软硬复合煤层厚度比对卸荷破坏的控制作用

在煤炭开采和煤层气抽采相关工程中,软硬复合煤层的卸荷破坏问题是围岩支护和煤层增透改造所面临的共性问题。为了探求复合煤层卸荷过程中的力学特性及破坏过程中的能量演化规律,基于能量耗散方程及煤岩损伤模型,采用PFC数值模拟和室内试验相结合的方法,研究了新田煤矿4^(#)煤层复合煤层在不同软分层厚度比下的煤体变形破坏方式、力学特性及能量耗散和声发射规律,最终得到新田煤矿4^(#)软硬复合煤层厚度比对卸荷破坏控制规律;并在现场利用水力冲孔加以验证。结果表明:在三轴压缩下,不同厚度比对复合煤体变形破坏方式的作用表现在主裂纹的转移、剪切拉伸裂纹数量变化、剪切面卸荷破裂带变化上;复合煤体的应力-应变曲线以厚度比0.45(软分层厚度/复合煤层厚度)为分界点,产生“阶梯式”的平缓与剧烈变化,并与围压大小相关联;复合煤体卸荷破坏的本质是颗粒间黏结键的断裂,厚度比对耗散能的大小以及煤体颗粒间黏结键的断裂产生积极作用;且现场水力冲孔的结果与模拟结论呼应。

挤压大变形软岩隧道双层初期支护最优施工方案研究

为应对高地应力软岩隧道挤压大变形问题,开展双层初期支护的支护时机与厚度比研究,以期得到最优化双层初期支护施工方案。首先对大亮山隧道单层初期支护出现的变形侵限、喷射混凝土开裂和钢拱架扭曲等灾害进行描述分析,再针对双层支护方案,利用数值模拟方法对双层初期支护的不同支护时机与厚度比进行对比分析。结果表明:适当降低第1层初期支护厚度与增大第2层初期支护滞后进尺可以充分释放围岩的变形压力;当第1层初期支护厚度较小时,第2层初期支护滞后进尺为控制围岩变形收敛的主要因素,第2层初期支护滞后时间较长时,双层初期支护结构厚度比为控制围岩变形收敛的主要因素;采用双层初期支护厚度比为1.0,第2层初期支护滞后2个开挖进尺的支护方案既可以释放围岩压力,也能有效控制变形收敛,保障隧道安全掘进。

软硬互层岩体力学特性及破坏形态的室内试验研究

软硬互层岩体是煤矿开采过程中常常遇到的不良地质,其构造的特殊性导致安全事故频发。为研究软硬互层岩体的力学特性及破坏机制,通过自制不同岩层倾角,不同层厚比的软硬互层岩体,采用室内岩石力学试验方法,得到:(1)软硬互层岩体的破坏从硬层开始,再逐步扩展到软层。单轴条件下,软层抑制裂隙扩展的能力随软层厚度的增加递增,但会引起峰值强度的下降;三轴条件下,随着软层厚度的增加,软层抑制裂隙扩展的能力先增加后降低,峰值强度呈倒"V"的规律、黏聚力显著下降,内摩擦角保持稳定。(2)单轴条件下,0°与30°试样均有应力跌落现象,不同的是30°下的应力应变曲线在应力跌落过后还有一段上升期,延性破坏特征更明显;三轴条件下,0°的岩体具有明显的峰后软化特征,而30°的岩体则不明显,多数为硬化流动破坏。随着软层厚度的增加,应变软化程度先增加后降低。(3)围压对软层、硬层的膨胀变形约束效果不同,容易引起软硬互层岩体的剪切破坏;随着围压的增加,峰后应力随应变的降低速率逐渐变缓、应变软化程度逐渐减弱、延性增大,软硬互层岩体峰值强度、峰值应变、弹性模量增大。(4)岩层存在倾角时,软弱互层连接处的敏感性增强,试件更容易产生贯穿裂隙;一定范围内的岩层倾角会弱化软硬互层岩体的力学性能,导致软硬互层岩体的弹性模量、峰值强度、内摩擦角下降。

