深井软弱围岩联合控制技术及耦合叠加拱承载效应研究

为有效解决深井软弱围岩巷道稳定控制技术难题,以淮南某矿-962 m轨道大巷为工程背景,依据软岩应力-应变曲线及围岩应力变化和强度之间的关系,建立圆形巷道围岩破坏分区力学模型,将开挖后的巷道由表及里依次划分为残余区、塑性软化区、塑性硬化区及弹性区,以阐明锚杆(索)锚固系统变形失稳机制,并提出深井软弱围岩的控制要点及关键技术。在此基础上,提出高预应力支护构件遏制残余区扩展、有效的支护承载区发挥围岩承载能力、极大提高软弱围岩承载强度及完整性、薄弱部位补强支护形成完整承载圈等4个围岩控制要点,进而提出“以高强预应力锚杆(索)为核心,浅、深孔分次注浆为基础,底角与底板锚注加固为关键”的全断面强化联合控制方案。结合支护方案特点提出实现内、外承载的“耦合叠加承载拱”结构。该耦合承载拱将支护体与围岩的相互作用和所提供的径向支护力相统一,对锚杆(索)支护阻力具有显著的放大作用。研究结果表明：围岩残余范围随硬化系数、软化系数、支护阻力及内聚力和内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大,而残余区、塑性软化区、塑性硬化区的边界发生渐进式扩展变换是导致围岩大规模破碎和锚杆(索)锚固失效根本原因。通过工程计算...     

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.     

深部巷道围岩热-固耦合条件下的变形破坏数值分析

为研究深部巷道围岩热-固耦合条件下的变形破坏特征,根据深部巷道围岩体稳态温度场模型,得出了热-固耦合条件下深部巷道围岩体应力场、位移场及塑性圈半径的解析解,总结了热应力作用下围岩变形破坏的影响因素。借助Comsol Multiphysics多物理场耦合仿真软件对深部巷道围岩进行热-固耦合数值模拟,并将岩石力学参数与温度的关系引入模拟计算,分析了热应力、支护阻力对围岩变形破坏的影响规律。仿真结果显示,围岩热应力场分布呈非线性变化,浅部应力梯度大,深部应力梯度小;当巷内温度低于原岩温度时,热应力为压应力;随原岩温度升高,径向卸压范围及切向应力集中范围扩大,围岩塑性圈宽度和径向位移值有所增大;随巷内支护阻力提高,围岩塑性圈宽度和径向位移值则有所减小。现场试验发现,巷道围岩热应力场、应力场及位移场计算结果与实测结果吻合较好。     

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.     

不同侧压系数下各向异性巷道围岩破坏模式研究

针对各向异性初始应力状态(不同的侧压力系数下)的岩体巷道开挖问题,利用复合材料的Hoffman强度准则考察各向异性对巷道周围应力、位移和塑性破坏区的影响.结果表明:巷道围岩的最大主应力与侧压系数无关,当θ=30°~60°时为最大,θ=0°,90°时为最小.随θ的增加,巷道围岩的水平位移增加,垂直位移减小.在各向异性岩体中强度较大的方向与最大应力方向一致时,破坏发生在此方向,塑性破坏区的范围为最大.     

深部软岩巷道围岩塑性区演化规律及其控制

针对深部软岩巷道大变形的问题,采用理论分析、数值模拟以及工程试验等手段从巷道围岩塑性区演化规律探讨围岩控制原理.研究发现:深部高地应力软岩巷道塑性区轴比与应力集中之间的恶性循环,造成巷道围岩非均匀大变形,这是导致巷道失稳的主要原因.控制巷道塑性区最大半径方向上的围岩变形,这是关键,提出了"强化最大破坏深度围岩强度,强力控制关键区域巷道表面变形,支护结构协同控制,支护-围岩协同变形"的"两强两协同"围岩控制原理.基于该原理,设计以"可缩性桁架锚索+锚杆(索)"为核心的深部软岩巷道围岩协同控制方案,经工程试验表明该方案可有效地改善巷道围岩的大变形.     

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.     

不同地应力特征下超大跨扁平地下洞室水平地震响应分析

超大跨扁平地下洞室建设难度大、力学作用复杂,其地震响应研究目前尚处于探索阶段。为揭示超大跨地下洞室地震响应机制,依托国内某超大跨扁平洞室工程,采用动力时程法进行不同侧压力系数的洞室塑性区、Mises应力及位移的水平向地震响应分析。结果表明：地震作用下,围岩塑性区及塑性应变最大值均显著增加;静水压力条件下,围岩静力及地震围岩塑性应变均为最小;侧压力系数λ<1时,洞室拱顶、底板中、拱脚及侧墙底部Mises应力均增加,且拱顶、底板中应力增长幅度小于拱脚及侧墙底部应力增长幅度;侧压力系数λ≥1时,水平向地震作用下洞室拱顶、底板中与静力工况相比应力基本无变化;随着侧压力系数的增加,洞室拱顶底板中水平相对位移逐渐减小,当侧压力系数λ≥1时,水平相对位移基本保持稳定。     

基于D-P条件等效的黏性土隧道开挖地层力学行为有限元分析

基于三轴试验应力?应变结果,获取了依托工程黏性土强度参数。通过德鲁克?普拉格条件（D-P条件）等效,实现了摩尔?库伦（M-C）黏性土材料的D-P准则模拟方法。采用“间隙约束法”模拟衬砌支护时机对地层力学行为的影响。通过数值计算讨论了黏性土盾构隧道地层参数以及施工特性对地层力学行为及支护反力的影响。研究发现：黏聚力、内摩擦角以及开挖洞径对围岩塑性区半径及支护反力的影响基本呈线性关系,随黏聚力和内摩擦角的增大,塑性区半径和支护反力明显减小,内摩擦角的影响显著于黏聚力。开挖洞径由6 m增大到14 m,塑性区半径增大约210 %,支护反力增大约230 %。土侧压力系数将显著影响开挖后塑性区形状、范围以及支护反力的分布。随着支护时间的延后,塑性区逐渐增大,支护反力逐渐减小,当释放的位移超过总位移的40 %时,两者增减幅度均有明显降低。就依托工程而言,当将地层含水率控制在8 %~15 %间,当地层收敛约为总位移的20 %时,可充分发挥地层自承能力从而降低支护反力。     

