基于强度折减法的巷道整体安全系数探讨分析

将有限元强度折减法应用到高地应力下巷道的稳定性评价。选用矩形、直墙半圆拱形、直墙半圆拱加反拱形、马蹄形及圆形等5种巷道常用断面开展计算研究。就上述5种典型断面,利用有限元分析软件ANSYS12.0分析了岩土体折减系数对巷道代表点的位移及围岩塑性区的发展的影响,再现了巷道断面岩土体变形发展过程。通过观察围岩塑性区的发展和巷道控制点的位移突变,求得各断面形状的安全系数并找出其潜在破坏面。根据安全系数的大小和破坏面的位置,能够评定巷道断面设计的合理性,并对施工工艺和支护参数提出改进建议。     

水平应力对半圆拱形巷道围岩应力分布及变形特征影响

水平应力是影响巷道围岩应力分布及变形破坏特征的重要因素,通过数值模拟方法研究了水平应力对直墙半圆拱形巷道围岩应力场、塑性区、位移场分布规律的影响,进而为确定巷道支护形式提供一定的理论依据。研究表明:影响巷道稳定性的关键因素是巷道周边的环向应力集中,随侧压力系数λ的增大,帮部围岩的竖向应力集中向顶、底板转移,从而引起塑性区向顶、底板转移,塑性区范围向顶、底板围岩内部扩展,巷道稳定性降低。当λ取值不同时,在巷道顶底板会产生相应的环向或径向拉应力区域,在拉伸作用下围岩整体性能降低,易发生压拉破坏。随λ增大,巷道帮部变形量逐渐增大,顶板下沉量先减小后增大最后减小,底鼓量先减小后增大。     

非等压下考虑渗流和剪胀的圆巷围岩弹塑性统一解

对于富水地层中深埋圆形巷道,为研究多种因素影响下巷道围岩塑性区范围和洞周位移的变化规律,对巷道围岩进行了弹塑性理论分析。对围岩应力场和渗流场进行耦合分析,基于统一强度理论和非关联流动法则,推导出多种因素影响下深埋圆形巷道围岩应力、位移和塑性区半径的解析计算式。结合工程实例进行计算分析,结果表明:中间主应力参数、围岩侧压系数、初始孔隙水压和剪胀角对围岩塑性区径向位移和塑性区范围均有显著影响,但影响规律各不相同;考虑中间主应力作用时,其他各因素的影响效应减弱。综合考虑以上各因素对围岩稳定性的影响,计算结果更加接近工程实际情况。     

考虑中间主应力对圆形巷道Hoek Brown准则解的影响

为了建立更加适用于深部巷道围岩塑性解分析的Hoek Brown准则,获得更加准确的巷道围岩塑性区范围及其支护变形量。通过将洛德参数表示的中间主应力带入Hoek Brown准则中,经过理论公式的推导,获得巷道围岩塑性区的应力和半径以及巷道周边位移的解析解。经算例分析,随着中间主应力的减小,塑性区范围也减小,当中间主应力趋近于第三主应力时,塑性区范围为最小;并且支护阻力和原岩应力对巷道塑性区范围也有一定影响;最后将计算的结果与Mohr-Coulomb准则对应的卡斯特纳解进行比较,发现文中建立的Hoek Brown强度准则更加适用于深部巷道塑性区分析。由此可知考虑中间主应力的Hoek Brown强度准则,更能全面分析巷道围岩塑性区的范围,获得更为准确的结果;在工程实践中,在易破坏的地段取地应力值时,应适当的增大中间主应力的取值,并且刚开挖巷道应及时支护,这样可有效的维护巷道围岩的稳定。     

多次强动压巷道围岩“三区”强化支护机理及控制技术研究

针对贵州湾田煤矿多次动压作用巷道围岩变形破坏严重的问题,提出了巷道围岩"三区"强化支护控制技术,通过数值模拟、理论分析和现场试验研究分析了围岩"三区"强化支护效果。研究结果表明:通过内外注浆方法在巷道围岩内形成围岩锚固区、围岩强化区和应力释放区,并将注浆区域分为内注浆区和外注浆区,使其之间形成动压缓冲区;注浆能够有效的胶结破碎围岩体,锚杆锚索所处的塑性破坏区得到了有效重新加固,形成具有高强度的承载拱;井下现场监测数据表明巷道顶板下沉量和底鼓量不足巷道高度的5%,两帮变形量仅为巷道宽度的0.7%,有效地控制了巷道围岩的变形破坏。     

