不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明：裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。     

基于非连续变形分析方法的深部沿空掘巷围岩变形破坏及控制机制对比研究

利用非连续变形分析方法（DDARF）对单节理锚固试件在单轴压缩条件下的变形破坏及裂隙扩展过程进行分析,并以深部厚顶煤综放沿空掘巷--赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,应用DDARF对沿空巷道围岩的变形破坏及控制机制进行研究,同时利用地质力学模型试验及现场试验进行对比验证。重点分析了沿空巷道围岩裂隙演化规律,并定义裂隙率 及裂隙减少率 两个指标对DDARF计算中的沿空巷道裂隙演化规律进行定量分析。研究结果表明：采用DDARF方法对单节理试件在无锚和加锚条件下的单轴压缩试验计算与室内试验结果相吻合;对沿空掘巷过程中巷道围岩变形情况进行DDARF计算,结果显示,围岩变形呈现沿空帮>顶板>实体帮>底板的变化趋势,与模型及现场试验监测数据相符;根据 及 两个指标对计算得到的无锚和加锚沿空巷道围岩裂隙发育情况进行定量分析,结果显示,沿空巷道围岩破坏趋势为 ,与变形趋势相一致;虽然锚固效果明显,但由于Ⅰ区、Ⅱ区本身围岩破碎严重,支护后裂隙率最大的 仍然是裂隙率最小的 的2.13倍,为了维护围岩稳定性,除了进行锚杆（索）非对称支护外,还应对Ⅰ区、Ⅱ区关键部位增加支护措施。DDARF方法关于沿空巷道围岩变形破坏的计算结果与实际工程相近,可有效开展裂隙演化与变形破坏机制研究,分析此类巷道的控制对策。     

深部大变形回采巷道围岩拉压分区变形破坏的模拟研究

为研究深部回采巷道围岩大变形破坏规律,在地质力学评估及矿压显现特征实测的基础上,采用真三轴相似模拟方法,模拟了不同加载梯度下巷道围岩应变特征。结果显示,在浅埋静水压力条件下,巷道围岩呈现“浅部拉应变、深部零应变”的特征;深埋静水压力及初掘采动应力下巷道围岩出现“径向应变拉压交替分布”现象;当采动应力集中系数大于2时,深埋巷道围岩应变进入非线性大应变状态。采用FLAC3D的应变软化模型与摩尔-库仑模型,对比研究了深部回采巷道围岩位移、塑性区分布规律。结果表明,应变软化条件下,巷道围岩产生拉、压分区破坏且软化后的围岩位移与实测结果更吻合。综合研究结果,揭示了深部回采巷道围岩拉、压分区的产生机制,初步提出了注浆、喷层等措施,防止过度应变软化引起深部回采巷道围岩大变形,为类似巷道稳定性控制提供了一定的参考。     

深井孤岛工作面巷道围岩采动应力分区演化特征

针对深井孤岛工作面煤巷大变形问题,采用现场实测手段研究了回采过程中巷道和采空区应力动态演化规律以及巷道围岩变形破坏演化特征。研究结果表明：深井孤岛工作面巷道围岩应力演化与变形破坏具有显著的阶段性特征,工作面前方大于250 m范围,巷道围岩未受采动影响,围岩应力变化较小且变形主要集中在底板与煤柱肩窝;工作面前方100～250 m支护结构受力增大,巷道浅部围岩破碎,顶底板移近及煤柱内挤变形突出,巷道出现明显的非对称变形破坏;工作面前方100 m为强烈采动影响阶段,尤其是在工作面前方20～22 m围岩垂直应力与空间主应力变化比较剧烈,顶底板移近与两帮内挤变形更加突出,巷道围岩表现出明显的大变形破坏特征。根据采空区应力分区特征分析了顶板覆岩结构的动态演化过程。结合应力与变形破坏演化特征,提出了巷道支护对策,以期为深井巷道围岩控制提供一定指导。     

