非均匀应力场圆形巷道塑性区研究

为了研究巷道开挖后巷道围岩的塑性区分布规律,首先分析巷道围岩的应力分布特征,在计算出围岩应力分布规律基础上,依据摩尔库伦强度准则推导出圆形巷道围岩的弹塑性区。通过理论计算得出侧向应力、地应力、黏聚力、内摩擦角参数变化时巷道围岩的塑性区范围,从而总结出巷道围岩塑性区的演化规律,结果表明,侧压力系数λ对圆形巷道围岩的塑性区有很大影响,当λ=1时,巷道围岩塑性区为圆形;当λ1时,塑性区在两帮较大,顶部小;当λ1时,塑性区在两帮较小,顶部大,且角部塑性区发展迅速;随着地应力的增加,塑性区的范围也随之增大;随黏聚力增大塑性区范围减小;随着内摩擦角φ的增大塑性区范围随之减小,但影响较小。     

考虑岩体塑性硬化与软化特性的巷道围岩变形理论分析

为深入探究岩石峰值强度前后非线性硬化与非线性软化特性对软岩巷道围岩变形及力学行为的影响,引入硬化系数与软化系数的概念,基于莫尔-库仑屈服准则与非关联流动法则,推导出圆形巷道围岩四区应力、位移和半径的解析表达式。通过算例,分析了硬化系数和软化系数对塑性硬化区与塑性软化区巷道围岩的影响。结果表明:对于巷道围岩塑性硬化区,其径向与切向应力随内摩擦角、黏聚力硬化系数的增大而增大,径向与切向应变也随内摩擦角硬化系数的增大而增大;而对于塑性软化区,其径向与切向应力随内摩擦角、黏聚力软化系数的增大而减小,径向与切向应变也随内摩擦角软化系数的增大而减小。因此提高巷道围岩塑性硬化区的内摩擦角、黏聚力硬化系数与降低塑性软化区的内摩擦角、黏聚力软化系数可提高围岩承载能力。     

构造应力场中巷道围岩破坏机理研究

针对构造应力场中巷道围岩变形破坏基本特征,采用FLAC3D数值计算软件,依次分析侧压系数、内摩擦角、黏聚力对矩形巷道周边应力分布、位移和塑性区扩展的影响。结果表明:侧压系数对巷道围岩变形破坏具有敏感性,随着侧压系数的增大,巷道两帮移近量呈现正比增加的趋势且明显大于顶底移近量;内摩擦角在一定的取值范围内,与巷道围岩塑性区变化存在着负相关性,但是当其增大到相对的临界点(30°≤φ≤35°)时,塑性区的变化将不再明显;当黏聚力增大到一定程度(C=5.0MPa)时,巷道围岩塑性区的变化将保持在一个相对稳定的水平。在此基础上提出高强让压支护的基本思路,开发了"多孔循环注浆,深浅孔结合"工艺,在工程实践中取得较好效果。     

基于复变函数理论的巷道围岩稳定性分析

针对双向不等压直墙半圆拱形巷道围岩塑性区的解析问题,基于Mohr-Coulomb强度准则,通过复变函数中的保角变换的方法将物理平面非圆形弹性区域映射到像平面的单位圆外域进行求解,将确定弹塑性区的交界问题转化为映射函数系数的求解问题。得到巷道围岩应力复变函数解以及巷道围岩塑性区的范围,并通过FLAC^3D数值模拟的手段对理论计算的准确性进行验证分析。研究结果表明：通过复变函数理论能够较为准确地得到直墙半圆拱形巷道塑性区范围的理论计算公式,结合公式可以发现影响直墙半圆拱形巷道围岩塑性区发育的影响因素为巷道断面尺寸（包括巷道宽度,直墙高度以及拱高）、垂直应力、侧压系数、黏聚力以及内摩擦角的大小,将理论应用于工程实例计算分析,采用单因素分析的方法对黏聚力和内摩擦角进行数值模拟分析,提取数值模拟试验的数据,对理论计算和数值模拟水平方向塑性区受黏聚力和内摩擦角影响的范围进行对比和分析。可以得出虽然理论计算与数值模拟的结果存在误差,但已能反映直墙半圆拱形巷道围岩塑性区分布情况,通过研究还发现,当黏聚力和内摩擦角比较小时,巷道呈现“X”形破坏,当黏聚力和内摩擦角增大时,巷道呈现类似...     

非静水压力条件下巷道围岩破碎区应力分布特征

煤矿巷道围岩的应力状态与稳定性关系密切,尤其是巷道围岩破碎区的分布范围及应力分布特征的研究,对于确定巷道支护方案,提高巷道围岩稳定性具有重要的理论意义和工程指导价值。以非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区分布范围为研究对象,建立了非静水压力条件下巷道围岩应力状态分析的力学模型,给出了非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区及塑性区的应力与位移的解析解,对比分析了2者随埋深及侧压系数的变化特征。以辽宁大兴煤矿北二采区902工作面运输巷道为工程背景,通过数值分析和理论计算,对比分析了巷道围岩破碎区的应力与位移随埋深及侧压系数的变化特征,评价了围岩稳定性。研究结果表明:在巷道掘进后围岩环向正应力的变化明显比径向正应力剧烈,围岩破坏的主要形式是沿纵向开裂;由于不同区域的围岩变形特征不同,使其黏聚力及内摩擦角等物理力学参数的大小存在差异,从而导致围岩破碎区、塑性区和弹性区边界应力产生不连续现象;在一定埋深范围内巷道围岩破碎区及塑性区范围随埋深的增加而线性增大。当巷道埋深较小时,巷道围岩破碎区较小,巷道处于相对稳定的状态。当埋深较大时,巷道左、右两帮处较顶底板更易发生失稳破坏;塑性区及破碎区半径的比值随埋...     

