节理倾角对岩石隧道掘进机破岩特性影响的数值研究

为研究节理特征对岩石隧道掘进机（TBM）盘形滚刀破岩特性的影响,采用颗粒离散元法（PFC）建立了不同节理倾角下双滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同节理倾角对应的岩石破碎模式、裂纹数目和破岩比能。结果表明:（1）倾斜节理的存在改变了裂纹扩展规律,裂纹呈现不对称性扩展模式。节理的存在改变了裂纹的延伸方向,限制主裂纹向下扩展。节理倾角越大,对主裂纹的萌生与扩展起到的阻碍作用越明显。节理倾角较小时,裂纹沿节理倾向延伸,有利于双滚刀间裂隙的贯通,有利于岩石碎屑的剥落;（2）节理倾角对剪切裂纹的影响较小,主要影响拉裂纹数目。总裂纹数随节理倾角的增大先增大后减小,当节理倾角为30°时达到最大。从滚刀破岩效率来看,节理岩体存在一个最优节理倾角。当节理倾角在30°附近时,破岩比能最小,破岩效率最高。基于颗粒离散元法PFC2D可以较好地模拟节理岩体双滚刀破岩过程,弥补室内试验无法进行细观特性研究的缺陷。     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。     

TBM掘进围岩挤压大变形机理与本构模型

通过对反映了TBM卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验结果分析,揭示了深部软弱地层TBM掘进围岩挤压大变形机理：挤压大变形主要由TBM开挖卸荷瞬时产生的峰前卸荷损伤扩容和峰后破裂碎胀造成的体积扩容组成,峰前岩石内部原生裂隙扩展和新裂隙萌生、扩展导致扩容变形,以及峰后裂隙汇聚贯通成宏观破裂面和多级次生破裂形成,破裂后块体间发生错动或翻转等相对运动引起峰后碎胀大变形,其中峰后的碎胀变形是构成大变形最主要的部分。获取了各特征应力（损伤扩容应力σ1cd、极限承载强度σ1m和线性应变软化应力σ1l）与围压σ3的相关关系,建立了各变形破坏阶段的临界准则;建立了卸荷损伤扩容阶段的损伤演化方程;基于三轴卸围压试验成果建立了弹性-卸荷屈服损伤扩容-峰后脆性跌落-线性应变软化-残余理想塑性5阶段挤压大变形本构关系。对挤压大变形本构模型在FLAC3D进行了数值实现,并验证了模型的合理性和数值实现程序的正确性。     

深部复合地层围岩与TBM的相互作用及安全控制

TBM工法因其安全、高效、优质、环保和有利于围岩稳定等优点，将是交通、水利和矿山等重大生命线工程建设的首选工法，而深部复合地层围岩与TBM的相互作用及安全控制是TBM掘进过程中面临的重大基础问题。在回顾研究现状及存在问题的基础上，紧扣围岩与TBM的相互作用及安全控制这一主题，阐明深部复合地层地质条件与力学行为特征、TBM-深部复合地层相互作用与致灾机理、深部复合地层TBM施工安全控制与系统适应性评价决策等关键科学问题。论述围岩与TBM的相互作用机理及安全控制研究思路，并介绍了部分研究进展。最后简述了TBM在煤矿中的应用与发展趋势，可以预见TBM工法将是未来煤矿超千米深部主要巷道建设的必然发展趋势。     

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

软岩现场流变试验及非线性分数阶蠕变模型

软弱岩体的流变力学特性研究对于保证矿井软岩巷道围岩的稳定性具有重要的意义,有必要进行软弱岩体的现场流变试验及其本构模型的研究工作。首先进行了煤矿软岩巷道底板大体积软弱岩体的现场分级加载压缩蠕变试验,其后引入分数阶微积分理论,采用Abel黏壶元件替代传统Burgers流变模型中的粘弹性体(即Kelvin体),并基于现场岩体流变试验结果中岩体试样在加速蠕变阶段的变形特征,在改进后的Burgers模型上串联上非线性黏塑性体(即NAVPB),建立了现场软弱岩体的非线性分数阶蠕变模型,最后基于岩体试样的流变试验数据,进行了非线性分数阶蠕变模型和Burger模型的参数拟合与对比分析。软弱岩体现场流变试验结果表明:岩体试样是否发生加速蠕变与加载的应力水平有关,其蠕变存在加速蠕变应力阈值,应力不大于该阈值时,岩体试样蠕变只发生衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,且稳定蠕变阶段变形速率不为零;应力大于该阈值时,岩体试样经历完整的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3阶段并最终发生破坏,且存在加速蠕变启动时间点。模型参数拟合及对比结果表明:提出的软弱岩体非线性分数阶蠕变模型结构较为简单,相较于Burgers模型,能较好地...     

