深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

深埋隧道岩体中有较高地应力,在岩石强度较高的围岩处易发生岩爆,影响围岩稳定性。笔架山公路隧道埋深大,为降低其安全建设风险,通过工程区岩样岩体力学实验对围岩性质进行研究,结合地应力资料建立三维有限元地质模型反演隧址区地应力场,最终利用谷-陶岩爆判据和强度应力比岩爆判据对笔架山隧道岩爆状态进行预测。结果表明：隧道工程区内岩体有中等-强烈岩爆倾向;隧道沿线地应力场由自重应力场主导,大多数区段岩体处于极高应力状态,且水平最大主应力与隧道夹角较小,有利于围岩稳定;开挖后沿线围岩最大主应力峰值为63.2 MPa,均发生在断面侧壁,因此在该部位发生岩爆的可能性较大;隧道沿线24%区段有发生岩爆的可能,且以中等-高岩爆活动为主,岩爆预测结果可为隧道开挖施工和灾害防治提供参考。     

采掘工作面冲击地压防治

在巷道周围或工作面顶底板附近,打集束卸压孔,大量取出岩煤,在垂直钻孔的围岩断面上形成一个呈多孔状的弱面,在空间中形成一系列空岩管覆盖或围绕在一定距离的巷道周围或工作面顶底板中.当集中应力作用于巷道围岩时,首先破坏该弱面结构消耗能量,破坏后的该弱面会中断或减弱应力传递,井导致应力集中区向两侧深部岩体转移(采空区或较安全位置),保护巷道不产生或减少两帮挤进和底鼓.当发生地压冲击时,集中应力主要作用于两侧深部煤岩体,从而保护采掘巷道和局部工作面,确保人员设备安全与生产连续进行.     

地下工程中岩爆灾害的成因及防治措施

岩爆是地下工程掘进过程中所遇到一种动力地质灾害，其危害较大。根据当前国内外大量岩爆的统计资料，结合在二郎山隧道知锦屏二级水电站勘探洞所遇到的岩爆现象，提出了岩爆是由构造、浅表生改造、围岩的岩体强度、岩层产状、围岩应力状态、变形特性、地下工程布置等多种影响因素综合作用的结果。就岩爆的力学机制问题，认为岩爆力学机制的实质属于压致拉裂破坏。     

锚杆与U型棚联合支护防止冲击地压的危害

煤体破坏失稳而发生冲击矿压的巷道,采用锚固技术,锚杆能够深入到岩体内部,有效地发挥围岩自承能力,改善松动变形围岩的应力状态,更有效的预防直接顶的离层,充分调动和增加围岩的自承性能,改变了顶板的下沉时间,允许围岩有一定变形而不破坏,甚至同被加固的岩体作整体运动时仍能保证相当大支护抗力,降低顶板突然下沉的可能性。锚杆巷道套架U型棚,能够共同防止冲击地压对巷道的破坏和危害。     

大埋深跨采巷道变形机理分析

巷道受采动影响时,应力重新分布,围岩处于卸压状态,导致巷道变形严重。针对这一现象,在华恒煤矿-1000m水平副暗斜井,利用现场实时在线监测数据和数值模拟计算,分析了跨采巷道随采煤工作面推进的变形破坏规律。监测数据表明,巷道变形包括顶板下沉、两帮移近和底鼓,其中底板变形破坏最严重。数值模拟分析得出,跨采后的巷道底板和右帮塑性区范围比跨采前有较大增长;在巷道顶底板处,围岩垂直应力处于卸压状态,水平应力出现应力集中现象。垂直应力的卸压和水平应力的横向作用是造成巷道底鼓的力学原因,底板没有采取支护措施是造成底鼓的直接原因。     

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.     

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.     

