石林隧道底鼓灾害的特征与机理研究

基于石林隧道现场地质调查及底鼓灾害的特征分析,得到了围岩特性、地层压力、地下水、支护形式和围岩流变等诱发该隧道底鼓灾害的因素;通过深入分析各种因素的致灾过程,表明石林隧道底鼓灾害是一种集遇水膨胀性和挤压流动性为一体,且极具时效变形特性的综合型底鼓。考虑底板下近断层的影响,将石林隧道底板岩层视为板壳结构,通过理论分析得到基于非关联诱导因子群作用下隧道底鼓量的估算公式,表明隧道底板岩层弯曲失稳引起的底鼓量对总底鼓量起关键控制作用。研究结果可进一步深化对隧道底鼓灾害的认识,为灾害防治措施的制定提供可靠依据。     

隧道底板渐进破裂碎胀大变形：一种新的底鼓机制研究

底鼓是深埋高应力软岩隧道常遇灾害,现有底鼓力学机制忽略了隧道开挖导致的围岩应力释放、应力转移和应力集中现象,仅对初始地应力状态进行了分析。因此,鉴于有限元-离散元耦合数值方法（finite-discrete element method,简称FDEM）在模拟岩体材料弹塑性连续变形和断裂失效非连续变形以及破碎块体接触方面的优越性,采用FDEM数值模拟方法研究了隧道底板渐进破裂碎胀大变形演化机制,并研究了地应力侧压系数、围岩体抗拉强度和底板位置对底鼓机制的影响。结果表明：（1）隧道底板底鼓力学机制为围岩的破裂碎胀性大变形,可简述为隧道开挖导致径向应力降低、切向应力升高,当升高的切向应力超过岩体强度时便产生共轭剪切破裂并伴随拉伸断裂,最大切向应力不断向深处完整围岩演化直至与岩体强度达到极限平衡状态,剪切裂隙也随之不断向深处扩展,深部块体推挤浅部块体向隧道空间移动并产生大量空隙,发生体积膨胀现象,造成底鼓灾害;（2）根据地应力侧压系数和围岩体抗拉强度的不同,可归纳出5类不同的底板破坏模式,但都可归结为由于最大切向集中应力造成的破裂碎胀性大变形。修正了原有底鼓力学机制未考虑应力释放、转移和集中等...     

基于含水劣化特性的隧道围岩时效变形数值计算

基于一种可考虑含水劣化特性的岩石黏弹塑性模型,推导得到了该模型的有限差分格式,并采用C++语言进行程序设计获得了FLAC3D二次开发的动态链接库文件。通过简单模拟试验对程序进行有效性检验表明,模型程序可较好地反映岩石的瞬时弹性变形、衰减蠕变、等速蠕变、含水劣化和塑性变形等特性。通过采用黏弹塑性模型程序对实际的隧道地质模型进行数值分析表明：与自然含水状态相比,围岩处于饱和状态时隧道的拱顶沉降、周边收敛和底鼓位移都出现明显增大,饱和状态下隧道底鼓值约为自然含水状态下的2倍,围岩自稳时间较自然含水状态时减小了40 d左右,严重缩短了二次衬砌的合理时间范围。计算结果与隧道现场实际情况较吻合,有效揭示了隧道大变形灾害的产生机制。运用该黏弹塑性模型程序可较好地分析围岩-支护体系的稳定性,并预测隧道二次衬砌的合理施作时机。     

回采巷道煤柱与底板稳定性分析

将老顶和老底视为加载系统,分析了回采巷道煤柱和底板岩层的相互作用及稳定性,并提出了底板岩层产生滑移的条件。认为回采巷道底鼓一般不是底板岩层在垂直应力作用下向巷道内滑移所致。     

采空侧巷道底鼓形成机制与防治技术研究

煤矿深部采空侧巷道底鼓现象日趋普遍和严重,严重影响巷道的运输和正常使用,其底鼓防治技术研究已成为目前煤矿岩石力学问题研究的重点。通过理论分析、数值模拟、现场试验等研究方法,对采空侧巷道底鼓的特征、形成原因、形成机制及其防治技术进行了详细研究,得到以下结论：（1）采空侧巷道底鼓与底板岩性和底板岩层的应力重新分布有关;（2）底板在严重挤压变形的情况下发生断裂,底板隆起,墙角发生外移是造成底鼓的主要原因;（3）底鼓始于巷道底角与底板中部;（4）采用中空锚杆注浆与高强锚杆锚注联合支护技术能有效治理采空侧巷道的底鼓     

