张家沟危岩裂缝变化规律及温度干扰排除研究

采用裂缝计对忠武管道张家沟段危岩裂缝进行了近3 a的相对位移监测,变形曲线经历了收缩-扩张的"类正弦"变化过程。由相关性分析可知,裂缝相对位移实测值与同期温度呈明显负相关性,因此可以推断温度是引起实测曲线呈年周期性变化的主要原因,且裂缝相对位移变化滞后温度变化3~12 h。根据这一特点,采用线性回归分析方法消除了由温度引起的岩体线弹性假象位移,反映了危岩裂缝变形的真实状态。     

多组节理边坡稳定性FLAC3D数值分析

边坡稳定性对工程安全构成直接的威胁,对多组节理且较发育的岩体边坡稳定性安全评价,利用赤平投影方法能比较好地反映不稳定结面与边坡的几何空间关系、不稳定结构体的可能变形位移方向,为FLAC3D数值计算模型的建立提供依据。以某公路段岩体节理边坡稳定性安全评价为研究对象,通过赤平投影和FLAC3D数值计算模型稳定性分析表明,A1,J1节理组对边坡稳定性影响极大;A3,J1,A3,J2与A1,J1组节理构成贯通结构面,边坡不稳定体为两组结构面切割形成的滑体,边坡安全系数为0.67,需要支护加固。该方法对复杂节理边坡稳定性安全评价比较好地避免了采用工程经验建立数值计算模型的盲目性。     

基于GSI露天矿边坡岩体参数的获取与稳定性分析

基于边坡稳定性分析几种数值分析方法的自身特点,对Hoek-Brown强度准则中GSI定量化相关的岩体体积节理数的确定方法进行了探讨研究。以某露天采矿边坡为例,采用三维显式有限差分法进行边坡稳定性数值分析,根据岩体野外现场调查资料和室内岩石试验,结合Hoek-Brown强度准则,使用所探讨的岩体体积节理数确定方法获取了数值计算所用的岩体力学参数,分析了该露采边坡开挖后的稳定性。研究方法有助于同类型露天采矿边坡稳定性防治工作的开展,为矿区安全生产的动态信息化分析提供了决策依据。     

爆炸应力波在层状节理岩体中的传播规律试验研究

为了研究爆炸应力波在岩体中的传播规律,基于相似理论,开展了爆炸应力波在层状节理岩体中衰减的实验研究。研究表明,节理阻碍 应力波的传播且存在各向异性;对于垂直或小角度入射节理的应力波,在垂直方向和纵向的衰减很明显并且幅度较大,在横向衰减不明显;对 于斜入射节理的应力波,横向和垂直方向没有明显的衰减,纵向的衰减很明显并且幅度较大;应力波的合成峰值速度与炮孔密集度之间的关系 密切,当炮孔间距超过一定距离时,实际测得的速度时程为最近药包爆破产生的应力波,并非总药量产生的应力波的叠加。     

动静组合加载作用下块系岩体动力响应分析

深部复杂地质条件下,煤岩破碎更趋呈块系岩体,在动载作用下易于产生超低摩擦效应并失稳诱发煤岩动力灾害。采用FLAC-3D软件模拟块系岩体在垂直冲击载荷和水平静力共同作用下的动力响应,深入分析块系岩体超低摩擦效应发生机理,得到垂直冲击载荷和水平静力共同作用对工作块体位移和应力的影响规律,确定了块系岩体产生残余位移和超低摩擦效应的水平静力特征值条件。研究结果表明:仅垂直冲击载荷作用时,冲击载荷作用强度对残余位移影响并不明显;垂直冲击载荷和水平静力共同作用下,水平静力与残余位移曲线呈半抛物线关系;不同垂直冲击载荷作用下,产生残余位移的突变点不同,且当施加的水平静力处于不同特征值区间时,工作块体运动状态随之不同。     

