锚杆钢-木组合托盘极限承载力学性能研究

为降低动压冲击对支护系统的破坏,适应大变形巷道的需要;基于球壳结构理论构建锚杆拱形钢托盘承载力学模型,给出钢托盘最大承载力计算式,分析钢托盘各参数尺寸对其承载力的影响关系,研究木托盘压缩实验特征;通过Abaqus软件对钢托盘与组合托盘开展有限元静态力学强度实验,对比分析钢托盘与组合托盘受压状态下的不同特征,分析让压距离对组合托盘承载性能的影响规律。结果表明:对钢托盘承载力的影响顺序为拱高>拱底圆半径>孔口半径,拱高与承载力服从对数增加关系,拱底圆半径、孔口半径与托盘承载力基本成线性增加关系;钢-木组合托盘中木托盘先受力,并经历了压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,木托盘被压缩可降低钢托盘30.03%的承载受力,组合托盘的应力-位移曲线右移,组合托盘的极限承载力增加;钢托盘受压破坏从孔口处开始,基本成圆形向四周扩展,托盘底部四边中间区域与四角区域形成的高应力差是导致托盘四角破坏的主要原因。

基于加权隶属度矩阵的岩体质量优化分级及支护研究

巷道围岩质量分级是巷道围岩稳定性分析、合理支护设计与施工的基础。提高分级结果的准确性,是提升支护效果和巷道围岩稳定性的关键途径。以RMR法为基础,以某一测点的分级因素指标值为例,构建RMR法各分级指标的隶属度矩阵,再结合熵值法确定分级指标的权重,得到加权隶属度矩阵,构造优化后的评分公式,进行指标优化评分和围岩质量分级,然后根据围岩质量分级结果及松动圈监测结果设计支护参数,利用FLAC3D进行模拟计算以巷道围岩塑性区体积和顶底板收敛量为评价指标,研究优化前后的支护效果。研究结果表明:经过优化后的指标评分和围岩等级更加准确,巷道支护参数设计更加合理,数值模拟结果显示其能有效地提升围岩的稳定性,并将优化后的支护设计参数应用于工程,取得了良好的效果。研究成果可有效解决巷道围岩分级因素指标值位于分级边界或分级跨度大的问题,为矿山岩体质量分级与支护设计提供参考。

双向极不等压软岩巷道围岩裂隙分布及变形机制

巷道围岩蝶形塑性区破坏是引起巷道围岩大变形的重要原因,近年来引起了巷道支护工作者的高度重视。掌握蝶形塑性区内围岩变形机制是实现软岩巷道围岩控制的基础。然而,有关于蝶形破坏理论中围岩变形机制的研究却鲜有报道。针对上述问题,以南方某矿一采区南运巷产生的大变形特征为研究对象,在分析巷道所处应力环境及地质条件的基础上,对围岩裂隙分布、巷道变形机制及控制方法进行了系统研究。结果表明:南运巷是典型的极不等压软岩巷道,巷道开挖后,围岩裂隙呈“蝶形”分布;“蝶形裂隙区”集中出现在“蝶形塑性区”范围内,蝶叶部位围岩裂隙以剪切裂隙为主,且蝶叶部位剪切裂隙大多围绕巷道呈“环形”分布,而张拉裂隙则集中出现在巷道围岩自由面附近。蝶形塑性区内围岩应力特征主要有2方面:一为围岩的主应力方向发生了偏转,具体表现为最大主应力围绕巷道呈环形分布,巷道上部最小主应力方向指向巷道中心,巷道下部最小主应力方向背离巷道中心;二为围岩最大/最小主应力比值较大,且主应力比值等值线呈“蝶形”分布。根据塑性区内围岩裂隙分布特点及应力特征,建立了含软弱面围岩力学剪胀模型,认为处于此应力特征下的围岩剪胀作用较强,剪胀作用使围岩向巷道空间内挤压,进而使巷道产生大变形。围岩裂隙分布不规则及原支护方案不合理是导致巷道产生大变形的主要原因。基于上述研究,提出了以“全断面预应力短锚索+关键部位长锚索加强支护+注浆”为核心的差异化支护方案,现场监测表明,新支护方案可有效控制围岩变形,保证巷道在使用期间的稳定性。

