深埋矩形软岩巷道变形破裂规律研究

为研究深埋矩形软岩巷道的变形破裂发展演化规律,以一条泥岩巷道的地质条件为依据,采用PFC2D离散颗粒元软件,首先通过单轴和三轴压缩数值模拟试验确定泥岩颗粒及胶结物的细观参数;然后在此基础上,考虑泥岩颗粒及孔隙结构的排列分布情况,分析得出泥岩不同细观结构条件下深埋软岩矩形巷道周边围岩变形破裂的空间分布模式及其发展特点。结果表明,1)岩体细观颗粒在空间上的不同排列顺序,将导致深埋矩形软岩巷道围岩发生非对称变形破裂现象,且分别出现3种和5种截然不同的破裂和变形模式;2)深埋矩形巷道围岩的破裂扩展过程为:先在浅部薄弱处随机出现微小裂纹;之后这些裂纹逐步贯通形成多条由巷道表面引出的剪切滑移带;随着剪切滑移带的扩展延伸,巷道顶底部和两帮的破裂带开始相互交叉,最终将整个巷道围岩分割形成网状的分区破裂区域;3)在不同开挖时段,深埋矩形巷道围岩的径向位移都大致与其距巷道表面的距离呈指数衰减关系,且顶板浅部围岩的平均位移明显大于两帮;4)矩形巷道表面岩体最大位移在矩形四边中点处出现的概率很小,在矩形四个角点附近约0.25 m范围出现的概率最大;5)随开挖时步增加,深埋矩形巷道围岩裂纹总数和位移均呈指数衰减。     

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。     

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。     

基于侧压力差异性的深部巷道多场耦合规律分析

为综合分析某深部巷道在侧压力差异性下围岩能量场、应力场及位移场之间的影响特征，为后续施工提供理论指导，考虑4种侧压力系数(κ为0.6、0.9、1.2和1.5),采用三维建模软件Rhino进行基本网格建模，再映射至颗粒流离散元软件PFC^3D进行数值模拟分析。结果表明，1)κ的差异性使围岩应力场发生变化，应力场带动颗粒的运动状态改变，从而进一步影响系统能量场：当κ从0.6增至1.5时，动能增至原来的3.8倍，应变能增至原来的2.6倍；开挖完成后同水平κ下动能衰减至初始值的2%～23%,应变能则衰减至初始值的80%～90%。2)根据κ对围岩应力场影响程度的不同，将围岩分为浅、中、深3部分，其与开挖巷道的扰动区相对应，应力场变化呈现按照深部岩体、中部岩体、浅部岩体依次增大的现象；随着κ的增大，围岩应力场中主导应力改变，体现出拱腰应力变化幅度大于拱顶与拱底的现象，其最大绝对变化量为52%。3)位移场与应力场变化相对应，当κ的差异性导致应力场发生变化时，围岩主导应力状态将会不同，具体表现为随κ的增大，拱顶、拱底竖向最大位移减小及云图中水平扰动区范围增大。     

矿岩接触带巷道顶板变形问题研究

为研究矿岩接触带巷道顶板变形对接触带巷道稳定性的影响,以大冶铁矿矿岩接触带巷道为研究对象,通过力学分析,建立接触带巷道顶板力学模型,推导接触带巷道顶板岩梁挠度表达式;运用FLAC3D数值模拟软件,模拟接触带巷道顶板应力分布和沉降量的变化情况;通过现场监测试验,分析接触带巷道矿岩两侧顶板累积沉降量和沉降速率的变化规律。研究表明:接触带巷道两帮应力局部集中,顶底板存在卸压现象,且顶板应力在接触带处出现波动跳跃;巷道顶板沉降显著,但位移云图变化平稳,位移影响区范围为沿巷道方向接触带前后5.00m左右;接触带巷道铁矿侧顶板累积沉降量和沉降速率均比大理岩侧小;接触带巷道大理岩侧顶板沉降速率先增大后减小,铁矿侧顶板沉降速率先增大后减小再增大再减小。     

动力扰动诱发巷帮煤体冲击矿压机制研究

基于煤岩介质的动力扰动载荷理论,对动力扰动诱发深埋巷道帮部煤体冲击矿压机制进行了研究。利用FLAC3D软件数值模拟了深埋巷道围岩,尤其是帮部煤体对动力扰动的响应。结果表明,随扰动载荷增加,巷道围岩速度、应力和位移均产生了急剧变化,两帮煤体发生严重拉伸破坏,塑性分布区明显扩大。始终维持极限平衡状态的深埋巷道帮部煤体在动载反复扰动下容易产生超高应力集中,帮壁煤体发生破坏,形成应力转移,导致深部煤体由三向应力状态迅速转化为双向或单向应力状态。同时,动载产生的强烈振动改变了顶底板对煤层的约束条件,降低了摩擦阻力,诱发深埋巷道帮部煤体冲击矿压。根据现场统计,大安山矿+550 m西二褶曲轴10下槽回风顺槽动力扰动诱发的冲击矿压为35次,约占冲击显现总数的93.3%。     

