基于能量释放的深井巷道断面形状优化

选取矩形、直墙拱形、梯形、圆形和椭圆形共5种典型断面形状的巷道,基于UDEC程序分析巷道的围岩能量释放特征、应力及塑性区分布规律,并分析水平构造应力对它们的影响。研究结果表明:巷道围岩稳定性受断面形状影响显著,巷道边界线越光滑,能量释放量越低,主应力差不均匀区域及塑性区范围越小;深井巷道的最优断面形状为圆形及椭圆形。针对围岩的不同应力状态选择不同的断面形状,能够有效减少围岩塑性区及主应力差分布不均匀区域的范围,降低巷道的冲击危险性。     

断面形状对巷道围岩稳定性影响的数值模拟分析

利用数值计算方法,研究了断面形状对巷道围岩稳定性的影响。结果表明:断面形状对巷道围岩的稳定性有较大影响。圆弧拱巷道围岩稳定性要远大于矩形巷道。采用矢跨比为0.2的圆弧拱巷道代替矩形巷道,可显著改善巷道围岩应力状况,减小巷道围岩变形量,减少围岩塑性屈服区域,加强巷道围岩的稳定性。     

大倾角煤层回采巷道断面适应性

基于大倾角煤层回采巷道围岩应力显现规律,采用数值分析方法对不同类型断面巷道的围岩塑性区及应力非对称分布特征进行研究,并建立异形断面巷道围岩破坏力学模型,确定其合理的支护方式.结果表明,大倾角煤层回采巷道围岩塑性区沿煤层倾斜方向演化,顶底板破坏深度大于两帮,且两帮破坏程度差异大;巷道断面形状不同,导致巷道围岩应力集中程度、塑性区及变形量等有很大差异;拱形巷道围岩变形适应性好,异形巷道两侧的顶角煤易发生剪切破坏,但考虑回采巷道掘进、设备运行及服务年限等需求,常用异形巷道;采用"锚网+钢带+锚索"的支护形式,加强异形巷道顶板帮及坡顶煤的支护,满足支护阻力大于F1和F2,可明显减少巷道围岩变形,保持巷道的稳定性.     

矩形巷道塑性区宽度计算方法研究

针对矩形巷道,运用三剪能量屈服准则作为巷道围岩的塑性条件,以极限平衡理论为基础,结合应力平衡原理,推算出矩形巷道边帮的塑性区宽度的计算公式,分析了不同的巷道开挖宽度和屈服准则下的塑性区宽度的变化趋势;采用单因素分析法,进一步分析了岩体粘聚力、岩体内摩擦角和原始地层压力对塑性区宽度的影响。结果表明:塑性区宽度随巷道开挖宽度和原始地层压力的增大而增大,随岩体粘聚力和内摩擦角的增大而减小;相同巷道宽度下,塑性区宽度的三剪能量屈服准则解相对于Mohr-Coulomb准则解和Drucker-Prager准则解偏小。     

破碎岩体巷道围岩承载结构应力分布规律

为解决深部破碎围岩巷道支护困难的问题,以卡斯特纳及基尔斯等理论为基础,着重考虑支护阻力对破碎围岩巷道应力分布规律的影响,建立非静水压力下圆形巷道围岩应力力学模型,并推导出围岩破碎区、塑性区的应力及影响范围的解析解,对比分析两者的不同侧压力系数与支护阻力的变化特征。针对不同区域内围岩破碎程度不同,提出先分层后整体支护、“锚网(索)+底板锚索+喷射混凝土+全断面注浆”修复方案。研究结果表明：巷道开挖后,围岩出现以纵向破坏为主的破坏形式,围岩破碎区和塑性区的环向应力均大于径向应力,且在破碎区、塑性区及弹性区的交界处均出现应力不连续现象;随着侧压力系数不断增大,破碎区与塑性区的半径随之增大,与塑性区半径的增长率相比,破碎区的半径增长率明显较大,围岩越来越趋于破碎;随着支护阻力增大,塑性区和破碎区的半径随之减小,但当支护阻力的强度达到一定强度后,破碎区和塑性区影响范围明显减小,说明支护阻力初期能够起到维持巷道稳定的作用,但一味地增加支护强度,只能增加支护成本,对围岩大变形控制效果十分有限;提出巷道支护向稳定控制转变,而不是强调变形控制;采用修复方案后,顶底板位移以及两帮位移都可以得到明显控制,说...     

富水区深埋巷道围岩微裂纹裂尖塑性区研究

利用断裂力学原理,考虑到水压力对微裂纹尖端应力场的实际影响,对巷道围岩单节理微裂纹的Ⅰ、Ⅱ型及其复合型裂纹应力强度因子进行了探讨.然后,采用双剪统一强度理论,研究了富水区巷道围岩微裂纹扩展角及裂纹尖端塑性区范围,并给出了包含反映岩石拉压性能差异的参数α、反映中间主应力效应的参数b及水压力的巷道围岩微裂纹裂尖塑性区统一解.     