TBM在煤矿巷道掘进中的技术应用和研究进展

TBM工法经济技术优势显著,正成为煤矿巷道快速掘进的一种新方法。但由于煤矿特殊的施工环境和复杂地质条件,TBM在煤矿巷道掘进中面临以下技术挑战：(1)煤矿特殊施工环境下TBM装备和矿井系统适应性设计难;(2)煤系软硬复合地层破岩机理不清,高效破岩控制难度大;(3)软弱地层挤压变形卡机灾害风险大,灾害预测和安全控制难度大;(4)掘进空间狭小和粉尘水雾干扰严重,TBM掘进过程监测难度大,难以进行掘进参数决策控制和灾害预警。对此,针对TBM装备适应性设计技术,深部复合地层TBM高效破岩理论,挤压变形卡机灾害预测控制方法,掘进过程智能化决策控制技术等开展了系统研究,在TBM安全高效掘进技术方面取得了以下研究进展：(1)论述了针对煤矿特殊施工环境的TBM装备和施工工艺适应性设计技术;(2)开展了TBM滚刀贯入和线性切割试验,揭示了复合地层地应力水平、岩石强度及岩性变化、掘进控制模式、滚刀安装半径等对TBM破岩效率和破岩模式的影响机理,提出了深部复合地层TBM掘进性能评价预测方法和岩体可掘性评价方法;(3)揭示了深部煤系软弱地层TBM掘进挤压大变形卡机灾害孕育发生机理,发展了挤压变形卡机灾害孕育演...     

侧向压力对裂隙岩体破坏形式及强度特征的影响

为系统地研究侧向压力对裂隙岩体的破坏形式及强度特征的影响,利用RMT-150C电液伺服机及侧向加压设备对含预制裂隙石膏试样进行了双轴压缩试验。试验结果表明:1随着侧向压力的增加,应力-应变曲线延性增强,表现出典型的塑性变形特征。2不同侧向压力条件下,裂隙试样破坏形式主要包括初始裂隙起裂破坏、侧向劈裂破坏和表面剥落破坏3种。3侧向压力与试样抗压强度及弹性模量等强度参数呈现非线性增加关系。进一步通过声发射监测发现,侧向压力也会明显地降低加载初期试样的声发射能量和计数。试验结果与相关文献和工程实践现象具有很好的一致性。     

面向隧道掘进机可掘性评价的多算法融合优化模型及其工程应用

开展隧道掘进机(TBM)可掘性评价对于科学规划施工要素具有重要意义。在Karaj输水隧道、Zagros输水隧道和西秦岭铁路隧道的219组数据基础上,建立一种基于贝叶斯优化算法和早停策略改进的深度信念网络TBM可掘性评价模型。该模型以岩石单轴抗压强度(UCS)、岩石质量指标(RQD)、优势结构面与隧道轴向的夹角(α)和岩体可切削性指数(RMCI)作为输入变量,以现场贯入度指数(FPI)作为输出变量。在数据预处理阶段,分别采用Kriging插值和改进的CRITIC算法补全数据库中的缺失值并实现数据加权。以引松供水工程和辽西北引水工程为例检验模型的工程实用性：对于引松供水工程的37组测试数据,模型的均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)和决定系数(R~2)分别为2.18,8.25%和0.926 2;对于辽西北引水工程的49组测试数据,模型的RMSE,MAPE和R~2分别为2.83,8.14%和0.981 7。进一步地,通过定量比较数据加权前、后模型的RMSE,MAPE和R~2,发现数据加权可以有效改善模型预测性能。最后,从预测精度和运行速度2个方面开展了本文模型与BP神经网络...     

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。