基于矩形巷道应力特征点的空间数据分析

为得出矩形巷道围岩应力空间分布特征,将复变函数理论推导得出的曲线坐标应力分量转换为巷道所在平面的直角坐标应力分量,采用Matlab软件对巷道应力特征点的空间数据进行分析,得出了巷道围岩应力场分布直观图。并考虑了侧压系数、高宽比及巷道断面尺寸等对围岩应力场的影响,结果表明,应力峰值随侧压系数的增大而增大。应力峰值出现在矩形巷道的四角上,与侧压系数、高宽比、巷道断面面积无关。侧压系数大于1时,顶底板水平应力和最大主应力均随侧压系数增大而增大,两帮垂直应力随侧压系数增大而减小;垂直应力峰值、两帮垂直应力随高宽比增加而减小,顶底板的水平应力和最大主应力随高宽比增加而增加。围岩应力变化规律与巷道断面面积无关。     

巷道围岩再造承载层机理及数值模拟

在分析大变形巷道基本支护系统基础上,依据应力转移与强抗承载的围岩稳定思想,提出了巷道围岩再造承载层机理,建立了巷道围岩再造承载层稳定性力学模型,分析了巷道围岩再造承载层的稳定因素,最后进行了数值模拟。结果表明:巷道基本支护系统的承载能力与作用范围有限,基本支护系统作用下巷道浅部围岩呈“O”形整体收敛,弹塑性界面离层明显;而巷道两帮再造承载层与基本支护系统形成“Ω”形承载结构体,整体承载能力加强,顶板应力由底板深部转移改变为向两帮外伸移动,两帮围岩移动由巷道内收敛改变为向巷道底角外扩散,巷道围岩稳定性提高;巷道围岩再造承载层位置越高、长度越大,围岩越稳定;无支护巷道两帮垂直应力集中区明显,支护后巷道两帮垂直应力集中区得到弱化,浅部围岩形成“Ω”承载拱形体,两帮与顶板位移变化量较小,底鼓量为无支护巷道的84.65%,应进一步做好底鼓控制,围岩整体收敛变形较小,支护效果明显。     

基于FBG传感器的回采巷道锚杆支护监测分析

鉴于巷道锚杆支护服役状态安全监测的需求,考虑回采巷道恶劣环境条件和锚杆埋入煤岩后不可见的局限性,基于FBG传感器技术自主研制了锚杆FBG应力传感器.通过实验室标定和现场试验,实现了对回采巷道服役锚杆杆体应力准分布高精度的连续动态监测,从而基于技术手段实现了锚杆支护状态的安全监测.在浅埋薄基岩煤层回采巷道,应用锚杆FBG应力传感器,随工作面推进,监测了周期来压过程中服役锚杆杆体的应力变化.通过对监测数据进行统计分析,综合考虑锚杆布置位置与推进工作面之间的空间联系,揭示了回采巷道服役锚杆安全状态及演化规律.由监测数据发现,顶板、巷帮、顶角顶板、顶角巷帮及底角巷帮锚杆安全状态各不相同,且存在深浅部位锚杆安全状态不同的情况.锚杆杆体的轴力变化值表现为顶板锚杆增加,巷帮锚杆减小,顶角顶板和顶角巷帮锚杆的浅部减小、深部增加,底角巷帮锚杆中间增加、两端减小.对监测结果综合评判表明,回采过程中一旦满足条件,巷帮锚杆会最先破坏而引发安全事故,顶板锚杆最为安全,顶角顶板、顶角巷帮及底角巷帮锚杆相对安全.     

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。     

小煤柱巷道围岩变形的力学机理及演化过程研究

为研究小煤柱巷道围岩变形力学机理与演化过程,以石槽村矿某回风巷为研究对象,采用理论分析、FLAC3D数值模拟以及现场实测等方法,分析小煤柱条件下巷道围岩变形的主要影响因素以及表征特点。研究结果表明:侧压系数为巷道围岩变形的主控因素;侧压系数与巷道顶底板位移量呈正比关系,与两帮位移量呈反比关系;回风巷每次受采动影响时,变形可分为巷道稳定阶段、位移分化阶段以及位移加速变化阶段;围岩变形主要发生在一次采动影响时,此时巷道变形呈现明显的不对称,左右两帮的位移量差异明显,巷道的中心位置明显偏移。研究结果可为小煤柱巷道围岩支护提供技术参考。     