基于蠕变终止轨迹的巷道围岩粘弹塑性分析

引入稳定巷道围岩中的峰值应力为一定围压下围岩的长期强度的观点,将巷道围岩分为弹、塑性区;考虑围岩流变、塑性扩容及中间主应力的影响,基于Drucker-Prager准则对圆形巷道围岩的弹塑性进行了分析,推导出相应的应力、位移及塑性区半径的解析解;考虑岩体特征值(E,μ)与时间和应力有关,基于西原模型采用Laplace变换法对所得结果进行了修正,得到围岩粘弹性位移解;在相关文献试验基础上,进行了实例计算并与ABAQUS模拟结果对比。结果表明:围岩流变特性对巷道变形及塑性区的扩展具有重要影响,以一定围压下围岩的长期强度为巷道围岩应力峰值,能够在一定程度上反映围岩流变特性对巷道围岩变形的影响,符合工程实际;粘弹性位移与数值模拟解吻合较好。本研究对巷道长期稳定性理论及地下巷道支护具有一定的参考意义。     

深部巷道围岩瞬态温度-热应力的耦合作用

为了研究深部巷道温度场与应力场的耦合作用,采用理论推导得到圆形巷道围岩瞬态热-弹性耦合解析解,分析了巷道围岩温度场和热应力的分布规律,并通过数值模拟和现场观测研究了热应力对巷道围岩稳定性的影响。研究表明:围岩温度分布呈非线性变化,表层温度梯度大,围岩深处温度梯度小;随通风时间延长,围岩温度逐渐降低,冷却圈不断增大,温度梯度逐渐减小,温度分布曲线趋于平缓;通风能够改变围岩应力状态,切向热应力在围岩表层表现为较大的拉应力,而在深处表现为较小的压应力;径向热应力为拉应力,热应力加剧了巷道围岩顶底板塑性区扩展的深度。     

围岩-支护体耦合作用机理及其 最优化设计方案

基于巷道开挖面的空间效应,根据弹塑性理论建立巷道围岩-支护体耦合作用模型,研究支护位置和支护体厚度与巷道位移、支护反力和围岩塑性区半径之间的关系;并在此基础上,根据最优化方法建立巷道耦合支护最优化模型,研究原岩应力、巷道断面以及支护体力学性质等因素对巷道支护方案的影响.结果显示,随着支护体厚度的减小及支护体离开挖面距离的增大,巷道位移和巷道围岩塑性区半径逐渐增大,而支护反力逐渐减小;在支护体受力处于临界状态的情况下,支护体厚度随着原岩应力的增大、巷道断面的增大以及支护体离开挖面距离的减小而增大.     

巷道支护力作用及影响因素分析

采用库伦-莫尔理论,对巷道圃岩出现塑性区前后支护力与圆岩应力之间的关系,以及不同塑性区力学参数下支护力与巷道围岩塑性区半径之间的关系进行了研究。结果表明,由于巷道实际支护力与原岩应力比值只有1／10～1／100,对不出现塑性区和破裂区的完整岩体巷道,支护力的作用是很小的,可以忽略不计。而当围岩中出现了塑性区和破裂区之后,支护力的作用才开始显现。提高支护力可直接减小圃岩破裂区（塑性区）范围,但提高支护力的主要作用是提高弹塑性区围岩压应力,达到提高破裂区（塑性区）岩体宏观强度的目的,从而减小塑性区和破裂区的范围。影响支护力作用效果的主要因素是塑性区力学参数。     

圆形巷道原岩应力对塑性区的影响规律研究

为研究塑性区围岩应力与原岩应力的关系,将巷道围岩分成塑性残余区、塑性软化区和弹性区,基于Mohr-Coulomb强度准则,考虑扩容和软化特性,计算出了塑性区应力和半径的解析式。通过算例分析了原岩应力对塑性区应力、应变和软化模量的影响。分析结果表明:原岩应力越大,软化区和残余区的范围越大;软化区某点应力减小,而残余区应力几乎不变;原岩应力对软化模量的影响与支护阻力相比小得多;塑性区的径向应变增长速度较环向应变快。研究成果为圆形巷道围岩稳定性和支护设计提供一定的理论依据。     

基于修正莫尔-库仑准则的围岩瞬态卸荷塑性变形分析

将卸荷视为动态过程,采用包含拉伸截断和帽盖模型的修正莫尔-库仑准则,对不同开挖形状和应力状态条件下围岩瞬态卸荷塑性区进行了分析.研究结果表明:瞬态卸荷可导致自由面附近产生塑性变形,造成围岩损伤弱化甚至破坏;拉伸应力是造成围岩动态卸荷破坏的重要因素;塑性变形随着埋深的增加而增大;最大压应力方向易于产生塑性变形,以拉伸变形为主,当初始应力满足一定条件时,最小压应力方向将产生严重压剪塑性变形;从卸荷的角度考虑,巷道断面曲率较大为宜,尽量避免直线形边界.     

