开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验

开采扰动区断层采动活化是诱发动力学灾害的典型难题之一。断层采动活化诱发岩体动态变形规律研究是揭示煤岩体结构、应力与力学行为对灾害控制作用的基础前提。通过对物理相似模型实验和声发射、应力与变形指标监测,揭示开采扰动区断层下盘、断层附近及断层上盘随工作面推进覆岩运移和矿压显现规律。实验研究表明:断层存在破坏了煤层顶板及上覆岩层的整体连续性,工作面矿压及上覆岩层垮落规律表现异常,断层极易活化,滑移现象明显;断层活化诱发上覆岩层发生整体切落,对工作面前方煤体产生很高的集中应力载荷,易诱发动力灾害。这为采动岩体动态断裂失稳和突水等灾害预报与调控提供理论依据。     

薄壁弯头塑性破坏的极限弯矩问题

引言 薄壁弯头承受平面弯曲时,在弹性范围内变形与载荷成一定比例增加。当最大应力点的强度折算应力达到屈服应力后,弯头的局部区域进入塑性范围,变形不再与外载成比例,单位外载增量所引起的变形增量越来越大。当弯头某个截面快要全部进入塑性范围时,微小的外载增量就会引起甚大的弯曲变形。而后,当该截面弯矩达到一定数值时,变形猛烈增加而不休止,弯头遭到塑性破坏。这一弯矩称为弯头的塑性破坏极限弯矩,以后简称为极限弯矩。极限弯矩值的大小对管道设计具有一定的参考价值。     

自然与饱水状态下深部斜长角闪岩蠕变特性

通过金川深部斜长角闪岩单轴压缩蠕变实验,选取典型蠕变曲线,发现该岩石黏弹性、黏塑性变形较瞬时变形偏小,卸载后弹性后效不显著.在5.1 MPa轴向应力下,自然状态的岩样近似纯弹性特征.饱水状态下岩样瞬时强度σ’b和长期强度σ’∝总体低于自然状态,且σ’∝已接近深部高地应力,因此,对于深部节理、裂隙很发育的岩体,应特别注意巷道排水,防止围岩因长期强度降低而导致巷道变形和破坏.自然与饱水状态下岩样瞬时弹性应变εme、瞬时塑性应变εmp随应力增大而增加,但增速逐渐放缓,饱水状态下塑性变形更显著;相同应力下,饱水状态岩样蠕变量大于自然状态,应变速率也总体快于自然状态,2种状态的蠕变速率在20～30 h时都逐渐稳定,且速率曲线随应力增大,微裂隙压密,彼此逐渐靠近,岩样处于相对硬化阶段;当轴向应力达到66.3 MPa后,饱水状态蠕变速率有相对加速趋势,速率曲线随应力增大先往左下移动,再朝右上移动,而自然状态蠕变速率曲线总体向右上移动.最后,通过蠕变数据分析,推导γ=ασk型经验方程,对蠕变试验数据进行回归拟合,拟合结果证明该蠕变经验模型的正确性.金川矿区斜长角闪岩蠕变实验研究为分析深部巷道该类围岩流变稳定性及支护方案优化等提供有效帮助.     

拉压强度不同材料矩形截面梁几何中轴的曲率方程

将材料本构关系简化成拉压屈服极限不同的理想弹塑性模型,推导了矩形横截面梁在完全弹性状态、单侧塑性状态及双侧塑性状态下依赖于压拉屈服极限比的几何中轴的曲率方程.并将其应用于悬臂梁的变形及各阶段极限荷载的分析,最后利用所得的解研究了材料压拉强度差效应对矩形截面梁塑性极限弯矩的影响.结果表明,考虑材料压拉强度差效应时梁的塑性极限弯矩将明显提高.     