缓倾斜中厚煤层切顶卸压沿空留巷支护应用

以文家坝一矿110606运输巷沿空留巷为工程背景,采用经验公式计算、数值模拟、工程实践、矿压监测等方法,进行沿空留巷预裂爆破切顶卸压,巷内补强支护方案的设计及应用研究。通过理论分析得到预裂切顶钻孔垂高为7.7 m,孔深为8.0 m时,冒落矸石可将采空区充满,设计详细的巷内补强及采空侧挡矸支护方案。运用FLAC^(3D)数值模拟,研究围岩变形与顶板岩层离层量,结果表明,切顶及巷内补强支护方案可行。工程应用期间进行综合矿压监测,留巷围岩变形量在较低水平,巷道围岩整体稳定,锚索承载能力仍有较大富余,可实现沿空巷道的长期安全稳定,取得较好留巷效果。

基于VBA语言开发的隧洞围岩类别与稳定性分析软件

确定隧洞围岩类别,评价隧洞围岩稳定性,并提出支护建议,是水利水电工程地质勘察和施工地质中经常遇到的工作。目前该工作由地质技术人员对应规范(GB50487-2008)进行人工计算。当隧洞较长,数据较多时,人工计算工作繁琐,且容易出错,影响工作效率和地质判别质量。作者利用VBA语言在Excel中编写隧洞围岩类别与稳定性自动分析软件,通过5种地质要素采集,自动计算围岩总评分,自动判别围岩类别,自动分析围岩稳定性,并相应给出隧洞围岩支护建议,可提高工作效率和成果质量。

基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解

为进行流变围岩圆形隧洞工程应力、应变分析,将Hoek-Brown强度准则引入到西原流变本构模型,同时在力学模型中考虑掌子面推进效应和支护阻力对围岩应力释放率的影响,得到了支护条件下基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解。通过锦屏二级水电站引水隧洞案例验证解析方法的可靠性,并进行了塑性区半径和围岩变形的影响因素定量分析。研究结果表明:(1)基于Hoek-Brown准则的西原模型更能反映实际隧洞工程岩体流变特性,建立的解析方法能够考虑围岩应力释放效应和塑性体积扩容特征对围岩变形的影响,其计算结果与实际监测数据吻合良好;(2)围岩应力释放系数、Hoek-Brown准则参数s、原岩应力和隧洞半径对塑性区半径的影响较大,是判断流变围岩隧洞稳定性的主要考虑指标,相对而言,岩石单轴抗压强度和Hoek-Brown准则参数m对塑性区半径的影响较小;(3)引入围岩扩容系数后,围岩位移量显著增加,但基本不影响围岩流变变形曲线形态和塑性区半径,从洞壁向围岩内部延伸,围岩扩容系数对围岩变形的影响越来越小。

大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理

特厚煤层开采形成的采场空间大,覆岩扰动范围广,采场顶板来压具有明显的大小周期来压及强矿压显现特点。大空间采场覆岩扰动层位多、岩层间作用机制复杂,顶板破断块体间的作用力及方向多变,导致大空间采场覆岩结构理论分析存在较大难度。为从理论上揭示特厚煤层大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理,在实测分析得到大空间采场覆岩结构特征基础上,基于能量变分原理建立了大空间采场覆岩结构力学模型,揭示了大空间采场覆岩结构的矿压作用机制;建立了大空间采场覆岩结构条件下的"煤体-支架"协同承载模型,得到了采场支架围岩的相互作用关系。研究表明,特厚煤层开采形成的大空间采场覆岩具有显著的"低-中-高"层位结构特征,是采场复杂矿压显现的直接诱因,"中-低"位顶板结构失稳形成采场大小周期来压,高位顶板结构的失稳联动是诱发大空间采场强矿压显现的主要因素;覆岩结构的失稳运动还受到采空区矸石支撑、顶板有效位能作用及高位顶板悬长等的制约,是采场来压强弱的重要影响因素;大空间采场条件下"煤体-支架"协同承载,所得理论研究成果与基于实测反演分析得到的支架围岩关系研究结论具有较好的一致性,验证了大空间采场覆岩结构理论的正确性。

城市复杂隧道群中超小净距夹岩稳定性研究

以重庆红岩村处5座隧道组成的隧道群为背景工程,通过数值模拟和室内模型试验的方法,研究隧道群间夹岩的力学行为特征和破坏形态。结果表明:隧道群施工过程中,夹岩的主应力方向会发生偏转且应力集中效应明显,夹岩最薄弱处受剪严重且极易发生剪切破坏;夹岩最不利状态发生在第Ⅲ阶段(三纵线左侧主隧道开挖且未支护阶段);洞群失稳是从夹岩失稳开始的,故夹岩稳定是洞群稳定的关键,及时提供足够的支护反力或对夹岩加固才能够最大限度地保证夹岩的稳定性;模型试验得出的夹岩破坏过程和形式与实际工程中的相似、与理论分析和数值计算的基本吻合,验证了理论分析和数值计算的正确性。