Fuzzy数学在巷道断面最佳形状选择中的应用研究

本文采用有限单元法计算了某地下矿山四种不同断面形状的巷道围岩的二次应力分布状态。在判断最优巷道断面时,采用了Fuzzy数学的贴近度理论,这种新理论为矿山定性与定量相结合选取最佳巷道断面提供了一种有效的方法。     

煤巷锚带网及工字钢加强支护技术研究与运用

煤柱高应力区及复合顶板、天然焦火成岩顶板巷道,采用锚网梁支护可以增大巷道使用断面,并且采用主动力,增加巷道围岩强度,减少巷道变形量,减少巷道修护工程量。但是锚网梁支护的效果隐避性大,当巷道围岩塑性圈超出锚杆锚固区（或锚固区附近存在节理面）时,锚网梁的支护效果显著降低,巷道极易发生大面积冒顶事故。采用锚网梁支护配合架连锁棚复合支护,可有效控制巷道围岩变形,预防锚网支护巷道发生大面积冒顶事故,减少巷道修护量,提高锚网梁支护巷道的安全性,提高掘进单进水平。为安全施工可借鉴推广。     

厚煤层分岔区下分层回采巷道位置选择

针对分岔厚煤层下分层难以确定回采巷道位置这一问题,通过采用室内试验对夹矸层和3下煤层受采动影响破坏进行分析。采用数值模拟对6种不同方案下围岩的应力分布规律、巷道变形特征和塑性区分布情况进行分析,结果表明:与煤柱中心的水平间距为30m处巷道围岩稳定性较好,其巷道围岩塑性区范围及变形量小。通过现场监测对巷道稳定性进行验证,表明在距离残余煤柱30m处布置回采巷道,围岩的变形量比较小,巷道围岩具有良好的稳定性。研究结论为类似条件下的巷道位置选择提供了借鉴。     

关于巷道围岩应力的理论计算问题

本文讨论了巷道的断面为园形、椭园形、正方形、矩形、园拱直墙形、园底形和任意断面形式的围岩应力的理论计算问题。     

动压巷道变形分析及围岩控制技术

针对受采动影响的巷道变形破坏严重,对动压巷道变形起决定作用的围岩破裂区进行理论分析,得到塑性区和破裂区交界处的径向应力和切向应力公式,作为围岩应力大小的参考依据;同时得到破裂区和塑性区半径公式,作为动压巷道围岩控制方案设计的依据,并结合锚杆支护理论,得到动压巷道围岩控制方案.最终在鹤壁五矿动压巷道工程试验中得到运用,巷道变形得到明显控制,说明锚杆加锚索加喷射混凝土的控制方案合理有效.     

深部高应力软岩巷道注浆时机优化分析

基于支护-围岩共同作用原理分析,揭示朱集西煤矿深部高应力软岩巷道围岩收敛变形与支护强度及围岩自承力的变化关系,获得巷道围岩位移与支护强度的关系曲线。采用FLAC3D内嵌的Fish语言编程,提取巷道围岩塑性区、拉伸破坏区及剪切破坏区体积数,揭示不同岩性与埋深条件下巷道围岩变形和塑性区扩展随应力释放率的演化规律,再现巷道围岩从局部破坏直至整体失稳破坏的演化过程,提出以应力释放率阈值作为判定注浆时机的指标。研究结果表明:确定当围岩变形量为150 mm时,实现存储于围岩内变形能的充分释放及围岩自承力的最大利用。采用应力释放率阈值60%和围岩变形量150 mm作为判定注浆时机的指标是合理的,两者可相互验证。提出"锚网索喷+注浆+底板锚注"联合支护技术方案,解决了深部高应力软岩巷道支护难题,验证了所确定的注浆时机是合理、可行的。     

深井高地应力巷道围岩弱化规律及控制技术

深井高地应力围岩控制是深井支护的难点,应用FLAC3D软件对深井半圆拱巷道在高地应力作用下围岩的弱化规律进行研究,发现深井高地应力围岩塑性区出现不连续分布的现象,随着时间的推移,塑性区逐渐增大,表明深井围岩属于非线性力学系统.同时,分析了不同侧压系数下的巷道围岩应力和位移,得到了在巷道纵向上和横向上两者的变化情况,以及不同地应力对深井锚喷网加锚索协同支护效果的影响.提出深井高地应力围岩高强度、高刚度以及大范围的围岩控制技术,并对不同地应力情况下的支护效果进行监测,取得了较好的支护效果.     

深部开采巷道软弱围岩塑性区和剪裂区研究

考虑开挖二次应力场对圆形巷道软弱围岩的实际影响,基于双剪统一强度理论及力学原理,探讨了深部圆形巷道围岩塑性区应力及范围.考虑矿体回采爆破振动,对巷道软弱围岩弹性区域内产生的剪裂区应力进行了研究.最后,利用莫尔-库伦强度理论,推导了深部矿体回采爆破时巷道软弱围岩剪裂区范围,并对它进行了分析.