基于DP准则的巷道围岩塑性区影响因素分析

围岩塑性区的扩展是巷道事故频发的根本原因,确定塑性区影响因素及其发展规律对煤矿的安全生产至关重要。基于DP准则推导出非均匀场下的围岩塑性区边界方程,对非圆形截面巷道进行当量半径折算,分析不同侧压系数下塑性区形态,采用单因素法分析不同DP准则的塑性区影响因素。研究结果表明：当侧压系数在0.6～1.5范围时,塑性区呈椭圆形分布;当侧压系数小于0.6或大于1.5时,塑性区呈蝶形分布。巷道地压和围岩岩性显著影响了塑性区的形态及范围,根据工程实际合理选取巷道位置,能够有效降低巷道支护的难度及成本。中间主应力对巷道围岩塑性区范围的影响有着强烈的区间性。巷道支护可以通过注浆来改善岩体的黏聚力、内摩擦角,进而减小塑性区范围,但这一作用效果有限。塑性区半径随着支护阻力的增大而线性减小。根据不同DP准则计算出的塑性区半径有所差异,合理运用DP屈服准则既能够保证煤炭生产的安全性,又能够降低工程造价。     

侧压系数对半圆直墙拱形巷道稳定性的影响

为探究侧压系数对巷道稳定性的影响,利用有限差分数值计算软件研究了应力场中侧压系数对围岩应力场分布、巷道变形和塑性区分布的影响。结果表明,在λ1时,围岩应力集中于巷道两帮,巷道变形不大,塑性区随着λ的增大而减小;在λ1时,围岩应力由两帮向顶底板转移,并且随着λ的增大向围岩深部扩展,顶板变形量远小于底板和侧帮变形,塑性区在顶底板扩大而两帮变化较小;将淮北矿区海孜矿地应力实测结果和巷道变形破坏情况与数值模拟得出的规律进行对比,两者基本一致。     

深部高地应力巷道塑性破坏特征及注浆支护

为探讨基于围岩塑性破裂区分布的深部巷道精准注浆加固技术,推导得高地应力下非等压二区破坏圆形巷道的应力和塑性破裂区范围的理论解,并结合COMSOL软件,揭示侧压系数、围岩软弱破裂程度和注浆加固对其的影响规律。结果表明:随侧压系数增大,顶底板内的环向应力和塑性破裂区范围显著增大而巷帮的却减小;围岩软弱破裂程度越高,其最大环向应力越小而塑性破裂区范围越大,故决定塑性破裂区范围的是最大环向应力所在位置距巷道表面的距离;塑性破裂区在侧压系数、黏聚力和内摩擦角的不同组合下将呈圆形、类椭圆形和近似蝶形;注浆加固对具有不同可注性和可改造性围岩的塑性破裂区形态、位置和范围的影响不同。其成果可为高地应力巷道注浆加固等设计提供参考。     

基于塑性区分布形态的软弱破碎巷道围岩控制原理研究

以平煤股份六矿北二进风石门软弱破碎巷道围岩为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,分析巷道围岩塑性区分布形态特征,研究侧压系数、内聚力与内摩擦角对塑性区的影响程度。研究结果表明:巷道围岩塑性区主要存在圆形、椭圆形、圆角矩形和蝶形4种分布形态,侧压系数、内聚力与内摩擦角共同影响塑性区的分布形态及其范围;内聚力与内摩擦角对圆形和椭圆形塑性区的影响较小,而蝶形塑性区对内聚力与内摩擦角非常敏感,主要表现为4个蝶叶随内聚力与内摩擦角的增大而快速退化,蝶叶尺寸越大,蝶叶的退化速度越快;提高内聚力与内摩擦角在减小巷道围岩塑性区范围的同时,可促使蝶形塑性区向圆角矩形转化。工程实践结果表明,以中空注浆锚索为核心的"锚网喷+全断面中空注浆锚索"分步联合巷道修复支护技术能够保持软弱破碎巷道围岩的稳定性,保障巷道的长期使用。     

巷道围岩塑性软化区岩石内摩擦角与黏聚力变化规律

为研究巷道(隧道)塑性软化区岩石的内摩擦角与黏聚力的变化规律,基于18项公开发表的试验研究成果,结合摩尔-库伦准则对岩石全应力-应变曲线峰后阶段内摩擦角和黏聚力的变化性质进行了分析。结果表明,岩石峰后阶段内摩擦角变化很小,可近似认为不变。针对广泛应用的4阶段和3阶段应变软化模型,研究获得了围岩黏聚力与环向应变之间的线性关系及黏聚力软化模量的常量性质。研究结果揭示了围岩塑性软化区岩石内摩擦角和黏聚力的计算方法,黏聚力及黏聚力软化模量的变化规律,可为煤矿软岩巷道变形分区的研究提供参考。