裂形成后,相当于深部围岩的伪开挖,3个断面均存在多层“”形围岩承载结构。巷道稳定原理就是促进多层承载结构相互依存,共同承载。具体措施：加密、加粗、加长锚杆（索）支护结构,建立浅部与深部多层承载结构相互联系,在浅部形成稳定锚固体促进深部围岩稳定,主破裂面精准注浆修复围岩破裂面和限制主破裂面滑移。     

大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理与支护技术

为解决大倾角煤层旋采巷道围岩变形控制难题,以潘北矿12124大倾角煤层回采巷道为工程背景,采用现场试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了旋采巷道破坏规律及上采空区支承压力对巷道的影响,分析得出大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理。结果表明:(1)旋采巷道拐点处断面较大,且受到上采空区及超前支承压力影响,巷道应力值增大,支护体压缩破坏失稳;(2)旋采至拐点前10 m处采空区煤柱应力与采动应力贯通,同时大倾角下巷道受到上覆岩层剪切应力影响,巷道变形增大。通过分析及工程实践,提出并实施了巷道卧底扩刷、锚网索联合支护方式,有效控制巷道变形,取得较好的社会效益。     

圆形巷道围岩变形破坏的连续–离散耦合分析

基于有限差分理论及颗粒流理论,以FLAC及PFC程序为实现平台,将颗粒体模型嵌入有限差分网格内部空域,采用fish语言编译连续元与离散元计算数据传输交换函数,建立二维平面应变圆形巷道连续–离散耦合分析模型,从宏–细观角度深入开展不同围压条件下圆形巷道围岩变形破坏机制的研究。研究表明:(1)在低围压条件下,巷道开挖围岩发生弹性变形。当水平围压与垂直围压相等,相同径向距离处的围岩变形量近似相等,均指向圆心。(2)在高围压条件下,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道顶板、底板,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道两帮。围岩破坏形态均呈\"毡帽形\",帽口朝向巷道中心。(3)在高围压条件下,随着围压不断提高,破裂总数逐渐增多,而破裂孕育扩展时间不断延长。当侧压系数K=1,围岩破坏表现出明显的分区破裂化现象。     

“围岩变形内表比及一种新的巷道围岩分类法”讨论

 拜读杨新安、黄宏伟两位先生在《岩土工程学报》１９９８年第３期上发表的“围岩变形内比及一种新的巷道围岩分类法”［１］一文后，深受启发，现就该文所提出的深表比用于围岩分类问题与作者作如下讨论。（１）一般来说，巷道围岩变形的程度从表面向内部是逐渐降低的，作...     

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。     

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

DDA方法在复杂地质条件地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

摘要：以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

软弱半煤岩巷围岩的变形机制及控制原理与技术

 以广西百色东笋煤矿为工程背景,针对力学强度较低的半煤岩巷道难支护问题,采用现场调查、室内试验、岩体测试与监测、数值计算、理论分析和工业试验等手段进行变形机制和控制技术等研究。首先,通过巷道变形情况的调查发现,东笋矿区半煤岩巷呈现大变形特点,变形主要出现在巷道的两帮,以中下部最为严重;进行围岩裂隙窥视与实验室力学试验,可知,巷道岩体强度较低,遇水崩解、膨胀,松动圈可达到4 m左右。然后,分析岩煤巷道破坏的主要原因与变形特点,认为支护失效与巷道失稳的主要路径为：围岩强度较低→节理裂隙发育(外界环境及扰动作用下)→碎胀变形→应力叠加及流变→大变形;最后,分析该类巷道的支护原理,提出以“桁架锚索”为核心的“锚、网、索、梁”综合支护技术。理论分析表明关键在于帮部的支护,即桁架锚索,桁架锚索既起到力传递作用,又增大帮壁煤岩体的受力面积,提高支护刚度。根据煤岩体变形与桁架锚索受力特点,设计一种反扣装置,该装置能提高锚索桁架钢的抗弯矩能力。应用表明,该综合支护技术能发挥“固帮”“强顶”和“抑底”等作用,从而达到全方面地提高巷道的稳定性。     

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。     

软岩巷道支架壁后充填与围岩关系的研究

支架的高阻和可确保软岩巷道稳定性的关键,受力条件恶凶制着软岩巷道支架支撑能力的发挥,实施支架壁后充填使支架及早承载和均匀受力,可大幅度提高支架的工作阻力,有效地控制巷道围岩地强烈变形,     

