基于围岩分区理论的巷道支护参数优化与应用

针对高河能源W1320工作面回风巷因围岩岩性强度不足,且原支护无法有效控制巷道围岩变形的情况,建立围岩分区模型,确定流动区、塑性软化区、塑性硬化区范围,并模拟无支护和原支护巷道围岩分布分区模型,经分析得出,锚固体深部悬吊作用不足是造成原巷道支护方案失效的根本原因。通过优化、模拟,设计新的巷道支护方案;现场应用结果表明,优化方案较原方案在巷道顶板和两帮围岩变形控制能力上分别提高了45.41%和44.56%,说明基于围岩分区理论设计的巷道支护参数有效控制了巷道围岩变形。

深部巷道围岩分区破裂化现象现场监测研究

随着矿产资源的开发,深部巷道围岩中出现了破裂区和完整区相间的分区破裂化现象,这是一种新发现的特殊工程地质现象,引起了国内外岩石力学界的关注,但相关研究还不深入。为在现场监测深部巷道围岩的分区破裂化现象,在淮南矿区近千米深井半径不同的巷道选择了4个监测断面,每个断面布置了3～5个钻孔,采用矿井钻孔电视成像仪对巷道断面围岩不同钻孔内的破裂情况进行了监测,监测到了围岩内的分区破裂化现象,并给出了4个断面围岩的分区破裂分布图。通过分析巷道所在岩层、地质资料及钻孔内裂隙的形状,说明裂隙是由巷道开挖引起的。监测结果表明,3个大断面巷道围岩内的相同破裂分区的半径和厚度相差不大,小断面巷道围岩内的破裂分区与大断面相似,只是相同各破裂分区的半径和厚度相应减小,表明各破裂分区的半径是巷道半径r的关系式为(2)i-1r(i=1,2,3,4)。4个监测断面围岩内均产生了4个破裂分区,第1个破裂分区厚度与巷道半径相当,破裂程度最严重,第2个破裂分区其后各破裂分区厚度和破裂程度均依次减小。研究结果对于认识深部巷道围岩的破裂模式及其稳定性支护具有重要意义。

深部巷道围岩分区破裂化数值模拟

采用有限差分数值计算软件FLAC对巷道围岩分区破裂化进行研究,分析了分区破裂的产生及演化过程,即巷道开挖后,随着原岩应力的释放,多条破裂带从巷道表面或临近周边逐步向围岩深处延伸,在延伸过程中,单条破裂带可能会分叉成两条甚至多条破裂带,这些破裂带互相交叉,在巷道浅部围岩形成网状间隔破裂区,在深部围岩形成环带状间隔破裂区。岩体初始应力水平、侧压系数及巷道断面形状等对巷道围岩分区破裂化都有显著影响。数值模拟结果与前人的现场研究成果有很好的一致性。

深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论

由中国岩石力学与工程学会于2008年6月组织的中国科协第21期新观点、新学说学术沙龙,集中对围岩分区破裂现象以及相关的理论问题进行了讨论,内容涉及近期有关围岩分区破裂的研究成果,包括现场实测和实验室试验工作及分析,围岩分区破裂的形成机制、分区破裂各种现象的解析与数值分析方法,会议还讨论了论题的意义及其研究方法等方面的热点问题。对围岩分区破裂的研究具有探索性,目前的认识尚存在许多争论。对这一工作的讨论,不仅可以促进课题成果及其科学性,而且对整个科研工作的认识和处理方法也有启发性的影响。

深部隧洞围岩分区破裂应力/应变分析及其破裂机理探讨

分区破裂是深埋隧洞围岩破坏的特定类型,发生围岩分区破裂的条件是存在一个较大的平行于隧洞轴向的应力。通过分析实际工程实例,阐述了发生分区破裂后围岩的应力-应变特征,建立了不同破裂圈界面的应力-应变平衡方程,得出了在不同界面上围岩的径向位移突变,环向位移连续的特征,进而推出新的破裂圈的发生是围岩应力再分布或能量再平衡的结果。通过推导不同相邻破裂圈半径的比值,得到了二者之间的比例关系。通过确定深埋隧洞所处应力环境,提出了发生分区破裂的根本原因是较大的构造应力的影响,并提出了确定应力大小的方法。最后,通过对工程实例的分析,验证了所提结论的有效性。研究结论可以对相关类似工程提供一定的指导意义。

