崩落法开采金属矿巷道围岩破坏机制的断层效应

采用现场调查、数值模拟和地质力学分析的方法,以金山店铁矿东区-340 m和-410 m阶段运输巷为研究背景,开展巷道围岩变形破坏的断层效应研究。研究结果表明,采矿影响区内的断层破碎带巷道变形破坏严重,围岩破坏模式主要表现为巷道顶板垮塌、顶板非对称下沉变形、巷道围岩内挤变形引起的片帮或剥落、巷帮水平张拉裂缝等等模式;-340m阶段运输巷所在的断层破碎带F4位于矿体开采引起移动变形区域,岩体移动变形引起的水平应力释放导致断层破碎带F4与近矿角页岩A2分界面出现错动台阶;-340 m阶段运输巷变形与破坏机制矿体开采,引起巷道围岩向采空区方向移动变形和开采诱发的断层破碎带滑移活化直接造成顶板沿陡倾结构面垮塌两部分,-410m阶段运输巷变形与破坏机制是受开采诱发的-340 m水平及以上断层破碎带岩体下滑活化引起的挤压变形作用。     

深部高应力巷道变形特性与支护时机

岩石的赋存环境及结构特征决定了岩石的强度准则,从而影响围岩的力学特征与变形特性。依托云南某矿山深部接替工程,以岩石强度准则为基础,分析围岩力学及变形特性,对巷道合理二次支护时机进行研究,以降低深部巷道高地应力环境下围岩呈现出的明显流变性能对巷道支护效果的影响。结果表明:以偏差绝对值之和为目标得出广义H-B准则平均拟合偏差mf最小;对摆佐组围岩进行力学及变形特性分析,最大塑性区半径及范围、最大巷道周边位移随围岩应力的增加近似呈线性增加,且随支护阻力增大逐渐减小;原岩应力大于36 MPa时,围岩流变现象显著,围岩应力增至51 MPa时,随支护阻力增加,巷道周边位移降低明显,但收敛变缓;引入蠕变损伤变量,以稳定蠕变速率为判据,得出当前巷道围岩应力41.5 MPa下巷道合理二次支护时机为开挖后133 h。      

进路分步开挖背景应力场演化规律研究

鲁中小官庄铁矿由于埋藏深、地压大、矿体倾角比较缓、矿岩破碎,是国内有名的难采矿山之一。进路开挖以后支护巷道破坏严重,其围岩变形为无收敛变形,也是国内支护较难的矿山之一。针对小官庄铁矿情况,为掌握其地压活动规律,应用东北大学岩石破裂过程分析系统（RFPA）,模拟其采用无底柱分段崩落法进路开挖过程,对进路开挖过程巷道围岩应力变化进行数值分析。发现随着进路开挖,导致进路出现片帮、底鼓、顶板下沉等现象,并且在矿岩接触带出现高应力集中,导致两进路之间的间柱破坏严重,并随着进路开挖应力逐步向新开挖两进路之间的间柱转移,开挖顺序造成边界矿体出现高应力集中,导致边界矿体难采。数值分析结果可以看出：进路的开挖顺序是导致小官庄铁矿进路围岩破坏的一个主要原因。     

龙陵县勐糯铅锌矿深部巷道稳定性数值模拟研究

根据勐糯铅锌矿巷道工程条件,采用phase2有限元软件构建巷道数值计算模型,对比分析200m中段结晶灰岩、千枚岩巷道无支护情况下应力场、位移场、塑性变形区等情况,为巷道支护方法优化提供参考。计算结果表明,该矿山沿脉巷道走向普遍为南北方向,与原岩应力场中最大主应力σ₁为近似垂直关系,对巷道稳定性较为不利。巷道开挖后,应力重新分布,硐壁围岩应力降低,应力向围岩深部转移,出现巷道围岩深处局部区域应力集中。200m中段结晶灰岩围岩巷道无支护时不会发生大面积垮塌或严重的巷道变形,围岩为千枚岩时,将发生大面积垮塌和较严重的巷道收敛变形,若及时采取支护措施可在一定程度上暂时控制巷道变形,但后期要多次对断面进行修整并重新支护来减少围岩变形的影响。     

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...     