深井大断面沿空留巷底板裂隙分形特征动态演化规律试验研究

深井大断面沿空留巷常见严重底鼓问题,为更好揭示底鼓机理,利用自行研制的两向四面加载试验装置,结合顾桥矿1115(1)工作面轨道顺槽工程地质条件,采用相似材料模拟方法研究了深井大断面沿空留巷底板在掘进、一次采动、留巷和二次采动影响期间裂隙动态演化规律,并基于分形几何理论定量分析了分形维数变化规律及其与底鼓量的关系。研究结果表明,底板裂隙随着回采逐步发育、扩展、贯通,以剪切破坏的中高角度裂隙分布为主;底板裂隙分形维数逐渐增加,在顶板来压和留巷期间均有明显的升维现象;由于留巷上部基本顶的"回弹"现象,第二个工作面上覆岩层作用于煤体的载荷较小,导致在第二个工作面回采前期,底板裂隙分形维数增量较小;底鼓量和分形维数呈非线性正相关关系。通过对比现场实测底鼓量和试验底鼓量,发现二者能够较好吻合,验证模型试验结果的真实可靠。     

云岭隧道底鼓机理分析

结合十漫高速公路云岭隧道建设,分析了隧道底鼓的形式和发展过程,研究了影响隧道底鼓的多个因素,在分析隧道仰拱稳定性的基础上,推导了隧道底鼓的表达式,并通过现场监测对其进行了验证。通过对隧道底鼓机制进行分析,正确认识了围岩的变形破坏机制,提出了隧道底鼓的治理措施。其研究结果不仅为优化隧道的支护体系提供了依据,同时对指导隧道现场施工,确保施工安全具有重要意义。     

综放沿空巷道底板受力变形分析及底鼓力学原理

在分析了综放沿空巷道底板力学环境的基础上，建立了底板力学模型，计算了巷道，窄煤桩，高支承压力区底板岩层的相对位移，提出综放沿空巷道底鼓成因主要有以下3个方面：一是巷道底板一定深度的岩层在等效载荷的作用下产生拉应变而破坏；二是由于巷道底板岩层的破坏降低了高支承压力区底板岩体围压，导致这部分岩体在基形变热能释放过程中破坏而产生的巷道内的塑性流动三是实煤体帮的下沉，并简要分析了煤柱宽度对底鼓的影响。     

某铁路隧道底鼓段粉砂质泥岩微宏观物理力学特性研究

西南地区YD隧道在运营期间隧道底部多段发生隆起变形,造成无砟轨道板开裂,导致轨道结构受损不稳定,影响行车安全。为了探明其底鼓原因,现对底鼓段紫红色缓倾层状粉砂质泥岩进行微宏观工程特性研究,分析其对隧道底鼓的影响。采用室内试验的方法,对该处粉砂质泥岩的物质组成成分、微观结构、膨胀性、抗剪抗压强度、压缩变形等围岩性质开展全面试验,并对围岩地应力、水文地质条件进行现场调查。试验和调查结果表明:研究区围岩根据岩石质量评价标准可以判定为Ⅳ级围岩;其岩石成分主要为伊利石、石英、绿泥石等,不含蒙脱石这种膨胀性黏土矿物,自由膨胀率最大为1.96%,不具备膨胀性;岩石的层理面上分布有2~8 μm大小的孔隙,岩石内部存在长度为3~8 μm的原生裂纹;岩石的单轴饱和抗压强度为11.3~21.8 MPa,属于较软岩;岩石的物理力学参数受含水量的影响较大,随着含水量的增加,内聚力缩减50%,抗压强度缩减了45%~55%,弹性模量缩减了50%。研究结果显示研究区岩体在水理作用下岩石强度会大幅度降低,但不含膨胀性矿物,不具备膨胀性。且根据现场监测,地下水位无变化,因此地下水和膨胀性不是隧道底鼓的直接诱因。     

