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。     

高应力区露天转地下开采岩体移动规律

以金川龙首矿为例,基于2003―2008年长达12期的GPS实测数据,按照时空分布比较分析总体变形趋势,得出整个矿区的地表沉降特征、平面位移特征、行线（勘探线）随时间变化的沉降和平面位移特征。据此分析了以水平构造应力为主导的高应力区露天转地下开采引起岩体的变形规律,并与该矿闭坑之初的变形规律比较,通过理论分析的方法对产生差异的原因进行初步解释,并用数值模拟的方法加以验证,其研究结果对认识露天转地下开采引起的岩体移动、破坏特征,指导矿区安全生产有积极意义     

黄土隧道围岩稳定性粘弹塑性有限元分析

模拟分析黄土隧洞围岩稳定性对了解黄土隧洞变形破坏机理,对黄土隧洞设计施工理论具有重要意义.采用粘弹塑性模型对黄土隧道围岩进行有限元分析,研究围岩的变形规律,探讨围岩位移场分布,并同真实试验黄土隧道的侧面无衬砌和半衬砌两种工况各3种状态的变形破坏结果进行比较,发现用有限元方法模拟的结果与真实隧道的变形破坏过程基本吻合,此结果可为类似的黄土隧道工程的设计施工提供参考.     

开挖引起巷道变形的弹性软材料物理模拟实验研究

通过室内模拟试验的方法再现工程现场的巷道变形现象,是研究巷道变形发生条件和机理的一个重要途径。鉴于传统水平固化法在模拟开挖位移场方面的不足,本文基于成岩地质体无初始应变能的“记忆”固化压力假说,配制超低强度材料,并通过相似理论分析证实了所选材料的可取性。采用竖直固化的方法并利用自制的实验装置,得到具有记忆固化压力的、无初始应变能的模型体,利用该模型可有效模拟材料在固化或固结过程中物理力学性质随深度变化的特性。对此,以金川二矿区14行剖面为原型,模拟了在自重体积力作用下由于双中段开挖引起的巷道变形现象和规律,模拟结果与现场实测以及数值模拟结果相符合。在此基础上,对开挖引起巷道变形现象的发生条件和机理进行了分析。     

全长黏结式锚杆沿程应力分布模拟方法

全长黏结式锚杆是地下洞室常用的一种围岩支护手段。研究全长黏结式锚杆沿程应力分布特性对于锚杆-围岩组合体的稳定性评价具有重要的作用。利用单元嵌入计算格式,建立锚杆-围岩组合体中锚杆的等效模拟方法。通过轴对称四边形单元模拟锚杆内部变形,据此推导该单元内力、切线刚度及锚杆模型固有内力、计算刚度,最终通过整体及局部坐标的变换建立锚杆模型附加内力及切线刚度的计算方法。锚杆的非线性特性主要由接触面失效、杆体屈服引起,该方法能够较方便地应用隐式有限元计算格式,对围岩及锚杆的非线性特性进行统一分析。该方法在反映锚杆对围岩支护效果的同时,能够较好地反映锚杆的沿程应力分布特性。     

大冶铁矿露天转地下开采的离散元数值模拟研究

离散单元方法特别适合于节理比较发育的岩体。对于模拟和分析矿山中因采矿引起的围岩松动和冒落等力学行为是比较有效的。用离散单元法研究了大冶铁矿狮子山采区露天转地下开采，采用充填法、崩落法采掘对露天边坡和围岩的影响及围岩变形规律，并得出了相应的结论，为设计和方案的选用提供了一些有益的根据。     

不同层理面角度在层状岩体隧道围岩变形中的响应特征研究

层状复合岩体在隧道工程中随处可见,层理面的软弱性直接决定层状岩体隧道围岩的稳定性。为了揭示层理面对隧道围岩变形的影响规律,本文采用AutoCAD软件建立某隧道横断面,将该断面图导入有限元模拟软件ABAQUS中,并利用0厚度Cohesive单元对模型嵌入不同角度层理面,从而构建含不同层理面的隧道断面模型。基于该数值模型研究了层状隧道围岩变形中层理面角度的响应特征,得到从水平层理过渡到竖直层理的过程中,围岩变形区域也从顶部变化到侧壁。结合二次开发获取的声发射模拟数据,得到了不同层理面角度下的围岩易破裂区,针对该区域分布特征,隧道施工后可采用三维激光扫描技术生成点云数据,进行隧道断面的三维重构,为规避点云数据量庞大的缺点,引入分级重采样思想,对层状围岩易变形区进行局部点云细化,通过隧道断面易变形区点云模型的实时对比分析,实现隧道围岩的高效、精确化监测,可指导隧道围岩的安全稳定运营。     