采用俞茂宏统一强度理论求解套管的极限外压强

充分考虑拉压强度比和中间主应力系数,根据俞茂宏统一强度理论推导出在外压强下闭端、开端和平面应变套管弹塑性极限外压强的统一算法。数值仿真显示:随拉压强度比的减小和中间主应力系数的增大,弹性极限外压强增大;开端套管的弹性极限外压强最大,平面应变套管的次之,闭端套管的最小;塑性区的半径随外压强的增大而增大;当外压强增大时,套管由弹性状态进入弹塑性状态,塑性区的半径逐渐从内半径扩展到外半径;塑性极限外压强随拉压强度比的减小而增大;随外内半径比的增大,在同样的统一强度理论参数下,闭端、开端和平面应变的塑性极限外压强之间的差异增大,且塑性极限外压强大于弹性极限外压强;塑性极限外压强的计算值与试验测试值之间的相对误差为-4%~-9%,而国际标准化组织样板数据与试验测试值之间的相对误差为-12%~-25%,美国石油协会推荐数据与试验测试值之间的相对误差为-17%~-30%,表明文中的套管塑性极限外压强公式更接近试验值。     

露出型钢柱脚强度对低多层规则钢框架抗震性能的影响

为了研究露出型钢柱脚强度对低多层规则钢框架结构抗震性能的影响,首先定义了不同柱轴向力作用下的露出型钢柱脚屈服弯矩。以柱脚强度系数、层数、跨数及首层剪重比为主要研究参量,建立12个低多层规则钢框架模型。通过静力推覆分析,探讨主要研究参量对各模型各层及柱脚的受力与变形等的影响。分析结果表明:柱脚强度系数越小、首层变形集中、柱脚变形大、锚栓的塑性应变也变大。柱脚强度系数在0.4左右时,锚栓变形支配首层变形。在结构承载能力极限状态时,低层钢框架柱脚均产生轴向压力,受拉压侧柱脚屈服弯矩较锚栓屈服弯矩大;而多层钢框架的受拉侧柱脚将产生轴向拉力,受拉侧柱脚屈服弯矩小于锚栓屈服弯矩。     

隧道锚抗拔作用机理的室内模型试验

通过室内模型试验对隧道锚的抗拔作用机理和承载能力进行了研究,设计加工了隧道锚室内模型装置,通过多种配比材料的强度和变形试验确定了用于模拟隧道锚区现场围岩的相似材料,采用多种监测手段进行了隧道锚拉拔荷载作用下地表和围岩内部的变形、应变和应力监测.结果表明:在拉拔荷载的作用下,锚塞体顶部靠近地表的岩体先进入拉破坏,随着锚塞体的传力作用,锚塞体与围岩接触部位侧摩阻力逐渐达到极限,然后荷载逐渐传递到围岩内部,锚塞体附近围岩进入剪切破坏,个别部位为拉破坏,围岩破坏形态为从锚塞体底部向上发散的倒锥型破坏面.隧道锚承载能力由两部分组成:1锚塞体和围岩接触面的极限摩阻力;2围岩剪切-拉破坏的极限阻力,即夹持效应.50倍设计缆力下围岩处于弹性阶段,这表明目前的隧道锚设计是偏于保守的,存在进一步优化的空间.     

深部开采工程中渗流-损伤-应力耦合模型

为了研究地应力场、损伤对渗流场深部岩体的影响问题,从理论上分析了岩体渗流运动的基本规律,引入岩体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含岩体开挖过程固气-损伤耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动中岩体渗透性的演化规律。结果表明:在开采过程上覆岩层应力增大、变形增大,岩体垮落现象明显,并伴随着岩体渗透性迅速增大,应用该耦合模型解决实际工程和现场实际观测结果比较吻合。     

采用俞茂宏统一强度理论求解圆筒和球壳的极限值

使用俞茂宏统一强度理论,获得了薄壁圆筒的弹性极限压强和最小壁厚,并根据钢管与核心混凝土的横截面面积,求解了厚壁圆筒的纵向极限承载能力;按照俞茂宏统一强度理论,得到了球壳的弹性极限压强和最小壁厚。计算表明:对于薄壁圆筒,其弹性极限压强随中间主应力系数的增大而增大;当中间主应力系数很小时,弹性极限压强随拉压强度比的增大而略微减小,而当中间主应力系数较大时,弹性极限压强随拉压强度比的增大而增大;最小壁厚随中间主应力系数的增大而减小;当中间主应力系数很小时,最小壁厚随拉压强度比的增大仅有微小的增大,而当中间主应力系数较大时,最小壁厚随拉压强度比的增大而减小。对于厚壁圆筒,增加中间主应力系数或套箍指标都将提高其纵向极限承载能力;当中间主应力系数较小时,纵向极限承载能力随拉压强度比的增大而减小,而当中间主应力系数较大时,纵向极限承载能力随拉压强度比的增大而增大;塑性极限内压强随径厚比的增大而逐渐降低。对于球壳,其弹性极限压强随拉压强度比的增大而减小,最小壁厚随拉压强度比的增大而增大。     

