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。     

金川矿区深部巷道围岩流固耦合稳定性数值模拟

 地下水渗流会影响巷道围岩力学性质,本文结合流固耦合基本原理,以金川二矿区深部巷道为例,采用MIDAS/GTS建立了金川二矿区1000m水平某巷道流固耦合模型,研究渗流对围岩应力场、围岩变形及开挖卸载影响。计算结果表明,渗流作用对巷道围岩竖向应力的影响大于水平应力,渗流也导致围岩最大、最小主应力比无水时偏大。渗流和无水状态下围岩变形空间分布具有相似性,渗流对巷道围岩水平位移影响相对较小,但对围岩竖向位移影响较大,其中巷道拱部竖向位移明显大于无水状态,渗流时拱部最大位移约为8.2mm,而无水时仅2.3mm左右。因此,渗流效应将导致巷道顶板稳定性变差。开挖卸载对渗流场的影响表明,开挖后巷道周边压力水头迅速降低,孔隙水压力最小降为零,且孔隙水压力也从水平层状分布变为沿巷道轮廓环形带状分布。     

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.     

深部巷道围岩变形破坏规律的数值模拟研究

巷道随开采深度的增加,其围岩变形会逐渐增大,特别是深部巷道.本文采用FLAC3D软件,分析深部巷道的掘进过程中围岩变形规律及应力分布.研究表明:巷道开挖后,顶板会产生了高达144 mm的下沉变形量,底部产生了将近15 mm拱起变形量,两帮偏移量高达208 mm;围岩应力会产生二次分布,其中顶底部会产生最大0.12 MP...     

巨厚煤层全煤巷道围岩体运移演化规律研究

针对巨厚煤层全煤巷道围岩体的物理力学性质差、赋存条件复杂、大变形、支护难等问题,采用数值差分软件FLAC3D,系统分析了巨厚煤层全煤巷道开挖后围岩体的三维运移演化规律及不同赋存条件对演化规律的影响。研究发现:开挖对巨厚煤层全煤巷道围岩及掘进面前方一定范围内都有扰动影响,且在巷道围岩深部三维方向上均存在应力集中区;得出巷道围岩在不同赋存条件下呈现底板位移量顶板位移量帮部位移量的运移规律及塑性区扩展范围和分布状态的演化规律,为巨厚煤层全煤巷道的支护和开采提供了理论依据和技术支持。     

任楼煤矿地应力场分布特征及其对巷道变形的影响

随开采深度向深部发展,任楼煤矿巷道变形严重,稳定性问题逐渐成为制约生产和安全的重要问题之一.文章采用空心包体应力解除法,对任楼煤矿进行了地应力测量.实测结果表明,任楼煤矿地应力以水平应力为主导,且水平应力大于铅直应力,并随深度的增加而增大;每个测点的应力状态与其所处的构造部位、岩体结构及岩性分布等有关.研究成果对矿井深部巷道支护及矿井灾害防治有重要的指导意义.     

深部软岩巷道围岩分区破裂模拟实验

为研究深部软岩巷道破坏特征和机理,采用与实际工程岩体结构相似的巷道围岩物理模型进行三维模拟试验,考虑了不同应力水平、岩性(软岩和硬岩)、岩体结构特征(节理及层理分布)以及支护形式等因素,通过对比分析在弱、强支护条件下围岩内部不同深度的应力状态和位移,归纳出巷道围岩分区破坏的原因和影响因素,同时提出了主应力方向的旋转对巷道围岩的破坏作用,初步认为深部巷道分区破裂主要是剪切和张拉破坏共同作用的结果,这对于探索软岩巷道变形破坏规律和指导支护技术具有重要意义.     

深部高应力巷道的非对称大变形

针对深部巷道尤其是倾斜岩层中的巷道围岩大变形问题,根据和分解有限变形力学理论,采用深部工程软岩大变形力学设计与分析系统(LDEAS)对旗山-1000 m 水平北翼轨道联络大巷的开挖过程进行了数值模拟.结果表明,倾斜岩层中巷道出现底板臌起、两帮缩进,顶板出现大面积的下沉;底板臌起、两帮缩进量的最大值和顶板的最大下沉量均随着巷道底板下岩层弹性模量的降低而呈增大的趋势.和分解增量法分析模型下巷道顶板的最大下沉量要小于两帮的最大收缩量,但是极分解增量法分析模型下巷道顶板的最大下沉量却大于两帮的最大收缩量.     

