软岩厚度对层状顶板破坏特征影响分析

顶板冒落是煤矿生产的五大灾害之一。顶板冒落主要与顶板岩层性质、赋存状态等因素有关,其中软弱岩层赋存的厚度变化是顶板冒落的主要原因之一。利用东北大学岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）,针对煤矿沉积岩层顶板破坏进行力学分析,并对赋存不同厚度软岩的层状顶板的破坏情况进行了数值计算。探讨了不同厚度的软弱岩层对巷道稳定性的影响,得出了不同厚度软弱岩层在巷道开挖后的破坏过程和最后冒落的形状,提出了对不同厚度软弱岩层的层状顶板巷道有针对性的支护措施。该结果对现场施工和试验具有重要的参考价值。     

深埋隧道软硬交替复合顶板岩体变形破坏分析

为了解隧道开挖后顶板岩层活动范围及其对隧道支护体的影响,对埋深为700 m的隧道多层状顶板岩体,采用两种方式对其顶板围岩破坏形式进行了数值模拟研究和理论分析。一种方式是将顶板112 m至地表的588 m范围内的岩层视为均布荷载,模拟计算隧道顶板112 m范围内岩层的应力、位移及塑性区范围;另一种对隧道至地表岩层进行全断面模拟。模拟计算分析表明,对于隧道顶板112 m范围内相应位置的压应力 、竖向位移 及剪应力 ,两种方式计算结果基本相同,说明在距隧道中心一定高度处的岩层出现离层现象;复合顶板中的两层及两层以上的硬岩层与其间的软岩层构成了若干个组合板结构,隧道支护体所受的载荷主要来源于第一个组合板以下的岩体,并将第一个组合板以下的高度定义为支护体关键荷载圈。由数值模拟分析和理论计算所得到的隧道支护体关键荷载圈高度均在75 m左右,相对误差不超过5 %。     

串珠状溶洞地层中桩基荷载传递特征的数值计算

桩基下穿串珠状溶洞时的承载性状极其复杂,分析桩基荷载传递与溶洞稳定性的耦合响应特征具有重要意义。建立地质模型上述问题进行数值计算,主要得到以下结论:受桩侧荷载传递作用,顶板厚度与溶洞跨度之比小于某一数值时岩层将产生冲切破坏,比例相对较大时剪应力将集中分布并发生冲剪破坏;溶洞的存在使桩侧阻力分布存在多个极值点,其数量与上覆岩层厚度、溶洞数量及底板岩层厚度等相关;溶洞顶板临空面处侧阻力存在迅速衰减段,其范围受卸荷岩层厚度及岩层竖向位移影响较大,当外荷载增大到一定数值以后该区域侧阻力变化较小;中夹岩层处侧阻力极大值位于岩层中部,且随层厚的增大而减小,厚度较小时侧阻力呈等腰三角形对称分布,厚度较大时呈阶梯型分布,厚度越大阶梯跨度越大,分布越均匀;中夹岩层侧阻力分布受桩长变化影响较小,但下部底板侧阻力分布受桩长及外荷载影响较大;中夹岩层的荷载-位移曲线（Q-S'）呈抛物线型变化,存在明显的屈服拐点,层厚越大竖向位移越小,相同外荷载作用下桩越长其位移越大;桩径越大,Q-S'曲线拐点对应外荷载越大,对应中夹岩层位移越大,但桩径超过某一值后影响程度逐渐变小。     

喷混凝土边坡温度场与应力场耦合的有限元时效分析

由于混凝土材料与岩土材料的热传导系数、比热容与热膨胀系数的差异,在温度的循环变化下使得喷射混凝土边坡容易于喷层与岩土层的结合面处产生应力集中而开裂。采用有限元的方法,考虑地应力与温度应力的耦合作用,分析了在一定的边界温度作用下不同时刻边坡喷层面的水平位移,以及喷层与岩层结合面处的剪应力的分布规律;指出在温度应力与地应力的共同作用下,喷混凝土边坡坡顶与坡脚均为容易发生破坏的地方,通常坡顶的破坏型式为拉张破坏而坡脚则为剪切破坏;边坡内的温度分布、边坡表面的位移与应力的变化均存在一定的时间效应,这一规律与实测规律比较吻合。分析结果表明,当温度变化剧烈时边坡的防护必须考虑温度应力的影响。     

