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。     

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。     

空气中爆炸对巷道稳定性影响模拟研究

以西北某铀矿矿床某巷道为依托,针对巷道稳定性及巷道内爆炸问题,运用ANSYS软件对自重应力场下的巷道衬砌及围岩进行静力分析,得出巷道围岩有效应力分布情况及巷道断面上几个典型位置的位移量和等效应力值。在此基础上,再利用LS-DYNA显式分析功能模拟自重应力场下爆炸对计算,获得衬砌结构最大主应力和加速度时程曲线,分析爆炸波在巷道中传播规律,为巷道抗爆性设计提供参考。结果表明,巷道中的爆炸波会产生强烈的多次反射现象,并且在自重应力场下,直墙拐角处往往最先出现破坏。     

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。     

爆炸载荷作用下矿井密闭墙损伤评估

为探究煤矿井下常见的典型砖墙密闭墙抗爆性能,采用ANSYS软件建立数值模型,研究爆炸冲击作用下密闭墙的损伤情况.首先,分析瓦斯爆炸的特点和其导致的冲击波压力在巷道内传播特性,预测冲击波的压力强度幅值;然后,建立密闭墙数值模型,设计并完成多种冲量及压力加载方式组合条件下对墙体的冲击模拟数值试验;最后,通过自定义的损伤变量...     

充填体与岩体能量和强度匹配的分析及应用

矿山嗣后充填法中,采用经验类比法判定胶结充填体的强度存在诸多问题。利用新的方法来分析充填体与岩体的匹配是必要的。对某铜矿灰砂比为1∶6、1∶8、1∶10和1∶12的4种尾砂胶结充填体进行力学试验和匹配分析。首先利用损伤力学方法建立充填体破坏前本构方程,根据岩体开挖释放能量与充填体蓄积应变能相近的原则,来判定岩体与充填体的匹配;然后运用GTS/MI-DAS有限元软件模拟开采-充填过程,根据应力变化与充填体极限强度的大小关系判定两者的匹配。2种方法所得到的结论一致。分析结果表明,该矿山宜采用充填配比不小于1∶10的尾砂胶结充填体。     

深部采场进路开采顶板稳定性分析与支护设计

为降低深部矿体开采中冒顶事故的发生概率,确保井下安全开采,采用Q系统分级法、RMR岩体分类和BQ分级法对矿区岩体进行质量评价,结合块体理论和三维有限元分析进路开挖后顶板的稳定性。研究表明:部分岩体在进路开挖后顶板处出现较大拉应力集中,抗拉稳定性降低,极有可能出现冒顶事故。针对这类不稳定岩体,提出永久巷道采用锚喷支护,临时巷道采用锚杆穿带支护;并运用悬吊理论、组合梁理论、屈服强度理论和安全系数法分析支护条件下进路顶板的稳定性,优化支护结构参数。通过振弦式锚杆应力计收集现场未支护巷道与支护巷道轴向力,得出该支护设计对开挖后岩体变形起到了明显改善作用。     

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。     

高速公路路基下采空区充填效果试验研究

为了经济高效地治理高速公路下覆采空区,实现路面行车安全,建立某段高速公路下覆采空巷道的物理力学模型,确立正交试验方案,从充填体、充填率、充填数量三个因素及各因素三个水平出发,利用FLAC3D进行9次试验,借助极差和方差分析,确定出各因素显著性影响顺序和最优化充填方案。结果表明:最优化充填后路面沉降值和水平变形值是所有试验中最小的,充填治理效果显著,验证了最优化充填方案的正确性。     

榆家梁煤矿离层注浆充填保水效果数值研究

为探究离层注浆充填对地层保水效果的影响,构建地层岩体渗流场和裂隙场空间演变模型,分析离层空间充填后地层岩体导水性能演化特征。结果表明：受覆岩影响,岩体裂隙长度、孔隙率和水力传导率高值区由离层两端向中心区域集中;未充填时,离层上方关键层两端受拉剪破坏影响,关键层两端裂隙发育明显,孔隙率和水力传导率增大;充填高度增加,关键层断裂后受充填体支撑未完全破坏,孔隙率和水力传导率相对减小;岩层裂隙、孔隙率、水力传导率和水头的模拟结果证明对离层进行充填可有效减少含水层渗流量,离层充填高度越大,保水效果越好。     

