不同开挖方式下深部岩体能量积聚特性

探讨了不同开挖扰动下围岩塑性损伤分布以及应变能调整过程,对高地应力条件下机械法(TBM)以及钻爆法开挖进行了数值模拟,并比较了不同开挖方式导致的围岩损伤和应变能积聚特征.结合锦屏二级水电站引水隧洞现场监测资料,验证了不同开挖方式下围岩应变能积聚对岩体损伤区及岩爆孕育的影响.研究结果表明:高地应力下岩体开挖卸荷使围岩应变能呈现出驼峰状积聚形态,由表及里按低→高→低分布;TBM开挖后围岩中应变能的积聚峰值明显高于钻爆法,而应变能的积聚区域却较浅.开挖后围岩发生低等级岩爆的风险较钻爆法高.     

充填体抗拉强度特性的试验研究

充填体可以改善围岩应力状态、限制围岩移动、维护采场稳定.通过在室内条件下制作和养护充填体试件,然后采取劈裂法对不同配比和浓度的充填体试件进行测试,得出了充填体试件在不同配比、浓度下的峰值载荷、峰值位移、平均峰值应变、抗拉强度以及应力-应变曲线.通过分析这些拉伸试验条件下的力学性质,对提高充填体质量和维护采场稳定有指导作用.     

莱新铁矿六边形采场结构的可行性分析

为了有效解决莱新铁矿复杂地质条件下、矿岩破碎、裂隙水发育矿体开采问题。提出了六边形采场结构阶段充填采矿方法,并应用2D–σ数值分析系统对其采场结构稳定性进行分析。分析结果表明,六边形采场结构与矩形采场结构相比,能够较好地适应应力转移规律;对六边形采场结构不同结构参数下的应力分布、变形特征及塑性区大小等进行了数值分析。六边形采场结构是一种稳定结构;在莱新铁矿的模拟过程中,其采场围岩及充填体未出现较大拉应力和塑性区,证明该方法在莱新铁矿的可行性;并提出了该方法在莱新铁矿应用的最佳结构参数,该方法对类似条件矿山开采具有参考价值。     

上软下硬地层隧道破坏规律数值模拟

在进行地下工程施工的过程中,往往会遇到复杂的工程地质问题,特别是上软下硬地层的地质问题,更是地下工程研究的重点。运用数值模拟的方法,采用实际工程浏阳河隧道的地质岩层的物理参数,进行模型的构建以及隧道分步开挖的模拟,分别针对隧道处于上软下硬地层3种位置不同开挖条件下隧道围岩的应力、应变、剪力云图的对比分析,得出了上软下硬地层条件下隧道围岩的破坏机理。     

流固耦合作用下大型地下厂房围岩稳定性分析

为分析降雨和地下水形成的渗流场与应力场的耦合作用,对某大型地下厂房洞室群围岩稳定的影响,根据流固耦合理论,利用二维和三维有限元对地下厂房开挖施工进行数值模拟分析。该厂房最大的特点就是复杂的地质环境,断面形状和尺度庞杂,最主要是有F77大断层横穿主厂房,且遭遇降雨入渗等影响厂房围岩稳定性的恶劣工程环境。因此,基于厂房开挖支护的数值仿真过程,通过是否考虑应力场或渗流场的影响等不同工况进行对比计算分析。依据计算的洞室内渗流量、围岩应力场、变形场以及塑性区分布等结果表明,主厂房和主变室边墙部位以及洞室拐角处需加强支护,且主厂房大断层处在施工过程中需要及时排水与加固处理。耦合作用下,围岩应力和位移均不同程度地增大、塑性区分布范围加深。因此,考虑应力场和渗流场的耦合作用是合理的,并且适时对地下厂房进行防渗和排水是十分必要的。     

采动煤岩体能量区划及动力灾害防治分析

基于动力灾害发生机理研究的基础上,分析了采场大范围围岩系统能量控制下的演化机制,旨在为煤矿动力灾害防治提供理论依据。根据采场围岩的变形破坏分布特征和能量在采场围岩中的赋存状态及活动特征,将支承压力范围内围岩分为能量耗散释放区、能量激活敏感区和能量稳定存储区,进一步分析了围岩应力分布与能量分布的关系及影响因素,对能量区划特征和系统能量构成进行了阐述,分析了不同能量区发生变形破坏失稳的能量条件,指出能量激活敏感区是防治煤岩体动力灾害的重点区域,为了避免煤岩体在采动或外部扰动影响下发生动力灾害,应采取措施在静态变形的情况下扩大能量释放耗散区区域面积,减小能量激活敏感区区域面积。尤其是随着采场的持续推进,采场结构不断发生变化,上覆岩层荷载将发生周期性改变,围岩能量区划特征及其激活条件也将受到影响,围岩静态能量被激活后,将表现为动态形式的突变,不同的采场结构参数对应的采场围岩系统状态发生动力灾害的危险性程度不同。     