重庆市涪陵区厚层软硬相间岩体失稳模式

重庆市涪陵区厚层软硬相间公路高边坡的详细调查发现,不同的岩层产状,不同开挖方向其斜坡变形破坏模式不同。本文根据野外实例总结了不同岩层产状与开挖方向对应的破坏模式,平缓层状斜坡破坏方式有滑塌式崩塌、倾倒式崩塌和坠落式崩塌;中倾角层状斜坡破坏方式有顺层滑移和崩塌;高陡倾角层状斜坡坡破坏方式有滑移式崩塌和坠落式崩塌。表明斜坡变形破坏地质力学模式与斜坡岩体结构之间存在着密切的成生联系。通过对不同倾角的斜坡岩体破坏方式研究,可以达到系统评价预测斜坡稳定性的目的;通过公路开挖对不同产状岩层可能造成灾害的预期,可以采用不同的预防措施,避免大型灾害的发生。

上软下硬地层浅埋暗挖隧道覆跨比研究

从强度要求和变形要求两方面分析了具有明显刚度差异地层中浅埋暗挖隧道的覆跨比影响因素。以青岛地铁某车站为例,运用有限元分析方法研究了覆跨比与地表位移的关系,并分析了不同覆跨比下的开挖稳定性。研究表明地层条件是浅埋暗挖地铁车站覆跨比的决定因素;在"微风化～强风化"花岗岩地层中,极限覆跨比不应小于0.419;加固区等效变形模量是影响浅埋暗挖车站开挖环境变形的主要因素。

上软下硬地层暗挖地铁隧道合理岩跨比探讨及实例分析

岩跨比选择是上软下硬地层地铁隧道规划设计中的关键技术问题之一,文章在对上覆软弱地层厚度、隧道跨度和下卧围岩质量进行深入分析的基础上,采用经验公式与数值计算相结合的方法,对地铁隧道合理岩跨比进行了综合探讨,并结合工程实例进行了验证分析。结果表明：地铁隧道合理岩跨比受上覆软弱地层厚度影响较小,受隧道跨度和下卧岩层质量影响较大;隧道跨度越大、岩层质量越好,合理岩跨比值越小;将0.27-0.3和0.5-0.6作为青岛微风化岩层大跨地铁车站隧道和中风化岩层塔柱式地铁车站隧道合理岩跨比范围有可靠理论依据。

不同厚度比复合地层人工制样三轴压缩实验及数值模拟结果对比

复合地层强度和变形特征与软硬岩层厚度比关系如何?选取合适的物理模型材料,采用人工浇筑方式制取复合地层模型样品。对不同厚度比复合地层样品开展一定围压条件下的三轴压缩力学试验,观测其应力-应变特征、裂纹变形扩展规律等力学性质。利用模型样品试验得到力学参数结果,设置Flac3D数值模拟参数值,然后按相同围压(15 MPa)下的复合地层设计方案开展数值模拟分析。与物理模型样品的室内力学试验结果进行对比发现,若不考虑结构面等因素,深部复合地层的力学性质由占多数比例的岩性所决定。随轴向应变增加,瞬时杨氏模量最初呈迅速下降状态,然后下降速度趋缓,直到最后趋近于一个恒定值1~2 GPa。泊松比变化曲线较复杂,反映不同厚度比复合地层的侧向应变与微破裂发展两者呈一定的正相关,且后者显现较明显。

基于FLAC^(3D)对含软硬岩互层边坡的变形分析

以南京地区采矿形成的边坡为背景,研究含有硬岩的软硬岩互层边坡的稳定性。运用FLAC^(3D)基于有限元强度折减法,模拟不同硬岩岩层的倾角和厚度对顺向坡和反向坡变形的影响,分析对比上述因素对边坡变形影响的大小。研究结果表明,顺向坡中硬岩的倾角越大,厚度越大,变形越小,并且变形有趋于稳定的趋势;反向坡中硬岩的倾角越大,厚度越大,变形先减小后增大,说明上述因素越大,反向坡越容易产生倾倒变形。

厚径比对高阻尼橡胶材料的缓冲吸能特性实验

为减少深部强扰动诱发的岩石冒落、岩爆等动力灾害,将具有良好防冲和吸能特性的高阻尼橡胶材料应用于拟研发的新型小应变吸能锚杆中.为系统评价厚径比对高阻尼橡胶材料缓冲吸能的影响,采用落锤冲击系统和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对不同厚径比的高阻尼橡胶试样和“橡胶-花岗岩”组合试样进行冲击实验.落锤实验结果表明,相同冲击条件下,随着厚径比增大材料的动力响应呈幂函数趋势递减,且当厚径比大于0.6时材料动力响应变化幅度趋于平稳.同时,在同落距的6次单独重复冲击中,材料每次动力响应峰值与第一次动力响应相比其改变幅值均在15%以内;SHPB冲击结果表明,材料在厚径比0.3处取得最大吸能率为0.336.在相同气压冲击下,“橡胶-花岗岩”组合试样的花岗岩分形维数(D)随着厚径比增大呈幂函数递减,在厚径比大于0.3时D值趋于平稳,变化幅值较小.

