巷道围岩侧压力系数位移反演及应用

侧压力系数是与巷道围岩稳定息息相关的重要参数,其在一定范围内波动时围岩塑性区变化不大。当超过一定区间时,巷道围岩塑性区将对侧压力系数的敏感度提高,塑性区急剧扩展。侧压力系数并非一成不变,随着煤矿采动应力变化,侧压力系数也将发生变化。研究过程中,对常规侧压力系数计算方法进行评价,弹性介质模型忽略岩体的弹塑性;静水压力模型认为侧压力系数为1,与实际情况不符;散体介质模型和粘性介质模型定义侧压力系数的范围,没有给出侧压力系数的具体值,实际应用存在困难。为取得较为准确的侧压力系数,以非等压圆形巷道应力和位移分量表达式为基础,设计一种利用位移反演侧压力系数的方法,利用该方法可根据实时位移数据获得侧压力系数实时数据。以寸草塔煤矿实测数据反演得到侧压力系数,并根据实测数据进行理论计算和数值模拟。2种方法得到塑性区范围与现场观测高度吻合,从而验证侧压力系数反演方法的可行性和适用性。     

巷道围岩支护系统粘弹性分析蠕变柔量法

以圆形巷道为例，讨论了围岩支护系统应力与变形的时间效应，建立了巷道围岩支护系统粘弹性分析的一种新方法——蠕变柔量法，得到围岩支护系统的适用于反问题的粘弹性应力解与位移解．对于反问题，巷道围岩支护系统的新的粘弹性分析方法，使有支护和无支护围岩可以依据相同的粘弹性反分析的解析方法，识别围岩的力学模型和反演力学参数．解决了粘弹性位移反分析解析方法实用化中的一个重要问题     

巷道围岩支护系统粘弹性分析蠕变柔量变

以圆形巷道为例，讨论了围岩支护系统应力与变形的时间效应，建立了巷道围岩支护系统粘弹性分析的一种新方法－蠕变柔量法，得到围岩支护系统的适用于反问题的粘弹性应力解与位移解。对于反问题，巷道围岩支护系统的新的粘弹性分析方法，使有支护和无支护围岩可以依据相同的粘弹性反分析的解析方法，识别围岩的力学模型和反演力学参数。解决了粘弹性位移反分析解析方法实用化中的一个重要问题。     

麻栗场隧道施工仿真反演分析

根据麻栗场隧道现场监测结果,采用弹塑性位移反分析的方法,得到反映围岩综合性状的弹性模量E、地应力侧压力系数K的值.通过与临近断面的监测结果进行对比,检验反演参数的合理性.结果表明,反演所得参数基本反映了工程区岩体的实际物理力学性状,对隧道施工和设计具有一定的指导意义.     

基于粒子群优化BP神经网络的巷道位移反分析

以某煤矿资料为基础,确定出岩体物理力学参数水平,并设计正交试验表。根据巷道边界条件建立几何模型,通过有限元法计算得出的位移值建立起PSO-BP神经网络学习样本,从而得到矿山巷道位移反分析预测岩体物理力学参数模型。研究结果表明：实测位移量与由预测参数计算位移量间的最大误差为3.27%,通过实测位移值反分析求得的岩体物理力学参数值可信,PSO-BP神经网络应用于矿山巷道位移反分析是可行的。     

由位移测定值反算流变岩体变形性质参数及地应力

煤系岩层往往具有明显的流变性能。本文根据线粘弹理论,对符合H-K模型的流变岩体,利用弹性-粘弹比拟,推导出圆孔直径两端的径向相对位移与地应力、岩体变形性质参数之间的关系式,从而为利用孔边位移量测结果反算地应力及变形性质参数提供了可能。由于流变岩体的位移在钻孔形成后还会随时间而改变。因此,位移量测不需要经过应力解除步骤。在围岩强度允许的条件下,流变岩体的位移量测也可以在圆形巷道中进行。     

松软岩层中的地应力测量

根据岩体应变软化的变形特征,建立了弹塑性软化模型,给出了考虑岩体应变软化特性时巷道周边位移与地应力的关系式。它比单独按弹性或粘弹性反应的地应力更接近实际情况。     

人工神经网络方法辨识岩体力学参数的可辨识性及其稳定性探讨

探讨了以巷道围岩变形观测为依据 ,用神经网络反推岩体物理力学性质和初始地应力环境参数时各参数的可辨识性 ,以及参数辨识的稳定性。找出了待辨识参数个数与所需最少巷道变形观测项目数之间的关系 ,并给出了巷道围岩变形观测项目选择的建议     

