深部巷道围岩分区破裂现象的试验与现场监测对比分析研究

为了从本质上认识一些深部巷道中出现的围岩破裂区和完整区间隔排列的分区破裂现象。以淮南矿区丁集煤矿深部巷道工程为研究对象进行了模型试验研究。并通过对现场监测结果和模型试验结果的对比研究与相互验证,归纳分析出了分区破裂现象的主要特征和变化规律,指出分区破裂是与洞室呈同心圆的环状拉破坏断裂。研究结果对于认识深部洞室围岩的破坏方式,揭示深部洞室围岩的变形破坏机理具有重要意义。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究

 为模拟分区破裂的产生条件和破裂机制,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程,通过多种测试手段获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律,从巷道围岩的破裂现象及其应变和位移的变化规律,有效揭示深部巷道围岩分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究深部巷道围岩的非线性变形破坏机制奠定坚实的试验基础。     

深部多裂隙岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有一定倾角的多组裂隙的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明:隧道上下侧围岩主要呈现大变形现象,左右侧围岩呈现分层破裂现象,破裂区随时间增长由内向外逐渐增多,在拱顶、底板大变形的诱导下发生边墙大体积坍塌;隧道围岩由内向外位移值和应力值呈现波动状分布;裂隙倾角与破坏区分布形态有一定相关性。为保障深部工程的安全兴建与运营提供了试验基础。     

深部圆形巷道破裂围岩的弹塑性分析

随着大量煤矿矿井开采深度的增加，在高围压的作用下，巷道围岩普遍出现破裂，而且围岩破裂范围在扩大的同时，往往出现继续破坏的现象。针对长的圆形巷道，将巷道围岩分成破裂区、塑性区和弹性区，采用Mohr-Coulomb准则，进行非关联弹塑性分析，获得其应力和变形的封闭解析解。通过利用在弹塑交界处应力连续的条件以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件，获得确定围岩破裂区和塑性区半径的解析式。最后，给出一个算例，分析其破裂区和塑性区应力、应变的分布特点以及破裂区范围的影响。利用所获得的结果，可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据。     

赵庄矿深部巷道围岩变形机理研究

随着煤炭开采不断向深部地层发展,深部高应力条件下巷道容易发生较大变形,造成冒顶、片帮等事故,因此以赵庄矿× ×矩形巷道为工程背景,结合现场试验测得的围岩力学参数,采用FLAC 3D数值模拟软件对不同条件下巷道围岩变形机理进行研究,研究结果表明了巷道宽度、高度、埋深、侧压系数的改变对巷道围岩塑性区分布状态和围岩变形量的影...     

深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

随着经济建设与国防建设的不断发展,深部岩体工程越来越多,如逾千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和南非金矿等)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等.深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象.除了岩爆和围岩挤压大变形以外,围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注.基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究,归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律,揭示分区破裂化现象产生的条件;提出这一领域的研究方向;同时介绍国内在该领域实验和理论方面的研究进展.     

深部层状围岩巷道物理模型试验研究

伴随浅部资源的开采枯竭,深部开采的频率将会增加,并且采深也会加大。深部巷道围岩大多为沉积岩,沉积岩的层理结构面,使其变形破坏特征明显不同于均质岩体结构,给巷道的稳定控制带来了困难。鉴于此,依托WYQ1000—Ⅰ型地下工程综合试验模拟系统,对深部层状围岩巷道展开物理模型试验,研究了三种支护方式下巷道的变形破坏特征及围岩的应力演化规律,为深部开采工程提供一定的参考。     

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+1=2(1/2)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。     

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。     

非协调变形下深部岩体破坏的非欧模型

 将岩体看成不含原生宏观裂隙而仅含原生微裂纹的颗粒材料。在开挖卸荷过程中,原生微裂纹启裂、扩展并穿过岩石基质,产生次生裂纹。此时,岩体出现非连续和非协调变形,经典的弹塑性力学理论不再适用于研究岩体的非连续和非协调变形情况。基于自由能密度、平衡方程和变形非协调条件,提出一种新的非欧模型,确定微裂纹半长度和密度对标量曲率和自平衡应力的影响,获得深部圆形洞室围岩应力场,它包括弹性应力和自平衡应力。由于自平衡应力的影响,当微裂纹的密度和半长度较大时,深部圆形洞室围岩的应力场具有明显的振荡特性。但是,当微裂纹的密度和半长度较小时,深部圆形洞室围岩的应力场振荡特性不明显。对于位于波峰附近的微裂纹,其尖端的应力集中将导致次生裂纹的失稳扩展、连接、合并成宏观裂隙,形成破裂区;而对于位于波谷附近的微裂纹,其尖端应力集中不足以导致次生裂纹发生失稳扩展,因此出现非破裂区。深部圆形洞室围岩应力场交替出现波峰和波谷现象导致破裂区和非破裂区的交替出现,即分区破裂化现象。通过数值模拟,详细研究微裂纹半长度和密度对深部岩体分区破裂化现象的影响。     