厚硬顶板缓倾斜软煤层巷道围岩变形机制及控制

针对厚硬顶板缓倾斜软煤层巷道围岩变形破坏严重、支护作用效果差的难题,采用现场实测、力学建模、数值模拟及井下工业性试验相结合的方法,掌握了厚硬顶板缓倾斜软煤层巷道围岩变形破坏特征,揭示了巷道围岩变形破坏机制,分析了不同因素影响下巷道围岩的塑性区变化规律,提出了“底板锚杆孔扩孔灌浆+帮部注浆+非对称锚网索支护”的联合治理方案。研究表明:此类巷道围岩变形破坏明显不对称,并得出了此类巷道围岩易发生变形破坏的大致位置;增大坚硬顶板厚度与增大煤帮C(φ)值可有效减小巷道围岩不对称变形破坏范围;“底板锚杆孔扩孔灌浆+帮部注浆+非对称锚杆(索)支护”的联合治理方案可有效控制此类巷道围岩变形。

软岩矿区近距离厚煤层群上行开采可行性研究

以灵东煤矿Ⅱ2-1煤层、Ⅱ2-2煤层和Ⅱ3煤层为研究对象,采用FLAC 3D有限元软件进行模拟,研究在开采Ⅱ2-1煤层完毕,Ⅱ2-1煤层顶板全部破坏稳定后,Ⅱ3煤层开挖对Ⅱ2-2煤层底板的影响及Ⅱ2-1煤层受扰动后对Ⅱ2-2煤层顶板的二次影响。模拟结果表明:Ⅱ3煤层开采对Ⅱ2-2煤层无直接破坏影响,但Ⅱ2-1煤层与Ⅱ3煤层工作面两侧,煤柱产生的应力集中区对Ⅱ2-2煤层的安全生产有一定程度的影响。最后采用比值判别法和“三带”判别法对Ⅱ2-2煤层上行开采的可行性进行判定,结果显示:Ⅱ3煤层开采后,Ⅱ3煤层与Ⅱ2-2煤层的层间距能满足Ⅱ2-2煤层上行开采的要求,其对保障Ⅱ2-2煤层工作面安全高效开采具有重要意义,同时对该矿今后采面的上行开采工作具有有效的指导意义。

高地应力软岩隧道双层初期支护围岩变形特征

为控制高地应力软岩隧道围岩变形,优化双层初期支护结构,以宁缠隧道为工程背景,通过数值模拟方法分析隧道在双层初期支护不同厚度组合和第二层支护不同施作时机下的变形情况,结合现场监测数据分析单、双层初期支护围岩变形特征,验证数值模拟的准确性。结果表明:在第一层初期支护层厚不大于0.04倍隧道跨径时,增大第一层初期支护厚度对控制隧道拱顶和拱腰变形均有较好的效果,但随着厚度增大,控制效果增强幅度逐渐减弱。第一、二层初期支护厚度比为0.8~2.7时,围岩变形量与厚度比符合指数函数关系。拱腰收敛比拱顶沉降对第二层初期支护施作时机更为敏感。第一、二层支护厚度分别取35 cm和20 cm能较好控制围岩变形,并保证现场的可操作性。下台阶开挖完成前属于围岩应力释放的集中期,开挖卸荷影响占变形主导地位;施作二次衬砌后,围岩流变占变形主导地位。