极软弱围岩巷道反演参数敏感性分析

人们在位移反分析的过程中试图通过复杂的模型选取以逼近巷道的真实力学模型,但是复杂模型就意味着需要反演较多的参数,并且要建立较严格的反演理论与方法,然而在实践应用中遇到了较多的困难。通过参数敏感性分析以确定待反演参数是目前在反演过程中通常的做法。本研究利用正交数值模拟试验法对各煤岩体弹塑性力学参数及侧压力系数进行了敏感性分析,揭示了各参数对巷道不同部位位移的影响度,并通过相应的影响度评价方法,确定了待反演参数。     

巷道粘弹位移反分析中各种优化方法的探讨

探讨了６种无约束最优化方法在巷道粘弹性位移反分析中的应用情况．从参数初始点的选择、收敛速度、收敛精度和可靠性几个方面的比较，发现对于粘弹性位移反分析问题，阻尼最小二乘法是一种较好的优化方法．     

金山店铁矿粉矿围岩变形粘弹性有限元位移反分析

根据金山店铁矿粉矿围岩所具有的瞬时加载时弹性变形和随时间变化蠕变变形趋向收敛的特性,参照现场监测得到的位移 时间曲线,选择Poyting Thomson本构模型,应用有限元位移分析,得到包含粘弹性参数的综合弹性模量E′v(tj,j),考虑开挖步骤对围岩变形的影响,对综合弹性模量进行回归分离出弹性模量E1,E2,粘性系数η,将这些参数应用到类似粉矿巷道的变形预测中,可以预测该围岩不同时刻的变形量和变形稳定时间。     

基于位移增量的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析

深部高地应力下硐室围岩蠕变力学参数不准已成为制约岩体工程理论分析和数值计算发展的"瓶颈"问题,因而确定可靠的岩体蠕变参数服务于工程实际成为重点关注的课题,为此提出基于位移增量敏感性分析的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析方法。该方法基于描述深部高地应力条件下围岩蠕变随时间破坏特征的分数阶微积分的蠕变本构模型,取较为典型的主硐室顶拱位移、拱肩位移和边墙位移作为表征围岩的特性指标,从参数敏感性分析着手,确定模型中对位移较为敏感的5个蠕变参数(瞬时剪切模量、黏性系数、黏弹性剪切模量、黏弹性系数、分数阶系数β),并遵循"大值原则"和"敏感性原则"提取位移增量数据,输入主厂房和主变室等不同位置的现场位移增量监测信息建立多数据融合的适应度函数,采用均匀设计方法构造各参数不同水平组合的学习样本和训练样本,通过遗传算法与神经网络相结合的智能优化算法在解的全局空间进行搜索,确定反演蠕变参数值,最终通过灰色关联度和后验差法联合校核位移增量实测值与计算值。实例分析结果不仅表明智能优化算法获得的硐室围岩蠕变参数可靠性高,也验证了该法的有效性和合理性,同时为深部高地应力大型硐室长期稳定性评价时参数确定提供一个新手段。     

巷道围岩塑性区与支护反力关系分析

基于D-P准则对侧压系数为1的圆形巷道围岩进行了塑性分析,得到了塑性区半径的解析解;根据具体的地质条件进行了案例分析,并对巷道围岩开挖后的应力场、位移场进行了数值模拟。结果表明：巷道围岩应力场、位移场均呈对称性分布;巷道周围围岩形成应力集中和降低,巷道开挖后应进行适时支护,并加强巷道肩部和底部拐角处的支护强度;垂直位移量大于水平位移量,随着围岩向深部发展,位移量逐渐减小直至为0。     

基于ABAQUS数值模拟的采区巷道断面形状优化研究

 选取矩形、梯形、直墙半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、直墙半圆加反拱形6种常用采区巷道断面形状进行数值模拟分析,研究不同巷道断面形状开挖后位移分布,分析表明直墙半圆拱形巷道变形量最小,且加设反拱后对于减少底臌量效果明显。选取矩形和直墙半圆拱形断面作为代表断面,分析不同埋深H及侧压力系数λ对采区巷道变形特征、围岩应力影响。在此类围岩条件下,当采区巷道埋深小于400 m、侧压力系数小于1.6时,矩形巷道和直墙半圆拱形巷道围岩变形量差距较小,此时可以选择矩形巷道断面以满足经济性要求。     

Gravitational stresses in anisotropic rock masses with inclined strata

This paper presents closed-form solutions for the stress field induced by gravity in generally anisotropic, orthotropic and transversely isotropic rock masses. These rocks are assumed to be homogeneous and linearly elastic continua with strata inclined with respect to a horizontal ground surface. It is found that the stress field is multiaxial. The vertical stress is always a principal stress and is equal to the weight of the overlying material. The horizontal stresses are strongly correlated to the rock mass fabric. The expressions for the gravity-induced horizontal stresses are different for rock masses deforming under conditions of no lateral strain and no lateral displacement (uniaxial strain). The gravity-induced horizontal stresses depend on several parameters such as the type, degree and orientation of the rock anisotropy with respect to the ground surface. It is found that depending on the value of those parameters, and constrained by the thermodynamic requirement that the strain energy of the rock must always be positive-definite, the gravity induced horizontal stresses can be larger, equal or less than the vertical stress. Furthermore, for a certain range of elastic properties of a transversely isotropic rock mass with inclined strata only, it is thermodynamically admissible for the horizontal stress parallel to the dip direction of the strata to be tensile.     

