THE THEORY OF SUPPORTING BROKEN ZONE IN SURROUNDING ROCK

The first topic discussed in this paper is to evaluate the present supporting theories,among which the typical two are collapse arch and elasto-plastic theories. The former is rather limited in practical application,and the latter is built up on some assumptions which is inconsis-tent with the reality,for it is of no need to support a roadway of which the surrounding rock is in elasto-plastic state. The second topic is to prove the objective existence of the broken zone in surrounding rock(BZSR) by a series of laboratory experiments and field measurements. The paper indicates that the object to be supported mainly is the bulking or expanding force resulted from the development of BZSR. This is remarkably different from the existing points of view which have been generally recognized nowadays. So far ,this theory has been tested in supporting more than ten thousand meters roadways located in various strata and has proved itself to have a great technoeconomical benefit.

复杂破碎巷道支护难度分级方法研究与应用

为解决复杂破碎巷道支护方式选取缺乏定量化方法和标准、支护效果不稳定等难题,以金川三矿区为例,基于灾变耦合原理得到巷道变形破坏耦合路径,选取岩石强度应力比、矿岩破碎系数及岩体结构等级作为巷道支护难度评价指标,利用改进的LEC分级评价方法提出了巷道支护难度分级方法,将支护难度划分为Ⅰ~Ⅳ级。根据所提支护难度分级方法对该矿1 438 m分段进行了快速分级,并依据不同分级结果采取了对应的支护策略,支护效果良好。研究表明:所提巷道支护难度分级方法能够快速实现复杂破碎巷道支护级别分类,具有较高可靠性,为实现巷道安全、经济支护目标提供了技术支撑。

顶强帮弱半煤岩巷道围岩变形特性及控制对策

针对“顶强帮弱”半煤岩巷道巷帮围岩塑性破坏范围大、锚杆支护强度不足等围岩控制难题,以某矿8#煤层回采巷道为工程背景,在围岩力学性能测试、钻孔可视化观测及声波法实测巷帮不同高度松动圈的基础上,对该类巷道围岩的力学及宏观变形特征进行了研究,得出巷帮煤层既是影响巷道整体稳定的“短板”,又是支护的“关键”。建立数值模型分析了“顶强帮弱”半煤岩巷道围岩受采动影响的变形特征、应力分布规律及承载特性,提出了强化帮部薄弱部位的围岩控制对策,并进行了工业性试验。结果表明:对“顶强帮弱”半煤岩巷道帮部煤层采用“锚杆+斜拉穿层锚索+强护表构件”的支护对策可使其处于三向压缩受力状态,约束其向巷道内挤出变形,发挥封闭及主动促稳作用。

基于关键块体的井巷围岩稳定性分析及支护研究

为了进一步研究关键块体对巷道围岩稳定性的影响及通过关键块体分析进行支护措施的设计。以蒙库铁矿地下开采某一巷道为研究对象,通过工程地质调查与现场测试工作,对围岩节理裂隙统计与分段,并进行岩块强度试验和岩体的波速测试,获得了岩体完整性参数,依据此进行了详细的岩体工程分级,给出不同岩体的分级力学参数,再通过Unwedge进行关键块体分析,对不稳定岩块进行划定,确定了锚喷支护的参数及重点支护位置,然后采用有限元软件模拟开挖过程并分析了开挖过程中围岩及支护的应力应变变化情况,最后进行现场采动应力的监测与分析。研究结果表明:经过关键块体分析,更准确地辨别出可能导致巷道失稳的不稳定岩块,针对关键块体分析结果提出稳定性支护措施,并应用于现场,进行采动应力监测与分析,取得了良好的效果。研究结果在一定程度上为围岩稳定性分析及支护设计提供了可靠依据。

