掏土孔应力扰动法下的塑性区范围研究

针对普通浅层掏土法下倾斜建筑回倾速度慢、沉降不均匀的问题,提出掏土孔应力扰动法。在岩石力学的弹性圈和塑性圈应力解中引入修正系数,得到掏土孔应力扰动法下的塑性区半径计算公式。在进行现场掏土孔周应力扰动试验时,采用地锚反压的形式模拟上部建筑荷载,利用长钉在掏土孔周围进行深度为50 mm的螺旋扰动,通过测量应力扰动前后的孔周土体应力并结合有限元模拟结果,得到实际塑性区范围,验证了塑性区半径公式的正确性。结果表明:当掏土孔半径为100 mm,应力扰动范围为孔径的1/2时,塑性区范围扩大30%~40%,掏土孔应力扰动法对于扩大塑性区范围、加快建筑纠倾速度具有工程应用价值。

三向非等压应力场下围岩主应力差与塑性区分布关系研究

首先,以弹性理论为基础推导出考虑巷道轴向应力影响的主应力差解析式,通过变化水平侧压比、轴向侧压比研究完全弹性条件时不同应力场下主应力差分布形态演化规律。其次,推导出考虑轴向应力作用的围岩塑性区近似解,研究不同应力环境下围岩的塑性区形态演化规律。最后,对比分析主应力差及塑性区形态特征,研究二者分布形态的对应关系,并通过数值模拟验证理论分析的正确性。研究结果表明:在弹性理论下,三向应力场条件的主应力差值分布会呈现圆形、椭圆形、蝶形3种形态的演化规律;在考虑巷道塑性破坏的情况下,主应力差值在σx、σz较小一侧形成峰值壳,在较大一侧形成卸压壳。在不同水平侧压比及轴向侧压比情况下,围岩塑性区形态会呈现圆形—椭圆形、椭圆形—蝶形、蝶形恶性扩展3个阶段的演化过程。巷道主应力差的分布形态在一定程度上可以反映塑性区形态,主应力差和塑性区在相同应力条件下的形态特征具有逐一对应关系,且二者形态在很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压比对塑性区形态影响较小。160206回风巷在偏转式主应力差集中区形成非对称异化特征。本文基于分析及现场破坏情况提出的联合协同支护技术在现场应用效果较好。

基于塑性区控制的巷道围岩支护理论与技术研究进展

随着煤层开采深度的不断增加,深部巷道围岩稳定性控制已成为采矿领域的重大难题之一,深部巷道围岩控制效果直接关系煤矿井下的安全生产和人员健康。巷道开挖后,塑性区的出现是影响巷道围岩稳定的主要原因。从塑性区形成与扩展的视角出发,在整理和归纳现有巷道破坏机理和围岩塑性区理论等成果的基础上,探讨了巷道破坏模式与围岩塑性区分布的内在关系,认为巷道围岩控制从本质上来说就是控制围岩塑性区形成与扩展的过程。围岩塑性区扩展的时效特性以及锚杆支护对围岩塑性区的控制作用,成为科学有效控制巷道围岩的重要理论依据,并基于此提出巷道围岩稳定性的控制理论与技术。结果显示,塑性区是巷道开挖的产物,围岩塑性区的形成与扩展是矿山压力作用的结果,对于深部巷道,围岩塑性区的出现是必然的。科学控制塑性区需要全面认识塑性区在巷道围岩中所起的作用,既要让围岩通过塑性破坏释放体内能量,又要防止塑性区的无序扩展。因此,在巷道围岩控制过程中应以充分发挥围岩自承能力为主,支护干预为辅。深部巷道围岩塑性区的控制具有全局性和过程性,将对巷道全周期内围岩塑性区的控制划分为3个阶段,通过调控塑性区形态、抑制塑性区扩展,实现深部巷道围岩的稳定控制。

基于支护阻力对巷道围岩塑性区深度作用的柔性锚索支护技术研究

为明确支护阻力对巷道围岩塑性区深度的影响,采用卡斯特纳公式和FLAC3D软件分析了支护阻力与巷道围岩塑性区深度之间的关系,分析结果表明:现有技术水平条件下提供的支护阻力不能显著减少巷道围岩塑性区深度,难以有效避免巷道围岩发生塑性破坏,即使支护阻力高达2.50 MPa,巷道顶板围岩塑性区深度也未显著减少。因此,提出采用具有足够承载能力、锚固深度和延伸率的支护材料进行柔性支护,将塑性区内的破坏岩石锚固到塑性区外的稳定岩层是维护巷道围岩稳定的一种有效途径。在信湖煤矿五中车场回风道采用大变形柔性锚索进行补强支护,取得了较好的控制效果,减少了巷道断面的收缩量,保障了巷道的长期使用。