动压煤巷群围岩分区劣化控制方法研究

为了降低剧烈采动过程中动压对煤巷群围岩稳定性的破坏,提出动压煤巷群围岩分区劣化控制方法。模拟动压巷道群围岩受力破坏状况,将东翼巷道分为上采区工作面和下采区工作面,分析上、下采区工作面采动产生的动压对东翼大巷及硐室的影响,得出剧烈动压下煤巷围岩应力分布特征及巷道围岩变形规律;依据获取的特征及规律提出剧烈动压影响煤巷围岩分区强化控制技术,该技术通过回采动压作用区补强方案控制上采区工作面的围岩稳定性,通过掘采联合动压作用区强化修复方案控制下采区工作面的围岩稳定性。结果表明,采用所提控制方法后,两个观测站检测到的修复区顶板下沉量和修复区两帮移近量,随距本工作面距离的增加而降低,距本工作面距离为100m时修复区顶板下沉量较平稳,都在140mm左右;两帮移近量从距本工作面距离为90m开始稳定,其结果都在120mm左右,有效地降低了煤巷下采区的顶板下沉量和两帮移近量,提高了动压煤巷群围岩的稳定性。

网格精度与对称性对深部岩体分区破裂化的影响

【目的】深部岩体工程开挖卸荷后,围岩普遍存在分区破裂化现象,容易导致隧洞大变形、大范围塌方、涌水等工程事故,利用数值模拟软件可以较好地重现该现象,但数值模拟网格质量会对模拟结果产生较大影响,为保证模拟结果的相对可靠,有必要对其进行研究分析。【方法】基于深部岩体应变软化模型,建立深埋多隧洞数值模型,研究网格对称性与网格精度对围岩分区破裂形态、破裂带数目、破裂范围的影响。【结果】结果表明,网格的对称性和精度会对围岩分区破裂化模拟结果产生较大影响,非对称网格及粗糙网格会使分区破裂数值模拟结果产生较大误差。【结论】网格划分过程中要注意网格的对称性以及单元尺寸的选取,本研究对类似研究具有一定的参考价值。

深埋软岩隧洞围岩变形破坏分区规律反演分析

研究目的:榴桐寨隧道是新建成都至兰州铁路线的关键性控制工程,其围岩大变形问题十分突出,而目前对深埋隧洞围岩流变条件下的变形预测尚无成熟的计算方法。本文在总结现有围岩变形研究成果的基础上,将隧洞围岩简化为理想弹塑性介质并布设全长锚固锚杆,基于锚杆-围岩协调变形原理,分析杆体表面摩阻力及其轴力的分布规律,由静力平衡条件推导锚杆中性点处的最大轴力值,进而建立变形稳定后围岩的塑性区及松动区半径公式,从理论上确定榴桐寨隧道围岩的松动区及塑性区范围,为优化围岩支护方案及参数提供重要的技术支撑。研究结论:(1)工程实际中,围岩流变是导致深埋隧洞出现大变形的根本原因,隧洞围岩变形通常在初期锚杆支护一段时间后才趋于稳定;(2)隧洞围岩与锚杆协调变形,杆体所受正、负摩阻力的分界面即为杆体中性点,该点杆体与其周围岩体的相对位移及表面摩阻力为零,但其所受轴向拉力达到最大值;(3)通过锚杆所受最大轴力可对变形稳定后的隧洞围岩塑性区及松动区范围进行反演分析,围岩塑性区及松动区范围的大小随岩体黏聚力和内摩擦角的增加而减小,随隧洞半径的增加而增大,但受支护阻力的影响不大;(4)现场应用结果表明,基于锚杆轴力反分析隧洞围岩分区规律的方法是合理可行的,该研究成果对于类似隧洞工程的安全快速施工具有一定的借鉴意义。

深部工程围岩松动圈范围确定及变形破坏机理

随着埋深增加,深部工程围岩在开挖后应力重分布形成支撑压力区,破坏后将形成新的破裂面,稳定的支撑压力区即为围岩的松动圈。围岩松动圈范围的确定以及变形破坏机理的研究,关乎围岩变形稳定控制支护的方式方法。利用围岩的平衡方程和泰勒展开方法,得到松动圈的初始半径,并采用Maxwell方程来表征岩体中缺陷应力演化,推导了围岩松动圈发生劈裂破坏的条件。

深部岩巷分区破裂围岩稳定性控制方法及应用

深部高地应力岩巷开挖后围岩内出现分区破裂现象,采用传统的原设计方案巷道稳定性差。根据巷道围岩变形破坏的现场监测结果,经过理论分析和支护试验,提出了"提高法向约束、锚杆增韧止裂、协调耦合支护、应力内部转移、分区充填注浆、增强围岩强度"的锚注一体化综合控制方法理念。并提出了相对应的综合支护技术,即首先采用高预紧力超强锚杆及时支护围岩,锚杆的长度和数量分别由监测结果和分区支护能量判据确定;其次采用高强锚索让压梁支护巷道顶板,实现锚杆、锚索的协调耦合支护和围岩应力内部转移;最后采用中空分段螺旋式注浆技术进行滞后加固。最后针对监测巷道采用锚注一体化综合控制方法和技术进行了支护优化设计并进行现场支护试验,监测结果表明,优化支护的巷道稳定性良好。