深部大倾角大断面软岩巷道快速掘进

复杂破碎围岩状态下大断面巷道开挖后,巷道围岩出现应力集中。受开采扰动的影响,岩体强度大大降低,围岩呈现不稳定变形破坏,如冒顶、片帮等,给煤矿安全生产带来极大威胁,深部大倾角大断面软岩巷道快速炮掘支护技术,解决了深部巷道过破碎带一些技术难题,实现了深部巷道安全优质高效掘进,合理科学的施工技术方案的实施,使巷道施工单进、工效提高到一个新水平,巷道掘进速度比原来提高了一倍,解决了矿井持续性生产的现实问题。     

大型地下洞室群变形实测与数值模拟

以某水电站大型地下洞室群开挖为例,建立了三维数值分析模型,研究了洞室群开挖后洞周围岩的变形特性并分析了锚索应力损失对周围岩体变形和应力状态的影响;通过模拟结果与实测结果进行对比,分析模拟方法的合理性和支护方案的可行性.结果表明,围岩水平位移在洞室边墙中部最大,竖向位移在洞室拱顶最大,在洞室交叉部变形也较为显著;模拟结果与实测结果较接近,能良好地反映洞室实际开挖的过程和围岩的变形规律;锚索预应力损失达到某一程度时会使围岩水平位移显著增大.     

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.     

深部硬岩二次应力状态下破裂的断裂力学分析

 为探索深部硬岩的开挖扰动对微裂纹延展破坏的影响关系,利用弹性力学与断裂力学相结合的理论分析方法,依据弹塑性力学的应力分解叠加等效原则和断裂力学的最大周向拉应力准则,求解出不同侧压力系数λ条件下深部巷道围岩的二次应力解析解,并推导出了极限状态下裂纹扩展长度的理论计算公式。通过建立岩石断裂力学参数模型分析发现,侧压系数λ对巷道破坏深度和周边应力场分布有着明显的影响。λ＞1时,边帮为裂纹延展破坏的主要区域,λ＜1时,顶底板为裂纹延展破坏的主要区域;在压剪应力方向一定时,裂纹延展深度与裂纹初始长度有关,与应力大小无关。     

对深部地下坑道围岩分区变形机理的探讨

为了解释在深地下矿井里观察到的疏松区与压缩区交替出现的分区现象,探讨深部巷道围岩分区变形机理,运用滑移破坏岩石强度理论,研究了深部岩体的应力-应变特征,揭示了岩体分区破碎化现象的力学原理,并得出以下几点结论:坑道围岩区域破碎成因受外部条件影响较小;深部岩体的应力-应变状态决定其变形与破坏;高地应力转移所造成的劈裂效应导致岩体破碎分区化;应力场的传递和转移受深部岩体的开挖形状和力学性质等影响,地应力的加大和集中,产生了性质不同的变形破坏区域.     

基于岩体时间效应的深部变间距骑跨采巷道稳定性模拟

针对深部变间距骑跨采中工作面与底板巷道的不同空间位置关系,采用FLAC3D软件对考虑岩体时间效应时巷道垂向压力的影响范围、位移变化形态及塑性破坏程度进行了分析。研究结果表明,层间距对巷道顶底板及两帮相对移近量影响明显,且层间距对巷道两帮相对移近量的影响更大,同时层间距越大受动压的影响越弱,围岩收敛变形越小、底鼓量越小;围岩位移变化受岩体时间效应的影响程度随着煤层间距的增加而弱化;不同煤间距条件下,不同时间区间,其岩体的时间效应影响程度也存在差异。     

高路堤大管径钢波纹管变形特性研究

为研究高路堤大管径钢波纹管的变形特性,采用环向抗弯刚度等效的方法,运用有限元软件ABAQUS模拟不同填土高度下不同管径钢波纹管的整体变形情况。结果表明:钢波纹管各横断面变形量随着断面与管口距离增大先呈线性增大变化,管径越大,变化速率越大,最后趋近于水平变化,水平变化段起始位置大致位于路肩处;当填土高度一定时,钢波纹管最大竖向变形量和最大水平向变形量受整体变形的影响而增大的部分约为6%,不会随着管径的增大而产生明显的变化。当管径一定时,钢波纹管最大竖向和最大水平向变形量与填土高度成正比例关系,钢波纹管最大竖向变形量和最大水平向变形量受整体变形的影响随着填土高度的增加而增大。     