煤矿深部巷道破裂围岩非线性大变形及支护对策研究

针对淮南矿区顾北煤矿-648 m水平南翼回风大巷围岩处于破裂状态,且表现出强烈非线性力学现象的特点,采用离散元计算软件UDEC,分析其变形破坏过程及非线性大变形机制,并在此基础上提出应用分步联合支护的技术方案进行支护,进而通过数值模拟与现场监控量测相结合的方法进行分析验证。结果表明,破裂围岩开挖后的变形破坏过程是一个渐近发展的过程,局部关键块体的垮落或滑移是导致其他部位失稳和巷道产生非线性大变形的主要原因;分步联合支护技术能实现巷道的长期稳定性,是一种有效控制深部巷道破裂围岩非线性大变形的支护型式。     

朱集矿深井软岩巷道大变形机制及其控制研究

为了研究深井软岩巷道大变形机制及其控制对策,以淮南矿业集团朱集矿 885 m东翼轨道大巷为支护工程实践。该巷道为典型的深井高地应力软岩巷道,开挖后围岩表现出强烈非线性大变形特点,变形速率大。首先进行了围岩大变形等级识别,并基于Hoek-Brown弹塑性模型分析了巷道围岩的应力场、位移场,考虑巷道断面形状、围岩强度特征、巷道群扰动等影响,揭示了该巷道的大变形机制。针对 885 m轨道大巷提出了新支护方案,该方案尤其注重底板支护和底角抗剪支护。数值模拟和现场监测表明,该支护方案取得了良好效果,是一种有效控制深井软岩巷道大变形的支护方法。     

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈S形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。     

深部巷道软弱围岩破裂碎胀过程及锚喷-注浆加固FDEM数值模拟

针对深部巷道软弱围岩的破裂碎胀大变形预测及围岩控制存在的难题,采用了有限元与离散元耦合程序(FDEM)数值模拟方法对上述问题进行了研究。首先阐述了FDEM的基本原理;然后采用单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩模拟试验与室内试验对比,进行了输入参数的标定;最后对深部高地应力条件下的巷道开挖后软弱围岩破裂碎胀大变形进行了模拟,并基于实体建模的方法采用了锚喷(锚杆+喷浆)-注浆对巷道围岩加固进行了模拟。研究结果表明:巷道的大变形主要是由于围岩的破裂、碎胀造成的,浅部以拉伸破坏为主,向深部过渡到剪切破坏;剪切破坏角与单轴压缩试验结果一致,为58°;裸巷的裂纹最大扩展范围为10.6 m、表面最大位移收敛量20.7 cm。采用锚喷和锚喷-注浆加固后能有效地控制围岩的变形,抑制了裂纹的扩展范围(减小到5.8 m、5.1 m),且围岩表面收敛量大幅减小(5.1 cm、4.2 cm)。     

基于厚壁筒三维解析模型的深部洞室围岩分区破裂化机制研究

为研究深部洞室围岩的分区破裂化机制,建立了厚壁筒三维线弹性解析模型。逐步减小厚壁筒均布内压,模拟洞室静力开挖。逐步增加厚壁筒轴向均布压力,模拟洞室开挖导致洞室轴向应力集中。逐步增加厚壁筒外周非均布压力系数,模拟洞室开挖导致洞室水平应力的重分布和集中效应。根据弹性力学知识和边界条件,确定洞室开挖引起的弹性应力场、应变场及位移场。从拉压域、应变梯度及径向压拉蓄能等3个方面入手,分别研究了内压静力卸荷、水平应力重分布、围压均匀部分及轴压对深部洞室围岩分区破裂的作用机制。结果表明：径向弹性拉伸能和径向弹性压缩能的相对变化反映了围岩能量释放速率和释放量。水平应力重分布和轴压是围岩出现分区破裂现象的主要因素,但两者作用机制不同。该模型可为研究高地应力深部洞室围岩破坏提供一个较统一的理论工具,也为深部工程设计提供了理论依据。     

Mechanical response of surrounding rock of tunnels constructed with the TBM and drill-blasting method

There are two kinds of excavation methods in underground engineering: the tunnel boring machine (TBM) and the drill-blasting method. A large number of studies have shown that the deformation and failure, the degree of disturbance, the stability and the reinforcement measures of surrounding rock using the TBM and drill-blasting method vary from each other. To accurately master these macroscopic damages, it is necessary to focus on the investigation of the micro-mechanical responses of the surrounding rock. Scanning electron microscopy tests, acoustic emission tests and tunnel acoustic detection tests were carried out to analyze the mechanical response of surrounding rock of tunnels, which were excavated in marble by, respectively, the TBM and the drill-blasting method. The tests results showed that most of the rock fractures cut by TBM is wipe along the crystal, and the failure mechanism is mainly cutting, while most of the rock fractures induced by the TBM coincide with crystal planes, its mechanism is mainly tensile. The stress–strain curves of rocks cut by the TBM method are rather flat around the peak strength, which means a strong resistance to deformation around the peak load. The response of AE for the rock cut by the TBM method appears after larger strains than the response of the rock constructed by the drill-blasting method. This suggests that the resistance to damage is higher under TBM excavation conditions. The relaxation depths of the tunnel excavated by the drill-blasting method are larger than the tunnel excavated by the TBM method. The research can provide more insight into tunnel failure mechanisms and provide a framework for reinforcement measures.     