防冲吸能构件应变特性及巷道支架应用研究*

为明确防冲吸能支护的力学特性及其应用效果,基于竖向准静态压缩试验研究防冲吸能构件的荷载位移曲线,采用ABAQUS模拟防冲吸能构件的变形压溃过程,并与试验结果进行对比,对变形过程中构件管壁的应变演化进行分析,进而研究吸能支架在冲击作用下的应变特性。研究结果表明:数值计算可以较好地对防冲吸能构件的变形吸能过程和荷载位移曲线进行模拟;采用该构件的液压支架能够满足防冲吸能支护的设计理念和原则;对吸能支架吸能特性研究,防冲吸能构件能够在冲击来临时更好地保护支架,研究成果可为冲击地压巷道支护体系提供设计参考。     

不同侧压力系数下圆形巷道变形破裂规律分析

为研究侧压力系数对巷道周边岩体稳定性的影响,以一条深埋圆形巷道工程为背景,采用离散颗粒元软件PFC3D分析了5种侧压力系数下巷道周边岩体的应力差、位移、破裂分布模式和微裂纹数等,得到了圆形巷道周边岩体应力、变形和破裂随侧压力系数的变化规律。结果表明,1)随侧压力系数增大,巷道顶底部浅部岩体主应力差先增大后减小,深部岩体主应力差逐渐增大;而巷道两帮浅部岩体主应力差变化较小,深部岩体主应力差先减小后增大。这表明在相同埋深情况下,高侧压力系数不一定会对帮部岩体造成更大的破坏,但更容易使顶板产生高剪应力,不利于顶板岩体的稳定。2)侧压力系数越大,巷道顶板岩体竖向位移就越小,且其由拱顶往外平滑递减的规律性也越不明显,而帮部岩体水平位移变化规律与顶板岩体相反。3)巷道顶底部围岩在侧压力系数较大的情况下较易发生破裂,并随侧压力系数增大,其破裂范围越来越大;巷道两帮岩体则在不同侧压力系数下均会发生破裂,且其破裂范围随侧压力系数增大而略减小。4)不同侧压力系数下,巷道岩体总裂纹数都随开挖时间呈指数增长;且当巷道开挖完成后,岩体总裂纹数与侧压力系数呈抛物线关系。     

冲击气压对岩石动态破裂形态的影响规律研究

为探索高压空气冲击煤岩动态破坏特征与破裂形态的影响规律，开展真三轴条件下的岩石高压空气冲击致裂实验，设置6种冲击气压，结合致裂过程的气压曲线变化和致裂形态特征，得到高压空气冲击动态破坏特征与破裂形态的影响规律。实验结果表明：随着冲击气压的增大，其达到峰值压力后的压降速度增加；在致裂形态中，当冲击气压为16MPa时，其裂缝扩展导向性更强。研究结果可为动态冲击致裂增透煤岩体参数优化提供参考，以此达到更好的致裂效果，提高瓦斯抽采效率。     

节理岩体巷道围岩稳定性的颗粒离散元分析

节理岩体具有不连续和大变形等特征。为研究节理岩体巷道围岩的稳定性,基于离散单元法的颗粒流程序,为设于节理岩体中(考虑其节理连通率为0,50%和70%的3种情况)的巷道建立模型,分析巷道围岩的变形以及微裂纹分布。结果表明,当巷道处于完整岩体时,巷道围岩变形较小;当围岩节理连通率达到50%时,巷道围岩出现局部脱落但没有明显的破坏面;当围岩节理连通率为70%时,巷道围岩容易形成破坏面,围岩出现块体状脱落,巷道围岩变形破坏严重。随着节理连通率的增加,围岩微裂纹急剧增加,围岩四周主要分布剪切裂纹,岩体巷道的破坏方式以剪切破坏为主。     