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。     

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。     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

缓倾斜厚煤层浅部回采区段煤柱留设宽度优化

以某煤矿缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱为对象.首先,利用数值模拟方法分析不同煤柱宽度下煤层回采时巷道围岩主应力、塑性区、支护结构应力及位移特征,评价巷道围岩稳定性,确定煤柱合理宽度范围.结果表明:煤柱宽度为3m时,区段煤柱莫尔应力圆与强度包络线相交、塑性区贯通、支护结构趋于破坏;宽度为6 m时,区段煤柱仅存30％弹性区、支护结构趋于破坏;宽度为9～12 m时,巷道围岩应力圆与强度包络线相离、处于弹性变形阶段、支护结构具有良好的承载力、围岩位移小,满足煤矿生产需求,为煤柱合理宽度范围.其次,通过工程实际验证.结果表明:煤柱宽度为9m时,能有效控制围岩变形破坏,煤炭生产效率与回收率最优化.可见缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱留设优化宽度为9m.     

不同地应力条件下巷道开挖的弹塑性分析

针对不同地应力条件下地下巷道工程开挖过程中围岩的弹塑性应力问题,利用有限元方法进行数值仿真研究.对于弹塑性地下岩体,研究初始应力场分别为只考虑重力应力场或考虑重力与构造应力场两种情况下,巷道开挖后其表面应力的变化规律.数值结果表明,对埋深较大的巷道,构造应力场是引起巷道顶底板变形的主要因素.此外研究侧压力系数对巷道围岩塑性区域的影响,发现侧压力系数小于1,塑性区主要出现在巷道两帮,且系数越小围岩塑性区范围越大.     

圆形巷道围岩破坏机制解析及静动耦合响应力学行为

非等压圆形巷道围岩塑性区相关问题是影响围岩破坏失稳的重要因素。首先,基于Mohr-Coulomb破坏准则,分析非等压圆形巷道围岩塑性区边界条件,探究侧压系数对塑性区形成的影响机制。此外,利用ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同侧压系数下的巷道围岩力学行为进行静动载荷耦合响应数值模拟。结果表明：侧压系数的增大显著改变围岩有效应力的分布特征。有效应力场的分布特性与塑性区边界理论解具有一定的吻合性。不同侧压系数的应力场作用时,巷道围岩的变形具有显著的差异性,随着侧压系数的增大,围岩发生较大的非均匀性变形。静动耦合作用下顶板和底板的围岩破坏区域显著增加,但两帮围岩的破坏面积有减小的趋势。     

加固顶板和两帮控制回采巷道底臌研究

回采巷道围岩是由顶板、两帮和底板共同组成的复合结构体,各部位的岩体强度、应力状态及变形破坏等特性方面的差异显著,尤其受采动影响后,巷道围岩各部位变形发展不均匀性显著,往往造成巷道围岩产生结构性失稳破坏。为提高巷道围岩的结构稳定性,通过理论分析和数值模拟分析了提高顶板和两帮强度对底板岩层稳定性的影响。研究结果表明:加固顶板减小了顶板挠曲位移量,同时可以促使围岩应力向深部围岩转移,降低了底板岩层的应力集中程度,有利于控制底板变形;加固两帮可以提高巷道两帮围岩强度,促使应力向两帮转移,有利于减小发生底鼓的底板岩层宽度和两帮移近量,从而减小底板的挠曲效应和压曲效应。分析结果还表明,加强两帮对于减小底鼓量的效果更为明显。在上述分析的基础上,进行了加固顶板和两帮控制巷道底鼓支护技术的现场工业性试验,试验结果表明加固顶板和两帮可有效地控制巷道底鼓。     

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。     

高应力软岩巷道支护有限差分法

针对鸡西市荣华煤矿东主运输巷道软岩支护问题,结合X射线衍射分析结果和巷道变形监测结果,采用有限差分法,分析荣华煤矿巷道在不同的支护形式下的应力场分布及塑性区体积,优化筛选出较为合理的支护方式.计算结果表明,采用预应力全锚索支护技术可以有效地将围岩应力转移到岩层深部,降低喷层单元的切向应力.锚索与周围岩体相互作用,起到"组合梁"与"组合拱"作用,使得围岩塑性区体积与巷道底板位移量明显减小.     

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。     

大变形软岩巷道2次耦合支护参数优化

山东省菏泽市彭庄煤矿西翼-500 m水平行人大巷属于典型中深部软岩巷道,由于支护对策不合理导致围岩变形破坏剧烈。为了得到围岩的变形规律及破坏机制,进行矿压监测、松动圈探测、围岩物理力学参数测试、地应力测试等研究,并提出2次耦合支护方案。为进一步研究2次耦合支护力学机制,对初次支护和2次支护后围岩塑性区与应力分布特点以及初次支护后10~60 d内进行2次支护围岩变形规律进行数值模拟分析。研究结果表明:2次耦合支护能有效控制围岩塑性区的发展,改善应力分布状态,最佳2次支护时间为巷道初次支护后的30~40d。2次耦合支护能有效控制围岩稳定,减小围岩变形,能为类似软岩巷道支护工程提供一定的参考。