基于量纲分析的巷道围岩松动圈预测模型EI北大核心CSCD

为更合理地确定巷道围岩松动圈厚度,引入量纲分析理论,提出新的巷道围岩松动圈预测方法。选取岩石单轴抗压强度Rc、围岩节理系数F、围岩重度g、巷道埋深H、最大水平主应力σ_(Hmax)、巷道跨度B等物理量,应用量纲分析法构建巷道围岩松动圈厚度L与上述物理量间的无量纲关系式,其中L/H表征松动圈厚度L与巷道埋深H成正比,F表征巷道围岩的结构特征,γH/Rc、σ_(Hmax)/Rc表征巷道围岩的力学特征,B/H表征巷道的几何特征。结合实测数据,推导了各无量纲量间的定量函数表达式,残差平方和为0.003 1,相关系数为0.937 9。选取3个矿山巷道围岩松动圈测试实例对所建立的松动圈预测模型进行验证,结果表明该方法计算结果与实测结果较吻合,平均相对误差为7.38%,能满足工程需要。     

基于量纲分析的非充分采动导水裂缝带高度预测

为准确预测非充分采动导水裂缝带高度,选取开采厚度M、煤层埋深H、工作面倾斜长度L、煤层倾角α、覆岩力学性质R、覆岩结构特征S为非充分采动导水裂缝带高度主要影响因素。采用量纲分析建立了导水裂缝带高度与M,H,L,α,S间的无量纲关系式。结合30组实测数据,采用多元回归得到无量纲关系式的最优函数关系式。选取2个非充分采动工作面导水裂缝带现场实例对预测模型进行了工程验证,预测模型预测结果与实测结果吻合良好,其相对误差分别为3.64%和2.93%,预测模型的预测精度可以满足煤矿安全生产现场需要。      

深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究

针对岩石具有应变软化和剪胀的特点,推导了巷道围岩松动圈理论计算公式,理论分析了巷道埋深、围岩强度、应变软化程度以及支护阻力对围岩稳定性的影响,提出了锚喷、锚注和锚索“三锚”支护的新概念,并成功地应用于工程实践,取得了良好的技术和经济效益。     

巷道围岩松动圈的地质雷达探测及应用

在简述地质雷达探测原理的基础上, 分析了巷道围岩松动圈雷达探测的可行性。结合华丰矿巷道围岩松动圈探测实例, 提出了松动圈雷达探测方法、图像分析及探测结果应用。结果表明, 采用地质雷达探测巷道围岩松动圈是可行的, 可以用于指导巷道围岩的锚杆支护设计。     

基于PCA-RF的回采巷道围岩稳定性预测

回采巷道的稳定对煤矿的安全、高效生产至关重要,在生产前应对其评价,以利于采取针对性的措施。为提高回采巷道稳定性预测的准确率,将主成分分析(PCA)与随机森林(RF)算法相结合,对回采巷道稳定性进行预测。根据回采巷道稳定性的影响因素,选取围岩强度、埋深、节理裂隙发育程度、巷道跨度、直接顶与煤层厚度之比和松动圈厚度6个指标作为巷道稳定性的影响因素。采用PCA提取影响因素的主成分,选取贡献率大于80%的3个主成分,代替原有的6个影响因素,将其作为随机森林(RF)的输入变量。将回采巷道稳定划分为4个等级,建立PCA-RF回采巷道稳定性预测模型。研究结果表明:采用PCA-RF模型误判率低,具有较高的预测精度,能够相对有效地对回采巷道的稳定性进行判定。     

遗传神经网络法在巷道围岩松动圈预测中的应用

针对BP人工神经网络具有易陷入局部极小等缺陷,提出了将遗传算法与神经网络结合,同时优化网络结构的权值与阈值的思想,建立了基于遗传算法的围岩松动圈预测的神经网络模型。用该模型对巷道围岩松动圈厚度进行了预测并与BP预测结果相比较。结果表明,该遗传神经网络模型可靠,预测精度高,用来对围岩松动圈厚度进行预测是有效的和可行的。     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

隧道的埋深划分

随着大埋深特长山岭隧道的日益增多,过去关于隧道埋深的划分显得过于粗糙,有必要进行更详细的分类.隧道按埋深分类应考虑的主要因素之一是围岩的变形破坏方式,而后者与围岩的初始应力状态密切相关.大多数山脉的初始地应力架构基本类似,即,σHmax、σHmin分别与山脉走向垂直和平行,σv/σHmin随标高的变化而变化.鉴于大多数长隧道都与山脉走向垂直,根据σv/σHmin、围岩变形方式、变形破坏位置及围岩自承能力等,将隧道划分为浅埋隧道、深埋隧道和超深隧道三大类,它们的临界深度分别为(2～2.5)hq和500m.     