损伤状态下某桩板式挡土墙稳定性预警

为了探究受损挡土墙结构的稳定性预警方法,首先分析挡墙-土体系统受力状态和土压力与挡墙稳定性及土体基床系数之间的关系;其次基于小波包频带能量谱分析,提出损伤预警指标——能量比变异系数(ERVC);然后分析ERVC、土压力及挡墙稳定性三者间的内在联系,提出一种用于损伤状态下的挡墙结构稳定性预警方法,即通过ERVC预警挡墙的稳定状态;最后以某桩板式挡墙为例,建立墙-土系统简化力学模型及其有限元模型,并修正有限元模型参数,得到墙-土系统基准有限元模型,以验证该预警方法的有效性。结果表明:随ERVC增大,挡墙稳定性逐渐降低;当ERVC达到界限值时,挡墙进入临界稳定状态。     

泊松比对巷道稳定性影响的数值模拟试验研究

泊松比是分析岩体性质的重要物理力学参数之一。为了分析泊松比对巷道稳定性的影响,从泊松比测定与计算方法着手,采用金尼克假说,以巷道侧压系数为研究对象,运用ANSYS软件,建立典型矿山巷道锚喷支护后的数值模型,通过设置沿拱角径向的安全系数监测点,建立巷道安全稳定范围与泊松比的对应关系。研究表明,随着泊松比μ值的增加,巷道拱角处不稳定区域逐渐减小,并向顶底板延伸,巷道两帮的塑性破坏区无明显变化;泊松比μ值为0.20时,塑性破坏区面积较大,为巷道断面面积的5.10倍;泊松比μ值(x)与安全系数≥1的区域距离拱角径向位置(y)的关系式为:y=61.518x2-54.509x+12.516。研究为泊松比对巷道稳定性影响提供了一定的理论参考依据。     

基于塑性极限分析法的巷道反底拱支护效应研究

针对现有研究对反底拱控制深井软岩巷道底臌的力学效应多采用模型试验和数值分析方法而缺乏解析方法的问题,基于塑性极限分析法研究了巷道在高竖直应力为主的地应力作用下开挖反拱后巷道底板的应力场特征,揭示了开挖反拱后巷道底臌的机理,并分析了反底拱的支护效应对控制巷道底臌的作用。结果表明:开挖反拱会影响巷道整体的稳定性,但铺设适宜半径的反底拱能大大提高底板的极限承载力;反底拱半径越小,其抑制底臌的效果越明显。结合反底拱力学模型从理论的角度给出了锚拉反底拱支护参数的解析解,为传统支护设计提供参考。最后将提出的方法应用于龙口矿区梁家煤矿一采区运输巷道的支护设计,并进行了现场支护试验,现场监测结果表明,经支护优化设计的试验段巷道变形得到了有效控制。     

高阶段尾砂胶结充填体力学研究与博弈树配比优化

在实验室试验了不同配比尾砂胶结试块强度,在充填采场取样测试了采场充填体强度.结果表明,如果以实验室试验的力学参数为充填配比设计依据,充填体最小设计安全系数为1.6～1.8比较合理.分析高阶段充填体受力,推导了分层充填力学计算公式及安全系数计算方法;根据充填工艺,确定最小充填高度,沿采场高度方向划分配比优化单元,建立了高阶段充填体配比优化设计模型;采用博弈树分析方法,解决了高阶段充填体配比优化问题,并对安庆铜矿5号矿房配比进行了优化.结果显示:与经验设计方法相比,采用本文方法优化充填配比,不仅使高阶段充填体内安全系数分布更趋合理,而且降低了水泥消耗.     

破碎岩体流变特性及其应用研究

受采动应力和水-岩耦合作用,松散含水层下薄基岩煤层采场易发生出水压架致灾事故,而巷采充填方法是解决此类问题的有效途径之一。为了研究巷道充填后上覆岩层的运移规律,首先采用流变仪对充填岩体进行了流变力学试验,其次采用FLAC模拟软件建立了巷采充填的数值计算模型,分析了充填开采时煤柱与充填体的应力、位移变化规律及基岩面的运移规律。研究表明:破碎岩体的压实过程由三部分组成:颗粒的重排、颗粒的破碎和孔隙的填充、颗粒的压缩变形;蠕变状态下,当时间t≥1天,轴向位移基本趋于稳定,破碎岩体达到了一定的强度;随着充填体变形模量的增加,充填体能够有效抑制高位承载岩层的下沉量,从而减小工作面发生压架突水灾害的几率     