软岩锚杆强壳体支护结构及合理参数研究

提出了软岩巷道强壳体支护的基本内涵及3种基本支护形式，对锚杆强壳体支护原理进行了力学分析。在此基础上推导出强壳体合理锚杆支护长度、支护间排距、锚杆直径等支护参数的求算公式及其对强壳体结构的影响。研究结果表明，软岩巷道应用“短、细、密”锚杆支护效果优于普通锚杆支护，研究结果在龙口矿务局软岩巷道支护的实践中得到证实。     

深井软岩巷道钢管混凝土支护结构性能试验及应用

 深井软岩及动压巷道支护难度大,传统的支护方式已难以满足需要。为此研发钢管混凝土支架,在实验室测试支架的力学性能,试验支架采用f140 mm×4.5 mm钢管和C40混凝土,由4段构成,接头采用套管连接。在侧向约束、纵向点载荷加压条件下,试验支架的极限承载力为1 504.1 kN,纵向极限压缩变形为82.65 mm,破坏方式为钢管材料屈服破坏。与U型钢支架相比,钢管混凝土支架支护反力大、性价比优越。钢管混凝土支架在煤矿井下巷道支护应用效果良好,有着广泛的推广应用前景。     

深井煤层巷道围岩控制技术及试验研究

分析深井煤层巷道围岩变形特征和支护失效的原因，提出此类巷道的内外结构耦合平衡支护原理。对深井煤层巷道的围岩控制，必须有较高强度的支护结构参与巷道开掘后围岩应力的调整过程，减少围岩内部煤体强度损失。在巷道周围应尽快形成稳定内部承载结构，这样才能缩小围岩塑性流动区的范围，维护巷道的稳定。进行工业性试验，取得较好效果。     

某水工隧洞围岩稳定及支护结构分析

隧洞的围岩稳定及支护结构安全是保证隧洞安全、实现隧洞功能的关键因素.由围岩加固圈承担主要的外水压力是优化支护结构设计、保证围岩稳定的一种有效方法.建立肯斯瓦特导流泄洪洞三维有限元模型,并进行非线性有限元分析.分析结果表明,设计的支护措施能明显减少围岩变形、改善应力分布,为类似工程设计提供参考.     

地质力学模型试验中围岩断裂缝测试技术研究与应用

 针对地质力学模型试验中围岩断裂缝测试技术要求,提出采用断裂丝测试围岩断裂缝的方案,并对断裂丝材料进行筛选。通过对比试验,最后选择石墨型线材,该材料基本上能与模型介质的断裂缝同步发生,满足试验要求。将该材料应用到淮南煤矿中,得到围岩断裂缝的发生、发展过程。本技术可为类似试验中的断裂缝测试提供借鉴。     

红层软岩变形特性试验研究

 以沪蓉西高速公路工程中发生变形破坏较多的巴东组红层软岩为研究对象,通过室内三轴压缩试验、现场承压板压缩试验及流变试验对岩体的变形特性进行系统分析。室内三轴试验分别对自然和饱水状态下的岩体进行分析研究,建立考虑结构面闭合变形的红层软岩弹性本构模型,并分析水对岩体变形特征的影响;现场承压板试验分别对泥质含量不同的2处岩体进行压缩试验,分析其变形特性的异同,同时对其中一点在外荷载作用下内部岩体的应力分布以及位移影响范围和深度进行探讨,并对循环荷载作用下岩体的变形特性进行分析;流变试验在3级不同荷载下进行,通过试验结果建立考虑结构面闭合变形的流变本构模型。通过以上一系列分析研究,从整体上把握巴东组红层软岩的变形特性,为深入研究该岩体其他特性打下基础,同时对该类岩体组成边坡,尤其是对反倾边坡的设计具有重要的指导意义,也为预应力锚索在该类岩体边坡中的加固效果研究提供参考。     

埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究

通过室内模型试验,研究公路隧道IV,V级围岩在不同埋深条件下全断面开挖时的围岩破坏情况,实现自重应力场作用下毛洞状态时隧道围岩破坏过程的试验模拟,得到拱形塌方和塌穿型塌方2种围岩破坏模式。试验结果表明:隧道围岩的破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;埋深越小,隧道越易发生塌穿型塌方,而当埋深小于某一值时,因隧道开挖后围岩应力未超过围岩强度,隧道反而能保持稳定状态;对塌穿型塌方,隧道埋深越大,开挖后围岩维持稳定时间越短,塌方程度越严重,塌方向地表发展得越快;对同一类型的塌方,隧道埋深越大,塌方后隧道周边应力变化幅度越大。