基于岩体扰动参数的边坡结构优化

为了研究岩体扰动参数对边坡稳定性的影响,根据某露天边坡岩体物理性质及坡体钻孔勘探结果,分析了边坡体各岩组在不同扰动参数下的强度弱化过程;考虑由扰动产生的节理裂隙对边坡稳定性的影响,通过Phase^2软件对仿真计算模型进行了不同扰动程度的区域划分;同时提出了一种用于直观表征露天整天边坡稳定性的安全系数“玫瑰花”图。结果表明:各边帮受节理切割和爆破扰动的影响,稳定性差异较大,部分边帮安全储备充足,仍存在优化空间;节理裂隙几何位置对边坡失稳滑移面具有控制作用,对于近乎顺层岩质边坡,其破坏主要沿节理面剪切滑移;对于具有浅埋倾覆节理面边坡,由于岩体强度较高易发生倾倒破坏,所绘制的边坡安全系数“玫瑰花”图可直观表征露天边坡整体稳定性,考虑局部扰动影响对边坡稳定性分析进行精细化表征,为矿山边坡角度的进一步优化提供了一定的参考指标。     

软弱围岩节理性质对隧道塌方范围影响研究*

为探究节理岩体在节理扩展-节理破坏-岩体失稳过程中的力学特性变化及变形破坏规律，采用块体离散元软件3DEC进行数值模拟，对节理岩体中隧道开挖后围岩的应力变形状态进行研究。结果表明:法向刚度较小时，可能造成的塌方范围大，法向刚度较大时，造成的塌方范围小；节理剪切刚度对隧道塌方范围的影响较小；节理内摩擦角变化对断层塌落体及上覆未塌落体范围的影响较小。     

充水溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值模拟

为探讨充水溶洞中水压对隧道围岩稳定性的影响,利用岩石破坏过程渗流-应力-损伤耦合分析软件F-RFPA~(2D),对隧道底部含充水溶洞的围岩破坏过程进行数值模拟研究,并与岩体中存在裂隙时隧道围岩的破坏过程作对比。结果表明,水压的增加使溶洞与隧道间的岩体逐渐产生裂纹,并不断延伸,最终使隧道与充水溶洞贯通;岩体中裂隙的存在改变了裂纹的扩展方向,加速了隧道底部围岩的破坏进程;实际工程中应将隧道底部围岩垂直方向上的位移变化作为事故发生的前兆,制定相应的预防措施,避免事故的发生。     

大变形巷道弹性锚喷混凝土耦合支护技术研究及应用

为提高层理地质条件下大变形巷道的稳定性,延长巷道使用寿命,采用具有较大变形承载能力的喷钢纤维混凝土与弹性锚杆耦合支护技术加固围岩。首先研究层理状地质条件下高应力软岩巷道的破坏特点及规律,确立支护结构和时效耦合的关系,并通过钢纤维混凝土试样的动静荷载试验,研究混凝土强度与钢纤维掺量的关系,得到喷钢纤维混凝土合理的钢纤维掺量。此外,针对大变形巷道开挖初期变形量大、破坏速度快的特点,设计具有让压吸能作用的新型弹性锚杆,并将此弹性锚杆结合喷钢纤维混凝土技术进行工业试验,试验的位移监测结果表明:该方案位移量比原方案减小约50%,且支护10个月后未出现裂缝。     

冲击载荷作用下不同断面形状巷道稳定性数值仿真分析

为了研究动载荷作用下井巷的稳定性,基于波动冲击理论,利用FLAC~(3D)值模拟软件,对深井不同断面巷道在动载荷作用下的围岩位移场变化规律进行了数值仿真。结果表明:不同巷道断面形式对冲击荷载作用的响应程度存在显著差别,巷道顶板监测点的速度产生波动从大到小依次为矩形、直墙拱形和圆形断面巷道;巷道顶板均产生明显下沉,矩形断面巷道的下沉量最大,其次是直墙拱断面巷道,圆形断面巷道的下沉位移最小;对于巷道围岩垂直应力的分布范围,圆形断面巷道最小,矩形断面巷道最大,直墙拱断面巷道居中,并得到了现场监测结果验证。     

