断面形状对巷道围岩稳定性影响的数值模拟分析

利用数值计算方法,研究了断面形状对巷道围岩稳定性的影响。结果表明:断面形状对巷道围岩的稳定性有较大影响。圆弧拱巷道围岩稳定性要远大于矩形巷道。采用矢跨比为0.2的圆弧拱巷道代替矩形巷道,可显著改善巷道围岩应力状况,减小巷道围岩变形量,减少围岩塑性屈服区域,加强巷道围岩的稳定性。     

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。     

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。     

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.     

深部巷道围岩瞬态温度-热应力的耦合作用

为了研究深部巷道温度场与应力场的耦合作用,采用理论推导得到圆形巷道围岩瞬态热-弹性耦合解析解,分析了巷道围岩温度场和热应力的分布规律,并通过数值模拟和现场观测研究了热应力对巷道围岩稳定性的影响。研究表明:围岩温度分布呈非线性变化,表层温度梯度大,围岩深处温度梯度小;随通风时间延长,围岩温度逐渐降低,冷却圈不断增大,温度梯度逐渐减小,温度分布曲线趋于平缓;通风能够改变围岩应力状态,切向热应力在围岩表层表现为较大的拉应力,而在深处表现为较小的压应力;径向热应力为拉应力,热应力加剧了巷道围岩顶底板塑性区扩展的深度。     

冲击载荷作用下巷道支护围岩体系动力响应

为提高深部巷道支护围岩体系的安全性,应用FLAC3D软件分析了井下巷道在冲击载荷作用下的速度响应和应力、位移演化规律,以及冲击波在支护围岩体系中的传播及衰减规律.结果表明:冲击波作用下,巷道两边帮最大水平速度达1.6m/s,U型钢支护使巷道整体支撑能力增强,同时减小了巷道变形.通过数值计算研究冲击载荷对巷道稳定性的影响,有助于进一步认识冲击载荷对深部巷道支护围岩体系作用机理.     

深井穿断层回采巷道围岩变形机理与 稳定控制对策

以海石湾矿穿断层的回采巷道围岩控制为工程背景,综合运用理论计算、数值计算和现场监测的方法研究深井穿断层回采巷道围岩控制技术与对策.不同埋深条件下数值计算结果表明:深井穿断层回采巷道顶板下沉量明显大于底鼓量,近断层巷帮变形量明显大于远断层巷帮变形,巷道变形呈现明显的非对称性特点;巷道埋深增加,浅部围岩承载能力迅速减小,尤其是近断层侧;无论掘进时期还是回采时期,深井巷道围岩破碎区和塑性区范围较浅埋深巷道增大.针对性地提出了围岩稳定控制技术方案,即"工字钢架棚支护+围岩滞后注浆加固技术+锚杆二次支护"分步联合支护的围岩稳定控制技术.巷道支护效果分析表明:围岩整体稳定已基本得到控制.     

巷道断面形状对围岩稳定性的影响数值分析

为探讨巷道断面形状对围岩稳定性的影响,本文结合丁集煤矿实际情况,采用FLAC软件对矩形、直墙半圆拱、圆形三种断面形状与围岩塑性区、应力场分布之间的关系进行了模拟。结果表明:不同形状巷道围岩塑性区几乎一致;矩形巷道顶部出现了较大的拉应力顶部采用拱形后拉应力区显著减小。     

深部复杂条件下锚索注浆支护技术应用

为解决开滦矿区深部矿压显现明显,巷道围岩变形量大、破坏性强、返修率高的问题,吕家坨矿-950二采区6272切眼掘进及扩面过程中,改变常规支护方式,使用注浆锚索锚网联合支护方法,通过中空锚索注浆加固围岩,将松散破碎的围岩胶结成整体,提高了岩体的内聚力、内摩擦角及弹性模量,从而提高了岩体强度及自承能力,有效控制了巷道围岩变形,巷道围岩移进量减小50%左右,节约巷道支护成本。     

深部倾斜岩层巷道变形特征模拟与控制技术

对深部倾斜岩层巷道存在的变形不对称和采用对称支护方式不能有效控制围岩变形的问题,在巷道围岩受力分析的基础上,结合曲江煤矿工程实践运用离散有限元模拟软件UDEC建立深部倾斜岩层巷道受力模型,对模型进行掘巷后不支护和采用传统方式支护的数值模拟.根据现场变形和模拟结果,提出采用非对称强化支护结合全断面锚索支护扩大围岩应力承载圈来保证巷道稳定,并对改进后支护方案进行数值模拟,数值模拟和现场工程实践均表明改进后支护方案能够有效地减小巷道围岩变形.     