高地温水工隧洞节理围岩温度场及塑性区特性研究

高温效应及其围岩节理结构特征对隧洞稳定的影响是高地温隧洞设计的关键问题。文章基于高地温隧洞现场温度及位移数据,分析高地温隧洞节理围岩温度变化特性。同时采用离散元方法模拟不同高温、不同节理结构特征隧洞围岩温度场、位移场规律及塑性区分布范围。结果表明:相对于完整围岩,节理围岩减少了隧洞围岩变温区的面积,并且节理倾角越靠近水平方向或竖直方向对温度场的影响越大。节理围岩在一定程度上可阻止变形位移量。热力耦合作用下节理围岩塑性区面积仅是地应力作用下塑性区面积的2倍左右,且节理倾角与竖直方向夹角越小,节理围岩的塑性区面积越大。当节理倾角为90°时,节理围岩的塑性区面积最大。

不同采高下深部煤层覆岩应力场与塑性区演化数值模拟研究

随着浅部煤炭资源日渐匮乏,对深部煤层进行开采逐渐成为我国煤炭资源开采所面临的重大挑战。为深入探究不同采高对深部煤层开采覆岩应力与塑性区演化的影响规律,以陈四楼煤矿为工程背景,运用FLAC3D软件开展数值模拟研究。模拟结果表明:同一推进步距下,采高越大,覆岩的垂直应力变化越大,超前支承压力峰值增大,峰值区距煤壁距离随之增大,塑性区范围也越大,不连续现象依旧存在;同一采高下,工作面推进步距越大,覆岩垂直应力变化越大,应力降低区发生明显变化,超前支承压力峰值增大,峰值区距煤壁距离增加的更为明显,塑性区逐渐向上扩张,伴随不连续现象。

深埋圆形巷道围岩塑性区位移及特征曲线新解和参数分析

考虑中间主应力、脆性软化、剪胀特性、塑性区弹性模量及弹性应变定义等综合影响,提出深埋圆形巷道弹塑性计算的基本假定,进而建立围岩塑性区位移及特征曲线新解,对其进行可比性分析与比较验证,并详细探讨各因素影响特性。所得围岩塑性区位移及特征曲线新解是不需要借助任何数值算法的理论解析解,具有广泛的适用性和很好的可比性。研究结果表明:巷道结构的强度理论效应即中间主应力影响显著,相应的支护可以减弱或改用轻型支护;不考虑脆性软化或剪胀特性都将低估围岩实际位移,工程设计偏危险;半径相关的塑性区弹性模量得到的围岩变形及特征曲线处于上、下限之间,能体现巷道开挖卸载受扰程度的距离渐进性变化;塑性区弹性应变应优先选用更合理和准确的第三定义,且各因素之间存在相互影响。

基于塑性区体积的新式掘进机减尘方法设计及应用

为高效治理掘进机截割产生的高浓度粉尘,基于塑性区体积计算,从截齿割煤的源头着手,提出通过改变截齿齿尖角度和截割头旋转速度从源头减少粉尘产生的新方法,设计了以湿式除尘风机为主、控尘风幕和感应式全断面水幕帘为辅的综合降尘方案治理粉尘。结果表明,减小掘进机截齿齿尖角度、降低截割头转速后,呼尘和全尘产生浓度大幅下降,显著性检验结果表明粉尘浓度的变化是显著的;综合降尘措施对呼尘和全尘的降尘率分别为91.3%和95.1%,实现了高效粉尘防治的目标。

综放面过空巷与充填巷塑性区对比分析研究

针对常村煤矿2106工作面煤层底板斜巷的特点,以及工作面推进时超前支承压力影响空巷底板稳定性等问题,确定采用空巷分区域充填过空巷的方式。利用数值模拟研究,结合Rhino设计软件,对比分析工作面过空巷和充填巷塑性区差异,得知在充填条件下,巷道围岩应力集中较小,来自扰动影响产生的超前支承压力经过充填材料可以向深部转移,并不会在巷道周围产生较为集中的应力束。因此,巷道周围塑性区较少,保持了巷道帮部围岩的整体性,保证工作面正常推进。通过分区域充填支护,实现了充填材料—巷道围岩组合结构共同承载覆岩应力,达到预期效果,保证2106工作面顺利推进。