厚层硬岩采动斜坡溃屈破坏规律研究

厚层硬岩采动斜坡受结构面切割形成的块体高径比控制,可能发生整体倾倒、剪切滑移或底部溃屈进而产生大规模崩塌。但块体高径比对厚层硬岩采动斜坡破坏规律的影响仍不清楚。本文以贵州省纳雍县张家湾镇普洒村崩塌为原型,采用离散元方法研究了块体高径比对厚层硬岩采动斜坡变形破坏规律的影响,结果表明:岩体高径比为2∶1时,厚层硬岩采动斜坡宏观变形现象以裂缝发育为主;岩体高径比大于3∶1时,斜坡以坡脚溃屈-坡顶崩塌的模式发生破坏,高径比大于4∶1时崩塌规模明显增大。最后提出了破坏面水平深度与岩体高径比的关系式用于预测破坏面位置。所得结果为柱状岩体发育的厚层硬岩采动斜坡破坏模式分析提供依据,也可用于该类采动斜坡最大崩塌规模的预测。

软硬互层岩体变形破坏机制物理模拟试验研究

为研究软硬互层结构层状岩体的变形破坏与拉-剪断裂机制,采用物理相似模拟手段预制不同层面倾角和软硬层厚比的试样,进行单轴压缩试验,并对试验应力-应变曲线和试样表面裂纹进行分析,得到以下结论:(1)单轴压缩下试样峰值强度和杨氏模量,随层理面倾角β的增加先减小后增大,随软硬层厚比k的增加有降低趋势。(2)由于沿层面的局部剪切滑移,倾角为30°~45°试样的应力-应变曲线在加载初期有一个明显的应力突降点,这是软硬互层岩体应力-应变曲线一个独有的多峰型特征。另外相比于已有层状岩体破坏模式,发现一种软层压碎、硬层穿层拉破坏的新模式。(3)采用表面裂纹图像提取方法,首次给出在层面倾角β和软硬层厚比k控制下,试样表面裂纹特征演化的玫瑰花分布图。同时研究拉、剪断裂的破坏机制和裂纹的分布占比以及对试样破坏模式的影响规律。研究得出,层面倾角β控制裂纹的扩展方向;软硬层厚比k决定拉、剪破坏的占比。沿层面的剪切滑移、硬层中的拉伸断裂以及软层中的压碎破坏,是导致试样变形破坏的3个主要因素。当层理面倾角β在30°~45°附近时,层面发生剪切滑移,剪裂纹增多。当层理面倾角在0°和90°附近时,试样在穿层或沿层方向发生拉伸破坏,剪裂纹减少。

岩层厚度对砂泥岩水平互层岩体力学特性的影响

该文针对砂泥岩水平互层岩体,基于FLAC3D数值分析方法,分别采用层厚比(泥岩层厚与砂岩层厚之比)与岩层密度(一定岩体厚度范围内的岩层数)表征砂泥岩水平互层岩体的相对岩层厚度和绝对岩层厚度,分析了不同岩层厚度对砂泥岩水平互层岩体的单轴抗压强度及变形特征的影响。研究表明:砂泥岩水平互层岩体的层厚比以0.75为界限,当层厚比小于0.75时,砂泥岩水平互层岩体的单轴抗压强度随层厚比的增加而大幅减小,随岩层密度的增加大幅增加。因此,实际工程中应综合考虑层厚比及岩层密度两种因素对岩体强度的影响进行取值;当层厚比大于0.75时,砂泥岩水平互层岩体的单轴抗压强度随层厚比的增加稍有减小,随岩层密度的增加稍有增加,但总体上趋于稳定,并接近于泥岩的抗压强度,因此,实际工程中可按泥岩的抗压强度进行取值。

上软下硬地层地铁隧道安全覆岩厚度研究

上软下硬土岩复合地层地铁隧道拱顶以上覆岩厚度对围岩自稳起关键控制作用,然而目前关于隧道安全覆岩厚度及其一般规律尚无统一的认识和标准。基于此,文章首先采用有限元强度折减法对不同软弱地层厚度H_(s)和开挖跨度D下的地铁隧道安全覆岩厚度进行研究,得到了地铁隧道临界安全覆岩厚度H_(rcv)与软弱地层厚度Hs间的数学拟合方程,并绘制了临界安全覆岩厚度、软弱地层厚度与开挖跨度“H_(rcv)-H_(s)-D”三维空间分布图;然后通过对青岛地铁隧道施工过程监测数据进行统计分析,验证了隧道围岩自稳性及对周边环境影响的程度与安全覆岩厚度具有良好的相关性。