含软弱夹层深部软岩巷道稳定性研究

随着能源开采由浅部向深部发展（>700 m）,深部软岩巷道在高地应力下的变形破坏及其合理加固技术成为影响资源安全开采的重要因素。结合国投新集刘庄矿深部软岩及其软弱结构面的力学特性试验成果,提出软弱夹层的破坏准则及其损伤演化模型,并将其应用于含软弱夹层的深部软岩巷道围岩稳定性分析,研究不同支护方案下的围岩变形特性、破损区以及软弱夹层的离层和破坏情况,提出了合理的加固技术参数。     

双河煤矿采动巷道顶板裂隙的分形研究

巷道顶板的变形量是评价巷道顶板稳定性的一个重要指标,巷道顶板裂隙的间距分形维是综合反映顶板裂隙发育、分布特征的一个重要参数,尝试建立二者之间的数学关系。利用多基点位移计对双河煤矿采动巷道顶板的变形量进行了监测,利用钻孔电视成像仪对顶板内裂隙的发育和分布状况进行了监测,并且计算出顶板内裂隙间距的分形维。结果表明,顶板0~2 m内裂隙最为发育,在此范围内,裂隙线密度与裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,二者具有线性关系;顶板的变形量与相应的裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,顶板裂隙的间距分形维增大,相应的围岩变形量增大,二者之间存在线性关系。研究结果表明,顶板裂隙的间距分形维是综合反映巷道顶板稳定性的一个指标,可以作为巷道顶板稳定性的指标,对巷道顶板稳定性进行评价,为支护设计提供可靠依据。     

重复采动巷道塑性区调控原理与稳定控制

为研究双巷布置工作面留巷受重复采动影响围岩的变形破坏规律及稳定控制问题,综合运用数值模拟、理论分析和现场观测等方法,研究双巷间距对重复采动下留巷围岩塑性区空间分布特征及偏应力的影响规律,揭示二次采动对留巷塑性区的诱导扩展机制,提出围岩塑性区二次扩展抑制方法。结果表明：重复采动巷道围岩塑性区在巷道轴向上均可划分为6个区域,整体表现为双巷间距越大,则塑性区破坏深度越小的特征,且其形态由非对称分布向对称分布状态转化,双巷距离增加造成的应力旋转程度和偏应力峰值低是主要原因。一次采动滞后影响稳定区维护距离及周期最长,且为二次采动塑性区叠加扩展的基础,是重复采动巷道围岩稳定的关键控制区域。据此提出通过调整巷道空间位置,达到改善应力环境、调整巷道围岩破坏状态的目的,并建立了分区补强支护相结合的调控方法和控制技术体系。现场实测结果表明,该技术体系能够达到巷道安全稳定目的,效果良好。     

煤矿深井巷道掘进全过程围岩变形破坏原位测试

传统研究对于煤系地层巷道围岩的变形破坏监测均在掘进面后方进行,无法获得巷道掘进全过程的围岩变形,更缺乏对煤矿深井巷道掘进全过程中围岩变形破坏规律的认识。为此,针对济宁三号煤矿深井巷道,通过超前布置监测断面,首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的围岩变形破坏规律;利用考虑体积应力的改进横观各向同性应变软化模型对巷道开挖全过程的围岩变形破坏特征进行分析。研究结果表明：在济宁三号煤矿七采区巷道地质条件下,浅部围岩的累计变形量和变形速率均大于深部围岩;巷道掘进全过程中,围岩变形随掘进面的推进经历了缓慢增长、迅速增长和变形稳定3个阶段;变形稳定后围岩松动圈深度约为1.0 m;巷道两帮围岩位移与破坏深度均在控制范围内,顶底板围岩破坏相对严重,并给出了相应解决方案。研究成果可为揭示煤矿深井巷道掘进围岩的变形破坏规律以及合理确定支护方案和参数提供重要的科学依据。     