自适应分析在确定裂纹尖端塑性区中的应用

在分析裂纹扩展及材料强度时对塑性区的估算是很重要的。本文提出采用自适应有限元分析来确定裂纹尖端塑性区的方法。

桥梁结构钢裂纹塑性区的研究及应用

为了研究裂纹塑性对裂纹扩展的影响,利用工程简化算法、应力函数法、扩展有限元法对桥梁钢裂尖塑性区的尺寸和形状分别进行了计算;由于平面应力和平面应变情况下尾迹场循环塑性的特性不同,利用不连续扩展有限元对两种情况下尾迹场的循环塑性和塑性累积进行了模拟分析,探讨了裂尖塑性区、循环塑性区的形成和尾迹场产生压应力的机理.研究结果表明:裂尖塑性区尺寸与应力水平(名义应力与屈服极限的比值)的平方成正比,当应力水平大于0.4时,裂尖塑性区尺寸需要考虑应力水平的影响;裂尖塑性区的形状以蝶形向前伸展,使裂纹尾迹场免受裂尖高应力场的拉伸作用,有利于裂纹闭合;裂尖塑性区存在材料的逆向流动,在循环塑性区裂纹表面的塑性累积产生压应力效应有利于裂纹提前闭合,这种塑性诱发的裂纹提前闭合对研究变幅加载、过载引起的裂纹扩展滞后有重要意义.

考虑轴向应力影响的圆形巷道围岩塑性区边界近似解

为了研究考虑轴向应力作用的巷道围岩塑性区边界问题,基于Mohr-Coulomb准则,通过引入Lode角参数,推导出考虑轴向应力作用的圆形巷道围岩塑性区边界隐性方程,通过变化巷道水平应力σx、轴向应力σy分析了不同应力场下的围岩塑性区尺寸及形态,并通过数值模拟进一步说明了理论分析的可靠性。此外还研究了围岩黏聚力C、内摩擦角φ、巷道半径R、泊松比v对巷道围岩稳定性的影响。结果表明:①固定轴向侧压变化水平侧压的条件下,围岩塑性区尺寸变化会分为敏感区和迟钝区,且在水平侧压变化的过程中围岩塑性区形态会呈现圆形、椭圆形及蝶形3种形态。②固定水平侧压变化轴向侧压的条件下,围岩各位置的塑性区会呈现强烈的区间效应,通过与平面应变问题下的塑性区尺寸对比将区域分为轴向应力影响区和轴向应力无影响区。在轴向应力影响区内,轴向侧压的变化对围岩的塑性区尺寸影响较大。③巷道围岩的破坏形态由水平侧压η1决定,轴向侧压η2对塑性区形态影响较小,对尺寸影响较大。④围岩C、φ的增加会使巷道围岩的塑性区尺寸不同程度的减小,R的增加会使围岩不同位置塑性区呈等差数列增大。在轴向应力无影响区,v对围岩塑性区尺寸无影响,在轴向应力影响区内,翼角处的塑性区尺寸不受v的影响,其余位置的塑性区尺寸会受到不同程度的影响。

基于最小塑性区半径准则的岩石裂纹起裂规律

岩石的变形破坏过程实质是内部裂纹不断产生、演化和扩展的过程,研究岩石中多裂纹的起裂规律对岩体工程的稳定性具有重要的理论意义和工程价值。裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素,裂纹尖端塑性区对裂纹的起裂扩展影响很大。为了考虑裂纹尖端塑性区对岩石裂纹起裂规律的影响,基于摩尔-库伦强度准则推导了二维应力状态下岩石裂纹尖端塑性区尺寸的计算公式,并考虑塑性区内材料的硬化对其进行了修正,然后基于最小塑性区半径准则得到了岩石中裂纹的起裂角及起裂荷载。最后,基于理论计算,分析了裂纹长度比、裂纹倾角和裂纹间距对裂纹起裂规律的影响。结果表明:平面应力状态下受压裂纹的起裂角为定值70.43°,平面应变状态下受压裂纹的起裂角随硬化系数和泊松比的增大而增大;受压裂纹的起裂荷载与裂纹长度比呈反比,与裂纹间距呈正比,且随裂纹倾角增加先减小后增大,其极值点与裂纹面的摩擦效应有关;中心裂纹对裂纹长度比和裂纹间距最敏感,外裂纹内尖端次之,外裂纹外尖端对裂纹长度比和裂纹间距最不敏感;受压裂纹的起裂荷载与裂纹面的摩擦因数和闭合度有关,相同条件下,张开型受压裂纹起裂荷载小于完全闭合型受压裂纹的起裂荷载,且平面应力状态下的起裂荷载大于平面应变状态下的起裂荷载。