浅埋软弱围岩巷道支护技术研究

巷道支护对煤矿井下安全生产意义重大,传统的锚杆锚索支护技术对浅埋软岩巷道支护的针对性差,难以满足矿井精细化生产要求。利用注浆加固技术结合钢筋混凝土衬砌结构对浅部软岩巷道进行支护,增强了软弱围岩的强度和自稳性能,提高了巷道围岩的整体性和稳定性,同时由于注浆加固的扩散作用,对巷道掘进前方的煤岩体产生一定的加固作用,提高了巷道掘进的安全性,实践表明,该支护技术对浅部软弱围岩巷道具有很强的针对性。

富水巷道泥质顶板围岩控制技术研究

针对五阳煤矿集中胶带大巷富水、泥质顶板、围岩软弱、变形破坏严重等特点,采用现场勘测、数值模拟和现场监测等手段系统地研究了富水巷道泥质顶板的破坏机理,总结了富水顶板变形失稳的影响因素,提出布置疏水孔、高强度锚杆(索)联合支护以及注浆加固的综合控制技术,对富水巷道泥质顶板围岩进行支护,并成功应用于现场工程实践。应用结果表明,采用该围岩综合控制技术后,减少了水对顶板的弱化作用,提高了顶板承载能力,实现了对富水巷道顶板的有效控制,保证其服务年限内的稳定性和安全使用。

含夹层层状软岩隧道围岩变形特征分析

为研究夹层的位置及厚度对层状软岩隧道围岩变形的影响,以具有典型层状构造的彭家寨隧道为工程背景,通过现场监测与数值仿真相结合的方法,首先分析了层状软岩的层面倾角、层面间距对隧道围岩变形的影响,进而选取合适的层面倾角和层面间距分析了各关键节点的位移随夹层位置及夹层厚度的变化规律。结果表明:隧道开挖过程中,隧道围岩的变形主要经历了快速增长阶段、减缓增长阶段和趋于稳定阶段;当层面倾角不为0°和90°时,围岩的变形呈明显的非对称性,顺倾侧边墙的位移明显大于逆倾侧;当层面间距从1 m增加到9 m时,拱顶竖向位移逐渐减小,且减小的速率不断降低;当围岩中存在夹层时,隧道洞周各点的位移大幅增加,夹层越靠近隧道,夹层越厚,围岩的变形越大。

弱含水层下软岩巷道“一隔三强”控制原理与技术

针对弱含水层下软岩巷道围岩大变形难控制的问题,以清水营煤矿110207运输巷为研究对象开展了研究工作。首先,依据现场调查与实测分析了巷道围岩的变形破坏特征,明确该巷道存在“一水三弱”的四大特征:即水与高比例黏土矿物并存、弱锚固基础、弱支护阻力扩散效能、弱围岩承载性能;其次,采用理论分析、数值模拟与现场实测的综合研究方法,揭示了巷道围岩的变形破坏机制,认为弱含水层下软岩巷道围岩变形破坏过程分为初始变形、急速变形与缓慢增长3个阶段,3个阶段的变形量占比约为10%、30%与60%,水的存在是导致该类巷道围岩后期变形缓慢增长的重要影响因素;最后,提出了针对该类巷道围岩“一隔三强”的稳定性控制原理与方法,即采取合适的方法隔断水与泥岩的接触通道,强化锚杆(索)锚固基础、强化锚杆(索)预紧力扩散表层与增强巷道围岩自身承载能力,并给出了相应的全断面“锚索+网+注浆+喷浆”的综合控制方案。将该方案付诸实践,现场实测表明:采用新方案后围岩裂隙封闭隔断了水与泥岩之间的接触通道,强化了锚索锚固力、预紧力扩散效能与围岩承载能力。矿压监测结果表明:巷道两帮最大移近量为51.9 mm,顶底板最大移近量为27.8 mm,保证了巷道的正常使用。研究成果较好解决了弱含水层下软岩巷道围岩的大变形问题,可为软岩巷道围岩稳定性控制提供一定的理论与技术参考。