不同岩性条件下巷道围岩变形破坏特征数值模拟研究

运用FLAC2D有限元数值模拟的方法,研究和分析不同岩性条件下围岩变形破坏的应力分布和破坏规律。模拟结果表明：无论巷道断面的哪个位置,都表现出巷道处于断层破碎带岩性下时,应力影响范围及塑l}生变形破坏范围较巷道处于正常岩性下时大,而应力峰值表现出较正常岩性下时小;巷道帮部肩窝处应力集中表现出较其他位置时应力峰值大。本文实验的研究对于井下煤矿开采巷道设计、工作面回采以及地质灾害的防治等方面具有一定的理论与实际意义。     

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.     

双轴加载条件下红砂岩基本力学特性及破坏机制

为研究巷道开挖卸荷后岩体的变形破坏机理,开展了不同侧压条件下红砂岩双轴加载试验,分析侧压影响下双向应力状态红砂岩基本力学特性及声发射演化规律,揭示侧压影响下双向应力状态红砂岩破坏机制。结果表明：随着侧压增大,红砂岩峰值强度及弹性模量呈先增大后减小趋势,而峰值应变呈逐渐减小趋势,其破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变;加载过程中声发射累计能量随侧压增大而逐渐减小,但试样破坏阶段声发射能量逐渐增大,表明双轴加载情况下剪切破坏释放能量大于劈裂破坏。研究结果可为巷道围岩控制及冲击地压灾害防治提供一定的理论支撑。     

桃山煤矿薄煤层群切顶巷区域应力特征数值分析

为有效防治冲击矿压灾害,利用FLAC3D数值模拟软件模拟分析了桃山煤矿切顶巷区域的应力状态特征,研究切顶巷对顶板的预裂弱化作用和切顶巷的布置参数,结果表明:回风巷下帮与瓦斯巷之间垂直应力较高,而水平应力则在回风巷底板和下帮集中较明显,切顶巷区域应力也明显集中,冲击危险性上升;切顶巷导致的应力集中范围为5～10 m,为了避免两个相邻切顶巷形成叠加应力集中区,两切顶巷间距应不低于20 m。该研究为桃山矿薄煤层群开采切顶巷防冲技术提供了参考依据。     

深部巷道构造应力作用下岩爆过程的数值模拟

针对深部巷道岩爆现象,结合华丰煤矿深部开采的冲击地压问题,采用FLAC-Dynamic进行了深部巷道岩爆动力学计算分析.计算结果表明,发生岩爆时,巷道围岩的速度曲线和加速度曲线出现突变.在水平构造应力的作用下,巷道可能岩爆的过程是先从巷道的两帮开始,然后迅速扩展到巷道的顶、底板的过程.     

煤岩特性对应力分布影响的实验研究

为了治理冲击矿压灾害,采用数值模拟方法研究了井巷周围煤岩体的力学特性对应力分布的影响。研究结果表明,巷道周围煤岩体的体积弹模、内聚力和内摩擦角均对应力分布有较大的影响。根据这个结果,可采用卸压爆破的方法,改变应力分布状态,减小或消除冲击矿压危险。     

薄煤层冲击矿压发生机理及防治研究

分析了崔庙矿薄煤层诱发冲击矿压的原因,验证了薄煤层深部开采时具有冲击矿压现象,实验研究了薄煤层的冲击矿压危险性与煤岩体的结构特征的关系,即组合煤岩试样的冲击能指数随着顶板与煤样高度比值的增加而增加,随着煤岩高度比减小,组合煤岩单轴抗压强度增大,煤层厚度的变化对煤体中的应力分布有着很大的影响,探讨了薄煤层应力分布及转移规律和冲击矿压机理,即煤层越薄,煤体承载能力越强,越不容易产生应力转移,由于开采煤体,引起峰值应力区垂直应力升高,水平应力对煤体约束减小,导致冲击矿压。文中以崔庙矿为工程研究背景,通过设置切顶巷和顶板深孔爆破降低了冲击危险性,取得了显著效果,验证了薄煤层开采切顶巷防冲技术和顶板预裂爆破技术的可行性。     