高应力硬岩开挖扰动的能量耗散规律

基于离散元PFC 2D软件建立的深部岩体模型,根据巷道围岩的可释放应变能、岩石耗散能以及岩石颗粒总动能的能量,描述深部硬岩的能量耗散和释放规律,揭示深部能量演化机制。研究结果表明:所建立岩体离散元模型及微观参数能有效反映深部开挖应变能释放规律;当侧压系数λ=2.1时,高地应力作用下巷道围岩的破裂形式以集中于巷道顶底板位置的拉伸破裂为主,破裂区域随采深增加而增加,破裂面积以圆形断面最小;开挖卸载后的能量演化是一个动态调整的过程,巷道附近围岩的应变能积累较动能释放有约2.5 ms的滞后;开挖后岩体后续应变能的积累量远大于巷道围岩总释放动能与总耗散能之和,约为两者之和的10倍,这也是开挖扰动容易引起围岩破裂的重要原因之一;岩体的总耗散能主要用于岩体颗粒间裂纹的萌生、扩展及贯通,裂纹总数和岩体总耗散能表现出极好的线性相关关系。     

岩体诱导冒落的数值模拟

采用RFPA分析软件,针对不同回采深度、不同节理分布,并考虑彼此综合作用,模拟了采场顶板的冒落过程.结果表明,采场顶板冒落轨迹近似拱形抛物线,冒落高度大约为开挖推进跨度的40%~60%.通过对比分析,得到以下结论:侧压力越大,开挖步距越大,则冒落高度越小;深埋高应力岩体冒落区形状由抛物线渐变为层状;水平节理岩体的冒落形状由抛物线形渐变成马鞍形;竖向节理冒落呈尖塔形.研究对实现低成本高效率开采、消除地下安全隐患、科学诱导采空区冒落具有理论和工程价值.     

软土基坑分步开挖卸荷时效及其对邻侧隧道影响

为研究软土地层中基坑开挖卸荷时效及其对邻侧隧道影响,设计并实施了相似比为1:20的物理模型试验,得到了基坑围护结构变形、地表沉降、坑底隆起、隧道竖向变形、隧道水平变形以及隧道断面收敛变形等数据。研究结果表明：基坑开挖引起的围护结构最大侧向变形为0.61%H(H为基坑深度),大于上海软土地区地铁车站基坑围护结构最大值的上限0.50%H;分步开挖过程中的墙体侧向变形和地表沉降具有明显的时间效应,卸荷时效对基坑变形的影响随开挖深度增加而增强;基坑开挖引起隧道变形以朝向坑内的水平变形为主,同时伴随少量朝上的竖向变形;隧道侧向变形与相同深度处围护结构侧向变形大致呈线性关系,据此可预估后续开挖引起的隧道侧向变形;基坑开挖引起邻近隧道产生径向收敛变形,隧道断面呈“横向伸长、竖向压缩”的特点,横向收敛约为竖向收敛变形的1.7倍;当隧道与基坑开挖面的竖向净距在0.2H～0.5H时,基坑开挖卸荷引起的隧道变形响应十分敏感,隧道竖向变形随坑底隆起增加而显著增加。     

复合采动下边坡岩体滑移规律及其数值分析

在数值分析与实际变形分析的基础上,探讨复合开采影响下岩体内部的应力变化特点,由于在地下与露天复合开有作用下,岩体变形的叠加作用与变化特征取决于２种采矿的各自开挖量;当边坡角较小时,岩体变形更多地表现地下采动特性,而在相同地下采动影响下,随着露天边坡角增大,其相应的变形范围和变形深度均增大：２种开挖量大小直接影响各单元体主应力矢量大小和方向,并且其中每个开挖量的变化都将使岩体产生不同的破坏特点和９骨     

缓倾斜岩层软岩巷道破坏过程分析

为研究深部矿井层状岩体破坏机制,进行了平面巷道的物理模型实验。本次实验以徐州旗山矿-1 000 m轨道联络大巷的地质资料为背景,通过对应不同深度的地应力加载,分析模型的受力变形特征。结果表明对缓倾斜岩层巷道,其结构的非对称性表现为破坏的非对称性,为研究处在层状岩体地质条件下的地下硐室工程的围岩稳定性和支护方案提供参考依据。