隧道围岩松动圈的现场测试与理论分析

围岩松动圈是制定隧道支护措施和整体稳定性评价的重要参数和依据,如何快速准确地确定松动圈范围已备受关注。以张-石（张家口至石家庄）高速公路上的多条隧道工程为背景,采用声波探测和理论计算相结合的方法,对不同埋深、围岩等级条件下的隧道松动圈进行了研究。基于D-P准则推导了围岩应力松动圈的弹塑性理论和损伤理论计算方法,其计算结果均小于单孔声波法测试结果,但两者变化规律类似。由于考虑了岩体的峰后软化特性,损伤理论分析法计算结果比弹塑性理论更加接近于实测值,运用损伤理论对围岩（特别是低级别围岩）松动圈进行预测是可行的,研究结果对其他类似工程具有借鉴作用。     

隧道浅埋段施工过程监测技术

隧道浅埋段施工过程中围岩变形复杂,选取隧道拱顶竖向位移为研究对象,分析隧道浅埋段围岩竖向位移的监测方法,在阿拉坦隧道进行了实地监测,并建立有限元数值计算模型,分析隧道浅埋段围岩变形规律。结果表明:在0.6倍洞径范围内开挖对拱顶围岩竖向位移影响较大,达到总位移的61%~67%;与75 m范围内竖向位移比较,距离隧道中心1.2倍洞径处竖向位移几乎为零,围岩松动圈已延伸至地表,离隧道中心线越远扰动强度越弱。数值计算得出岩层及地表变化规律与现场实测基本一致。     

基于量纲分析的金属矿山覆岩垮落高度预测研究

提出利用量纲分析的方法对金属矿山覆岩垮落高度进行初步探索,对影响覆岩垮落的一系列因素进行统计和分析。垮落高度的影响因素包括采矿方法、矿体厚度、开采深度、构造应力、采空区尺寸、覆岩岩性、岩性结构、断层结构和时间等。结合工程实际和量纲分析构建了函数关系式和量纲矩阵,得出了垮落高度H与矿体厚度d、开采深度h、构造应力? h、采空区尺寸s、岩石重度? 、岩石松散系数k、硬度系数f之间的定量关系式。选取金属矿山垮落工程实例对所建立的垮落高度预测关系式进行验证,其垮落高度的计算结果与现场实测结果较吻合,误差在5.8%左右,满足工程需要。该方法可为矿山水体下采矿参数选取、矿山冲击地压控制及采矿方法的选择提供参考。     

高地应力条件下爆破开挖诱发围岩损伤的特性研究

高地应力条件下隧道或硐室钻爆开挖需考虑初始地应力动态卸荷效应,同时其最终损伤形态会受多个因素影响。采用三维有限差分软件FLAC3D讨论了爆破荷载与地应力动态卸荷复合作用下隧道围岩损伤分布,并重点研究了侧压力系数、岩体力学性质、卸荷速率对围岩损伤范围的影响,最后通过赣龙铁路梅花山隧道开挖损伤区检测结果进行了验证。研究表明,考虑动态卸荷效应的围岩损伤范围明显大于只考虑爆破荷载作用下的围岩损伤范围,在中高地应力条件下,初始地应力动态卸荷对围岩的损伤破坏作用不可忽视;随着侧压力系数逐渐增大,损伤区形态呈现明显的方向性,当侧压力系数为1时,损伤区沿开挖轮廓面分布较为均匀,侧压力系数不为1时,损伤区主要向小主应力方向集中;岩石力学性质越好,损伤范围越小;卸荷速率越快,围岩损伤范围越大,但影响并不十分显著。结果可为高地应力下隧道开挖稳定性分析和支护设计提供一定参考。     

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.