西安地铁隧道穿越饱和软黄土地段的地表沉降监测

以西安地铁一号线朝阳门站一康复路站区段饱和软黄土地铁隧道为研究对象,通过施工期现场地表沉降变形监测,分析了在饱和软黄土特殊地层条件下隧道浅埋暗挖法施工引起的该区段地表沉降变形规律以及地表沉降槽分布特征。结果表明：在饱和软黄土隧道开挖时,随着掌子面的推进,隧道顶地表沉降可分为沉降微小阶段、沉降显著发展阶段、沉降缓慢阶段和沉降稳定阶段;单线隧道开挖后的最大地表沉降量为18．89mm,双线隧道开挖后的最大地表沉降量为36．4mm;已开挖隧道对围岩土体的扰动作用使得后开挖隧道的地表沉降发展较大;双线隧道的地表沉降槽宽度接近单线隧道沉降槽宽度的2倍,因此可以将其近似为单线隧道地表沉降槽宽度与双线隧道轴线中点距离之和;单线隧道开挖后地表沉降槽宽度为8．4～9．3m,双线隧道开挖后地表沉降槽宽度为16．2～17．5m;隧道开挖施工的沉降槽宽度参数为0．435～0．467,单线隧道开挖后的地层损失率为0．765％～1．324％,双线隧道开挖后的地层损失率为1．231％～2．200％。     

大采高综放面区段煤柱合理留设研究

侧向支承压力分布、资源回收率以及煤柱和巷道的稳定性是大采高综放面区段煤柱宽度留设要兼顾的因素,为了确定大采高综放面区段煤柱宽度,以某矿8103面为工程背景,首先,采用理论计算和现场应力监测等方法确定大采高综放工作面倾向支承压力分布规律,得出应力降低区宽度约为8 m,原岩应力区为巷帮侧28 m外。其次,采用工程类比方法确定大采高综放工作面巷帮外侧煤体严重破裂区宽度约为4 m。最后,采用FLAC3D数值软件分析了下区段工作面回采时窄煤柱（6、8 m）和宽煤柱（28、30 m）的应力场、位移场及塑性区特征,获得不同煤柱宽度时巷道和煤柱力学特征。研究表明：当煤柱宽度6 m和8 m时,在采动支承压力下煤柱几乎无承载能力,且巷道变形量较大;当煤柱宽度28 m和30 m时,在采动支承压力下煤柱中央仍有一定的弹性核,煤柱保持稳定且巷道变形量较小。综合考虑资源回收、巷道稳定性、次生灾害控制等因素,确定大采高综放工作面区段煤柱宽度为28 m。     

考虑围岩蠕变全过程与扩容的深埋隧洞非线性位移解

深埋隧洞围岩变形是一个复杂的非线性力学问题,其中岩石的蠕变全过程和扩容是两个重要的影响因素。引入扩容角考虑塑性体积变化的影响,推导Hoek-Brown屈服准则下考虑与不考虑洞周面力的深埋隧洞围岩非线性应力解。借助可描述蠕变全过程行为的河海模型,获得了围岩黏弹塑性区蠕变位移表达式。针对不同NVPB蠕变参数和不同材料参数m值情况,讨论分析了洞周面力与扩容角对隧洞洞壁蠕变位移的影响规律。结果表明：在高地应力作用下,采用非线性蠕变模型描述深埋隧洞围岩蠕变问题可获得蠕变全过程曲线;扩容角增大或洞周面力和材料参数m值减小时,相同时刻隧洞洞壁蠕变位移增大,对围岩长期稳定不利。研究结论对深埋隧洞围岩临崩预报具有一定指导意义。     

复杂山区深埋隧道软岩大变形机理研究——以杨家坪隧道为例

杨家坪隧道施工过程中,软岩大变形不同程度地造成边墙内挤侵限、初期支护和二次衬砌严重变形破坏。为了揭示杨家坪隧道软岩大变形的成因机制,综合工程地质勘察、现场监控量测、室内岩石力学试验、数值模拟和微观分析等手段对其进行综合研究。现场监测结果显示发生大变形的区段与隧道渗水有关,室内物理力学试验表明,千枚岩的纵波波速随浸泡时间变化衰减了2.04% ~5.85%,当充分浸泡28 d后,其单轴抗压强度和弹性模量与天然状态相比分别降低了59.56%和69.68%,说明千枚岩遇水后结构产生了损伤劣化。通过X射线衍射进行矿物成分检测,进一步分析了水岩作用造成隧道围岩强度降低的微观原因。根据现场地应力测试及初始地应力场反演分析可知,杨家坪隧道轴线92.08%的区域处于高到极高地应力状态。此外,高陡倾薄层状千枚岩地层的工程力学特性,以及水和千枚岩的相互耦合作用是杨家坪隧道围岩大变形的主要原因。     