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。     

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。     

低应力软岩复合顶板大变形煤巷支护技术

 低应力软岩复合顶板煤巷,虽然埋深较浅,围岩自重应力水平不高,但因顶底板岩层岩性及结构的特殊性,巷道围岩具有软岩的特性。以黑沟煤业有限公司主采4-2煤层回采巷道为工程背景,对该地质条件下巷道支护技术进行研究,结果表示,锚杆支护产生的夹持作用可提高巷道浅部围岩完整程度及深部围岩承载能力,缩小浅部围岩的破坏范围;锚索支护能够提高深部围岩与浅部围岩的整体性,减缓围岩的整体沉降运动趋势;金属网与钢带可加强对表面围岩的约束作用,限制破坏区向深部发展和表面围岩的冒落变形,减小顶板岩层的变形;底角锚杆能够促使应力峰值向深部的转移,减轻垂直应力向水平应力的转化程度,控制巷道底臌变形。上述支护方式的综合运用,可实现复合软岩大变形煤巷的有效支护。     

平顶巷道锚杆支护机理的数值模拟

以现有锚杆支护理论为基础,利用ANSYS软件,通过模拟锚杆支护对顶板离层的影响和锚杆支护对巷道周边围岩强度影响,揭示了巷道锚杆支护作用的力学机理,得出锚杆支护可以有效地减小和限制直接顶的下沉和离层并能够阻止巷道周边围岩的变形,并使得锚固体的弹性模量有较大的提高,从而提高巷道周边的围岩强度,达到支护的目的.研究结果进一步验证了现有锚杆支护的部分理论,并且对锚杆支护工程提供了重要的理论依据.     

中厚煤层回采巷道变形机理及其力学模型建立

为了能够准确揭示回采巷道矿压显现规律及其稳定性特征,并对其进行有效控制,运用关键层理论和流变力学对回采巷道围岩结构进行了分类,建立了反映巷道整体结构特征的两种基本顶断裂力学模型和相应的力学本构模型,建立了"应力比"概念和回采巷道随时间推移变形的理论依据,得出了围岩结构优化理论途径.结论表明:然后通过变形元件组合模型来模拟材料的变形特性是完全可行的,应力比γ≥1时,围岩应变随时间推移而增大;γ<1时,围岩应变增长率随时间推移而减小,增大σmax,即优化巷道围岩结构可降低应力比影响程度.     

强采动巷道断顶卸压稳定性控制机理及应用

为解决强采动条件下巷道大变形难题,以新上海一号矿1806N工作面辅运顺槽为工程背景,采用实地勘探、理论分析、数值模拟的方法分析强采动巷道变形破坏原因及围岩大变形机理,提出相应的控制对策进行现场工业性试验。研究发现：1806N工作面辅运顺槽大变形主要影响因素为岩石强度低、节理裂隙发育、完整性差、顶板富水严重、围岩遇水泥化,强采动高集中应力。基于围岩大变形断顶控制机理,形成辅运顺槽深部爆破定向预裂断顶结合补强加固的设计方案。借助数值模拟对断顶及未断顶巷道应力变化规律进行对比分析,断顶巷道端头最大垂直应力14.6 MPa,断顶后巷道端头最大垂直应力12.5 MPa,断顶后端头处垂直应力减小14%,断顶具有一定切断应力传递及减小巷道收缩的效果。开展现场工业性试验,断顶后端头顶底板位移减小37%,两帮变形减小19%,底臌发育长度减小92%,结果表明断顶可有效减少端头巷道变形以及超前底臌发育长度和高度,可为相似工程地质条件巷道建设提供参考。     

平顶巷道锚杆支护机理的数值模拟

以现有锚杆支护理论为基础,利用ANSYS软件,通过模拟锚杆支护对顶板离层的影响和锚杆支护对巷道周边围岩强度影响,揭示了巷道锚杆支护作用的力学机理,得出锚杆支护可以有效地减小和限制直接顶的下沉和离层并能够阻止巷道周边围岩的变形,并使得锚固体的弹性模量有较大的提高,从而提高巷道周边的围岩强度,达到支护的目的.研究结果进一步验证了现有锚杆支护的部分理论,并且对锚杆支护工程提供了重要的理论依据.     

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...     

梯形巷道围岩散热有限体积法分析

为研究梯形巷道围岩散热的特点,依据能量守恒定律,建立二维非稳态导热积分方程,运用有限体积法分别建立内部节点和边界节点的热平衡方程,采用VB语言编写围岩温度场及散热量数值计算程序,并通过一个实例进行数值分析.研究结果表明:初始暴露的巷道围岩,围岩壁面温差大,温度梯度大,即围岩散热量也比较大;随着通风时间的延长,围岩浅部区域的温度逐渐接近于风流温度,散热量逐渐衰减,并且衰减幅度逐渐的减小.     

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。