基于极限分析法的溶洞顶板极限承载力研究

针对下伏溶洞顶板极限承载力问题,提出了两种顶板极限承载力计算方法;方法 1:假定冲切体为圆锥台,由极限平衡法得出极限平衡状态下破坏面上拉应力与剪应力同时作用时的极限承载力;方法 2:假定冲切体是以一个未知曲线为母线的旋转体,由极限分析法求出其母线形式以及极限承载力的表达式,通过求偏导获得了溶洞顶板的极限承载力。同时进行了下伏溶洞顶板极限承载力室内模型试验,得到了1~5倍桩径顶板厚度下溶洞顶板基岩的破坏模式以及相应的极限承载力,实测结果与理论吻合良好。研究表明:溶洞顶板厚度为1D至3D(D为桩径)时,发生冲切破坏,破坏模式是以曲线为母线的旋转体,4D时发生撕裂+冲切复合破坏,5D时基岩出现塑性破坏。在溶洞顶板厚度为1D~4D时,同一跨径比条件下,极限承载力随顶板厚度的增加呈线性增长,达到5D时,顶板承载力与基岩基本一致。     

岩溶隧道顶板安全厚度的理论探讨与工程应用

在岩溶区隧道施工中,隧道顶部既有较大尺度溶洞引起的隧道顶板跨塌是威胁隧道施工的主要问题之一。从隧道施工引起的既有溶洞与隧道间岩层的受力,岩层力学性质和围岩水文地质条件变化出发,分析了隧道施工中影响岩层稳定的主要因素,在此基础上将隧道顶部既有较大尺度溶洞引起的隧道施工期顶板的破坏问题归结为两端简支或4边固支薄层岩板的失稳问题,建立了相应的力学分析模型。采用弹性板理论,对不同力学模型的受力状态进行分析,推导了建立在岩体抗拉和抗剪强度准则基础上的岩溶隧道顶板岩层最小安全厚度计算公式。采用该公式对武都水库导流洞既有溶洞影响下典型洞段隧道顶板稳定性进行分析,跟踪施工调查的顶板稳定情况性态验证了公式的适用性。     

反倾层状边坡弯曲折断的应力及挠度判据

以地质分析为基础 ,将反倾层状边坡的任意岩层概化为受复合作用力的板梁模型 ,通过简单的力学解析 ,开展了反倾层状岩石边坡弯曲折断判据的研究。依据岩层折断时和相临岩层的瞬时关系 ,将岩层下部视为瞬时临空状态 ,考虑岩层自重荷载和上部岩层附加荷载 (上部岩层重力荷载、层间摩擦力 )的共同作用 ,基于最大拉应力准则 ,提出了岩层弯曲折断的应力判据 ;依据应力判据 ,得到了岩层弯曲折断的挠度判据 ;利用应力判据及挠度判据 ,可实现反倾层状边坡弯曲折断的现场判定及其控制设计     

岩溶区高速公路路堤及溶洞顶板稳定性数值分析

采用大型通用有限元软件ABAQUS对某室内模型试验进行了数值模拟,验证了三维有限元法进行洞室结构稳定性分析的可靠性。结合永武（永安-武平）高速公路A11合同段岩溶地质资料,将溶洞近似为与实际相近的椭球状,建立岩溶区路堤的三维有限元模型,分析溶洞顶板厚度、填方高度、溶洞位置以及溶洞充填状况对路堤及溶洞顶板稳定性的影响。为与现行顶板安全厚度确定方法进行比较,进行二维平面应变有限元分析。研究表明,对于较完整的顶板岩层,按顶板受拉破坏稳定安全系数为4确定的安全厚度过于保守,按梁板理论弯曲受拉破坏确定的安全厚度也偏于保守,是由于实际顶板岩层并不完全符合梁板理论的简化假设,而以有限元分析所得最大弯矩按梁板弯曲受拉破坏确定的安全厚度最为经济;实际工程中三维效应明显的溶洞,现行理论简化和二维数值分析法都较为粗糙,宜采用三维数值分析法。通过对上述问题的分析,为该高速公路岩溶区填方路段的设计和溶洞的处治与否提出指导性意见,已创造较好的经济效益和社会效益,可供类似工程应用时参考。     

地下水位下降对井壁破坏的影响

淮北某些矿区井筒变形、破坏严重,其主要诱发因素是下含水层水位下降而产生的附加应力。运用[2D-σ]软件进行了数值模拟认为:由于地下水位下降,地层与井筒发生相对位移而产生剪应力,其大小与水位降深和相对位移成正比;轴向应力随深度变化小,而随下含水层水位下降而增大;井壁破坏首先发生在其内缘,并逐渐向外扩展,破坏度沿深度方向增大;一含和下含同时有水位降时,轴向应力和剪应力的变化与单一含水层水位下降时相似,但轴向应力变化幅度明显增大,剪应力在上部含水层处增加。模拟计算分析结果与淮北地区井壁变形、破坏情况大体一致。      