不同荷载下矩形巷道围岩变形及声发射特性试验研究

为研究不同初始地应力下矩形巷道在开挖卸荷过程中围岩的变形破坏特征以及声发射(AE)特性,使用水泥砂浆浇筑胚体并加工成矩形巷道围岩试件,进行开挖卸荷模型试验,得到顶板、隅角和帮部围岩的变形破坏特征以及AE撞击计数、损伤变量、频谱的演化特点。试验结果表明:(1)矩形巷道在开挖卸荷过程中以顶板和帮部围岩径向受拉、隅角围岩切向受压变形为主,且顶板围岩变形特征与帮部类似。(2)地应力量级增加,对顶板(巷帮)的径向以及隅角围岩的切向应变速率影响显著,对其他方向影响较小。(3)AE撞击计数和损伤变量的演化特征揭示了围岩试件内部微裂隙萌生、扩展以及宏观裂缝出现直至发生主破裂的损伤过程;地应力越高,主破裂发生的时间会相对推迟,且开挖卸荷后的相对损伤比重随初始地应力增加呈非线性增长。(4)AE信号峰值频率集中区段增多,且幅值逐渐升高的现象可看作围岩即将发生主破裂的前兆信息;地应力越高,峰频集中区段分布越广。(5)随地应力增大,围岩试件内壁展现了从微裂纹―分层碎胀―块状剥落的变化过程;矩形巷道破坏形式主要以顶板和帮部围岩的张拉性隆起为主,并伴随离层碎胀现象,隅角围岩在试件失去承载力时表现为压剪破坏的特征。     

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明：随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.082 3:1.139 4:1。     

模糊等价聚类分析在王村矿围岩稳定性分析中的应用

针对澄合矿区王村矿井部分巷道及硐室围岩变形破坏严重的现状,以围岩抗压强度、围岩泊松比、侧压力系数、围岩弹性模量、巷道埋深、巷道跨度、最大应力集中系数及围岩平均移动速率作为围岩稳定性因子,通过对8条典型巷道及硐室围岩稳定性因子的现场实测,并对所得数据进行模糊等价聚类分析的基础上,将围岩稳定性划分为极不稳定、不稳定、基本稳定、稳定及非常稳定等5类。在此基础上,将围岩稳定性影响因子分为最主要因素、主要因素及一般因素3大类,进而确定各监测巷道及硐室的围岩稳定性类别。结果表明,模糊等价聚类分析具有较强的工程适用性,是解决矿井围岩稳定性分析的一种有效方法,基于该方法得到的围岩稳定性影响因子分类和围岩类别可以为合理设计围岩支护方案及其参数提供理论依据。      

基于Hoek-Brown强度准则的巷道围岩弹塑性研究

巷道围岩区域划分和分析是确定巷道里锚杆支护、松散地压的主要依据.巷道围岩位移是煤矿巷道断面设计、确定变形地压等的主要根据.本文采用Hoek-Brown强度理论和极限平衡方程通过对侧压力系数为1的圆形理想巷道的巷道围岩进行弹塑性分析.通过上述计算求出围岩巷道的塑性半径、应力及位移,与目前广泛采用的以Mohr-Coulom...     

基于物理模型试验的含多层软弱夹层顺层开挖高边坡变形破坏特征分析

含有多层软弱夹层的开挖边坡具有坡体结构复杂、稳定性评价及治理难度大的特点。以黔西地区现场开挖高边坡为研究对象,建立室内物理试验模型,通过不同的工况开挖,呈现变形破坏演化过程,分析变形破坏模型及形成机理,确定失稳破坏范围。结果显示:开挖边坡裂隙产生由表及里,由上及下,由最初的陡倾短小裂隙扩展延伸,最终贯通,形成近似平行岩层的长大裂缝;缓坡度开挖变形破坏为浅表层,整体稳定性较好,失稳范围及规模较小;陡坡度开挖变形破坏规模大,稳定性较差,以滑移-拉裂深层失稳为主;浅层滑坡滑面以层间泥化夹层剪切为主,基本呈直线状;深层滑坡滑面以层间泥化夹层剪切以及陡倾裂隙组合形成阶梯状。该研究成果对于黔西地区的顺层开挖高边坡设计、稳定性评价、治理措施选择等具有重要的指导意义。     