回采巷道煤体荷载传递机理及其极限平衡区的研究

基于支承压力作用下回采巷道两帮煤体的力学模型,分析了煤体与顶底板界面应力、煤体轴力的基本分布规律,首次对煤帮水平位移进行了力学推导,建立了极限平衡区宽度新的理论计算公式,讨论了塑性条件下煤帮极限平衡区宽度的主要影响因素。结果表明：① 极限平衡区煤体的垂直应力、顶底板与煤层界面的剪应力及其水平压力均呈双曲函数分布;② 煤帮处煤体垂直应力的大小随巷道高度及顶底板与煤层界面力学参数的改变而改变,其水平位移与弹塑性界面的侧压力系数、峰值应力及煤体极限平衡区宽度成正增长关系,与煤体综合弹性模量成反比;③ 煤体极限平衡区宽度与巷道埋深、上覆岩层平均容重、煤体与顶底板界面的强度参数、应力集中系数及侧压力系数、巷道高度及煤体综合弹性模量密切相关,随巷道埋深和巷道高度的增加而增大,随煤体与顶底板界面内摩擦角和黏聚力的增加而减小。最后,通过工程实例,验证了分析结果的合理性。     

不同地应力条件下巷道围岩松动圈演化研究

基于Mohr-Coulomb准则,建立考虑不同侧压系数条件下的巷道围岩松动圈理论计算模型,结合工 程算例对不同侧压系数的地应力条件下圆形巷道围岩松动圈范围进行了求解分析;采用数值模拟 方法对巷道开挖的松动圈范围进行了计算,并与理论求解结果进行了对比分析。结果表明：①当侧压力系数λ=1时巷道围岩的塑性松动圈为圆形,且松动圈半径随地应力的增大而增大。② 不同侧压力系数条件下巷道松动圈范围有所变化。顶底板围岩松动范围随λ的增大而增大。 而当λ＜1.0时巷道两侧壁松动范围随λ增大而减小,λ＞1.0时随λ增大呈增 大趋势,但整体上的变化量不大。③通过理论计算与数值模拟得出的松动圈分布规律基本一致。     

Effects of the axial in situ stresses on the zonal disintegration phenomenon in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel

A new non-Euclidean model in which effects of the axial in-situ stress with arbitrary value on the zonal disintegration phenomenon in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel is taken into account is established. The total elastic stress-field distributions of the surrounding rock around a deep circular tunnel including effects of the axial in-situ stress were given out. The strength criterion of the deep rock masses is applied to determine the occurrence of disintegration zones. The numerical computation was carried out. It is found from numerical results that number and size of fractured and nonfractured zones are sensitive to the axial in-situ stress, tangential, radial and axial normal stress, the intermediate principal stress coefficient and the rock mass rating classification RMR.     

深部围岩遇弱结构瓦斯抽采钻孔失稳分析与成孔方法

针对煤岩长钻孔过泥岩、构造带和软煤层成孔难的实际问题,根据现场实测煤岩力学参数,采用大变形FLAC3D软件对丁集煤矿-910 m水平11-2回风平巷抽采钻孔进行计算机数值模拟,解算出钻孔的应力场、位移场和塑性破坏区变化规律,得到的钻孔围岩二次应力弹、塑性分布特征与理论计算结果完全一致。当侧压系数不等于1时瓦斯钻孔二次应力分布、塑性区、钻孔径向位移不再呈圆环状分布,钻孔顶、底部孔壁位移量约为两侧孔壁位移量的2倍,随着岩体侧压系数的升高,钻孔围岩应力集中程度升高,钻孔径向位移增大,围岩塑性区半径增大,钻孔稳定性降低。随钻孔围岩强度强化区范围的增加,钻孔二次应力影响范围减小,塑性区半径减小,孔壁径向位移减小,钻孔更容易达到稳定平衡状态。基于注浆固化成孔新理论,对丁集煤矿1412（1）工作面巷道抽采钻孔围岩弱结构破坏失稳进行了有效控制,并用工程实例进行了验证。