动力扰动作用下充填体的力学响应研究

稳定的充填体是二步骤矿房回采的安全保障。在采矿动力作用下实现充填体的稳定性预测,是二步开采的安全控制关键。为了研究不同扰动幅值下充填体的动力响应规律,以某矿山工程为研究对象,采用Midas/GTS与FLAC3D数值模拟技术,建立了充填体动力稳定性分析的三维数值模型并进行了数值模拟分析。研究结果表明:动力扰动作用下,充填体暴露面的破坏区域由四周逐渐向中心扩展,并随着动力扰动幅值的增加,充填体暴露面破坏区域逐渐增大直至贯通破坏;充填体暴露面质点峰值振动速度随着动力扰动峰值的增加而增加,并得出了适用于该矿充填体暴露面振动峰值速度与动力扰动幅值之间的函数关系。距动力加载面越远,充填体内部质点峰值振动速度越小,且距动力加载面0~12 m处,质点峰值振动速度衰减较慢,从12~20 m质点峰值振动速度下降趋势最为明显。     

矿岩接触带巷道顶板沉降变形相似模拟试验研究

为分析矿岩接触带巷道顶板沉降变形对巷道稳定性的影响,以大冶铁矿尖林山矿区接触带巷道为研究对象,基于相似原理,构建了矿岩接触带巷道物理相似模拟试验模型,设计了沿巷道走向与矿岩接触面对称布置的应变位移计监测方案,分析了接触带巷道顶板沉降变形规律。研究结果表明:接触带巷道顶板两侧岩体沉降变形量和变形速率存在差异,接触带巷道大理岩侧顶板沉降量和沉降速率大于铁矿侧;邻近巷道开挖扰动对已开挖巷道顶板变形破坏有较大影响,增大了接触带巷道两侧岩体的沉降变形程度。结合大冶铁矿矿岩接触带巷道顶板沉降量监测数据,从顶板沉降量、沉降速率2个方面对比分析了相似模拟试验和现场监测试验结果,表明矿岩接触带巷道顶板沉降变形规律具有一致性。     

基于GPR-TOPSIS方法的充填配比多目标多属性优化

为获得某金矿尾砂胶结充填材料最优配比,基于试验结果,以海水比例、灰砂比和料浆质量浓度为输入参数,以充填体强度、塌落度及泌水率为输出参数,建立了充填配比与其响应量的高斯过程回归模型,分析了不同因素对充填性能的影响程度;采用遗传算法对高斯过程回归模型进行多目标参数优化,获得了Pareto非劣解,在此基础上,引入多属性决策的TOPSIS法对Pareto非劣解进行方案优选,确定了充填最优配比。研究结果表明:高斯过程回归模型相对误差值均小于6%,可靠性高;灰砂比及料浆质量浓度对充填性能影响较为显著,采用海水作为充填水源将降低充填体的强度;经优化后的充填配比与试验结果相符。     

巷道围岩加固体力学特性与稳定性分析

为了给出定量的围岩稳定性评价方法,将锚杆与围岩的复合体等效为围岩加固体,继而建立了深部围岩与加固体力学分析模型,在求得加固体的物理力学参数表达式后,对模型进行了力学分析,提出依靠加固体变形程度来评价围岩稳定性的方法,最后,结合算例对某巷道围岩进行稳定性分析,同时分析了岩体和锚杆参数对围岩稳定性的影响。研究结果表明:通过理论计算得出的巷道洞壁位移以及锚杆轴力与实测值相近,证明了模型的合理性;锚杆支护设计遵循长而疏、短而密的规律,但锚杆长度增加或间排距减小到一定值后,围岩稳定性的增幅在降低;锚杆预紧力与围岩稳定性呈线性变化规律,锚杆弹性模量与直径对围岩稳定性影响较小;该方法能快速、简洁地分析岩体与锚杆参数对围岩稳定性的影响,也能优化锚杆支护参数。     

大型地下方厅多导洞施工力学效应分析

针对北京城铁 13号线东直门站地下方厅开挖跨度大、覆盖层薄、地质条件极差的施工难题 ,笔者采用三维有限元数值模型 ,模拟开挖支护施工流程 ,考虑到围岩介质的复杂特性 ,施工作业方式 ,包括分布开挖工序 ,支护结构形式和施作时机 ,以及开挖面推进过程中的空间效应 ;按形变压力理论 ,选用“连续体”计算模型 ,采用增量变弹性法和增量叠代的混合法进行计算分析 ,对多导洞开挖支护施工方案进行了计算分析 ;基本掌握了在覆土厚度小的情况下开挖大跨平顶直墙方厅时 ,周围土体的应力分布特征和变形特性 ,对于优化施工方案、修改支护参数、采取局部加固措施起到了重要作用。实践表明采用多导洞施工方案是科学合理的 ,有利地保证了周边环境和施工安全。