基于改进未确知测度的含软弱夹层巷道围岩稳定性评价

为了准确评价含软弱夹层巷道围岩稳定性,以改进层次分析法和客观赋权法(CRITIC方法)计算综合权重,应用未确知测度理论(UM)计算未确知测度向量,同时引入集对分析理论(SPA)优化置信度评价过程,建立UM⁃SPA耦合分析模型,并运用该模型对某金矿含软弱夹层巷道围岩稳定性进行评价。结果表明,地应力、软弱夹层抗拉强度和软弱夹层厚度是影响该类巷道稳定性的主要因素;断面D4、D5、D6、D7、D9的集对势为微反势,有向不安全状态偏向趋势;巷道稳定性从大到小排序为:290#水平>150#水平>90#水平。实践验证表明,模型评价结果与实际吻合。

含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理FDEM数值模拟研究

巷道频繁遭遇褶皱构造,采用有限元离散元耦合数值模拟方法(FDEM)研究含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理。首先改进了FDEM剪切应力峰后软化本构模型,使其在压剪应力状态下保持残余剪应力,随后采用余弦函数y=acos(x)建立不同形态的褶皱构造数值模型,最后采用改进的FDEM数值模拟程序研究了不同地应力侧压系数λ(λ=0.5、2.0)和不同褶皱形态下(a=0、0.5 m和1.5 m)的各向同性围岩体破裂碎胀大变形机理。结果表明,对于各向同性岩体,褶皱形态的影响微弱,均呈现X型共轭剪切破坏并伴随拉伸断裂,断裂块体沿剪切带的滑移剪胀及破碎块体的翻转大运动造成破碎岩块的体积膨胀,发生破裂碎胀性大变形。

软弱复合顶板巷道围岩控制技术应用

针对象山煤矿21315工作面辅助进风巷软弱复合顶板条件下的巷道顶板支护困难的问题,采用理论分析、数值模拟与现场实测方法,提出了“锚网索”联合支护方案,探究了“锚网索”联合支护方案对巷道围岩稳定性的控制效果。经计算,巷道顶板的破坏范围约为2.91 m,结合巷道顶板岩层岩性与厚度确定顶板锚杆、锚索长度分别为2.4 m和6.0 m;提出了巷道软弱复合顶板“锚网索”联合支护方案,顶板锚杆与锚索数量分别为6根和3根,间距分别为800 mm和135 mm,排距分别为800 mm和1600 mm;探究了掘进工作面不同向前方探距离条件下,巷道围岩垂直应力分布与顶板下沉特征进行了分析,指出当掘进工作面向前推进15 m时,巷道围岩的垂直应力和顶板下沉基本稳定。现场应用结果表明,掘进工作面向前推进15 m时,巷道顶板离层量几乎不发生变化,且最终稳定在70 mm左右,说明采用“锚网索”联合支护方案,巷道顶板变形得到了有效控制。

岩体质量分级在金属矿山深部巷道支护方案设计中的应用

为解决某金属矿山深部运输巷道围岩失稳问题,通过开展现场地质调查、DIPS软件节理分析等基础工作,采用巴顿岩体质量(Q)分类法对巷道围岩进行质量分级。以岩体质量分级结果为基础,结合工程实践经验,应用工程类比法进行巷道支护设计,确定支护方案为:树脂锚杆+钢带+金属网+喷浆联合支护。该支护设计方法应用范围广,实施效率高,适合生产中的金属矿山针对井下不同围岩情况制定专项支护方案。