多因素引发的公路隧道偏压效应分析

针对鄂西北某高速公路隧道出口段由地形因素与顺层结构面因素共同引发的偏压问题,运用离散元方法进行数值分析。结果表明:多因素偏压下围岩压力分布极不均匀,表现出大小相间的分布形式,该值较地形因素与顺层结构面因素各自引发偏压下围岩压力之和高37%,偏压侧与非偏压侧围岩压力差值较各单因素偏压之和高23%,初期支护结构内力甚至呈现数量级式增长,三者均表现出多因素偏压下的附加效应。多因素偏压下,初支结构在水平方向表现为扩张变形,而竖直方向上则表现为非偏压侧上升、偏压侧下沉,呈现出顺时针方向旋转的"压旋效应"。在围岩压力分布、初期支护结构内力及变形方面,顺层结构面因素均较地形因素影响显著,表现出控制性作用。

软弱围岩大断面隧道环形开挖预留核心土法相关参数研究

结合湖北省境内某隧道项目,采用三维建模模拟环形开挖预留核心土法在不同核心土长度、台阶长度、进尺深度、衬砌施作时间下围岩变形情况,找出环形开挖预留核心土法各因素对围岩稳定性的影响,获得经济合理的开挖参数。总结了施工关键点,为广大工程技术人员提供参考。

长大深埋水工隧洞设计关键技术研究与实践

在分析我国长大深埋隧洞发展历程及研究现状的基础上,阐述了长大深埋隧洞工程遇到的主要工程地质问题,并结合多年积累的调水工程设计、施工、管理等经验,总结已完工及在建的高埋深长隧洞遇到的实际情况,针对突涌水、突泥和涌砂、岩爆、围岩大变形、高地温、高地应力、高外水等多种极为复杂的工程地质问题进行了分析和探讨。结果表明:在长大深埋隧洞设计前期,结合工程主要地质问题进行TBM设备选型至关重要;设计及施工过程中采用数值模拟、试验研究、超前地质预报、现场监测等手段,对高外水、软岩大变形、岩爆、高地温等不良地质洞段进行分析研究并动态调整设计;不良地质条件掘进易采用三低(低推力、低转速、低贯入度)、一快(快速掘进)、一连续(掘进)、宁慢勿停的掘进原则,可以避免国内外类似工程灾难性的后果发生。

采场底板突水的跨层应力壳力学模型

利用实验室大型非线性三维计算机数值模拟对煤层底板应力分布特征进行了深入研究,发现采场底板存在由集中应力形成的跨层应力壳,应力壳是承载上覆岩体压力的临时结构,壳基是椭球应力壳应力较集中的区域,椭球应力壳的形态及应力集中情况与采场结构有关。根据数值模拟试验得出了应力壳的形态方程,分析了跨层应力壳壳基、壳肩及壳顶的失稳模式,指出壳肩处经历联合破断,底板的最大破断深度则处于壳肩的位置,当壳肩达到最大破坏深度,采动裂隙和原始导升裂隙贯通,此时则容易形成突水;壳顶则随着高度的不断发展,跨层应力壳形成一个处于半封闭状态的半壳结构,此时采动裂隙导通煤层底板含水层,从而形成突水。

基于断层弱化法特大断面巷道围岩稳定性研究

以断层破碎带某特大断面巷道为研究对象,运用FLAC3D数值模拟软件基于断层弱化法研究断层对特大断面巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明:在断层参数取值范围内,容重和抗拉强度对模拟结果几乎没有影响,体积模量和剪切模量对模拟结果的影响较大。特大断面巷道与断层的距离小于1.5倍洞径时,断层对其稳定性影响较大,特大断面巷道位于断层下盘0.5倍洞径时,顶板沉降最大,为-11.297mm;位于断层上盘0.5倍洞径时,底板鼓起最大,为12.929mm。