矿压及水压对煤层底板突水的影响

在煤层底板突水发生过程中,矿山压力和底板承压水起着重要的作用。煤炭采出后,围岩失去原有的平衡,除顶板岩层产生破坏及移动外,底板岩层也相应遭到一定程度的破坏和影响,在一定的条件下,发生底板突水事故。      

Evaluation of coal longwall caving characteristics using an innovative UDEC Trigon approach

The paper presents an innovative numerical approach to simulate progressive caving of strata above a longwall coal mining panel. A proposed Trigon logic is incorporated within UDEC to successfully capture the progressive caving of strata which is characterized by fracture generation and subsequent propagation. A new damage index, D, is proposed that can quantify regions of both compressive shear and tensile failure within the modelled longwall. Many features of progressive caving are reproduced in the model and found to fit reasonably well with field observations taken from a case study in the Ruhr coalfield. The modelling study reveals that compressive shear failure, rather than tensile failure, is the dominant failure mechanism in the caved strata above the mined-out area. The immediate roof beds act like beams and can collapse in beam bending when vertical stress is dominant or in beam shear fracture when horizontal stress is dominant. The proposed numerical approach can be used to guide the design of longwall panel layout and rock support mechanisms.     

考虑弹性核作用下的冲击地压形成机理模型试验

使用CCD相机搭建实验图像数据采集系统,采用花岗岩模拟坚硬顶底板、红砂岩模拟软岩层组合成岩层结构,近似还原顶板来压过程中软岩层的变形破坏过程,研究帮部"弹性核"对冲击地压至灾的影响机制。研究结果表明:(1)上覆顶板来压时,可将软岩层划分为塑性破坏区、弹性承压区、原岩应力区,弹性承压区易形成较大的弹性核。(2)软岩层变形能在弹性承压区大幅度积累,其积累过程是波动式上升的;在峰值荷载前,变形能积累和释放的频率加快;达到峰值荷载时,弹性承压区变形能存在明显的释放过程。(3)冲击地压发生时,塑性破坏区冲击并反作用于临近岩体使其短暂收缩。(4)冲击地压是一个渐进性的过程;一方面,由于水平约束的消失,弹性承压区的受力状态由水平方向受约束的压缩状转入单轴压缩态,导致其承载能力减弱;另一方面,承载区面积快速减小,导致软岩层承压区域承担的竖向荷载突增;两者共同作用导致冲击地压出现渐进性的冲击和破坏。     

基于黄土结构损伤的地裂缝局部化破裂发展机制

针对西安地裂缝活动条件下黄土覆盖层裂缝的发展与形成,依据黄土的构度和应力比结构性参数变化规律,分析了黄土构度和抗拉强度之间的关系,建立了黄土结构性演变的数学模型,抗拉强度与抗剪强度随结构性参数变化强度准则,以及反映黄土结构性演变的Mohr-Coulomb屈服面弹塑性模型.通过本构模型嵌入FLAC3D软件,数值模拟西安地裂缝活动边界条件,以及结构性黄土地层结构,进行了黄土结构损伤变化和地层破裂带形成发展分析研究.表明地裂缝错动位移作用条件下,黄土地层塑形区域破裂带发展分为初始剪切破坏、初始拉伸破坏、剪切与拉伸破坏发展、破裂带贯通四个阶段;地层破裂带黄土的结构性损伤衰减变化突出,黄土应力比结构性参数等值线与地层塑性破裂带分布一致.揭示的黄土地层局部化破裂发展过程机制,对于认识地裂缝造成地面建筑物与地下工程灾害有重要的理论和实际意义.     

多因素组合影响阶段矿柱上采顶板临界厚度研究

采用散体充填法的矿山,由于充填体无法直接暴露,阶段矿柱回采临界厚度的保留成为残矿回收的突出难题。基于传统弹性梁理论,结合实际情况,将阶段矿柱简化为均布载荷下两端固定的弹性梁力学模型,推导了其弹性应力解,揭示了 是阶段矿柱上采过程的第1破坏应力。理论分析表明：影响矿柱上采顶板临界厚度的主要因素为：散体载荷、回采跨度和岩体抗拉强度。利用FLAC3D完成了多因素组合影响阶段矿柱上采过程数值模拟正交试验,分析了单一影响因素与顶板临界厚度的关系,利用多元非线性回归的数学方法,建立了上采过程三因素组合影响下阶段矿柱临界厚度数学预测公式。最终,实现了散体介质下阶段矿柱上采临界厚度的预测。结合凤凰山铜矿-240 m阶段矿柱回采实际,表明了该预测公式的适用性。     

