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。     

深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区预测研

为了预测深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区范围,基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学特性,获得了基于Mohr-Coulomb理论的泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学模型及参数,构建了深部大跨度泥质巷道数值模型,提出了泥岩峰后各强度参数变化对巷道顶板剪切破坏区的影响范围。结果表明:泥岩在峰后剪切破坏过程中具有明显的黏聚力软化-内摩擦角硬化特性;基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算获得的巷道顶板剪切冒落高度小于黏聚力软化-内摩擦角软化的计算高度;巷道顶板潜在剪切破坏区位置及范围与泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算结果十分接近。     

深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区预测研究

为了预测深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区范围,基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学特性,获得了基于Mohr-Coulomb理论的泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学模型及参数,构建了深部大跨度泥质巷道数值模型,提出了泥岩峰后各强度参数变化对巷道顶板剪切破坏区的影响范围。结果表明:泥岩在峰后剪切破坏过程中具有明显的黏聚力软化-内摩擦角硬化特性;基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算获得的巷道顶板剪切冒落高度小于黏聚力软化-内摩擦角软化的计算高度;巷道顶板潜在剪切破坏区位置及范围与泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算结果十分接近。     

基于D-P准则巷道围岩应变软化与破裂膨胀弹塑性分析

为了得到考虑围岩应变软化、破裂膨胀和中间主应力情况下的巷道围岩弹塑性解,基于非关联流动法则和DruckerPrager准则,引入中间主应力系数,建立软化和膨胀模型,得到了巷道变形、破裂区和塑性区半径的解析式,并进行了应用分析。研究结果表明:随中间主应力增大,巷道变形、破裂区和塑性区半径先减后增;围岩软化越严重,对巷道变形、破裂区和塑性区半径影响越显著;软化阶段的膨胀行为对塑性区半径不产生影响,但影响巷道破裂区半径和变形;残余阶段的膨胀行为对破裂区和塑性区半径不产生影响,但影响巷道的变形;巷道变形、破裂区和塑性区半径随支护阻力增大而减小,且原岩应力越大,支护对变形影响越显著。     

冲击危险巷道锚杆支护防冲原理解析

为揭示锚杆支护对冲击地压的防治原理,基于失稳理论进行锚杆支护巷道冲击地压解析,探究锚杆支护间排距对冲击地压发生的临界阻力区、临界载荷以及冲击释放能量的影响规律。结果表明,对于脆性岩体,锚杆支护间排距对冲击地压影响微弱;对于塑性岩体,随着锚杆支护间排距减小,冲击地压发生的临界阻力区、临界载荷与冲击释放能量逐渐增加,且这种规律随着岩体冲击倾向性降低越发明显。从临界阻力区与临界载荷角度看,降低锚杆支护间排距,能够增加冲击地压发生难度,但锚杆支护间排距降低导致冲击释放弹性能增加,冲击破坏能力提升。因此,应在弹性区与塑性区交界处设置吸能结构吸收多余的弹性能,从而削弱冲击能对锚固岩体的破坏力。     

临近断层工作面采动诱冲规律研究*

为研究临近断层工作面采动诱冲规律,首先对开采与断层应力之间的影响进行理论分析,再利用正交实验设计合理的实验方案,采用有限元软件FLAC3D对各方案进行数值模拟实验,提取25组数值模拟实验数据,最后基于层次分析法对各影响因素的组合权重进行理论计算,分析各影响因素对断层冲击地压的影响大小。结果表明:开采深度对断层冲击地压的影响最大,断层内摩擦角次之,断层黏聚力影响最小,且断层黏聚力和开采深度对断层冲击地压影响的差异较大。     

基于D-P准则的煤层钻孔封孔深度分析

为了确定合理的煤层钻孔封孔深度,提高瓦斯抽采效果,基于D-P屈服准则,提出关于中间主应力、煤岩剪膨胀的巷道开挖模型,推出钻孔周围煤体应力应变及钻孔封孔深度表达式。结合工程实例,以煤巷掘进工作面平均瓦斯抽采浓度和钻屑量为基础进行封孔深度的验证。研究结果表明:中间主应力、残余黏聚力、内摩擦角和剪胀角对于封孔深度有重要影响;在一定区间内,钻孔封孔深度随中间主应力的增大而增加,超过某个值后会随着中间主应力的增加而减小;剪胀角越大,扩容系数越大,钻孔封孔深度越大;平均瓦斯抽采浓度和钻屑量测试结果验证了封孔深度的准确性。     

鸡冠咀矿区岩体力学参数的确定及数值模拟反演分析

岩体力学参数作为矿井工程设计和施工的基础和依据，其选取的合理性对于预测矿山稳定性及后续支护都有重要意义。以鸡冠咀矿山巷道为主要研究对象，在室内外试验既得数据的基础上，根据正交试验与拉格朗日差分法(FLAC^3D),计算模拟出不同组合下的巷道变形，并开展水平极差分析确定各参数对巷道沉降影响的显著性，最后进行参数反演得出其力学响应规律。结果表明：内摩擦角、弹性模量和黏聚力对巷道围岩变形的影响依次减弱；采空区底板的上浮位移、浅部岩体的下沉位移均随开采深度增加逐步增大。     

