梯度围岩结构应力波透射模型与传播衰减规律

锚杆支护与钻孔卸压等方式改变巷道围岩介质属性,形成具有三介质两结构面的巷道梯度围岩结构,增加对应力波的吸收与衰减能力,防止巷道冲击破坏。为揭示巷道梯度围岩结构中应力波传播衰减规律,建立了梯度围岩结构应力波透射模型,从弹性波在介质交界面处的波场分解和能量分配角度出发,分析了卸压带密度以及应力波入射角度对能量系数的影响,发现梯度围岩卸压带的密度和入射角对各折反射波的能量系数具有显著影响,揭示了梯度围岩结构的吸能防冲力学机理。基于不同梯度围岩结构模型的数值计算,综合应力波的波幅衰减系数、波阻抗匹配系数、能量吸收占比、能量衰减系数等参量,对比分析巷道梯度围岩结构对应力波传播衰减的影响规律。研究结果表明:梯度围岩结构卸压带宽度增加,应力波振动频率降低,波幅衰减系数随之增加,能量衰减系数呈上升趋势,提高了梯度围岩结构的缓冲与隔震性能,增强了巷道的防冲能力;卸压带宽度较小时,会引起应力波在梯度结构中的复杂叠加,使得应力波在局部区域幅值激增,合理的卸压带宽度能够避免应力波在三介质两结构面结构中的复杂叠加。卸压带内钻孔间排距减小,梯度围岩结构卸压带中介质的弹性模量与密度下降,能量吸收占比增加,提高了对应力波的吸波性能。梯度围岩结构中“三带”的波阻抗匹配系数越大,能量衰减系数越大,即“三带”的介质性质差异越大,梯度围岩对于应力波的吸收衰减效果越好,通过调控卸压钻孔的深度与间排距改变卸压带的尺寸和物理力学性能,可有效提高梯度围岩结构的吸波、缓冲、隔震性能。结合工程实例分析证实了梯度围岩结构可有效吸收冲击地压产生的应力波能量,避免冲击地压灾害发生。

基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理

深部煤炭资源开采的强度和深度不断增加,深部巷道围岩的结构性失稳灾变问题日趋严峻、复杂,严重制约深部煤炭安全高效开采。鉴于深部巷道围岩结构变形失稳的渐进演化过程中释放多物理场响应信息,采用自主研制的深部地下工程结构变形失稳全过程模拟试验系统,配合声发射、并行电法、电磁辐射等监测系统,研究基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理。开展了完整、层状和块状3种结构围岩的破坏性物理模型试验,利用声、电、磁多源信息演化规律对不同结构围岩的荷载-位移全过程进行了定量化评价和多源信息表征,从荷载-位移全程曲线、多源信息响应规律、围岩峰后损伤特性3个角度综合揭示了不同结构围岩的灾变演化及变形失稳机制。研究结果表明:(1)随着围岩完整性的降低,围岩由塑性破坏向脆性破坏转变,其变形破坏过程的波动性和渐进式破坏特征更加显著,层状和块状结构围岩的物理模型峰值承载能力相比于完整结构分别降低4.73%和20.73%;(2)与完整结构围岩的声、电、磁多源信息的连续性响应过程不同,层状和块状结构围岩呈现出阶段式响应规律且特征值更突出,尤其块状结构围岩的阶段跳跃性现象显著;(3)完整、层状和块状结构围岩的裂隙发育区面积依次为448.84、651.76和824.49 cm^(2),即随着围岩结构完整性的降低,裂隙发育区面积不断增大,在本研究中增大范围在1.5~1.9倍;(4)围岩的破坏失稳由完整结构的强度控制型向块状结构的结构控制型转变,而层状结构表现出强度-结构联合控制特征,围岩破坏失稳的结构效应越来越显著。