软岩隧道围岩变形力学特征及其控制技术研究

随着铁路、公路隧道的不断发展,穿越高地应力的隧道也不断出现,研究探讨高地应力条件下软岩隧道的变形力学特征及其控制技术有重要的现实意义。以乌鞘岭隧道深层地段围岩产生大变形的特点,结合乌鞘岭隧道岭脊地段千枚岩地层的设计施工,在现场选择一试验段,对初支内力、初支和围岩接触压力和边墙收敛进行现场试验,通过实验数据分析总结了高地应力条件下软岩隧道围岩的变形力学特征,并提出其相应的控制技术,为以后类似工程的设计施工,提供参考。

深切割地形浅埋偏压隧道围岩压力的计算方法

公路隧道设计规范给出了浅埋偏压隧道围岩压力的计算方法,但有其适用条件。以规范方法为基础,首先推导出采用规范方法需满足的临界边缘宽度;然后通过假定挡土墙模型,推导出深切割地形浅埋偏压隧道浅埋侧侧压力的解析解;最后以张涿高速公路李家堡隧道为工程依托,结合现场围岩压力量测,将方法与规范方法的计算结果进行对比,发现方法比规范方法更接近实际。研究结果为类似工程的设计及施工提供参考价值,对现行规范进行有益的补充。

火成岩侵入特厚煤层巷道支护技术研究

针对大同矿区石炭系火成岩侵入特厚煤层大断面巷道稳定控制难题,分析巷道围岩变形破坏特征,并提出相应的控制方法。现场煤岩体原位强度测试以及巷道变形观测分析表明,受火成岩侵入后,煤体硅化易碎,黏聚力和内摩擦角显著减小,火成岩侵入特厚煤层巷道围岩表现出结构性流变特性。基于此,提出了高预应力让压支护技术,并在塔山矿二盘区回采巷道开展了工程应用,能有效控制了火成岩侵入特厚煤层巷道围岩的结构性流变。

矿区隧道开挖变形及其对采区岩体稳定的影响

结合矿区高速公路大断面隧道软弱围岩段的施工特点,探讨了隧道施工过程中不同施工方法对围岩稳定性的影响,同时对开挖引起的岩体变形特性及其对矿区山体稳定性影响进行了具体的分析。

钱营孜煤矿沿空掘巷围岩控制技术研究

钱营孜煤矿W3214工作面运输平巷为沿W3212工作面采空区掘进的沿空巷道,为了控制沿空巷道围岩的剧烈变形,研究了围岩控制技术。根据沿空掘巷围岩控制原理,并针对W3214工作面运输平巷具体的工程地质条件,提出高强度高预紧力锚网索支护技术方案。现场实践表明高强度高预紧力锚网索支护体系能有效控制沿空掘巷围岩的稳定性。

隧洞围岩力学参数综合估算方法的应用研究

针对目前隧洞围岩力学参数估算方法缺少横向对比的缺憾,本文推荐采用力学参数综合估算方法对待评区围岩进行参数估算。首先对目前常用的行业规范法、拟合公式法、经验准则法等力学参数估算法进行了详细归纳、汇总,并指出各自在应用中需注意的问题、确定方法等,藉此,以某水利水电隧洞0+105 m^0+132 m段为研究对象,基于现场围岩结构特征素描结果进行围岩质量评价,进而实现应用行业规范法、拟合公式法、经验准则法对待评围岩力学参数的估算,并应用横向关联对照分析方法推荐了力学参数的取值结果。经与原位测试与室内试验结果推荐值对比发现,本文采用的力学参数综合估算方法结果与其取值大小、范围均较吻合,验证了该方法的合理性。对于隧洞围岩力学参数的快速、准确估算具有一定借鉴意义。

回坡底煤矿回采巷道围岩破坏规律及支护技术

为探究矿井综采工作面回采对巷道围岩的破坏规律,以回坡底煤矿11-105综采工作面为工程背景,通过采用FLAC^(3D)软件对工作面掘进、回采阶段的巷道围岩破坏规律进行了数值模拟研究。结果表明:巷道掘进完毕后围岩整体处于稳定状态,围岩破坏不明显,随着工作面推进距离的增加,回采巷道所受的垂直应力由11.67 MPa增加至23.33 MPa,两帮移近量及顶板下沉量分别高达564,242 mm,围岩稳定性较差。根据上述对巷道围岩破坏规律的分析,采用超前支护方式对11-105工作面的11-1051、11-1052巷道进行了处理,并讨论了具体的支护工艺实施方案及支护参数取值,对于类似条件下工作面巷道围岩稳定性控制有一定的借鉴价值。