考虑空间约束效应的隧道塑性区半径解析研究

为体现围岩塑性区扩展与隧道掘进之间的动态关系,基于空间约束效应等效模型对Mohr-Coulomb准则和广义Hoek-Brown准则下塑性区半径公式进行修正。讨论空间约束效应合理等效函数的选取,给出约束范围的定量求解方法,并结合文献中3种代表性岩体进行算例验证,进一步总结空间约束效应与围岩属性、隧道支护力之间的关系,最终揭示了空间约束效应的本质属性。对比考虑约束效应影响下,2个修正后的塑性区半径公式间的关联性与适用性。研究结果表明,空间约束效应决定了塑性区的发展路径,但不会影响塑性区上限值,不同围岩条件下约束范围各异,而非固定的5倍洞径。为准确预测塑性区扩展规律,应根据围岩情况选取适宜的强度准则,在岩体参数c、φ等效基础上,硬岩条件下,可任意选用Mohr-Coulomb准则或广义Hoek-Brown准则;软岩条件下,采用广义Hoek-Brown准则比Mohr-Coulomb准则计算的塑性区范围大。

条带开采中条带煤柱塑性区宽度分析

根据煤的变形破坏特点，对煤变形采用弹塑性应变软化模型，根据条带开采的特殊性，用三维受力单元模型来分析。通过数学运算推导出条带煤柱塑性区应力及宽度的表达式。最后，对影响塑性区宽度的几个主要因素作了分析。

孔洞围岩塑性区边界计算的理论研究现状与分析评价

地下采矿工程中的巷道、开切眼、各种开采硐室空间、人工钻孔及天然洞穴等,在地下无限大的空间范围内,其围岩破坏及稳定性问题均可统一到孔洞周围岩体力学的研究中。结合煤矿井下的工程条件,采用理论计算与数值模拟对比分析的方法,研究了静水压力下的理论公式与非均匀应力场中的塑性区边界方程,详细分析了理论计算的力学模型、推导原理、推导过程、计算精度,进而对其适用性进行评价分析。研究结果表明:静水压力下的理论公式推导过程严密,精度较高,适用于静水压力及偏应力不高条件下围岩塑性区范围的计算,偏应力较高环境下不再适用;非均匀应力场中圆孔围岩塑性区边界方程推导过程做了简化,其结果为近似解,与数值模拟计算结果相比在精度上有一定误差,但是可以很好地反映非均匀应力场中孔洞围岩塑性区形态演化规律,对于研究地下高偏应力场中巷道围岩的破坏规律及致灾机理有重要的指导意义。通过对已有孔洞围岩塑性区边界计算理论的分析评价,明确了不同理论方法的优劣势以及适用条件,对于合理应用理论指导工程实践有重要的实用意义。

圆形巷道围岩塑性区的一般形态及其判定准则

巷道围岩塑性区形态决定了巷道围岩的破坏形式及破坏程度,以塑性区边界隐性方程为基础全面研究了圆形巷道围岩塑性区一般形态的变化规律。结果表明:在不同围压状态下均质围岩圆形巷道塑性区一般表现出圆形、椭圆形、蝶形3种形态。通过理论分析找到了3种形态的数学力学含义,并推导出不同形态下的判定准则。提出了塑性区形态系数的概念,推导出了形态系数的计算公式,利用其大小可判别塑性区形态特征。通过FLAC3D数值模拟方法验证了理论计算的正确性。研究成果可作为巷道稳定性分析、支护设计、冒顶灾害防治、冲击地压预测与防治、煤与瓦斯突出预测与防治等工程实践的理论依据。

真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现先增大后减小的趋势;裂纹主要在垂直孔轴线方向发育并首先在较小的主应力方向发生破坏。几种条件下试样的强度均随中主应力系数的增大而先增大后减小。其中,最大主应力平行于孔轴线时强度最高,稳定性最好;在中主应力系数b较小时,中间主应力平行于孔轴线时强度最低,而b较大时孔轴线沿最小主应力时强度最低。基于广义平面应变理论,分析了中间主应力对孔周围塑性区的影响。

电磁材料反平面裂纹力-电-磁塑性区分析

采用电磁材料条带电磁极化饱和模型对反平面裂纹进行了理论分析.在电一磁塑性区内采用两种边界条件,即机械位移连续性条件和常切应力条件.每种条件又分为电塑性区大于和小于磁塑性区两种情形进行讨论.采用半逆解法求解,在机械位移连续性边界条件下,两种情形在裂纹顶端有相同的奇异性和局部J积分;而在常切应力边界条件下,两种情形都消除了力一电一磁奇异性,局部J积分也为0.另外当塑性区比较小时,两种边界条件求得的能量释放率相等.

基于统一强度理论的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于统一强度理论,推导出非均匀应力场的巷道围岩塑性区边界线方程式,可用于预测不同侧压系数时地下深埋隧洞的塑性区大小及形状.当不同程度地考虑中间主应力的影响时,围岩塑性区形状和大小有较大不同,且随水平应力与垂直应力差异性的增大,这种影响趋于明显.