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。     

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...     

软岩巷道耦合支护最优化设计粘弹性分析

在地下岩体工程中,无论是软岩还是硬岩,只要岩体受力后的应力水平达到或超过该岩体的流变下限,都将随着时间的增长而发生流变变形。针对深部矿井开采中的巷道支护问题,根据粘弹性理论,在考虑开挖面空间效应的基础上,建立巷道围岩与支护体的耦合作用模型;在此基础上,根据非线性最优化设计原理,建立巷道耦合支护的最优化设计模型。通过算例分析了支护时间、支护体厚度等因素对巷道围岩和支护体稳定性的影响以及对支护设计方案的影响。结果表明,巷道围岩的稳定性与支护时间、支护体厚度等因素密切相关。巷道位移随着支护时间的增大以及支护体厚度的减小而增大;支护体受力随着支护时间的增大以及支护体厚度的增大而减小。当支护体不发生破坏且巷道位移小于某一临界值时,支护体厚度随着支护时间的增大而先减小后增大。     

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。     

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。     

基于渗流作用被锚巷道弹塑性分析

为研究渗流作用下全长黏结锚杆支护巷道围岩应力与位移分布,通过将巷道围岩视为均匀、连续的多孔介质,锚杆对围岩的支护反力与渗流作用力转化为圆形巷道轴对称径向体积力并同时作用于应力场,考虑锚杆对围岩参数的强化,建立力学模型,采用弹塑性分析方法,推导了围岩应力与位移弹性解析解和基于Mohr-Coulomb屈服准则的塑性解析解,求得巷道围岩塑性区半径和洞壁位移表达式,在此基础上可对理解渗流作用下锚杆支护巷道进行分析判断。结果表明:本文计算的理论解与FLAC~(3D)数值模拟结果相近,从而验证了本文理论的合理性;通过算例,考虑渗流作用对塑性区范围和洞壁位移影响更严重;锚杆长度和预紧力与塑性区范围和洞壁位移成反相关关系,锚杆排距与塑性区范围和洞壁位移成正相关关系。锚杆支护参数对支护效果更敏感。在相同的条件下,考虑渗流需要锚杆提供更大的锚固力。为避免渗流作用引起巷道失稳,可合理增大锚杆长度,缩小锚杆排距,增大锚杆预紧力。     

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。     

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...     

粘塑性软岩支护方法讨论

本文根据现场实测位移-时间曲线,建立一种新的围岩粘塑性流变模型。该模型由二个虎克体,一个牛顿体和一个塑性体组成。常见的Poynting-Thomson体仅是它的一个特例。利用该模型的物态方程解出了静水压力下圆形巷道的支护反力和巷道周边位移。指出了粘塑性软岩地压的基本特征和支护方法。     

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.     

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.     

锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学计算与应用

从弹塑性力学计算出发，用锚杆两端对围岩体内锚固区施加的两组夹紧力来考虑锚杆支护对巷道围岩应力状态改变的影响；而描述锚固围岩体力学性质的粘结力和内摩擦角并未改变，建立了锚杆支护对围岩稳定作用的弹塑性力学模型。通过计算，得到了不同锚杆支护强度和锚固区半径下的围岩应力及塑性区半径的理论计算公式；分析了锚杆支护巷道的围岩应力分布及塑性区变化趋势。并在井下巷道的锚杆支护参数选定中进行了实际应用，锚杆支护弹塑性力学计算的解析解在理论上为锚杆麦护的董化设计提供了依据．     

基于广义Hoek-Brown屈服准则的圆形巷道围岩弹塑性力学分析

考虑不同巷道埋深对支护压力的影响,采用广义Hoek-Brown屈服准则对圆形巷道围岩进行弹塑性力学分析。利用在弹塑交界处应力连续的条件及巷道周边的应力边界条件,得到了塑性区的应力和巷道的支护压力与原岩应力之间的解析式。研究表明:塑性区的应力和巷道的支护压力不仅与本身的力学特性有关,而且还与原岩应力有关;并针对质量较差的软岩,分析了在不同支护压力条件下巷道所能承受的最大原岩应力及其所对应的最大的埋深。分析结果表明:支护压力与原岩应力及其所对应的巷道埋深存在明显的线性关系。     

富水巷道流固耦合效应FLAC-3D模拟

为探索富水岩层中开挖拱形巷道的稳定性问题,基于流固耦合分析理论,运用FLAC-3D中的等效连续介质渗流模型及FISH语言实现了巷道开挖后流固耦合效应的模拟,探讨了渗流场及场内流动矢量的分布特征,针对围岩塑性区、应力场及变形规律与非流固耦合进行对比分析.在流固耦合模式下,研究了开挖步长对孔隙水压力和竖向位移的影响规律.结果表明:流固耦合模式下,巷道围岩中形成了一个类似降水漏斗的形状,在巷道拱脚处流动矢量分布密集而且数值较大,随着开挖步长的增大,巷道拱顶孔隙水压力及竖向位移则有所减小.与非流固耦合相比,围岩塑性区范围和剪切带尺寸均有所增大,竖向总应力相对增大了10%.     