露天与地下联合开采引起岩层移动规律的模型试验研究

非法开采对矿山开采稳定性具有重要影响,以某铁矿为例,进行了二维物理相似模型试验研究,分析得出了在考虑和不考虑非法开采两种情况下的地表变形规律和矿体围岩移动规律。试验结果表明,从-270 m采至-550 m水平期间,地表沉降和围岩变形呈缓慢增加趋势,但当从-550 m水平继续向下开采时,由于矿体倾角变得平缓,地表沉降、深部围岩变形都急剧增加,非法开采会造成矿体上部岩体的应力重分布,虽没有明显增大地表的沉降范围,但增加了开采点附近的地表沉降量,而且大大增大了地表岩层的水平移动。     

偏压软弱围岩隧道开挖顺序比较研究

针对偏压软弱围岩隧道预留核心土法不同开挖顺序造成围岩不同变形量的问题,结合洞头山工程实例,运用现场监控量测结合MIDAS数值模拟的方法,分析比较偏压软弱围岩隧道在不同开挖顺序下各阶段围岩位移变形量。研究表明:开挖顺序的改变能够有效减小隧道各部围岩变形量,且减小程度从大到小的岩体位置依次为浅埋拱腰处、浅埋拱脚处、深埋拱腰处、深埋拱脚与拱顶;拱浅埋侧最大主应力明显减小。因此对于偏压软弱围岩隧道先开挖深埋侧比先开挖浅埋侧更为安全合理。研究成果为隧道信息化施工提供依据,也为洞头山及具有类似地质地形情况的隧道施工提供借鉴与指导。     

考虑剪胀角的节理化岩体隧道开挖进尺优化研究

合理进尺的选取是影响隧道开挖施工安全和效率的关键问题之一。以杨家坪隧道现场监测数据为根据,通过ABAQUS软件开展数值试算确定了最接近实际隧道围岩的剪胀角,建立了考虑剪胀角影响的Mohr-Coulomb模型的隧道开挖数值模型,并按1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m开挖进尺开展了计算,对开挖过程中隧道围岩的变形和力学响应规律进行了对比研究。结果显示,考虑剪胀角影响的数值模型计算结果的总体规律与实测结果一致性较好;有锚杆支护的情况下开挖进尺选择为3.0 m能较好地兼顾施工安全与效率,应注意控制距开挖面5.0 m范围内的拱顶变形。     

隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

西安地区由北向南间隔分布有十多条近东西走向的地裂缝,建设中的多条地铁线路与地裂缝呈斜交状态。为了揭示地铁隧道斜交穿越地裂缝时受地裂缝活动而产生的力学性状变化,采用50:1几何相似比尺的物理模型试验仪,在合理模拟围岩地层、衬砌结构、应力条件、地裂缝与洞轴线交角及其错动位移基础上,开展了斜交地裂缝活动条件下隧道衬砌结构与围岩相互作用的物理模型试验研究,并与正交地裂缝活动下的测试结果进行了对比分析。表明斜交地裂缝活动对地铁隧道的影响范围更大,各变形缝均有明显的沉降差发展;邻近斜交地裂缝的衬砌结构易处于“悬臂梁”受力状态,衬砌结构不均匀沉降使其产生旋转位移,围岩土压力变化使衬砌结构内力产生显著变化;随着地裂缝错动位移的发展,上盘内拱顶和下盘拱顶、拱底出现围岩作用的加强,而上盘拱底出现围岩作用的松弛。与隧道正交穿越地裂缝的情况比较,斜交穿越地裂缝时围岩土压力和衬砌结构内力变化更大,易出现拉裂破坏。     

糯扎渡水电站1#导流隧洞三维非线性有限元开挖模拟分析

糯扎渡水电站1#导流隧洞开挖经过F3断层,开挖过程中,F3断层影响带附近的岩体力学参数直接控制着围岩的变形和应力分布。为了评判后续Ⅱ,Ⅲ层开挖围岩的稳定性,首先利用隧洞第Ⅰ层开挖的位移监测数据反演出F3断层附近围岩的岩体力学参数和初始地应力场;然后,利用反演得到的初始地应力场和岩体力学参数进行Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ层开挖模拟分析,得到了F3断层附近围岩的应力变形情况。计算结果表明：随着开挖的不断进行,隧洞F3断层周围岩体的约束逐渐解除,围岩的应力逐渐增大,隧洞周边的位移也不断增大,并且隧洞周围应力变形在F3断层中心区域有明显的错动现象,说明F3断层对隧洞的开挖影响比较大,有必要对此区域后期变形加强观测和分析。