复杂应力扰动下围岩稳定性评价与采场参数优化

夏甸金矿采矿活动已经进入深部，临近崩落法与充填法影响区域的采场受到多重扰动应力的影响，该区域围岩稳定性与采场尺寸的合理选取对矿山安全生产至关重要.采用先进的数字摄影测量技术，获取试验采场周围岩体结构面参数;并从多角度对采场围岩稳定性进行评价;在此基础上，运用Mathews图表法与跨度经验公式对试验采场的参数进行优化;最后，通过数值模拟，对得到的试验采场参数合理性进行分析与验证.图表法优化的采场尺寸在矿山开采的成功应用，验证了图表法在复杂应力下采场尺寸设计的可行性.     

地下开挖围岩应力响应的数值分析

为了研究顶板自然崩落规律的应力响应,采用数值计算方法建立三维矿体模型,对工程开挖情况进行模拟计算,分析开挖过程中围岩应力的变化情况.结果显示:当采场进行拉底开挖后,围岩应力发生重分布,最大主应力在空区四周附近集中分布;在空区的周围存在应力松弛的区域,随着开挖面积的不断扩大,空区周围的应力松弛区不断扩大,竖向应力的应力减小区扩展到采场的整个顶板,水平应力的小应力区出现在空区顶板中央,且对称分布;在拉底面积达到一定值后,在拉底顶板中心位置将出现大范围的拉应力区;破坏首先从拉底区上部中间开始,呈拱形向上发展.     

倾斜中厚矿体卸压开采应力迁移规律

针对金属矿床围岩破碎、采准巷道受地压影响破坏严重的现象,应用数值模拟的方法,对不同开挖方式下岩体应力场变化规律和分布特征进行了分析,探讨了通过卸压工程调控应力场迁移的力学机制,为采场结构参数的优化提供了理论依据.研究表明:开挖矿体会造成附近岩体内的应力重新分布,采用增大空区跨度和减小空区高度的回采方案,可以实现卸压开采的目的;结合某铜矿倾斜中厚矿体条件,进路布置在距矿体下盘6 m处,进路附近的垂向应力降低18%,能够满足卸压及经济效益的要求.     

某地下厂房围岩喷锚支护效果的大变形数值分析

采用三维有限差分法对某水电站的地下厂房分级开挖过程进行仿真模拟，研究了采用喷锚支护和无支护条件下围岩应力场、位移场及破坏区的分布规律。结果表明：对围岩采取喷锚支护措施将优化围岩应力分布、限制围岩变形及破坏区分布，有效提高开挖过程中的围岩稳定性。     

沿空留巷复合底板底臌技术原因与防治对策

复合底板条件下沿空留巷底臌不仅与岩层组成等自然因素有关,还与巷道开挖卸压、工作面超前支护加压、超前支护撤除卸压的反复作用有关。压力的反复作用导致岩体内部裂隙增加,整体发生破坏,进而在巷旁支护高压力作用下底板发生滑移。文中从技术影响与控制的角度出发,提出了＂减少底板反复扰动、弱化巷旁支护传力效果、加强巷旁底板支护＂的防治原则。实测结果表明：在复合底板底臌防治中,将技术原因考虑其中,可以提高防治效果。该研究对同类底板条件下沿空留巷底臌的防治具有一定的借鉴意义。     

基于ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟厚大矿体开采方案与采场稳定性研究

针对淮南某厚大铁矿-500 m中段采场回采,应用FLAC3D建模并进行开挖模拟.对不同开采方案中采场稳定性进行研究分析表明:采场开挖后,在采场四周角落处应力集中最大,易产生剪切破坏,在顶板中央发生位移变形最大,采场顶板容易垮塌;采场长宽为30 m×30 m时,采用两矿房或三矿房同时回采,采场保持稳定,最大应力集中系数为1.5,矿岩自身强度满足自稳要求;采场长宽为40 m×40 m,三矿房同时回采时,由于采空区暴露面积过大,集中系数达1.7,顶板受拉且充填体受压发生剪切破坏,矿岩不足以维持自稳状态.在大规模开采条件下,最终选定采场参数30 m×30 m三矿房同时回采为矿山开采方案.     