高陡临空面附近地下采空区覆岩破坏响应研究

近年来,山区煤矿地下开采诱发地质灾害的问题日益突出。本文以贵州省兴仁市彭家洞高陡采动斜坡为原型,利用离散元数值模拟,研究煤矿开采对斜坡的影响,并分析该类斜坡的覆岩变形破坏特征及损伤规律。研究结果表明：高陡临空斜坡煤层地下开采引起覆岩下部产生的变形以垂直变形为主,且变形近似呈对称状分布,但在覆岩上部的斜坡陡崖部位,由于覆岩不完整,变形传递到该部位时会逐渐产生向临空面方向的水平位移;采空区覆岩损伤产生的裂纹主要为拉张裂缝,且裂纹在覆岩中近似呈“倒梯形”分布,在上山和下山方向的影响边界角分别为56°和68°;该类斜坡地下采空引起的覆岩损伤变形由下至上可分为三个带：冒落带、裂隙带和弯曲带。     

黄土损伤与流变耦合模型及参数研究

以试验为基础,对不同含水量Q3黄土的蠕变特征进行了分析研究,结合黄土结构损伤特性及其对黄土力学特征影响,通过考虑结构损伤对变形模量的劣化来反映黄土结构性对蠕变规律的影响,提出了黄土损伤与流变耦合作用的本构模型。该模型不仅具有参数少的优点,而且能够准确描述黄土的突发性破坏特征。利用结构性软土流变的研究成果,给出了黄土流变模型参数的确定方法,并对模型参数随非饱和黄土含水量变化的规律进行了研究。数值模拟结果表明,该模型能够很好地描述黄土的加速蠕变阶段的变形特征。     

厦蓉高速公路某隧道洞口段开挖对仰坡变形影响的数值分析

针对一座浅埋偏压隧道,采用FLAC3D对该隧道进口段进洞开挖进行动态施工三维数值模拟。基于围岩应力分布特征,仰坡坡面轴向和横向位移的变化特征,分析了偏压浅埋隧道洞口段开挖引起的仰坡变形规律。计算结果揭示：仰坡后缘下沉,前缘向洞心外有移动趋势;隧道开挖引起隧洞洞身附近岩体出现较大应力集中和变形现象,洞口段洞身以上仰坡坡面主要以竖向沉降为主,洞身两侧向洞内挤压。在此基础上提出了保证仰坡稳定和安全进洞的一些建议。     

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。     

开挖对岩体稳态扰动与滑移机制的模拟试验研究

矿山岩体工程开挖将引起周围岩体的移动和变形 ,如果某区域的岩体受到不同开挖工程的共同作用 ,那么岩体内应力状态将是各个影响因素综合作用的结果。本文将应用底面摩擦模型试验方法 ,主要研究和探讨在先期进行地下开采 ,然后进行露天开采条件下 ,边坡岩体的动态滑移机制及其变形规律 ,以便为此类矿山后续开采设计及边坡岩体动态分析提供科学依据。     

佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房施工开挖过程的FLAC3D数值模拟

选取佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房区,采用三维快速拉格朗日法（FLAC3D）模拟施工开挖过程,研究了洞室群围岩的开挖变形形态和应力状态,分析了围岩和调压井高边坡在自重荷载作用下的开挖稳定性。通过对地下厂房洞室群区的加固处理,分析了围岩在加固后的力学特性。利用FLAC3D程序的Ubiquitous模型,引入了一组主要节理裂隙,分析了此组节理裂隙对地下洞室群围岩的开挖变形及整体稳定性的影响,并与无节理裂隙的数值模拟结果进行对比,综合评价了节理裂隙对洞室群围岩稳定性的影响。     

棒式光纤传感器在地下洞群模型试验中的应用

地质力学模型试验是在复杂条件下进行大型地下洞室围岩稳定性分析的重要研究手段,能够真实地反映地质构造和工程结构的空间关系,准确模拟施工过程对厂房稳定性的影响以及岩体的破坏特征。双江口水电站地下洞群模型试验中采用预留孔径灌胶方式进行高精度的棒式光纤光栅（FBG）位移传感器的埋设,以便对洞室周边的位移进行量测,同时应用FLAC3D进行数值模拟比较。结果表明：棒式光纤光栅传感器量测方法解决了模型试验中内部变形小、量测精度要求高的问题,与数值模拟结果相吻合;试验中传感器埋设的方法是成功的,无论是开挖阶段还是超载阶段传感器均能有效地监测模型内部变形,揭示地下洞室群模型在开挖阶段和超载阶段的变形机制和破坏特征。     

盐岩储库区地面沉降预测与控制研究现状与展望

利用盐岩地层建设地下油气储库群已成为各国发展能源储备的重要方向,然而关于储库区地面沉降的研究至今仍处于探索阶段。由于地面沉降所造成的重大事故屡见不鲜,因此有必要集中力量研究盐岩库区地面沉降问题,为我国盐岩储库群的建设提供可靠的理论依据。本文主要从以下3个方面总结了近几十年来国内外学者在盐岩储库区地面沉降预测方面所做出的努力与成绩:(1)现场监测——法国、德国、美国先后建立了现场监测网络,获得了大量的长期监测数据;(2)理论计算——我国学者于20世纪90年代末将随机介质理论引入到盐矿水溶开采地面沉降预测中,从而为储库区地面沉降预测提供了新的理论基础;(3)数值模拟——欧洲学者利用FLAC2D程序对盐岩储库区的地面稳定性进行了数值模拟,而我国学者则利用在新概率积分法的基础上建立起的预测模型成功进行了沉降预测模拟。此外,为了有效地控制库区地面变形,预留矿柱式水溶开采法在国外众多盐岩地下储库群建设中得以广泛应用。本文最后提出在后续研究中将重点着眼于地表变形随时间的发展过程,并对现有理论模型进行适当的修正以及利用现场实测数据进一步完善预测所需参数的选取方法,从而使预测结果更为准确可靠。     

