深部岩巷围岩顶板力学特征分析及其稳定性测试研究

深部岩巷底鼓严重,巷道修护加固任务量大,本文通过取芯力学参数测试获得深部岩巷顶板的力学参数,通过钻孔窥视分析岩巷围岩顶板的稳定性,为后续的数值计算、理论分析提供可靠地基础数据。     

大同煤业股份有限公司燕子山矿8#层围岩及支护参数优化

大同煤业股份有限公司燕子山矿巷道顶板稳定性较好,北翼回风大巷、轨道大巷以及运输大巷顶板是石灰岩,底板是细砂岩,两帮全部为煤层。为了合理评价燕子山矿巷道顶板的稳定性,本项目计划采用现场调研、围岩物理力学性质试验分析、理论分析和数值模拟计算等综合研究方法,来进行燕子山矿巷道顶板稳定性分级,据此来优化燕子山矿巷道支护参数。巷道围岩分类及巷道支护参数优化项目研究工作,是通过北翼回风大巷8#煤围岩微观分析、力学性能试验、北翼回风大巷巷道支护参数的优化设计研究等工作。项目主要研究内容包括:巷道围岩物理力学参数测试与分析、巷道围岩顶板稳定性分级、巷道支护设计理论研究、巷道支护参数的优化设计。总之,本项目以矿山岩石力学、弹性力学等理论为指导,结合理论分析、现场调研、常规力学试验和数值模拟等方法,进行燕子山矿8#煤层巷道围岩稳定性分级及巷道支护参数优化设计。     

大跨度岩体隧道工程块体滑落的概率分析

介绍了块体理论,在沈阳至大连高速公路韩家岭隧道工程岩体结构面的观测和调研的基础上,引入概率理论对被节理切割的岩体中关键块进行了分析,推导了概率分析模型,从而使原来的一些关键块体转化为稳定块体,使滑落块体的数量更接近实际工程,并应用于韩家岭隧道工程稳定性分析中·初步结果表明,块体理论适用于像韩家岭大跨度隧道工程等局部围岩稳定性分析问题,大跨度岩体工程的稳定性主要取决于结构面的产状和物理力学性质,以及临空面的几何形态,提出的概率分析理论符合工程实际·     

隧道工程可靠性基本要素统计分析与建议

通过收集与整理203篇隧道工程科研论文和工程案例,对隧道围岩力学参数、荷载参数和支护构件参数的变异系数和概率分布类型以及功能函数设计表达式进行统计分析,结合各行业隧道设计规范的发展现状,从计算变量与功能函数层面指出了当前隧道工程可靠性分析中存在的不足之处,并提出了具体的对策建议.结果表明:支护构件参数的变异性整体小于围岩力学参数和围岩荷载参数、稳定性条件差的围岩变异性大于稳定性条件好的围岩、支护构件几何参数变异性高于材料参数变异性;整理出4种隧道结构可靠性分析功能函数设计表达式,荷载-结构模式下的功能函数主要为结构强度准则,地层结构模式条件下的功能函数则兼有强度准则与变形准则;得出隧道力学参数变异系数的参考值区间及建议概率分布类型,可指导因地勘工作无法进行或者不够全面的条件下隧道工程可靠性分析中的参数取值.     

基于最小安全系数法对隧道围岩稳定性分析

隧道围岩稳定性一直是隧道施工控制的重点,本文采用最小安全系数法对隧道围岩稳定性计算进行了研究.基于随机场理论,考虑第二主应力对隧道围岩稳定性影响,结合最小安全系数法,分析隧道围岩稳定;隧道围岩存在不连续面,其参数存在变异,假设围岩的粘聚力和摩擦角服从正态分布,以参数的均值、方差和空间相关性表征,分析了隧道围岩在变异力学参数下的稳定情况.结果表明:隧道的最小安全系数在内摩擦角发生变化时,其失效概率也是变化的,即围岩稳定性是发生变化的.     

基于区间分析的岩土结构非概率可靠性分析

根据岩土参数的区间性特点,引入区间分析方法,把岩土力学参数以及由此得到的响应量当作区间变量,建立基于区间分析的岩土结构稳定非概率可靠性分析模型.针对区间四则运算方法当输入变量的个数较多或输入变量的区间较宽时,常常会过宽地估算响应量变化区间,引入改进区间截断法对其进行求解,解决了区间运算结果扩张问题,在此基础上采用优化法解决了非概率可靠性指标的求解.将该方法应用于工程实例,分析结果表明了该方法的可行性.     