侧限条件对岩石单轴压缩性能的影响分析

为研究侧限条件对岩石单轴压缩性能的影响规律,借助FLAC3D有限差分软件对位移控制和应力控制两种加载模式下的大理岩试样实施了数值模拟试验。试验实施过程中将侧限条件分为无侧限、单面侧限、邻面侧限、对面侧限、三面侧限和完全(四面)侧限六种工况,试验结果显示:位移控制模式和应力控制模式对岩石单轴压缩性能存在显著区别,两种加载控制模式下岩样的竖向位移均在竖向应力达到相同数值后出现增长速率分离,但前者使试样出现显著的蠕变现象;不同侧限工况下,临空面Y向离面位移的发展可划分为近似线性低速发展和非线性高速发展两个阶段,在位移控制模式下三面侧限条件对应的后期位移发展更为剧烈;最大剪切应变率计算云图显示部分侧限条件下远离侧限面的试样角点优先破坏,但最大剪切应变率数值与侧限数量并非呈线性关系。研究结论对更为精准的确定复杂应力条件下岩土体的强度和形变特征具有一定的参考意义。     

不同卸荷路径下的页岩蠕变特性试验研究

地下硐室围岩流变现象显著,对硐室开挖与运营造成巨大威胁。以某深埋矿井巷道页岩为例,参照地下硐室实际开挖情况设计轴压与围压等比卸荷应力路径,同时开展恒轴压卸围压、等比卸荷两种应力路径下的蠕变试验,研究页岩在不同卸荷路径下的蠕变力学特性。试验发现：(1)页岩在两种卸荷路径下的蠕变特性十分明显,轴向应变量值始终高于侧向应变;(2)岩石在破坏应力水平下的轴向应变增长程度小于侧向应变,岩石的侧向扩容较为明显;(3)等比卸荷和恒轴压卸围压条件下的岩石长期强度分别为47.69MPa和62.85MPa,等比卸荷应力条件下岩石更易屈服破坏。研究成果可为地下硐室长期稳定性研究提供一定参考。     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

岩石损伤本构模型研究

基于应变强度理论和岩石微元强度服从幂函数分布的假定,利用统计损伤力学的理论,建立了岩石破坏过程中的损伤统计本构模型,并引用试验资料对模型进行了验证。验证结果表明:模型理论曲线与试验实测曲线具有较高的吻合度,所建模型能够比较好的反映岩石在三向压力作用下的应力—应变关系和岩石强度变化特征,说明本文所建立的模型是合理的。     

基于最大拉应变理论的岩石损伤机理

以岩石内部微元体为研究对象,研究了在宏观应力作用下微元体的应力分布特点.将微元体应力的分布按正态分布考虑,结合最大拉应变强度准则,提出岩石微元体破坏的控制条件是最大拉应变.据此建立了微元体的三种破坏方式,研究了不同破坏方式对岩石承载能力的影响,推导出各破坏方式发生的条件及概率,并将微元体的三种破坏与三个方向的损伤因子联系起来,实现了细观与宏观的结合.在此基础上,建立了考虑各向损伤异性的岩石损伤本构模型,推导了参数的求解方法.最后对该模型的合理性进行了验证,发现利用该模型能够很好地解释不同应力条件下岩石的破坏方式以及围压对岩石峰值强度和残余强度的影响规律.     

多放矿口间的矿岩颗粒均匀流与应力演化规律

针对当前多口放矿研究中存在的放矿口间距阈值和应力分布等问题,基于刚性块体模型开展不同放矿口间距和放矿方式条件下的放矿数值试验,对多放矿口间的矿岩颗粒均匀流与应力演化规律进行量化研究.研究结果表明:多口放矿条件下能够产生矿岩颗粒均匀流的放矿口间距阈值介于1.0~1.25倍的松动体最大宽度.矿岩颗粒流动体系内存在明显的应力拱效应,放矿过程中松动体上方的垂直应力会逐渐向两侧非松动区域转移.在所研究的取值范围内,采场底部最大垂直应力已接近初始垂直应力的1.8倍.放矿过程中采场内非松动区域的配位数约为8~9,且空间高度越低其配位数越大;在松动区域内越接近放矿口的位置,其矿岩颗粒越松散且运移与接触变化的无序程度越高.     

不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.     

基于强度参数演化的裂隙岩体峰后应力-应变关系求法

完整岩块峰后应力应变关系的表达不能较好反映裂隙岩体峰后特性,为得到适合裂隙岩体峰后应力-应变关系,在试验数据基础上,基于库伦强度准则,分析裂隙岩体峰后强度参数的演化行为。根据裂隙岩体在不同围压和裂隙倾角时的不同峰后特性,将峰后应力-应变关系简化为A和B两种类型。以应变作为应变软化参数,假设黏聚力、内摩擦角为应变的分段线性函数,给出裂隙岩体峰后两种类型应力-应变关系式的求法。将A和B两种类型应力-应变关系式算出结果与试验结果进行比较,得出用裂隙岩体的应力-应变关系求得峰后应力-应变曲线与试验数据基本一致。