大直径救援井动载荷作用下安全透巷距离数值模拟

为了防止透巷作业时地层水和钻井液沿钻孔突然涌入巷道,造成井下被困人员二次伤害,采用ABAQUS岩土数值模拟方法,以山西坪上煤矿3 号煤层巷道地面救援井为例建立模型,研究钻井动力扰动条件下巷道顶板围岩塑变特性规律,优化安全透巷距离。结果表明:动力扰动造成顶板围岩位移变形和塑性破坏,且以钻孔中心呈对称的锯齿形分布;轴向作用力对透巷顶板围岩的影响较大,安全透巷距离取值为16.53 m。模拟结果为优化安全的透巷距离提供了参考,实现了安全高效透巷的目的,为救生舱在救援井中安全下放、提升作业提供了保障。      

考虑渗流和剪胀的圆形巷道围岩广义SMP准则解

本文基于广义SMP准则,综合考虑中间主应力、孔隙水压力和围岩的剪胀特性,建立了巷道围岩的理想弹塑性模型。根据弹塑性理论,推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解。结合具体算例对SMP准则计算得到的围岩应力分布和塑性区半径与Mohr-Coulomb（M-C）准则进行了对比,并对孔隙水压力和围岩剪胀角等影响因素进行了分析。研究结果表明:SMP准则计算得到的塑性区半径小于M-C准则,说明M-C准则相较于SMP准则更为保守;孔隙水压力对巷道围岩的位移场具有很大的影响,表现为孔隙水压力越大,巷道洞壁附近围岩位移量越大,且围岩塑性区半径和弹塑性交界面处的峰值切向应力与孔隙水压力成正比;采用相关联流动法则会低估围岩的强度,不考虑剪胀则会低估围岩的实际变形。      

Arch Height Effect and Optimal Section Selection of Strata Behavior of Straight Wall Arch Roadway Under Mining Condition

In order to reduce roadway excavation and effectively control roadway surrounding rock deformation, different combinations of roadway width (4.5 m, 4.8 m, 5 m, 5.2 m), roadway height (3 m, 3.3 m, 3.5 m, 4 m), and arch height (0.3 m, 0.5 m, 0.8 m, 1 m) are selected. Through L₁₆(3⁴) three-factor four-level orthogonal test and numerical simulation, the surrounding rock deformation and plastic zone area evolution after roadway excavation are studied based on FLAC^3D. The results show that arch height is negatively correlated with plastic zone area in roadway roof surrounding rock and positively correlated with failure of roadway sides and corners. Further investigation finds the optimal combination to be roadway width 4.5 m, roadway height 3 m, and arch height 1 m. Compared with the original scheme, the new straight-wall arched section reduces plastic zone area by 35.07%, roof subsidence by 19.2% and side displacement by 22.4%. The optimized roadway section effectively reduces the failure range of surrounding rock plastic zone and contributes to long-term roadway stability.

     

Experimental study on damage failure mechanical characteristics and crack evolution of water-bearing surrounding rock

Water plays an important role in the mechanical properties of roadway surrounding rocks and poses a great threat to their stability. To study the damage and failure characteristics, and the fracture development laws of surrounding rock, a uniaxial compression test for prefabricated fractures in water-bearing surrounding rock was carried out. Results indicate that water-bearing prefabricated fracture specimens are in better development condition after failure. In water-bearing specimens, the propagation direction is more complex. There are more secondary fissures, and the fracture strength is significantly lower than in dry specimens. When immersed in water, the interior structure of surrounding rock is weakened and softened; thus, the intensity is reduced, and the development and propagation of fractures is promoted. For larger angles of the prefabricated fractures, the compression failure of surrounding rock changes into shear failure. As the angles approach 90°, the shear failure again prevails. Therefore, the strength of the surrounding rock firstly decreases and then increases. A new ultimate stress strength model is developed for fractures caused by shear slip failure in water-bearing surrounding rock. The model results are consistent with the experimental results, and the validity of the model is verified. These results are helpful for deeply understanding the failure process of water-bearing surrounding rock with prefabricated fractures. The proposed model could be used for the evaluation of water-bearing surrounding rock stability in coal mines, as well as dynamic risk monitoring.