基于FLAC~(3D)的充填体内巷道稳定性分析

为探究胶结充填体内开挖巷道对其稳定性的影响,以某矿山实例为背景,应用FLAC3D软件建立充填体模型,并利用解析解分区域验证模型的合理性。利用该模型分析巷道开挖后的充填体应力场,结合损伤理论对充填体模型的稳定性进行评价;在此基础上,分析不同高度的充填体开挖巷道后的稳定程度。研究结果表明:巷道开挖使得直墙部分和拱部产生拱形应力集中,充填体中部出现U形沉降;巷道中部直墙脚部分损伤值最高;当充填体高度达到62 m时,直墙部分最大应变约为0.003,对应的损伤值仍明显低于预警值。     

基于强度折减与刚度退化小净距隧道围岩稳定性研究

运用刚度退化的基本原理和方法,将泊松比ν和弹性模量E进行调整,提出变刚度隧道围岩强度折减法。以某小净距隧道为例,在只调整ν或E、同时调整ν和E、保持ν和E不变4种情况下,探讨了刚度退化对小净距隧道围岩稳定性的影响。结果表明:ν对隧道拱顶下沉、拱底沉降、最大主应力的影响要强于E;隧道两拱脚向内位移随折减系数的增大而增大,内侧拱脚向内位移比外侧拱脚的要大,且在刚度调整时拱脚位移要比保持刚度不变时大;等效塑性应变随折减系数的增大而增大,刚度调整导致等效塑性应变区减小,考虑刚度退化推迟了中夹岩柱塑性区贯通;将变刚度隧道围岩强度折减法应用于小净距隧道工程围岩稳定性评价,可依据安全系数的大小来评判设计的合理性,为支护参数及施工技术的选用提供参考。     

深埋均质圆形巷道围岩渐进破裂过程解析

为研究巷道围岩破裂区的破坏形式及破坏范围对巷道稳定性的影响,以弹塑性力学中的圆孔应力解为理论基础,利用Mohr-Coulomb屈服准则,研究圆形巷道围岩破裂发展过程;提出巷道围岩子破裂区的概念,推导出子破裂区破裂的判定准则,并给出子破裂区外边界径向应力的计算式及子破裂区半径的计算方法;以相邻子破裂区半径相等作为破裂区不再发展破坏的判据,推导出破裂区的最大半径及最大径向应力求解方程组;通过FLAC3D数值模拟对理论计算结果进行验证。结果表明:在静水压力场中均质圆形巷道围岩破裂是以圆环形式逐渐发展的动态过程,理论计算与数值模拟得出的破裂区半径相吻合,计算结果可以对地下工程优化支护设计提供理论依据。     

考虑应变硬化和扩容特性的巷道围岩稳定性分析

为获得更为准确的巷道围岩应力分布和位移特征,在考虑围岩峰前应变硬化和扩容特性的基础上,由围岩平衡方程推导出围岩弹性区和塑性区应力表达式以及塑性区半径和位移的解析表达式,运用FLAC3D软件模拟巷道围岩应力分布,并通过算例分析围岩应变硬化、扩容特性、强度特征等因素对理论解的影响。研究结果表明:考虑应变硬化后,围岩径向应力呈光滑无尖峰分布,围岩应力分布特征与数值模拟结果一致;应变硬化和扩容对巷道围岩弹塑性解均有影响,围岩稳定性分析中,不可忽略这两者的作用;增大支护阻力、强化围岩有助于提高围岩稳定性。     

巷道应力拱成拱及防冒顶技术分析

通过数值模拟方法对巷道稳定性的研究,得出了应力拱通过改变应力传递和应力方向,使巷道上部岩体向两帮转移载荷,保持巷道稳定的结论;证明了巷道应力拱是岩体为抵抗由于巷道开挖等因素而造成的不均匀变形而进行自我调节的一种效应.研究发现侧应力是影响应力拱成拱的重要因素.     

考虑峰后软化的圆形巷道稳定性分析及工程应用

为获得更准确的巷道围岩应力分布和变形特征,基于统一强度理论,考虑围岩塑性软化和中间主应力的影响,引入塑性软化参数,推导出巷道围岩弹塑性区应力、塑性区范围和位移的表达式。通过算例分析,得到塑性软化系数和中间主应力等相关参数对巷道围岩应力分布、塑性区半径和位移的影响规律。研究结果表明:随内摩擦角软化系数和黏聚力软化系数的增大,围岩塑性区半径和位移呈现先急剧后缓慢的减小趋势;中间主应力系数对巷道围岩弹塑性应力有着显著影响,中间主应力系数越大,围岩塑性区半径和位移越小。     