巨厚砾岩作用下底板冲击地压诱发机理及过程

以千秋煤矿21141工作面下巷冲击地压发生的地质和采掘情况为基础,建立煤层巷道底板冲击地压诱发机理模型。水平应力的大小是影响巷道底板岩层稳定性的最主要因素,并确定最大水平应力的计算方法。采场上覆巨厚砾岩层断裂所产生的动载扰动能使巷道底板水平应力瞬间积聚升高。数值模拟分析得出,随着动载应力和加载时间的增加,巷道底板变形量、变形速度和加速度都明显的大幅度增加;同时巷道围岩塑性区也逐渐扩大。研究表明采场上覆巨厚砾岩层断裂、垮落对煤层巷道所产生的动载扰动会诱发规模较大的冲击地压,巷道底板由于缺少有效支护会成为冲击破坏的突破口。     

基于基本顶断裂位置分析剩余煤柱稳定性*

为简化支承应力表达式及全面分析煤柱稳定性,基于基本顶断裂位置建立工作面剩余煤柱载荷力学模型,将指数函数型支承应力曲线简化为与其拟合的幂函数抛物线,推导出剩余煤柱载荷及极限宽度B表达式。计算得出312工作面基本顶断裂位置与非开采帮塑性区边缘距离d为8.6~11.5 m,B为8.06~8.85 m。研究结果表明:随着d增加,煤柱载荷及B均逐渐增大;B随煤层黏聚力与内摩擦角的增加而减小,随煤层埋深、应力集中系数、侧压力系数、煤层厚度及工作面采高的增加而增大。研究结果有助于更加全面地分析煤柱稳定性,为工程实践提供一定理论指导。     

冻融循环作用下尾矿砂抗剪强度和变形特性研究

为探究冻融循环后尾矿物理力学特性的变化特征,使用高低温试验箱和应变控制式三轴剪力仪对处于不同初始条件下的尾矿砂进行不排水不固结试验,揭示了尾矿砂的抗剪强度参数、不同围压条件下的变形模量与冻融循环次数、含水率之间的关系。结果表明:相同含水率条件下,随冻融循环次数增加,尾矿砂黏聚力先减小后趋于稳定,内摩擦角先增大后减小,围压100 k Pa和200 k Pa时变形模量逐渐减小,围压300 k Pa时变形模量呈现先减小后缓慢增大的趋势;相同冻融循环次数条件下,随尾矿砂含水率增加,其黏聚力先增加后减小、内摩擦角不断减小;不同围压条件下变形模量在总体上均呈现出不断减小的变化趋势,围压200 k Pa时变形模量总的衰减量最大,100k Pa次之,300 k Pa最小。     

压实度和含水率对铁尾矿抗剪强度影响的试验分析

以阜新同乃铁矿排放的铁尾矿为研究对象,经试验得出其级配不良,属于含砂低液限粉土.通过室内试验分析了不同含水率和压实度条件下铁尾矿的抗剪强度.结果表明,铁尾矿的抗剪强度与其含水率和压实度之间有很大的相关性.相同压实度条件下,黏聚力随含水率升高呈先增大后减小的规律,存在特征含水率,在特征含水率条件下黏聚力达到最大值.黏聚力与含水率可近似拟合为二次函数.土颗粒间的水膜联结和胶结作用对黏聚力的产生具有重要作用,黏聚力因含水率的不同而变化较大.试验得出含水率变化对铁尾矿内摩擦角的影响较小,这是因为砂土的内摩擦角与砂土的颗粒结构、大小及密实程度密切相关,而铁尾矿中的粗粒含量较高,含水率变化不会引起其颗粒结构、大小及密实程度的显著变化.在相同含水率条件下,铁尾矿的黏聚力和内摩擦角均随压实度增大而呈近似线性增大.不同含水率和压实度条件下,铁尾矿的黏聚力均不大,铁尾矿的抗剪强度主要依靠内摩擦角的贡献.考虑铁尾矿材料的抗剪强度因压实度和含水率不同而变化,可使尾矿库稳定性分析结果更符合实际情况.     