深部不同断面巷道分区破裂形态与围岩结构控制

采用理论分析、现场实测、模拟分析的方法,研究了各向等压条件下等效开挖矩形、直墙半圆拱和圆形断面分区破裂形态及围岩稳定结构。结论:3个断面分区破裂形态不同,矩形断面分区破裂呈“■”状分布,直墙半圆拱断面分区破裂呈多层的“■”状分布,圆形断面分区破裂呈“花瓣”状分布;三个断面位移特征相似,位移等值线浅部呈正立的“鸡蛋壳”形,深部呈“碗”形;支承压力在主破裂面处降低,在最外层主破裂面头部集中,在破裂面之间完整岩层处升高,呈分区集中,“波谷—波峰—波谷”震荡增高的特征向外传播;理想正方形破裂面弦长有an+1=2(1/2)an(n=1,2,3,4)关系;浅部围岩分区破裂形成后,相当于深部围岩的伪开挖,3个断面均存在多层“■”形围岩承载结构。巷道稳定原理就是促进多层承载结构相互依存,共同承载。具体措施:加密、加粗、加长锚杆(索)支护结构,建立浅部与深部多层承载结构相互联系,在浅部形成稳定锚固体促进深部围岩稳定,主破裂面精准注浆修复围岩破裂面和限制主破裂面滑移。

隧道围岩结构易损性测试方法

为了分析隧道出现垮塌风险,提出了隧道围岩结构易损性测试方法。计算隧道围岩结构损伤指数,选取了合适的隧道围岩结构损伤指标,采用OPENSEES方法模拟了隧道围岩结构和支护结构的力学行为;根据隧道围岩和支护结构的物理力学参数,模拟了隧道施工过程及空洞;结合隧道围岩结构易损性测试流程,实现了隧道围岩结构易损性测试。实例测试结果表明,该测试方法可以测试出隧道围岩结构的损伤概率,与实地调查结果相符,可以有效控制隧道出现垮塌风险。

煤矿主斜井围岩结构性加固治理方案及效果评价分析

以某煤矿主斜井为研究案例,介绍一种适用于主斜井的围岩结构性加固治理方案。具体研究中采用数值仿真模拟方法对煤矿主斜井开采中围岩变形特征进行仿真模拟分析,基于仿真模拟结果,合理提出主斜井围岩结构性加固治理方案,再通过数值仿真模拟对围岩结构性加固治理方案进行初步验证。确认方案可行性后,将围岩结构性加固治理方案应用于工程实践。实际应用表明,该方案可满足某煤矿主斜井围岩加固治理需求。

特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6.0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统“小结构”初次耦合主动支撑和“大结构”二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩“大、小结构”耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响,指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足“小结构”支护系统适应“大结构”周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响,研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。

隧道围岩结构面数字识别及完整性评价方法

针对当前隧道围岩结构面信息获取方法难以满足隧道快速施工需求的问题,进行基于数字摄影测量系统——CAE Sirovision获取岩体结构面几何信息的研究,详细介绍了双目立体摄影测量的基本原理及结构面产状提取方法。针对具体工程,采用全站仪空间前方交会法进行控制测量,以尼康D7000数码摄像机为摄影工具,采用CAE Sirovision系统进行物像关系模型构建;通过交互式操作方式实现结构面识别及提取,以测线法RQD指标获取方法为基础,针对传统RQD指标仅能反映隧道轴向结构特性的局限,构建隧道径向RQD评价体系;针对岩体结构空间差异性,提出隧道径向RQD玫瑰花图,实现了结构面获取、RQD分析、RQD直观显示的集成化处理,为隧道数字化施工提供理论和技术支撑。

隧道围岩结构地震动稳定性分析的动力有限元强度折减法

为了得到隧道围岩结构的地震动安全系数,借助通用有限元软件ANSYS,首先对水平地震作用下的模型进行模态分析,得到质量阻尼系数和刚度阻尼系数;其次由静力分析模型得到竖向边界上的水平向支座反力,然后将结构自重转化为温度边界条件,通过热分析得到模型各节点的温度,从而实现在动力分析中考虑重力的影响;最后采用悬臂梁动力分析模型,导入热分析获得的模型各节点的温度,并在竖向边界上施加水平向支座反力,通过不断折减围岩塑性区的凝聚力c和内摩擦角Φ,直到计算不收敛为止,从而得到隧道围岩结构的地震动安全系数。数值算例结果表明:采用的方法是可行的,将围岩结构自重转化为节点温度的措施解决了以往动力分析不能考虑结构自重的难点,进而为以后地震作用下隧道动力安全系数的计算及其工程应用提供了理论依据。