     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

弹脆性圆形煤巷应力跃升及冲击地压预测模型

为预测煤巷冲击地压灾害,将强冲击倾向煤视作理想弹脆性材料,建立圆形煤巷力学模型,分析煤巷围岩的应力和变形能密度分布特征,进而建立煤巷冲击地压预测模型,利用该模型预测冲击地压灾害风险。研究结果表明：弹脆性煤巷围岩的切向应力和变形能密度在弹性区与破坏区界面处发生跃升;煤体强度损伤度和地应力增大,煤巷破坏区半径增大,煤巷围岩切向应力和变形能密度跃升高度增大;切向应力跃升为煤巷失稳破坏提供了力源,变形能密度跃升为冲击地压发生提供了能量源;切向应力和变形能密度跃升高度越大,煤巷越容易失稳和冲击;基于切向应力和变形能密度跃升,建立了煤巷冲击地压解析预测模型,预测结果与现场冲击地压实际情况一致,从而为脆性煤巷冲击地压预测提供了一种新的方法。     

浅埋偏压软岩隧道数值模拟及方案比选

围岩的应力应变是分析隧道开挖中围岩稳定性的重要依据。目前比较成熟的隧道施工力学方法主要是对隧道开挖过程进行数值模拟。通过大型有限元软件ANSYS,计算了不同埋深、不同坡度角、不同覆盖层厚度条件下,马鞍形浅埋偏压软岩隧道围岩的应力应变,分析其规律并进行方案比选,确定了此类隧道比较合理的设计方案。分析结果表明：以2倍洞径的埋深作为偏压隧道深埋或浅埋的判断依据是合理的;在保证围岩稳定不发生片帮冒顶的前提下,减小埋深和覆盖层厚度是比较合理的;隧道内壁各点的应力应变规律可以为隧道开挖中支护结构参数的选取提供参考。     

基于改进颗粒流声发射片的地下厂房洞室围岩局部损伤细观机制研究

通过改进的PFC-FLAC离散−连续耦合计算方法,提出了一种基于FLAC连续模型耦合区域节点速率双线性插值的PFC颗粒流声发射片模拟方法以及基于声发射强度的围岩破坏区深度细观角度判别方法,并将其应用于地下厂房洞室开挖面、岩锚吊车梁与岩壁接触面等局部围岩损伤细观机制与破化特性研究。研究结果表明：浅层围岩接触力链逐渐稀疏,大量微裂纹发育并汇集成宏观裂隙,最终出现浅层破裂区,呈拉裂破坏;随着距离开挖面的增大,围岩从开挖前期受力较大产生破坏、到开挖后期只有少量微裂纹产生,对应了围岩回弹卸荷区深度。在岩壁围岩劣化和吊车梁超载的情况下,吊车梁与岩壁竖直接触面和倾斜接触面分别发育大量拉裂纹和剪裂纹,宏观表现为拉裂破坏与滑移破坏。上述分析结果与三维有限元方法相一致,并弥补了后者围岩破坏显示方法单一、难以描述围岩损伤程度变化的缺点,为研究地下厂房洞室大变形与应力集中部位的宏细观特性与损伤机制提供参考。     

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。     

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。     

软岩巷道顶、帮、底全支全让O型控制力学模型及工程实践

软弱岩体的阶段性、持续性流变,导致软岩巷道围岩深度破坏和支护失效。软岩巷道顶、帮、底三者在围岩系统稳定过程中所起的作用不同,软岩巷道围岩稳定性控制应做到整体性和协调性支护。在分析巷道顶、帮、底相互作用效应基础上,针对软岩巷道强流变四周均表现出大变形的破坏特征,提出了全断面、全支全让O型封闭控制的支护原理。该原理强调,开挖初期就应对软岩巷道顶、帮、底全断面进行强力支护,同时全断面又适时让压,在高阻支护力作用下又能适当释放围岩应力,达到对软岩巷道的整体性和协调性控制。通过力学模型对软岩巷道围岩塑性区范围和表面位移与支护力的作用关系进行了分析计算,得出巷道围岩变形破坏与支护力呈负相关关系。工程实践表明,采用该支护原理有效控制了深部软岩巷道的大变形。研究成果对类似工程实践具有一定的参考借鉴价值。