露井联采逆倾边坡破坏模式及稳定性评价方法研究

首先分析了单一露天开采逆倾边坡的变形破坏模式、地下开采覆岩变形破坏机理和露井联采逆倾边坡的变形机理,在此基础上,对露井联采逆倾边坡的破坏模式及稳定性定量评价方法进行了研究。研究表明,露井联采逆倾边坡的破坏模式可分为3种类型：滑移型破坏、塌陷型破坏和滑移-塌陷复合型破坏,地下开采的空间位置对边坡的破坏模式及稳定性影响显著,其影响程度受进入塌陷范围内的边坡潜在滑面长度和岩体强度参数弱化程度的控制,据此提出了露井联采逆倾边坡稳定性的极限平衡法,并结合工程实例进行了数值模拟验证。     

金川矿区深部巷道开挖损伤数值模拟研究

在地下深处开挖巷道会诱发应力的急剧调整,无疑会使围岩产生不同程度的损伤。开挖的动态作用虽然持续时间较短,但造成的损伤为后续时效变形和工程扰动影响下的失稳破坏提供了基础条件。为了能够得到开挖作用引起的金川矿区深部巷道损伤区演化规律,从而对巷道损伤破坏进行针对性的防治,本文基于矿区的实际巷道埋深和岩体结构种类,采用等效开挖模拟方法和非均质模型进行了巷道开挖损伤问题的数值模拟研究。模拟结果揭示了在不同水平和岩体结构条件组合情况下开挖损伤区的演化过程和规律。根据研究区巷道的损伤破坏规律,本文提出了深部巷道开挖损伤演化的5种模式,并揭示了各种模式的诱发条件、表现特征、力学机制及发展趋势。相关认识和结论期望为理论和工程实践提供一定的借鉴和参考。     

NON-LINEAR FAULT BEHAVIOUR NEAR UNDERGROUND EXCAVATIONS — A BOUNDARY ELEMENT APPROACH

A boundary element model for stress/stability analysis of underground excavations in the vicinity of faults is presented. The boundary element formulation adopts the fictitious stress method for the simulation of excavation boundaries and the displacement discontinuity method for the representation of faults. The numerical model employs the Barton–Bandis non-linear joint model for the modelling of the fault behaviour and linear elastic behaviour for the rock. An incremental-iterative in situ stress relaxation algorithm is implemented for the non-linear analysis of the faults. Both deformation and peak strength models of Barton–Bandis are incorporated for modelling the mechanical behaviour of the fault. The non-linear deformation of fault considers the effects of coupling between shear and normal stresses and displacement, joint closure, joint separation, hardening followed by post-peak or residual behaviour. The peak strength model employs a mobilized non-linear shear strength envelope. The differences between linear and non-linear simulation of the fault models are discussed. A comparison of model predictions with the classical Mohr–Coulomb peak strength model with constant joint stiffness is presented. The numerical model is used for a case study of Canadian hard rock underground mine. The shear and normal displacements along the fault during four mining sequences with backfill simulation are presented and discussed.     

地下采动下含深大裂隙岩溶山体变形响应特征

为了研究岩溶山区地下采矿活动对上覆岩层及山体的变形影响,依托贵州纳雍普洒“8.28”特大崩滑案例,在现场地质调查的基础上,分析了纳雍普洒“8.28”崩塌体特征和山体变形发展过程,采用UDEC离散元数值方法研究了地下采动作用诱发强烈岩溶山体崩滑失稳过程及变形特征。结果表明:山体上部灰岩溶蚀强烈,形成众多裂隙和岩溶管道,在地下采动作用下经历了较长的变形发展过程;地下采动影响下,山体上覆岩层向采空区方向变形,并随着顶板岩层冒落,岩层变形显著增大;上覆岩层深大裂隙对山体变形有重要影响,上部岩层沿着裂隙向下形成沉降带,同时裂隙也得以扩展;崩塌区前缘岩体由于开挖卸荷,向坡外发生挤出变形,前缘阻滑力降低;随着采空区不断扩大,山体稳定性不断降低,最终山体整体溃屈,发生破坏。普洒崩滑模式为“山体后缘拉裂沉陷—裂隙扩展贯通—整体溃屈”。本研究为开展西南地区地下采动对岩溶坡体稳定性影响评价提供借鉴。