大跨度无衬砌蛋形黄土隧道围岩结构的静力和地震动稳定分析

为得到大跨度无衬砌蛋形黄土隧道围岩结构在重力和地震作用下的剪切破坏规律,借助于ANSYS软件,根据强度折减法,分别对蛋形无衬砌黄土隧道进行重力分析和地震作用下的动力稳定性分析;探讨跨度、覆土厚度和地震烈度对围岩抗剪强度安全系数的影响。数值算例结果表明:从抗剪强度的角度来看,大跨度无衬砌蛋形浅埋黄土隧道虽能达到初次衬砌的要求,但均不能达到正常使用的稳定性要求;安全系数随跨度、覆土厚度以及地震烈度的增大有所降低,但影响幅度不大。得出的结论可为大跨度蛋形无衬砌隧道的实际施工提供理论基础,并为定量分析大跨度有衬砌黄土隧道的地震反应提供参考。

回采巷道围岩结构与裂隙分布特征及锚杆支护机理研究

通过对西山、汾西、霍州等矿区 9个煤矿 2 1个煤层的调查统计 ,将回采巷道顶板按岩性与层次结构特征分为多层薄层顶板、复合顶板、厚层整体顶板和厚煤层顶板 4种类型 .针对不同围岩结构 ,通过相似材料模型试验 ,研究了巷道在无支护和锚杆支护条件下的变形破坏规律 ,指出了不同围岩结构的巷道支护重点 。

地震作用下无衬砌黄土隧道围岩结构安全系数的计算探讨

为了得到无衬砌黄土隧道围岩结构在地震作用下的安全系数,借助有限元软件ANSYS,首先采用水平地震作用下的动力分析模型进行模态分析,得到质量阻尼系数和刚度阻尼系数;其次,输入地震波进行动力时程分析,得到模型顶点的最大水平位移;最后,采用静力分析模型,并考虑自重和左右边界上顶点水平位移最大时的侧向边界节点水平位移,通过不断折减围岩土体的抗剪强度参数,即黏聚力c和内摩擦角?,直到计算不收敛为止,从而得到无衬砌黄土隧道在地震作用下的安全系数。数值算例表明:所采用的方法是可行的,地震作用会使得围岩结构的安全系数降低,从而为以后黄土隧道围岩结构在地震作用下安全系数的计算及其工程应用提供了理论依据。

曲墙式土体隧道围岩结构的爆炸动力响应

为了找出爆炸动力作用下的力学规律、隧道围岩结构的薄弱部位和最容易失效的单元,通过建立土体隧道动力分析有限元整体模型,综合考虑非线性动力方程的求解方法、材料模型的选取、爆炸冲击波的输入方法和收敛性及流固耦合效应的实现因素,利用显式动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,探讨了土体隧道围岩结构在爆炸作用下不同单元的时间历程曲线,分析了爆炸作用下土体隧道围岩结构的动力响应问题,从而为隧道的抗爆设防设计提供参考依据。

地下工程软弱岩体围岩结构的地震探测技术

控制地下工程软弱岩体特征的一个重要前提是围岩工程地质条件评价以及围岩的地质结构的定量认识,而目前软岩巷道支护难的主要原因是对巷道工程地质条件和围岩结构认识不清、支护对象不明确。基于以上分析,本文以显德汪矿主运输巷道为试验研究对象,采用地震技术对软弱岩体围岩结构进行了全断面探测,实现了岩体结构的空间定位和精确探测,进而为支护形式和支护参数的选择提供了直观可靠的工程地质依据。