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。

南方复杂条件下的薄煤层开采巷道围岩支护问题及对策

针对复杂地质条件下南方薄煤层开采巷道出现的大变形与控制等问题,开展了一系列现场调查、理论分析和试验等研究。首先,分析了南方煤层地质条件、巷道变形特点和支护中存在的突出问题,同时进行了大量巷道变形的现场调研;然后,研究了薄煤层巷道变形破坏的影响因素和作用机理,主要体现在泥质岩类的物化膨胀与裂隙扩容、半煤岩巷道接触面滑移、水平构造应力挤压、工程扰动偏应力影响和高瓦斯孔隙压力弱化作用等;最后,阐明了复杂条件下薄煤层开采巷道的控制原理,强调应重视发挥巷道深部稳定岩体的承载能力,增强巷道围岩侧向支护作用,实现高阻让压和改善巷道围岩的整体力学强度等。提出了高强度自动让压桁架锚索支护系统和叠加拱"长、短"密集锚索支护技术,并分别进行了软弱半煤岩巷道的返修控制和松散煤岩体巷道支护技术的现场试验研究。监测表明,支护后的巷道围岩变形量都在可控范围之内,满足生产要求。

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。

基于软弱夹层损伤破坏模型的软岩巷道支护优化研究

深部岩体巷道开挖中,软弱夹层的存在很大程度上影响地下工程的稳定性。针对矿山深部软岩中软弱夹层易破坏离层的特点,建立岩体软弱夹层指数形式的非线性离层损伤破坏模型,并采用大型有限元软件ABAQUS对刘庄煤矿深部含软弱夹层的泥岩巷道支护方案进行优化,针对巷道施工期间出现的底臌变形大及软弱夹层围岩变形失稳现象,提出采用预应力底锚索、反底拱及全封闭钢拱架支护措施,有效遏制了软弱夹层失稳破坏和底臌变形大的问题。研究成果为类似巷道工程支护提供有益借鉴。

岩体模糊分类中隶属函数的等效性

总结出了岩体工程模糊评价中常用的连续隶属函数主要类型有正态型、岭型、三角模糊数和梯形,并给出了相应的基本解析表达式.以岩体分类中的单轴抗压强度为例,研究了具体指标隶属函数建立方法.采用不同隶属函数计算了某岩石试样的单轴抗压强度的隶属度,发现不同隶属函数得出的隶属度有差异.选取影响岩体稳定的五个主要指标,利用某矿深部工程地质资料,计算了其岩体物理力学参数在不同隶属函数下的隶属度,并根据离散型隶属度取值表确定了结构面的隶属度.将不同隶属函数下的各类指标的隶属度进行不同的组合,形成不同的隶属度矩阵,对该围岩进行模糊评判分类,得出最后的分类结果一致.这一研究结果证明了各类隶属函数的等效性、在岩体分类应用中的适应性和正确性,为岩体模糊分类隶属函数的选择提供了依据和便利.

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

以某有色金属矿山巷道为例 ,给出了高应力软岩的定义 ,论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型 ,分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响 。

Ⅳ级软弱围岩相似材料的试验研究

以IV级围岩为参照对象,研制可用于隧道围岩稳定性物理模型试验的软弱围岩相似材料。采用的5种原材料(重晶石粉、石膏、细砂、洗衣液和水),通过直剪试验、无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验测得所配相似材料的强度特征和物理力学参数,包括黏聚力c、内摩擦角、单轴抗压强度Rc、弹性模量E和泊松比。首先,通过试验分析每种原材料的不同比例对所配相似材料强度特征及物理力学参数的影响,选择适合于模拟IV级围岩相似材料的原材料配比;其次,针对优选的材料配比所配制的相似材料,开展大量的三轴压缩试验,研究在不同围压下该相似材料的强度及其破坏特征。结果表明,含水率减少或石膏含量增加导致Rc、E和c明显增大,而降低不明显;增加砂含量可增大E和,但Rc值减少;石膏含量对相似材料的脆性和延性影响最明显,而含水率对相似材料的强度影响最为突出。试验结果还表明,相似材料在低围压时呈现脆性,在高围压时呈延性;就破坏准则而言,试验所得结果小于Mohr-Coulomb准则,略大于Hoek-Brown准则,但更符合Hoek-Brown准则。研制软岩相似材料的试验数据可为下一步拟开展的隧道围岩稳定性模型试验和数值模拟提供重要的参考和依据。

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。