岩土材料的屈服条件与破坏条件

 固体材料受力以后,从弹性到塑性直至发生破坏,在这个过程中材料从弹性进入塑性称为屈服,屈服是一个过程,初始屈服材料还处于弹性状态,是弹性极限点;经过塑性发展达到破坏,破坏是塑性极限点。破坏也是一个渐进过程,首先在材料内一些点达到破坏,然后破坏点逐渐增多直至贯通,发展成破坏面形成整体破坏。塑性力学中规定材料进入无限塑性状态,应力不变,应变无限增大时称为破坏,因此理想塑性用应力表述的屈服条件就是破坏条件,它们都与历史参量无关。但是初始屈服与破坏时的应变状态是不同的,前者表示材料从弹性刚进入屈服,后者表示材料从塑性进入破坏,表明屈服条件不等同破坏条件。     

深井覆岩体结构形变分带（区）性研究

针对深井开采覆岩结构变形的特殊性,提出基于应力场转移的深井覆岩结构形变模型。采用三雄半解析数值计算和现场综合试验与勘测的方法,给出采动岩体沉陷移动的分带、分医特征及突变集中变形和阶段性滞缓移动现象的动态演化规律,为深井开采覆岩与地表移动变形灾害控制提供科学理论依据。     

拉力型锚索极限承载力的解析解与试验研究

针对拉力型锚索锚固岩体的破坏形式,结合拉力型锚索作用下岩体破坏面方程,采用Mohr-Coulomb强度准则,对破坏区岩体的极限平衡状态进行研究。以此为基础,推导基于岩体破坏面方程的拉力型锚索极限承载力的解析解,并分析破坏面形状与锚索几何参数对极限承载力的影响,与拉力型锚索的试验成果进行对比分析。研究结果表明:采用拉力型锚索的解析表达式可以较合理地估算拉力型锚索的极限承载力;基于围岩体破坏的锚索承载力与其破坏面形状有关,对于锚固段存在结构面或滑动面的锚索,需对锚索基于围岩体破坏的承载力进行验算。     

岩基承载力特征值确定的试验研究

以某工程为例,介绍了大直径人工挖孔桩深井岩基承载力特征值确定的试验方法,并进行了试验对比分析、评价,得出了安全、合理的岩基承载力特征值,为工程设计提供可靠的依据.     

基于压力拱理论的矿块间回采顺序数值模拟

合理的回采顺序能够有效地改善岩体的应力分布状态,有助于保证采场的稳定性。为确定新桥矿-300m中段合理的矿块间回采顺序,根据矿山现有条件,提出3种矿块间回采顺序方案,即平行推进、"品"字形推进、倒"品"字形推进;通过Midas有限元软件对各方案进行数值模拟,综合考虑拉应力、压应力和位移3个因素,运用压力拱理论对模拟结果进行对比分析。结果表明:矿体开挖之后,会在采空区周围形成压力拱,且随着采空区的增加,压力拱的外边界向岩体深部移动;"品"字形回采过程中,中部采空区与两侧采空区在上部可以形成一个更大压力拱,承担其自身和上覆的岩土载荷,其最大拉应力为2.288MPa,最大压应力为23.24MPa,最大位移为55.71mm,均远小于其他2种方案,相比之下,该方案更加合理。经该矿山生产实践表明,"品"字形回采顺序已在矿山推广应用,取得良好的经济、社会效益。     