软岩开挖卸荷变形及支护效果的数值模拟

金川Ⅱ矿区岩体属于高应力软岩,文章研究了深部软岩巷道开挖卸载过程中围岩变形及支护效果等问题,通过建立3D有限元模型对巷道开挖进行动态模拟,并对巷道不同支护情形下的围岩变形进行对比分析。结果表明:巷道开挖卸载引起周围岩体应力释放,致使围岩向巷道径向挤压,产生的最大位移达到13.1cm,影响巷道的安全使用;采用U型钢+底部反拱共同支护后,对巷道两帮及顶板的支护效果比较明显,巷道两帮围岩的水平位移减少6.1cm,顶板围岩的沉降范围减少,且围岩应力释放速度减缓,但对巷道底板围岩的支护未达到要求,底板隆起值增加1.5cm;采用全断面喷锚支护后,巷道顶、底板处围岩的竖向位移显著减小,同时巷道两帮围岩水平位移也相应减小,但围岩应力释放的速度加快。     

深井岩巷破坏机理与支护优化研究

岩巷的稳定性评价与支护设计对深井岩巷掘进和维护十分重要。为了开展深埋煤矿岩石巷道围岩稳定性分析和锚网支护参数优化分析,以文家坡煤矿深埋一号辅助运输大巷为工程背景,采用多种监测手段完成了岩巷变形特征的实测分析,然后运用数值模拟的方式从巷道围岩塑性区发展规律和围岩应力变化特性两方面分析了巷道围岩变形破坏机理,最后根据现场监测和模拟结果优化了该巷道的支护方案,并进行了模拟验证。结果表明:随着巷道不断地向前掘进,巷道两帮围岩塑性区厚度先增大直到逐渐稳定,自重引起的水平应力使巷帮向巷道内收敛,顶板产生剪切破坏,两帮产生劈裂破坏;原支护方案作用下巷道围岩变形量非常小,锚杆(索)支护方案过于保守。将帮部锚杆长度由2.7 m优化到2.3 m后,在其他支护参数保持不变的情况下支护可以满足巷道稳定性的要求。     

浅埋大采高工作面区段煤柱下合理留设宽度模拟研究

本文利用FLAC3D数值模拟软件通过建立模型对不同宽度煤柱下巷道围岩垂直应力、变形及破坏规律进行了研究分析。研究认为:随着煤柱宽度的增大,煤柱应力集中范围越来越小,应力集中系数越来越小,逐渐呈现均匀承载现象,同时巷道围岩位移量、煤柱塑性区、巷道围岩塑性区范围也逐渐减小。随着煤柱宽度的增大,煤柱弹性区域范围越大,煤柱越稳定,回采巷道越安全,考虑到煤柱过宽会造成资源的浪费,最终确定合理的区段煤柱尺寸在14~16 m之间。     

考虑应力路径的深埋高地温隧洞黏弹-塑性围岩解析解

高地温深埋水工隧洞黏弹—塑性岩体中,由于高温环境的影响和隧洞降温等,致使围岩产生一定的温度应力。因此研究高地温隧洞围岩解析解时必须研究温度应力对围岩塑性区以及应力应变的影响。基于广义Kelvin模型与Bingham模型组成的高地温深埋水工隧洞黏弹塑性围岩力学模型,并在考虑应力路径对围岩与支护的影响下,结合高地温环境中温度应力对围岩与衬砌的影响,进而推导高地温环境热力耦合作用下围岩应力、应变、洞壁位移以及围岩塑性区半径的解析解。基于新疆某高地温水工隧洞工程进行分析与计算,对温度、围岩应力应变及塑性区半径的关系展开理论计算与分析。结果表明,考虑温度应力后计算得到的围岩位移更小。当隧洞内温度变化到达一定量时,所产生的温度应力可能会对围岩与衬砌相互作用的稳定性产生影响。