多因素影响下巷道变形特性数值模拟研究

基于FLAC3D有限差分软件对开挖深度、侧压力系数、断面形状等多因素影响下的巷道变形参数进行正交试验，根据正交试验分析结果，分别选取同一深度条件下的圆形、马蹄形、直墙拱形、矩形巷道进行模拟试验并以圆形巷道作为典型断面，对不同深度下的巷道变形特征进行模拟试验。研究结果表明:开挖深度对巷道开挖后的应力差变化影响明显，断面形状对巷道围岩内的塑性区深度和具有显著影响；巷道开挖后的塑性区深度和随形状指数增加而呈线性增长趋势，圆形巷道的塑性区深度和最小，矩形最大；应力差随着巷道开挖深度的增加呈线性增加，深部开采应重视巷道内的应力分布情况。     

不同应力场条件下巷道稳定性研究

为了确定不同应力场（σH型、σHv型和σv型应力场）下巷道围岩的稳定性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,通过对巷道围岩的应力和塑性区分布特征的分析,综合评价不同巷道布置方向巷道围岩的稳定性。研究结果表明:σH型和σHv型应力场,巷道与最大水平主应力夹角在0°～40°水平应力峰值处于较低的应力状态,夹角在50°～90°水平应力峰值处于较高的应力状态应力,夹角在40°～50°水平应力峰值急剧上升;σv型应力场,水平应力峰值呈缓慢上升趋势;确定巷道的最佳布置方位与理论分析相一致。以常村矿为应用实例,进一步验证了结论的正确性,为矿井合理的巷道布置提供了理论依据。     

考虑损伤的圆形巷道围岩弹塑性分析

如何判断巷道开挖后,围岩弹塑性变形及围岩的力学行为一直是人们研究的重点问题。考虑岩石材料的损伤特性,建立了巷道围岩弹塑性损伤力学模型,对侧压力系数为1时圆形巷道围岩的弹塑性应力场及范围进行分析。结合具体算例,得出在相同塑性范围内,随着λ/E比值的增大,所需要的支护阻力也随之增大;当原岩应力一定时,随着λ/E比值的增大,巷道围岩的塑性区范围也随之增加。研究表明,考虑损伤作用使得分析结果更加接近于实际,从而为巷道围岩稳定性分析和合理选择支护形式及强度提供理论依据。     

拱形支架在煤矿巷道中的应用研究

针对目前一些高压力和不宜采用锚杆支护的巷道,为适应其支护的要求,研制开发了拱形支架。对于巷道支护,其着眼点应放在充分利用和发挥岩层的自承能力上。对本文的拱形支架支护,根据力法原理,采用曲梁模型进行了支架系统的力学分析,得出其最大承载能力;通过与直梁支架承载能力相比较,得到了拱形支架承载能力系数与支架半径和巷道跨度的影响关系。同时为了使巷道断面更为合理,对支架构件轮廓曲线进行了优化,以使支架构件的内力和变形最为合理。结果证明：拱形支架承载能力比直梁梯形支架的承载能力有大幅度提高,其半径和跨度直接影响着承载能力,从而有效解决了软岩巷道难以支护的问题。另外,从合理拱轴线的角度,得出在均布等压的巷道中,选用圆弧形支架构件进行支护,能最大程度地发挥支架的力学性能。     

采空区影响条件下巷道围岩应力监测与研究

金属矿采空区多以矿房-矿柱组合的复杂采空群体系构成,这种复杂的空区群结构是一种复合应力拱的承载结构,复合应力拱的成拱机制形成了采场上方覆岩发生拉压破坏模式,进而导致围岩塌陷及巷道破坏;为了监测采空区影响下巷道围岩复合应力变化,提出在巷道内利用锚杆应力计监测围岩复合压力拱应力变化方法,锚杆采用端部锚固结构,埋入深度超过围岩冒落带并施加预应力;根据监测数据分析围岩应力变化可分为递变式、突跳式、振荡式和复合式变化四种变化模式,利用多元回归及突变模型建立围岩应力变化的数学模型,以历史数据为基础,建立以围岩应力极限值、应力变化速率及突变模型势函数临界值为判据的围岩稳定性分析数学模型。     

考虑损伤与剪胀及中间主应力的巷道围岩弹塑性分析

为研究圆形巷道围岩的稳定性,考虑了巷道围岩的损伤、剪胀特性以及中间主应力效应,建立了圆形巷道围岩弹塑性损伤力学模型,推导出圆形巷道围岩的弹塑性应力场和位移场解析解。研究结果表明:考虑损伤时围岩塑性区范围更大,所需支护阻力增长明显,塑性区位移明显增加;剪胀对位移场影响较大,对应力场影响较小,剪胀系数越大,需要提供的支护阻力就越大;随着中间主应力系数的增大,所需支护阻力降低,塑性区位移减小,最大位移减小幅度高达79.74%,不考虑中间主应力的强度准则偏于保守;考虑损伤、剪胀和中间主应力的新的位移解更加合理,研究成果为圆形巷道的设计支护提供了一定的理论基础和参考价值。