边坡爆破高度对边坡稳定性的影响

为了解爆破后由急倾斜且具有水平裂隙发育岩体组成的边坡稳定性及其内部破坏规律,最终总结出爆破高度对边坡稳定性的影响特征,使用基于颗粒流理论的PFC3D进行该工况模拟。利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟非连续和连续性的岩体构造形式,以对实际的岩体中岩块和裂隙发育进行模拟。针对存在该类型构造发育边坡的实际工况,设置了13个爆破点的6个爆破方案进行模拟。研究了模拟结果表现出的边坡内部裂隙和位移随爆破高度的变化规律。其表明了对于同时起爆各爆破点而言,爆破高度越高爆破后边坡越稳定的结论,并分析了出现该现象的原因。说明了结论的普适性,同时该边坡实际的爆破情况也支持了该结论。     

基于CDEM露天煤矿顺倾软岩边坡三维稳定性分析

为解决露天煤矿顺倾层状软岩边坡稳定性这一技术难题,基于连续介质离散元数值模拟方法,从理论上探讨了降深与清帮至不同位置对顺倾软岩边坡稳定性的影响。结合白音华一号矿南帮工程实例,针对各煤层降深及清帮方案,基于CDEM数值算法对边坡稳定性进行计算,对比分析了坡体位移、应力分布及演化特征,进而阐明多个弱层对复合边坡产生的叠加效应,以及清帮减载对边坡稳定性的影响。结果表明,白音华一号矿首采区南帮边坡变形不会对南排土场稳定性造成影响,揭露多个弱层对边坡变形与稳定性下降有一定的叠加效应,清帮不能显著提高边坡稳定性,但可减小作用在弱层上的法向应力和剪切应力,进而减缓滑坡发生的过程,提高边坡动态发展过程中的安全性。     

龙门吊移动荷载对地铁车站深基坑变形的影响

青岛地铁苗岭路站是在土岩组合地层下开挖的狭长型换乘车站,深基坑两侧既有建筑物众多且临近基坑,施工中采用龙门吊运输材料。为探究龙门吊移动荷载作用下基坑围护结构和土体的空间变形规律,建立三维有限元数值模型,对比分析了加载前后基坑围护桩侧移变形和坑外地表沉降,并探讨了起吊物与边跨的距离对基坑变形的影响。结果表明:龙门吊移动荷载作用下基坑产生明显的动态响应;围护桩桩体侧移变形比竖向变形响应明显且沿深度有所不同,嵌岩点处侧移响应最明显,土岩交界面处响应最小;受基坑阴角效应的影响,动载作用下角隅处土体沉降变形保持不变,坑外土体最大变形位置由距坑边2 m处转移至基坑边;起吊物的移动在基坑边产生明显的变形动态响应区域,随着起吊物远离边跨,桩周土体的沉降量逐渐减小,动态响应区域向远离坑角方向增大;加强冠梁连接、适当增大阴角处桩间距或减少锚杆施作可以保证基坑的稳定性,经济有效。     

圆锥形喷嘴出口直径对水射流冲击动力特性的影响研究*

为探讨喷嘴结构对水射流冲击动力特性的影响,以圆锥形喷嘴为研究对象,基于COMSOL数值模拟软件,建立不同出口直径的圆锥形喷嘴模型,研究出口直径对水射流冲击动力特性的影响。研究结果表明:圆锥形喷嘴水射流冲击煤岩体过程中,不同喷嘴出口直径下水射流流场分布特征相似,整个流场可分为集中区、发散区、回流区和卷吸区4个区域,随喷嘴出口直径增大,卷吸区逐渐消失,其余3个区域分布也明显减弱;煤岩体应力分布可分为中心应力集中区和两侧应力集中区,随喷嘴出口直径不断增大,中心应力集中区与两侧应力集中区的范围逐渐减小,当喷嘴出口直径为6 mm时,两侧应力集中区基本消失;主体段入口速度恒定条件下,圆锥形喷嘴优选以2~3 mm出口直径为宜,此时水射流冲击煤岩体效果较佳,且不会对喷嘴产生结构破坏。