边坡稳定性分析的区间极限平衡法

边坡工程具有大量不确定性因素,需要采用不确定性方法对其进行分析。通过对边坡稳定分析中不确定性因素的分析,提出了一种使用区间理论来计算边坡工程稳定性的新方法。这种方法可以考虑稳定分析中所涉及到的计算力学参数的不确定性。把区间数学和极限平衡法相结合,建立了区间极限平衡方法,推导了区间安全系数的计算公式。实例研究表明,边坡稳定性区间分析方法是一种更合理的边坡稳定性评价方法。     

基于峰后特征的深部隧道围岩分层断裂数值分析

为了揭示深部隧道工程围岩的分层断裂机理而展开数值实验研究.分析了深部地层岩体历史及赋存环境,认为深部岩体在力学上处于峰后阶段,根据岩石峰后应力-应变特征选定了围岩的峰后特征指标及其开挖响应方程.建立了数值实验模型,设计了开挖数值模拟的围岩响应监控方案.完成了大量的开挖数值模拟,实现了深部围岩分层断裂现象在数值模拟中的重现.基于实验中围岩应力、变形分布的全程监测结果,在确定围岩分层断裂产生条件的基础上,进一步研究得到了围岩分层断裂层数、分层断裂圈半径、最大峰值应力等参数与峰后特征指标的关系.根据地下结构开挖围岩应力重分布及岩石力学破裂机理,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制.所得数值模拟结果,为深部工程围岩的分层断裂提供了验证依据,消解了长期以来数值模拟中没有观察到分层断裂现象的困惑.     

基于一次二阶矩理论中心点法的深部软岩巷道稳定性分析

针对深部煤矿软岩巷道稳定性控制问题,利用数理统计和概率论的方法,以支护抗力和围岩荷载为变量,建立了可靠性极限状态方程,并采用一次二阶矩理论中心点法计算出支护失效概率指标,对支护后的软岩巷道围岩稳定性进行了可靠性预测,分析了巷道支护稳定性,并借助数值模拟,进一步验证了该方法的可行性.从现场施工至今,巷道围岩没有出现较大变形,生产情况良好,说明该法计算出的较小失效概率在工程允许范围内,完全符合预测要求.     

岩体力学参数灵敏度分析的正交有限元法

根据冬瓜山深部硬岩开采岩石力学的前期实验研究结果,建立了弹塑性力学本构模型;采用正交实验方法设计计算方案,对影响围岩稳定性的内在物理力学参数(弹性模量E、泊松比μ、粘结力C、密度ρ以及内摩擦角ψ)的灵敏度进行了有限元数值模拟分析.根据位移计算结果的正交统计分析,得出各参数对采场围岩稳定影响程度的大小.研究结果表明:弹性模量E的变化对采场稳定性的影响最明显,其次为泊松比μ,而内摩擦角ψ与密度ρ的变化对采场稳定性的影响不明显;此外,E越大,岩体位移越小,μ和C与岩体位移的关系也具有相同的变化规律.     

区间模型下旋耕机刀轴的非概率可靠性分析

根据区间模型描述旋耕机刀轴的不确定参数,采用非概率可靠性理论对刀轴进行可靠性分析,以解决随机可靠性和模糊可靠性分析中对原始数据依赖性高的问题.结合非概率可靠性的原始定义,提出以结构失效域的上限与波动域的下限之间的最短距离对非概率可靠性进行度量.通过对刀轴2种设计方案的分析,证明该方法与非概率可靠性的原始定义分析结果的一致性.     

基于元胞自动机的深部采矿岩体变形的演化模型

根据深部采矿岩体变形的离散性特征,运用元胞自动机建模方法构建深部采矿岩体的变形演化模型;利用元胞岩石的状态变化概率和元胞状态变化的影响系数,实现深部采矿岩体的动力学模拟.在演化模型的基础上,进行了模拟实验,且运用R/S分析法对结果进行分析,得到了以离散度作为岩体稳定性的标准.     

急斜煤层EDZ围岩动态演化规律2D—BLOCK数值追踪模拟

急斜特厚煤层高阶段综放开采中,开采扰动区(Excavation-Disturbed-Zone,EDZ)内顶煤及采空区围岩结构动态演化规律预计是安全开采的关键保障F技术之一。对苇湖梁煤矿 579E2EB1 2急倾斜煤层(64°)高阶段(52m)综放面开采中采空区顶板坍塌现象综合认识,采用2D-BLOCK精细数值模拟程序,建立了相应的离散元数值分析模型,进行动态数值追踪模拟计算,揭示了复杂环境下急斜厚煤层开采形成的采空区坍塌规律,为现场安全开采提供了科学依据。     

隧道围岩稳定性及其支护作用分析

针对隧道设计中的围岩力学特性及其荷载效应、"支护-围岩"动态作用特点及支护结构体系的协同作用原理3个基本问题进行研究.首先基于对大量山岭隧道围岩变形监测结果的统计分析,指出围岩变形规律和基本特点,以隧道掌子面围岩变形加剧点、初期支护施作和围岩变形稳定作为3个关键节点对"支护-围岩"力学演化过程的作用特点进行分析.提出了"浅层围岩"与"深层围岩"组成复合围岩结构的新理念,对围岩失稳的动态特征进行阐述,并通过计算分析指出了隧道围岩失稳模式、失稳机理和失稳范围的确定方法.基于围岩失稳模式推导作用于支护结构的围岩荷载计算公式,它包括由浅层围岩确定的"给定荷载"和深层围岩传递的"形变荷载"两部分.建立支护结构体系的协同作用力学分析模型,分析了弹塑性条件下影响塑性区变化的关键因素,揭示了初步加固圈层与后续支护圈层的协同作用原理.研究结论对实现隧道工程的动态化、定量化设计和施工具有重要的指导意义.     