围岩结构面发育程度参数的图像处理技术研究

基于图像处理技术的围岩结构面发育程度参数测量方法,是一种不同于传统测量的新方法,该方法由图像测定、图像处理、图像解析三部分组成,以普通非量测数码相机为主要工具,依托计算机进行图像信息处理,可以快速获取隧道施工掌子面围岩结构面发育程度参数信息。对这一新方法进行了较全面系统的研究,并研发了相应的处理软件,实现了该方法的自动化与智能化。通过对现场实拍的典型围岩图像进行实验分析比较,该方法在精度和效率方面都取得了较好的效果,开辟了一条围岩结构面发育程度参数调查测量方法的新途径。

直墙式黄土隧道围岩结构的地震动稳定性分析——底脚处应力集中对安全系数的影响

为了验证直墙式黄土隧道(洞)底脚处应力集中现象对围岩结构安全系数的影响,本文根据静力和动力分析模型,应用抗剪强度折减法和ANSYS软件,在现有研究的基础上,分析了底脚为直角时重力和地震作用下塑性区和安全系数的变化规律,并通过数值算例,研究了底脚为不同半径圆弧时围岩结构安全系数的变化情况。结果表明:在重力作用下塑性区最先出现在底脚偏上,直角的应力集中现象对围岩结构安全系数没有影响,地震作用下塑性区虽然最先出现在底脚处,但安全系数的降低并非底脚处应力集中现象的影响,从而为以后工程结构中直墙式隧道(洞)的成型和工程应用提供了理论依据。

沿空留巷围岩结构模型的建立及其稳定性分析

综合考虑沿空留巷围岩变形、采场覆岩运动规律及巷旁支护结构的特点,将沿空留巷顶板结构简化为采空区矸石、巷旁充填体及巷帮煤体共同作用的弹性力学模型,计算了该条件下的支护反力,利用控制变量的方法分析了影响支护反力的主要因素是充填体宽度和充填体弹性模量,得出了巷旁充填体压缩量计算公式。在此基础上,通过UDEC数值模拟方法,模拟了沿空留巷顶板关键岩块在弹性支撑条件下的应力状态,分别得出了充填体宽度及弹性模量与顶板下沉量的关系。

半煤岩巷围岩结构稳定性的数值模拟研究

针对半煤岩巷围岩结构特征研究其稳定性特点 ,得出了半煤岩巷不同围岩结构条件下的应力状态和变形特征 ,即围岩应力集中程度及其位置。

煤巷顶板围岩结构承载能力弱化分析

为了揭示煤巷顶板围岩承载能力的弱化机理,结合已有的研究成果,建立巷道顶板三向承载梁结构承载弹塑流弱化分析模型,确定三向承载梁结构承载状态的分析方法,提出用围岩塑性区深度、宽度、长度作为评价巷道围岩承载的弱化分析指标,研究围岩性质、支护强度、采动应用等诱导因子对煤巷顶板结构承载能力弱化分析指标的影响规律。研究结果表明:随着围岩强度的提高、支护强度的增加、扰动应力的减小,弱化分析指标呈似线性减小的变化规律,且减幅由大到小排序为塑性区长度Sy,宽度Sx和深度Sz,同时提高围岩强度、支护强度,减小采动作用应力,煤巷顶板弱化分析指标的减小程度显著高于单因子的改善。

控制软岩层对采准巷道围岩结构稳定的作用

通过计算比较不同控制方案对采煤准备巷道不同围岩结构稳定性的影响，经现场实例验证，得出了比较合理的软弱围岩结构控制对策，确定出了合理控制技术的理想控制程度，打破了以往为了易于实现而均匀支护巷道围岩的陈旧观念，是指导现场实践的有效方法．

地下硐室围岩结构稳定性特点研究

采用数值模拟方法建立地下硐室模型，研究围岩结构稳定性特点，通过先进物探手段（探地雷达）实测结果的验证，得出地下硐室围岩塑性区的形成具有严格的时间性和一致的规律性，且围岩破碎区发育具有结构特点。