临空区回采巷道优化布置防冲技术研究及应用

为提前预防临近采空区侧回采巷道发生的冲击矿压灾害,基于临空区回采巷道冲击破坏机理,提出了降低静载以避开支承应力集中区为原则、削弱动载以增大传播介质衰减指数为原则的临空区巷道优化布置方式,建立了力学模型,理论计算了外错布置的布置参数,并通过数值模拟方法对其进行验证,对比分析了2种不同布置方式的所受动静载情况.结果表明:采用外错布置方式后围岩稳定性好、抗矿震扰动能力强,结合现场工程实践,采用外错布置技术取得了明显有效的防冲效果,实证了其在冲击矿压防治方面的突出性.     

煤矿冲击性灾害类型实验研究

为了充分了解煤矿冲击性灾害的发生机理,探讨了硐室开挖前后应力分布及其变化规律.结合原始地应力数据,通过室内岩石力学模拟实验,获得了不同岩性特征及受力状态下,岩石破坏的不同表现模式.根据硐室围岩破裂源的空间位置,将冲击灾害划分为岩爆、冲击地压和矿震三大类.分析了三类冲击灾害的发生机理、孕育过程及宏观特征.     

矿井深部开采非线性力学特点

为了解矿井深部开采过程中大范围非线性应力现象和自组织多分量现象,对采矿诱发地震和岩爆地震的监测方法和体系做了相应的分析,总结了深部采掘工程中岩体非线性力学特点.认为矿井地下巷道岩区碎化现象是由重力应力分量达到或者超过岩石的单轴压缩强度形成的.对人工填充体的组织和结构特点进行了分析,并利用岩石分区碎裂现象和自组织人工充填体的相互作用来提高采矿效率.     

梁宝寺矿井掘进巷道构造附近煤层冲击显现机理及防治措施

冲击倾向性是煤岩体发生冲击破坏的固有能力,断层、褶皱、相变等构造诱发冲击地压的机理为构造应力与采动应力叠加,避免应力叠加是防治构造控制型冲击地压的有效途径。本文结合粱宝寺矿井掘进巷道煤层冲击显示特征,分析其形成原因,进而探究冲击地压作用机理,根据现场条件及时采取卸压措施,起到了很好的效果。该课题的研究对冲击危险性评价、冲击地压防治理论研究及现场治理等具有参考意义。     

新兴煤矿冲击矿压影响因素及危险区域划分

针对新兴煤矿冲击矿压频发的情况,结合该矿工作面概况,从地质赋存条件和开采技术入手,分析影响冲击矿压的主要因素,并进行危险区域划分.结果表明：煤层冲击倾向性、开采深度、顶底板坚硬程度、多种应力叠加作用、相邻开采区、巷旁留垛等为影响新兴煤矿冲击矿压的主要因素.41051工作面和41062工作面的冲击危险区域为工作面回风巷130 ～200m与其上出口40～50 m范围;特别冲击危险区域为工作面上出口附近.该结果为煤矿安全开采提供了保障.     

大跨度矩形巷道围岩失稳破坏机制及数值模拟

巷道围岩的失稳破坏是资源开采阶段面临的重要问题。首先,对巷道围岩失稳机制进行了理论分析,探究巷道稳定性的主要因素,并基于ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同跨度巷道（4 、6 、8 、10 m）进行动静荷载耦合响应数值模拟分析。结果表明：当巷道埋深、底板梁厚度等因素一定时,巷道跨度是影响巷道围岩失稳的主要因素。巷道围岩在初始静应力场作用时,第一主应力随着跨度的增加呈现逐渐增大的趋势;跨度的增加（10 m）会使巷道围岩x和y方向的应力发生突增现象,均在巷道底板处有相对较大的拉应力。巷道跨度的增大,导致左右两帮的移近量有所增加;顶板下沉和底板隆起的程度显著增加,加剧巷道失稳破坏风险。在静动荷载耦合作用下,巷道围岩发生失稳破坏,破坏程度随跨度的增加而增加。