王洼矿区软岩回采巷道破坏机理分析

在现场调查的基础上,对巷道的表面变形和深部围岩变形规律进行了监测,分析了王洼矿区软岩回采巷道围岩变形与破坏机理。监测表明:煤层开采深度较大,围岩变形情况复杂,因现有的锚网支护条件下围岩不能保持平衡,难进入稳定状态,满足不了该条件下的围岩变形,采用锚棚联合支护后最终进入稳定。原支护主要是没有考虑到软岩全煤巷道裂隙发育,锚固长度对锚固支护的有效性差的特点,采用锚棚联合支护或加长锚固能够有效控制巷道的变形和破坏。     

基于区间有限元的吊梁非概率可靠性研究及敏感性分析

为了满足吊梁可靠性设计的要求,需要考虑设计参数的不确定性对结构响应的影响.首先结合区间有限元法,对吊梁的不确定性用区间进行描述,建立有限元控制方程,针对控制方程中系数存在不确定性,利用－阶泰勒展开法对其进行求解,获得结构响应区间:其次,分析吊梁的可靠性验算,建立不同失效模式下的极限状态函数,基于非概率可靠性计算方法,得到吊梁的非概率可靠性指标:最后,对区间敏感因子进行定义,分析设计参数在区间内变化对结构响应的敏感程度,通过实例验证.研究结果表明:本文方法的合理性与可行性,并具有一定的工程参考价值.     

Comprehensive evaluation of high-steep slope stability and optimal high-steep slope design by 3D physical modeling

High-steep slope stability and its optimal excavation design in Shuichang open pit iron mine were analyzed based on a large 3D physical simulation technique. An optimal excavation scheme with a relatively steeper slope angle was successfully implemented at the northwest wall between Nos. 4 and 5 exploration lines of Shuichang Iron Mine, taking into account the 3D scale effect. The physico-mechanical properties of rock materials were obtained by laboratory tests conducted on sample cores from exploration drilling directly from the iron mine. A porous rock-like composite material was formed for the model, and the mechanical parameters of the material were assessed experimentally; specifically, the effect of water on the sample was quantitatively determined. We adopted an experimental setup using stiff modular applied static loading to carry out a visual excavation of the slope at a random depth. The setup was equipped with acoustic emission (AE) sensors, and the experiments were monitored by crack optical acquirement, ground penetrating radar, and close-field photogrammetry to investigate the mechanisms of rock-mass destabilization in the high-steep slope. For the complex study area, the model results indicated a clear correlation between the model's destabilization resulting from slope excavation and the collected monitoring information. During the model simulation, the overall angle of the slope increased by 1-6 degrees in different sections. Dramatically, the modeled excavation scheme saved over 80 million tons of rock from extraction, generating enormous economic and ecological benefits.     

基于GCRN的矿岩可爆性分级模型及其应用

为了准确反映岩体可爆性等级,构建了由弹性波阻抗、坚固性系数、平均裂隙距和标准爆破漏斗炸药单耗4个因素组成的评价体系,采用改进的灰色关联分析法对传统的岩体可爆性等级划分标准进行优化。利用灰色关联相对贴近度(GCRN)来反映各可爆性等级之间的差别,确定各可爆性等级对应的灰色关联相对贴近度区间,以此划分新的岩体可爆性等级。采用基于GCRN的矿岩可爆性分级模型对武钢资源集团公司程潮矿业有限公司东、西区矿体的可爆性级别进行评价,评价结果与实际情况基本一致,表明利用灰色关联相对贴近度来划分矿岩可爆性等级的方法是可行的。     

深埋隧道围岩滑移面验证及稳定性分析

为了采用安全系数分析深埋圆形盾构隧道稳定性,以隧道围岩弹塑性区域的应力分布为基础,采用变分方法验证围岩滑移面的分布形态.将围岩简化为理想弹塑性材料,结合弹塑性区域应变分布获得围岩极限塑性半径.基于Mohr-Coulomb准则,选取隧道安全系数为极限塑性半径内沿隧道滑移面围岩的抗剪强度与剪切力之比,获得以安全系数为隧道稳定性指标的分析方法.通过算例分析得出极限应变与屈服应变比值、围岩力学参数和支护参数与隧道相对塑性半径和安全系数的关系.研究结果表明:增加围岩内聚力、内摩擦角及支护压力能有效抑制隧道塑性区半径发展与提高隧道安全系数;围岩变形协调能力越好,整体越稳定.