深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及规律研究——以郑万线某隧道为例

处于薄—中层倾斜层状岩体中的深埋隧道常会产生地质顺层偏压的问题,导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏。本文以郑万线某隧道为例,采用理论分析、数值模拟方法对深埋顺层隧道的破坏机理及不同结构面参数下的破坏规律展开了研究。研究结果表明:（1）深埋顺层偏压隧道洞周围岩将根据其切向应力与结构面夹角的不同发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏,其中切向应力与结构面平行位置,即反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置主要发生拉裂破坏,此处围岩塑性区范围最广,围岩位移最大,围岩处于极不稳定状态;（2）顺层偏压隧道的破坏规律与结构面强度参数有直接关系,围岩塑性区范围及围岩位移均随着结构面摩擦角的增大而降低,且降低趋势逐渐放缓,当结构面摩擦角达到岩体摩擦角后,结构面摩擦角继续增加对围岩稳定性影响较小;（3）围岩塑性区及围岩位移场偏压分布特征随结构面倾角的变化而整体旋转,且对于隧道底部而言,结构面最不利倾角为0°,此时隧底最大上鼓量大于其他倾角下的最大上鼓量;对于隧道拱部而言,最不利倾角为40°,此时洞周最大收敛值大于其他倾角下的最大收敛值,最不利位置位于反倾侧拱腰。     

淮南矿区地应力条件及其对煤层顶底板稳定性的影响

通过现场地应力测量和理论分析以及数值模拟计算,研究了淮南矿区地应力分布规律,探讨了圆形硐室围岩应力分布和不同侧压下回采工作面顶板稳定性分布。研究结果表明:淮南矿区原岩应力主要表现为自重应力场,除局部构造应力集中外,不存在高构造应力;区内侧压力系数λ值一般为0.49~1.49,平均为0.92,并且与测点距地表深度有一定的趋向性,表现为在浅部λ值较大,变化范围也大,而在深部λ值渐小,变化范围也缩小;回采工作面顶底板稳定性与侧压系数λ的大小密切相关,且随侧压系数λ的增大,顶板垂直位移减小,顶板岩层易于形成结构平衡而保持稳定,但底板垂直位移量增大,且易于形成底鼓破坏。这些认识为研究区煤层顶底板岩层支护控制提供了科学依据。      

软岩巷道底鼓控制技术研究

软岩巷道底鼓是软岩巷道底板支护的重要问题之一,长期以来一直制约煤矿安全高效生产。对此,以榆神矿区某矿30112回风顺槽为研究对象,通过理论分析、数值模拟确定巷道底鼓类型属“应力型”,巷道在重复采动影响下帮角、底角、底板出现明显塑性破坏。针对底鼓产生原因,提出“帮脚锚杆+底角锚杆+混凝土”复合支护技术。实测结果表明,优化支护参数后巷道底板底鼓量最大不超过16mm,底鼓最大变化量不超过2mm/天,取得了良好的现场应用效果。     

内蒙古鲁蒙能源鹰骏三号矿井工程地质特征

内蒙古鲁蒙能源鹰骏三号矿井赋煤地层为侏罗系,煤层围岩为陆相沉积,胶结较差,其稳定性影响着煤矿的安全绿色开采。采用岩体质量系数法、岩体质量指标法等方法,对2煤、2_下煤、5煤、8煤及15煤的围岩岩体质量和稳定性进行了评价。结果表明,2煤、5煤、8煤和15煤顶板均为不稳定顶板,煤层掘进回采时要采取软弱岩层支护措施,防止顶板冒落事故的发生。煤层底板岩石抗压强度大多小于10MPa,水稳性差,为软弱破碎底板,在掘进回采时要密切注意煤层底板稳定性变化情况,防止底鼓现象的发生。     

倾斜岩层弱结构围岩巷道破坏机理与支护技术研究

为了解决云南某铅锌矿500中段运输平巷倾斜岩层围岩巷道失稳的支护难题,本文通过地质调查、岩石力学实验、微观物化分析、数值模拟等手段,对倾斜岩层弱结构巷道的围岩变形破坏特点以及对称支护下围岩的破坏规律进行了分析研究.认为巷道的右帮及底板岩性为泥质粉砂岩,是巷道变形破坏的起始部位.因此,改善该弱结构部位的围岩体力学特性,使支护体与围岩形成共同有效的支护结构,是治理巷道失稳的重要途径,提出了岩性弱结构部位加强的非均匀支护技术.试验表明,该巷道围岩变形量受到了有效控制,且取得了良好的技术经济效益.     