深井软弱围岩联合控制技术及耦合叠加拱承载效应研究

为有效解决深井软弱围岩巷道稳定控制技术难题,以淮南某矿-962 m轨道大巷为工程背景,依据软岩应力-应变曲线及围岩应力变化和强度之间的关系,建立圆形巷道围岩破坏分区力学模型,将开挖后的巷道由表及里依次划分为残余区、塑性软化区、塑性硬化区及弹性区,以阐明锚杆(索)锚固系统变形失稳机制,并提出深井软弱围岩的控制要点及关键技术。在此基础上,提出高预应力支护构件遏制残余区扩展、有效的支护承载区发挥围岩承载能力、极大提高软弱围岩承载强度及完整性、薄弱部位补强支护形成完整承载圈等4个围岩控制要点,进而提出“以高强预应力锚杆(索)为核心,浅、深孔分次注浆为基础,底角与底板锚注加固为关键”的全断面强化联合控制方案。结合支护方案特点提出实现内、外承载的“耦合叠加承载拱”结构。该耦合承载拱将支护体与围岩的相互作用和所提供的径向支护力相统一,对锚杆(索)支护阻力具有显著的放大作用。研究结果表明:围岩残余范围随硬化系数、软化系数、支护阻力及内聚力和内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大,而残余区、塑性软化区、塑性硬化区的边界发生渐进式扩展变换是导致围岩大规模破碎和锚杆(索)锚固失效根本原因。通过工程计算得到轨道大巷围岩屈服软化时的原岩应力阈值可达29.09 MPa,验证了支护方案的可靠性。轨道大巷经联合控制后围岩变形量仅为原支护参数下的12.6%~14.3%,在40 d后变形速率低于0.2 mm/d,实现了对巷道的稳定性控制。

破碎围岩巷道新型注浆加固工艺实验研究

破碎围岩巷道是煤矿安全生产的重大隐患之一,而注浆是破碎巷道加固的主要手段,注浆工艺的适应性对于煤矿安全生产具有重要意义。针对实验巷道极破碎围岩锚杆(索)孔成孔困难、锚固效果差等问题,采取不同的注浆工艺对巷道破碎围岩进行分区加固,并对注浆后围岩变形进行观测。观测结果表明:XV1101巷注浆加固完成后,巷道两帮变形和顶底板的移近量均比较小,两帮移近量最大72 mm,底鼓量最大为166 mm;XV1102巷注浆加固完成后,两帮移近量最大55 mm,底鼓量最大为46 mm,变形量更小。实验所提出新型注浆加固工艺对破碎巷道的加固效果较好,新的注浆工艺和注浆锚杆(索)有效地控制了巷道变形。

倾斜特厚煤层区段煤柱尺寸及分区围岩控制研究

为确定倾斜特厚煤层综放工作面沿空掘巷区段煤柱的合理尺寸,以孟家窑煤矿11503综放工作面沿空掘巷为工程背景,基于倾斜煤层基本顶破断之后的岩层结构,建立倾斜煤层工作面“大、小结构”力学模型,推导出适合小结构布置区域的低应力场范围表达式,并通过“尖点突变”理论分析区段煤柱发生失稳突变的充要条件。采用FLAC^(3D)模拟不同尺寸煤柱的受力及围岩变形规律。研究表明:受到煤层倾角和基本顶关键块回转挤压的影响,煤柱内部破坏形式主要为剪切破坏,破坏区域主要集中在其上部偏向采空区位置;随着煤柱宽度的增大,在沿空掘巷小范围内上覆岩层压力由实体煤承担逐渐转向由煤柱承担;结合应力场、位移场和塑性区变化情况,最终确定煤柱的合理尺寸为15 m。通过分析不同采掘阶段沿空巷道围岩应力分布和演化特征,提出适合不同阶段的围岩控制方案。结合现场工程实践表明,15 m煤柱宽度及围岩控制方案能够满足巷道稳定性要求。

基于岩石蠕变及D-P准则的深部巷道围岩弹塑性分析

为深入分析岩石蠕变及中间主应力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性及分区变形特性的影响机理,通过剖析长期荷载作用下深部巷道围岩的变形特征,揭示了基于围岩蠕变特性的深部巷道围岩四分区变形机理,并依据Druck-Prager准则及关联性流动法则考虑了中间主应力、岩体扩容及应变软化的影响,推导出巷道围岩各分区应力、变形和半径解析解.结合工程算例,通过对现场监测数据以及不同力学模型的计算结果进行对比分析,论证了本文理论的科学性,并揭示了不同强度准则和围岩参数对深部巷道围岩各分区形态的影响规律.结果表明,忽视深部巷道围岩的蠕变特性将导致初始黏聚力的取值大于实际值,从而造成围岩的理论承载能力大于实际承载能力;在[0,0.7]区间内提高中间主应力系数可有效控制围岩塑性区及破碎区范围的扩展;当初始黏聚力及内摩擦角减小时,中间主应力系数对围岩塑性区、破碎区范围及巷道变形的影响力显著提高.研究成果可为地下工程支护设计及围岩稳定性评估提供理论参考.