急倾斜软硬互层巷道变形破坏机制及支护技术研究

针对急倾斜软硬互层巷道围岩大变形控制难题,采用现场试验、理论分析和数值仿真等多种手段,研究急倾斜巷道围岩变形破坏机制,研究结果表明：急倾斜软硬互层巷道的变形与破坏具有非对称性,偏压作用明显,呈现顶板下滑,底板臌起的相互错动变形特征,底臌严重且易片帮冒顶。巷道断面与岩层倾斜方向的钝角部位受侧向约束小,因而剪切滑移变形较大,是产生非对称变形破坏的关键部位;下帮围岩变形破坏较上帮更为严重。基于急倾斜巷道的变形破坏特点,提出在锚- 网-索耦合支护的基础上利用锚索、底角锚杆等对产生差异变形破坏的关键部位进行加强支护的方法,巷道大变形得到了有效控制。     

饱和软黏土动力学特性循环扭剪试验研究

以饱和软黏土的循环扭剪试验研究为基础,阐明不固结不排水条件下饱和软黏土的动力学特性。在循环扭剪和循环三轴两种不同试验应力状态下,通过研究不同围压和不同静、动应力组合下饱和软黏土的应力等效破坏关系和应变等效破坏关系,提出在循环荷载作用下饱和软黏土的循环破坏同样遵循Mises屈服准则,且在Mises屈服准则下,饱和软黏土的循环强度趋于不变量。循环破坏的过程可以等效为一种拟静力弹塑性循环蠕变,建立了饱和软黏土循环累积变形随静荷载、循环荷载以及循环破坏振次之间的关系式。上述结论分别从应力和变形两个方面阐述饱和软黏土的动力学特性,与试验应力状态和围压无关,可以推广到一般应力状态下。     

塔中Ⅰ号断裂构造特征地质力学模拟

在前人研究基础上，对塔中I号断裂带地层进行岩石力学试验，并用相似材料地质力学模拟试验研究塔中I号断裂带在后期应力场作用下演化过程。结果表明，塔中I号断裂对塔中地区的地质构造起控制性作用。张裂和剪裂为该区地层的主要破裂机制，所产生的裂缝集中发育于中部的奥陶纪和寒武纪地层。     

岩溶土洞演化及其数值模拟分析

土洞是覆盖型岩溶区一种隐伏的不良地质现象。土洞在水的作用下发育演化最终形成塌陷,可通过地下水位的变化来研究土洞发育和塌陷的形成。同时土洞的演化会造成覆盖土体不均匀位移和应力重分布,可通过覆盖土体位移和应力变化来进行研究土洞演化过程。采用FLAC3D三维有限差分程序,分析覆盖层垂向位移场表明:最大垂向位移出现在土洞顶部,使拱顶出现拉张破坏,并可根据洞顶土层位移的数值模拟结果,划分“等沉面”确定土洞扰动的土层深度。分析覆盖层剪切应力场表明:在土洞拱趾部位出现剪应力集中,会造成拱趾的剪切破坏,并可根据洞顶“剪应力低值区”,判断覆盖层中土拱效应的存在。分析覆盖层塑性区表明:较为坚硬的黏土层中,土洞以拱顶塌落和拉张破坏为主,最终可以形成坑壁较为陡直的桶状或坛状塌坑。土层较为松散时,以拱趾的剪切破坏为主,最终可以形成锥碟形塌陷坑。利用“剪应力低值区”,“等沉面”和“塑性区”可综合判断土洞的稳定性以及覆盖层所能形成的极限土洞大小。岩溶土洞演化规律及数值模拟研究对岩溶塌陷（土洞）早期监测和评价有着重要的理论及工程意义。      

深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制及控制

针对深部构造应力作用下煤巷“肩角锚杆破断”问题,建立肩角锚杆力学分析模型,分析煤帮沿顶板滑移对锚杆的作用,得到肩角锚杆的受力、变形特征,揭示深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制,即在煤帮沿顶板的滑移剪切力作用下,杆体发生弯曲变形,且构造应力越大,弯曲变形越严重;肩角锚杆在煤岩层交界面处受到的剪力最大,而使得锚杆在交界面处易被剪断。针对深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断问题,提出“控让耦合支护”围岩控制技术,并成功应用于工程实践。