开挖扰动下高应力岩体的能量演化与应力重分布规律研究

为揭示深部灾害发生机理,探讨各因素对开挖扰动效应的影响机制,利用离散元PFC软件建立不同原岩应力状态及不同开挖断面下的开挖模型。通过显式计算得到不同情形下高应力岩体在开挖扰动中的动能释放曲线,并以曲线峰值及最终稳定值,分别作为评判开挖扰动程度及开挖系统稳定性的能量指标,利用该组指标分析表明在原岩应力接近静水压力状态、采用圆形断面开挖时扰动效应最小;通过进一步分析,得到不同开挖断面及不同原岩应力状态下高应力岩体应力重分布的一般规律,并以开挖卸载的角度重视应力重分布这一过程,最终揭示了原岩应力状态及开挖断面几何形态对应力重分布的影响机制。

基于裂纹扩展模型的深部硐室围岩致裂规律

根据岩体的非均匀性和存在初始裂纹的特征,在二维有限差分程序中建立了非均质体二维模型,并在模型中考虑初始裂纹的影响,利用程序中的自带编译语言,实现了服从不同分布的初始裂纹的长度和角度的赋值。在模型中,利用亚临界裂纹扩展理论描述与时间相关的裂纹亚临界扩展过程,计算过程可体现裂纹扩展的时间效应,从而实现对所模拟结构的寿命预测。模型中裂纹的扩展方式假定为形成翼型裂纹的形式,利用翼型裂纹的简化模型对裂纹的扩展尺寸,应力强度因子等参数进行计算。在每一计算步中,每个单元中的裂纹扩展方向与该时刻单元所受应力情况相关,应力强度因子与该单元所受应力大小及翼型裂纹简化长度相关。利用该模型对高地应力条件下孔洞开挖卸荷导致围岩破坏的过程进行模拟,分析了深部岩体开挖导致的围岩破坏规律,对不同的孔洞形状和初始裂纹的分布情况分别进行了分析,计算结果显示了非连续破裂的形成与初始裂纹角度分布的关系:分区破裂的表现形态与初始裂纹和最大压应力的夹角相关,并且不同初始裂纹角度均值也会导致围岩破裂时间不同。通过建立的多种孔洞形状开挖模型,对不同孔洞形状围岩破裂形态及破坏时间的规律进行总结,发现相同计算步数内方形孔洞周边围岩处破坏单元数量最多,圆形孔洞周边围岩破坏单元数量最少。研究结果证实了裂纹的分布对孔洞周边围岩破坏形态的影响,对裂纹扩展的时间效应的分析可实现对围岩破坏程度和范围的预测,可为深部高地应力条件下诱导致裂非爆连续开采的实施时间和方式提供指导。

基于强度折减法的露天矿压煤区复合边坡稳定性研究

为实现露天矿煤炭开采效益的最大化,基于强度折减理论,采用FLAC3D有限差分软件建立三维模型,研究了压煤区弱层暴露长度与深部开挖坡角对复合边坡失稳模式与稳定性变化规律影响,确定了复合边坡最优边坡空间形态。结果表明:复合边坡失稳模式与稳定性主要受边弱层暴露长度与深部开挖坡角控制,复合边坡的稳定性在深部开挖坡角大于25°时,随弱层暴露长度的增加呈现明显先减小后趋近水平发展趋势;在弱层暴露长度大于200 m时,随深部开挖坡角的增加而明显减少;应用横采内排压帮开采方式空间效应,优化后边坡形态可提高复合边坡角至16°,深部开挖坡角25°,最大限度采出煤炭612.1万t。

不同卸载速度下含裂隙岩体的卸载响应（英文）

基于深部开挖过程中的应力重分布分析,利用离散元方法(DEM)对卸载过程进行模拟,揭示卸载条件下卸载速度和裂隙倾角对含裂隙岩体的强度和裂纹特性的影响。结果表明:随着卸载周期的增大,含裂隙岩体的卸载破坏强度呈幂函数增大。同时,结合缺陷上的应力分析发现,含裂隙岩体的卸载破坏强度随着裂隙倾角的增大逐渐增大;卸载条件下含裂隙岩体的裂纹分布主要取决于裂隙倾角,并总结了3种不同的裂隙搭接方式;此外,卸载速度越快,含裂隙岩体的卸载破坏过程越剧烈,岩体内部形成的劈裂裂纹越多。

应力波加载下含梯度应力场岩体的动力响应与破坏特征

深部岩体开挖后,受应力重分布的影响,临空面附近的岩体处于梯度应力状态。为研究含梯度应力场岩体的动态力学响应特征,首先对圆形硐室的梯度应力分布规律进行分析,从理论上推导出梯度应力场岩体在一维应力波作用下的波动方程。通过LS-DYNA程序的隐式-显式连续计算方法,对梯度应力场岩体的动力响应行为进行模拟研究。结果表明,在岩体受压缩应力波和反射拉伸波共同作用下,岩体的损伤主要发生在自由面附近。数值模拟结果表明,更高的应力梯度率以及更小的应力波幅值导致损伤区范围更小。然而,在较小的梯度应力场以及较强的应力波加载下,岩体损伤更严重,范围更广,并且会产生非连续破坏的现象。