深部巷道围岩分区破裂化现象现场监测研究

 随着矿产资源的开发,深部巷道围岩中出现了破裂区和完整区相间的分区破裂化现象,这是一种新发现的特殊工程地质现象,引起了国内外岩石力学界的关注,但相关研究还不深入。为在现场监测深部巷道围岩的分区破裂化现象,在淮南矿区近千米深井半径不同的巷道选择了4个监测断面,每个断面布置了3～5个钻孔,采用矿井钻孔电视成像仪对巷道断面围岩不同钻孔内的破裂情况进行了监测,监测到了围岩内的分区破裂化现象,并给出了4个断面围岩的分区破裂分布图。通过分析巷道所在岩层、地质资料及钻孔内裂隙的形状,说明裂隙是由巷道开挖引起的。监测结果表明,3个大断面巷道围岩内的相同破裂分区的半径和厚度相差不大,小断面巷道围岩内的破裂分区与大断面相似,只是相同各破裂分区的半径和厚度相应减小,表明各破裂分区的半径是巷道半径r的关系式为 (i = 1,2,3,4)。4个监测断面围岩内均产生了4个破裂分区,第1个破裂分区厚度与巷道半径相当,破裂程度最严重,第2个破裂分区其后各破裂分区厚度和破裂程度均依次减小。研究结果对于认识深部巷道围岩的破裂模式及其稳定性支护具有重要意义。     

主应力对洞室围岩失稳破坏行为的影响研究

 针对复杂应力环境三向应力状态下地下洞室围岩破坏条件和破裂机制,采用统计损伤理论和数值模拟方法,建立三维非均匀性地质模型,考虑应力的三维效应,引入强度折减法,一方面在保持模型边界条件的同时实现洞室围岩的逐步破坏,另一方面以此定量评价不同应力场中洞室安全稳定状况,探讨不同侧压力系数和轴向应力条件下洞室围岩破坏模式,探究中间主应力对洞室稳定性的影响以及深部岩体分区破裂化现象产生条件和破裂规律等。结果表明,侧压力系数影响洞室围岩初始破裂形成部位和发展趋势;不同的轴向应力使得洞室围岩破裂区域和范围显著不同,在不同的侧压力系数条件下,轴向应力影响洞室稳定的规律存在差异;不同方向中间主应力对洞室围岩安全稳定状况的影响是不同的;当洞室轴线方向与最大水平应力方向平行时,较大的轴向应力会使洞室围岩产生分区破裂化现象,围岩破坏的区域也是拉应变集中的区域等。这些结果对进一步揭示地下洞室围岩非线性变形破坏行为,评价岩土工程安全稳定性,采取合理的支护措施等均具有重要意义。     

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。     

深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论

 由中国岩石力学与工程学会于2008年6月组织的中国科协第21期新观点、新学说学术沙龙,集中对围岩分区破裂现象以及相关的理论问题进行了讨论,内容涉及近期有关围岩分区破裂的研究成果,包括现场实测和实验室试验工作及分析,围岩分区破裂的形成机制、分区破裂各种现象的解析与数值分析方法,会议还讨论了论题的意义及其研究方法等方面的热点问题。对围岩分区破裂的研究具有探索性,目前的认识尚存在许多争论。对这一工作的讨论,不仅可以促进课题成果及其科学性,而且对整个科研工作的认识和处理方法也有启发性的影响。     

岩石分区碎裂化现象研究

 试图从现场观测、实验室模拟、理论分析3个角度系统地研究分区碎裂化现象。首先对深部巷道围岩应力状态、声波波速、应变、钻屑量的现场观测数据进行分析，研究巷道围岩是否压密区和松弛区相间出现；然后通过天然岩石和石膏的实验室模拟手段来研究分区碎裂化现象；最后对岩石分区碎裂化的发生机制进行定性分析，在此基础上采用对径压缩公式重新推导岩石分区碎裂化发生的条件公式。     

考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析

目前在工程设计中,仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体,在考虑节理对岩体强度的弱化作用时,均根据节理连通率对完整岩石的抗剪强度参数进行折减,因而未能反映岩体的各向异性特性。这对于浅部岩体工程来讲,也许是可以接受的,但随着建井深度的增加,进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征,岩体的各向异性将不能忽略。将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映,从莫尔–库仑抗剪条件出发,采用方向分布函数分析方法,曾提出了一个基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则。简要论述该各向异性强度准则,根据该准则研究了井筒的弹性稳定问题。研究表明:考虑岩体的各向异性强度对井筒进行钻井灌浆分析时,在给定的泥浆压力下,沿最大地应力方向钻井的安全系数并不一定比沿其他方向钻井的安全系数高。     

深部岩体的构造和变形与破坏问题

随着经济建设与国防建设的有断发展，地下空间开发不断走向深部，如逾千米乃至数千米的矿山（如金川镍矿和南非金矿等）、水电工程埋深逾千米的引水隧道、核废料的深层地质处置、深地下防护工程（如700m防护岩层下的北美防空司令部）等。伴随着深部岩体工程响应发生了一系列新的特征科学现象，这些特征科学现象与浅部岩体工程响应相比具有迥异的特点，而且用传统的连续介质力学理论无法圆满地进行解释，从而引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象，提出了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的科学问题。