深井回采工作面覆岩运动及煤体应力分布规律

为保证深部开采矿井安全高效生产,根据东海煤矿32#右十一回采工作面地质资料,采用RFPA、ANSYS软件对深部回采工作面覆岩关键层运动规律及煤体内的应力变化情况进行数值模拟。结果表明,开采深度越大工作面覆岩关键层的破断距离越小,顶板周期来压步距越短;该工作面的周期来压步距为30 m左右,数值模拟与现场实测结果吻合;随着回采工作面的推进,高应力区向远离工作面的煤体内部移动,且煤柱上的高应力分布带移动量大于煤体上的移动量。该研究为矿井深部开采超前支护及冲击矿压防治提供了参考。     

工作面厚硬顶板力学变形研究

实际生产中,有些矿区覆岩中经常存在两层以上相邻的坚硬顶板岩层.当靠近煤层的二层或多层硬岩层间产生复合效应时,影响覆岩采动特征的老顶将不止一层.为研究清楚复合顶板的变形,有必要研究两层以上坚硬复合岩层的力学特性.基于板理论基础,研究了两层及以上的坚硬层叠岩板的力学特性,建立了坚硬层叠岩板的力学模型并对其进行了分析,给出了最大挠度的计算公式及岩板在覆岩层载荷作用下的变形公式,以及在竖向压力作用下坚硬层叠岩板的位移计算方程、方法,最后给出坚硬层叠岩板的弯曲下沉计算实例.该研究成果为垮落带注充控制岩层及地表移动提供了理论依据.     

深部开采岩爆预测的神经网络方法

岩爆是深部高地应力岩石地下工程中的一种常见灾害,其影响因素之间存在着极其复杂的非线性关系。在综合分析基础上,选取开采深度、围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度比值、岩石单轴抗压强度和抗拉强度比值、岩石冲击性倾向指数作为岩爆预测的评判指标。应用人工神经网络方法,建立了岩爆预测的计算模型,利用国内外一些深部开采、岩石地下工程资料作为学习样本和测试样本对模型进行训练。该模型成功应用于某矿巷道的岩爆预测,预测结果与实际情况一致,此研究为深部开采岩爆预测提供了新的途径。     

大直径扩底人工挖孔桩承载力研究

依托武汉某工程实例,对大直径扩底人工挖孔桩承载力进行了研究,通过岩石极限单轴抗压强度室内试验和深层载荷板试验确定持力层的承载力特征值,采用规范提供的计算公式,用两套试验参数对单桩承载力进行预估,并通过现场单桩载荷试验对计算结果进行验证。研究表明:深层载荷板试验参数预估单桩承载力特征值,明显大于岩石极限单轴抗压强度室内试验计算值,且前者与单桩静载荷试验结果更为接近,可准确预估单桩承载力,进而为后续大直径扩底挖孔桩设计提供可靠参考。     

深部岩体块系摩擦减弱效应试验

为了研究深部岩体在冲击作用下的力学特性,用深部岩体动态特性多功能试验系统对块系岩石在垂直冲击载和水平拉力作用下的动态特性进行了试验研究,通过试验,明确了冲击载、水平静力和摩擦力之间存在的相互联系,建立了冲击能与特征摩擦力、冲击能与摩擦减弱系数的函数关系,确定了产生摩擦减弱效应和超低摩擦效应的特征值条件.结论表明:在垂直冲击能和水平静力共同作用时,水平静力与余留位移的关系呈抛物线状,而且抛物线会出现一个余留位移的突变,突变后余留位移的增大明显加快.     

基于Hoek-Brown强度准则磷矿体开采稳定性分析

磷矿是保障精细磷化工生产和粮食供应的物质基础,而地下缓倾斜磷矿体的开采一直是个难题.该文以湖北兴山后坪矿段磷矿层地下开采为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D,基于Hoek-Brown强度准则,对磷矿层的开采过程进行了数值模拟.首先进行单轴压缩模拟试验,求得各岩体的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比,模拟试验结果和室内试验结果基本一致.然后研究了磷矿层开采过程中采空区围岩的应力变化情况、上覆岩体的位移规律和矿柱屈服区分布情况,从而评价采空区的稳定性.最后,分析了在缓倾斜磷矿体中实施浅孔房柱法开采的的可行性.