某铅锌矿巷道围岩破坏原因及治理对策分析

为了澄清1 330 m中段巷道发生冒顶、片帮及底鼓的原因,并预测深部各中段巷道的地压显现规律及治理对策,应用FLAC3D模拟实际开挖和开采过程,并分析巷道围岩的应力变化。结果表明:巷道地压显现是拉应力长期作用而发生疲劳拉坏的结果;南侧矿体无断层与巷道贯通,且离1 330 m中段巷道较远,其开采对巷道稳定性影响微弱;北侧矿体有正断层与巷道贯通,离巷道水平距离只有10 m,其开采是引起巷道围岩拉应力增大的主要原因,贯通断层是引起巷道围岩拉应力增大的次要原因;深部巷道应布置在矿体下盘分界线以外不小于15 m处;鞍部矿体采空,有利于1 330 m中段巷道卸压,对1 280 m中段巷道卸压效果微弱;确保断层附近顶柱的完整性,有利于降低巷道围岩的拉应力;对拉伸疲劳破坏的巷道,采用无预应力锚杆支护几乎不起作用。该结论与开挖、开采实践基本吻合。     

动载下巷道围岩微震响应特征及支护研究

为探讨动载下深部巷道围岩变形特征,采用微震监测系统、顶板动态监测仪及FLAC3D 数值模拟软件研究深部工作面回采中微震活动特征及巷道变形破坏特征,模拟动载前后巷道围岩及支护体力学响应特性。研究结果表明:微震事件分布与累计损失能量均呈现出明显的3阶段特征,与工作面开采过程出现的初次来压、采空区初次见方和遇见断层现象相对应;微震事件的分布在时间和空间上具有一致性;动载下顶板破坏程度大于底板及两帮;动载扩大了巷道围岩塑性区范围,改变了围岩的受力状态,增大了围岩的变形量与支护体的受力;通过增加锚杆直径、长度、排距及提高预紧力对支护结构进行优化,现场监测数据表明,优化后支护方案保证了围岩的完整性,限制了围岩的变形,减小了锚杆受力,能够有效控制采动影响下巷道围岩的变形,对采动影响下深部巷道维护保证煤矿安全生产具有参考应用价值。     

深部大跨度硐室顶部卸压应力控制机理及数值模拟研究

深部大跨度硐室在高应力下常出现明显的围岩变形破坏,严重的会影响矿井的正常生产甚至引发事故。以新庄煤矿机头硐室受围压破坏变形为工程背景,分析机头硐室巷变形破坏的地质因素,提出采用顶部卸压法进行硐室维护的方案,并模拟卸压前后围岩应力及变形的变化。数值模拟结果表明顶部卸压后,硐室围岩应力重新分布,围岩应力下降和向深部转移;硐室顶底板围岩铅垂应力及两帮水平应力均减小,顶板围岩铅垂应力平均减少61.5%,底板浅部0-2 m区间内围岩铅垂应力接近0,水平应力平均减小75.4%。从模拟结果看,顶部卸压实施后有利于机头硐室的长期稳定。     

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。     

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。     

矩形巷道矿震应力波扩散规律谱元法分析*

为明晰矿震在巷道围岩中的应力波扩散规律,采用SPECFEM2D程序包谱元法数值模拟方法,研究二维模型在有无矩形巷道情况下应力波扩散过程以及质点最大振动速度PPV值分布规律。结果表明:巷道受S波影响大于受P波影响的程度。巷道表面应力波叠加现象明显,且背波侧巷道左帮上半部分PPV值最大,但深入围岩内部后有巷道时小于无巷道时的PPV值。巷道迎波侧PPV值较背波侧大,且分布范围大,背波侧出现了应力波屏蔽区。巷道顶底板主要受水平方向应力波影响,两帮主要受垂直方向应力波影响。研究结果对理解应力波在矩形巷道周围的扩散规律有一定的参考作用,并对矿震应力波作用下的巷道支护有一定借鉴意义。     

极破碎围岩半煤岩巷变形破坏机理及支护控制研究

针对强膨胀性极破碎围岩半煤岩巷出现的大底臌、折帮和顶板下沉等变形破坏和支护困难的问题,运用力学理论分析、数值模拟分析和现场试验研究相结合的方法,研究了巷道变形破坏机理及其控制策略。研究表明:在原以工字钢拱架为主的被动支护条件下,巷道变形破坏受到吸水膨胀、软弱夹层、节理等弱结构面多重影响,巷道变形破坏严重。提出了“全断面锚索+金属网、钢带、梯子粱”联合支护,经过现场实践,掘进巷道在新方案支护183天后,两帮、顶底板收敛变形明显减小,变形处于相对稳定状态,达到了支护效果。