软弱围岩隧道施工全过程非线性有限元分析

结合赣州-龙岩铁路某单线隧道软弱围岩地质情况,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道湿喷纤维混凝土支护结构施工过程进行了数值模拟,分析了围岩和支护结构体的非线性力学行为的应力场分布、位移场,围岩塑性区分布特征,指出台阶步开挖时拱顶下沉、底板上鼓、墙腰收缩的主要控制因素.     

冰水堆积体隧道围岩分级与支护力确定方法

为定量评价冰水堆积体围岩参数,提出一种冰水堆积体围岩快速分级方法,并给出冰水堆积体的变形控制标准,主要包括：（1）根据规范的相关计算方法,结合国外相关规范与冰水堆积体的基本特性和地貌特征,对设计阶段围岩进行分级;（2）根据土体密实状态、细粒含量以及细粒含水率,对施工阶段围岩进行分级,将冰水堆积体分为3个基本等级,4个亚级;（3）根据地下水与围岩胶结情况提出最终的围岩分级;（4）基于冰水堆积体隧道围岩分级,计算了不同围岩等级下的围岩特性曲线以及隧道允许变形量,从而提出基于允许变形量的隧道支护力确定方法。研究成果可以为冰水堆积体隧道围岩的分级、支护力的确定等提供参考。     

河南铁生沟煤矿岩巷底鼓机理与防治对策

河南铁生沟煤矿13和15采区下山岩巷沿L7灰岩向向斜轴部延伸。已掘巷道的变形破坏随延深加剧,底鼓尤甚。通过对岩巷围岩工程地质条件、巷道变形破坏特征调查研究,分析了岩巷底鼓机理。指出应力重分布引起的高水平应力,使类同层合板的底板屈曲脱层或劈裂剥离,继而挠曲,引发底鼓。认为底板稳定性的控制,应从削减底板上强大的水平应力和提高底板的抗屈曲强度两方面入手,同时要兼有系统工程观点,加增帮顶的支护。基于这一思想,提出了铁生沟矿两采区岩巷底鼓防治对策。     

动荷载作用下隧道围岩块体稳定性分析及其应用

隧道围岩中的结构面将岩体切割成块体,块体在自然状态下的静力平衡因为隧道开挖而被打破,临空面的产生和动荷载的施加都可能导致块体的滑移,进而引起围岩失稳。以往应用块体理论寻找关键块体时,多只考虑纯重力的作用,而忽视了爆破振动、地震等动荷载对诱发失稳灾害的重要作用。将爆破振动荷载和地震荷载转化为等效静力,并通过数学计算求出使块体安全系数最低的动荷载方向,再利用关键块体理论矢量分析方法分析隧道围岩的稳定性。在长岗隧道中的应用表明,考虑动荷载作用下的块体安全系数明显小于只考虑重力作用时的安全系数,原本稳定的块体也可能在动荷载作用下变成关键块体导致围岩失稳,这与长岗隧道现场记录的破坏现象相符。     

高地应力下隧道围岩动力损伤分析

为预估和控制爆破荷载作用下围岩损伤范围,在赣龙铁路梅花山隧道工程现场进行岩体声波测试,得到围岩的损伤范围。根据爆破荷载作用下岩体损伤发展规律,采用基于概率形式的损伤变量定义,运用三维有限差分软件对不同地应力状态下爆破产生的围岩损伤范围进行数值模拟,并与现场岩体声波测试结果进行比较。计算结果表明,数值计算与实测结果有较好的一致性,随着地应力大小增大,围岩损伤范围呈现先减小后增大的趋势,且增大幅度较大,地应力较高时,局部部位如顶板、底板损伤更为明显,说明地应力大小对围岩损伤分布有着显著影响;随着侧压力系数增大,损伤范围先减小后增大,但增速逐渐减小。所得到的结论可为高地应力下隧道稳定性分析和支护设计提供依据。     

隧道掘进拱部运动力学模型研究

将隧道上覆岩层简化为弹塑性双参数基础梁力学模型,分析研究了拱顶上覆岩层挠曲线微分方程和隧道围岩变形弹性基础梁挠曲线微分方程,探讨了隧道基础屈服区宽度R满足条件,得到了拱顶下沉速度的表达式,从理论上解释了隧道围岩变形问题,为开展隧道监控工作提供了依据。