考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞稳定性分析

为获得更准确的隧洞围岩塑性范围和力学特征,基于非线性脆性损伤和统一强度理论,考虑渗流场和中间主应力系数,推导出隧洞围岩弹塑性应力和塑性范围表达式。通过算例分析,得出渗透比（围岩与衬砌渗透系数之比）等相关参数对隧洞塑性范围和应力的影响规律。研究结果表明:隧洞切向应力具有不连续性,在衬砌、塑性区交界处及弹塑性交界处均发生突变;随渗透比和围岩脆性程度的增大,围岩塑性半径逐渐增大,塑性区切向应力逐渐减小;中间主应力系数越大,围岩塑性半径越小,塑性区切向应力越大。采用注浆加固圈进行支护,可有效地降低围岩渗透性,减小塑性范围。研究成果可为水工隧洞支护设计和稳定性分析提供一定的理论指导。     

考虑煤岩体成拱效应的工作面区段煤柱合理尺寸研究

为研究综采工作面面间煤柱留设宽度及加固范围,以陕西铜川玉华煤矿一采区为工程背景,首先建立采空区上覆岩土体自重荷载向煤柱传递的传力拱模型,通过求解传力拱模型,对采空区上覆岩土体荷载向煤柱的传递机理进行分析研究。再结合极限平衡理论与刚塑性理论,给出煤柱最小留设宽度与煤帮加固范围计算式。进一步对传力拱影响范围的各参数进行分析,结果表明:当开采宽度小于临界值,煤柱留设宽度随工作面埋深、工作面倾向长度增大而增大,随顶板材料黏聚力、内摩擦角的增大而减小;开采宽度超过临界值时,作用在煤柱上的荷载发生绕流现象。最后根据研究结果进行工程验证,巷道表面位移观测结果说明所设计的煤柱尺寸合理可靠。研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

考虑损伤和扩容影响的隧洞围岩稳定性分析

为解决复杂地质构造条件下隧洞开挖后围岩支护问题,根据围岩应力分布曲线特征,将围岩划分为弹性区和塑性区。结合Drucker-Prager屈服准则,建立围岩弹塑性损伤本构模型,分析隧洞开挖后引起的围岩损伤力学性能劣化和卸载时扩容效应的作用,推导出隧洞围岩在损伤和扩容条件下弹塑性区的解析解。研究表明:随着损伤和扩容程度的增加,支护阻力和塑性区位移明显增大;塑性区半径越大时,切向应力峰值远离隧洞壁,在一定范围内对围岩的稳定影响越深;随着中间主应力系数的增大,支护阻力随之减小,考虑中间主应力系数时对支护参数的优化更加有利。     

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。     

岩体强度参数新解及应用

针对Hoek Brown强度准则的较复杂地质参数,提出利用Mohr Coulomb强度准则参数替代。基于2002年版本的Hoek Brown强度准则,并结合准岩体强度准则,建立了岩石力学参数和Hoek Brown强度参数之间的新的换算关系式。经算例分析了换算关系式在已知的岩体强度参数条件下,计算出的Hoek Brown强度参数均在其取值范围之内;并根据单因素控制变量法,得出地质参数mb、s随内聚力增加而减小,随内摩擦角增加而增加;地质参数α受内聚力和内摩擦角影响较小;并将强度参数新解法用于计算巷道围岩塑性区半径。结论是岩石力学参数对地质参数有一定的影响,并且强度参数新解法计算出的塑性区半径为支护定量设计提供理论依据。     

冲击地压下巷道围岩失稳机制与控制技术研究综述

为探明冲击地压下巷道围岩控制研究方向,以冲击地压下巷道围岩失稳机制与控制技术为研究对象,调研2000年以来该领域的主要研究内容及研究方法等热点问题,梳理冲击地压发生机理、锚固支护失稳机制、巷道围岩控制机理及技术3方面的研究成果;总结其要点与不足,并提出冲击地压下巷道围岩失稳机理的研究重点和手段。冲击地压下巷道围岩失稳机制、低频强扰动下的锚固体失稳机理、支护-卸压相互协调关系、经济可靠的吸能让压材料、锚-棚耦合传力机制及调控机理是今后冲击地压下巷道围岩控制的研究重点;研究手段方面,应开发能够同时施加静载和低频强冲击下的大比例相似模拟试验台,开发能够嵌入数值模拟商业软件的岩石动态本构关系模型。     

瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型

为有效预防煤矿瓦斯动力灾害,研究瓦斯气体对煤岩力学性质的劣化机制及煤岩损伤演化特征,以原煤试样为研究对象,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同瓦斯压力下煤岩三轴压缩试验;建立瓦斯气体劣化-荷载作用下煤岩损伤本构模型,通过试验结果验证该模型的合理性。结果表明:煤岩在塑性变形阶段前累计损伤几乎为0,峰后损伤程度迅速增大;随着瓦斯压力升高,煤岩峰值强度与弹性模量均降低,瓦斯气体作用后煤岩初始损伤量显著增加;煤岩黏聚力随瓦斯压力升高而呈线性降低,通过黏聚力与瓦斯压力的关系修正Mohr-Coulomb准则,可量化考虑瓦斯气体劣化后的煤岩应力应变关系;所建模型与试验结果吻合度较高,可反映不同瓦斯压力作用下煤岩损伤演化过程。     

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。