锚杆支护体与巷道围岩耦合后力学模型研究

为明确刘庄煤矿150802工作面锚杆支护体安装后与巷道围岩相互耦合后力学承载机制,同时针对刘庄煤矿巷道围岩变形严重、锚杆索支护困难等问题,采用理论分析、公式推导、数值模拟及现场工业试验等技术方法,建立巷道开挖后锚杆安装在不同围岩分区耦合后的力学本构模型,并推导力学表达式,采用FLAC^(3D)数值软件验证了锚杆安装在不同围岩分区后所构建模型的正确性,并进行工程实践。研究结果表明:锚杆安装在塑性区围岩和弹性区围岩的力学状态存在较大差异,塑性区围岩中锚杆形变变化趋势明显大于安装在弹性区围岩,其变化趋势与公式所表达差异相一致,可以作为研发矿压风险预警系统中单项锚杆支护体预警的理论依据。

基于中性面巷道围岩控制技术研究

针对钱家营矿2021E工作面回风巷变形大、原有支护失效的情况,提出基于中性面的“锚杆(索)+锚网+钢筋网”支护体系。通过分析确定围岩中性面位置及范围变化特征,然后建立围岩分区模型,确定流动区半径为6.08 m,塑性软化区半径为8.31 m,塑性硬化区半径为9.27 m。进一步模拟分析确定无支护、原始支护和优化支护下围岩中性面的分布位置,利用理论分析和工业试验分析对比,确定优化支护方案比原始支护在顶底板移近量和两帮变形量控制上的效能分别提高约88.30%和43.78%,确定优化支护方案能够较好地控制变形。

深部大规模松软围岩巷道破坏分区理论分析

综合考虑巷道破坏特征及典型软岩应力应变曲线特征,对深部巷道松软围岩进行破坏分区,提出了适合破坏分区的四线段本构模型,建立了深部大规模松软围岩巷道应力分析的力学模型,推导了不同破坏分区应力解,得出了界定各破坏分区范围的表达式,结合具体工程验证了巷道破坏分区划分的正确性和合理性.研究表明:深部松软巷道围岩自巷道向外分别为塑性流动区、应变软化区、塑性硬化区和弹性区4个分区,各分区临界应力满足Mohr-Coulomb准则;围岩塑性区的范围随支护阻力、应变硬化系数、应变软化系数以及内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大;各分区范围的理论解能够有效指导支护设计,实现对深部大规模松软围岩巷道的长期稳定.

急斜特厚煤层水平分段放顶煤安全开采的研究

急斜特厚煤层水平分段放顶煤开采过程顶煤和围岩的破坏过程存在明显的分区,顶煤中拱结构的失稳破坏是造成工作面来压的机理,大段高开采情况下,沿采面推进方向可能形成的大跨度的拱结构和顶板大范围悬露是围岩灾变的关键源,分析了灾变危险性的可监测性,从灾变危险性发展的动态过程出发,形成了预测预报大范围围岩垮落灾变危险性和预测预报采面来压的判断-分析-监测-对策-判断综合决策系统。

二滩水电厂地下厂房洞室群监测成果分析

二滩水电站地下厂房洞室群在施工开挖过程中出现了较大的围岩收敛变形。本文从安全监测的角度分析了围岩变形的规律、特点及影响因素，提出利用变形梯度对围岩变形分区的概念及应用，对围岩的稳定性评价较好参考价值。

深部硐室长期稳定性的两个力学问题

在陈宗基院士关于地下硐室长期稳定性力学问题研究的基础上,采用Sadovsky院士关于复杂地质岩体的等级构造学说,围绕深部岩体非均匀构造与封闭应力固有的统计力学属性,研究了岩体非均匀变形与封闭应力特性,以及深部硐室围岩的长期稳定性等两个力学问题。给出了岩体非均匀构造与封闭应力的数学表征;根据质量守恒定律得到了计算深部硐室围岩长期变形的一般公式;得到了围岩变形中劈裂扩容变形占主要部分的结论,并且阐明了深部围岩卸荷时更易出现劈裂破坏的原因。给出了劈裂破坏形态的演进序列与扩容位移的计算方法。将围岩松动圈范围、破裂区位置和边壁位移的计算结果与锦屏一级电站厂房现有监测数据进行了对比,两者相当吻合。