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基于Hoek-Brown准则的底板破坏深度分析

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煤炭技术 2024年

作者：谷拴成康恽博文嘉豪呼嘉龙张炜杨洋西安科技大学建筑与土木工程学院

为了研究煤层采动底板最大破坏深度，以1509工作面回风巷道为工程背景。利用半无限体理论建立力学模型，结合材料力学和Hoek-Brown准则，推导出最大破坏深度计算公式，并经过试验和现场监测进行验证。结果显示：底板最大破坏深度为20.3 ... 详细信息

为了研究煤层采动底板最大破坏深度，以1509工作面回风巷道为工程背景。利用半无限体理论建立力学模型，结合材料力学和Hoek-Brown准则，推导出最大破坏深度计算公式，并经过试验和现场监测进行验证。结果显示：底板最大破坏深度为20.3 m，且呈“水滴形”塑性区边界。底板破坏深度与岩体软硬程度呈负相关，与破碎程度呈正相关。现场监测结果显示，随底板埋深增加，采动应力影响减小；波速-垂深曲线表示底板最大破坏深度约为20 m，与理论计算基本吻合。研究成果对类似工作面有借鉴意义，有助于预测底板破坏深度，确保安全生产，并为相关领域研究提供参考。

关键词：底板半无限体 Hoek-Brown 破坏深度波速-垂深

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高地应力下巷道底板拱结构分析及其应用

西安科技大学学报 2022年第4期42卷 701-708页

作者：陈盼谷拴成西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 中煤科工集团西安研究院有限公司水文地质研究所陕西西安710052

为解决高地应力条件下煤矿巷道底板易发生底鼓且难以支护的技术问题,以巷道底板隐形拱为研究对象,构建了巷道底板隐形拱结构力学模型,理论分析了高地应力条件下巷道底鼓机理,提出了底板支护方案和支护参数确定方法,并通过工程实例验证... 详细信息

为解决高地应力条件下煤矿巷道底板易发生底鼓且难以支护的技术问题,以巷道底板隐形拱为研究对象,构建了巷道底板隐形拱结构力学模型,理论分析了高地应力条件下巷道底鼓机理,提出了底板支护方案和支护参数确定方法,并通过工程实例验证了该方法的支护效果。结果表明:巷道底板变形破坏实质为底板隐形拱结构逐步向深部发育的过程,底板隐形拱的形态与底板岩层所受水平侧压力和两帮支承压力相关,具体表现为竖直方向椭圆、圆及水平方向椭圆3种不同形态。在巷道底板中布置注浆锚索(杆)可以形成一定厚度的挤密加固拱结构,能有效阻止巷道底板拱结构向深部发育,从而改善巷道底板稳定性;以陕西彬长矿区某矿回风大巷底板修复为例,运用上述理论对该巷道底板支护方案及其参数进行优化设计,现场监测结果表明,巷道底板变形控制效果良好,保证了工作面的安全高效回采。研究成果可为高地应力条件下巷道底板支护参数确定提供理论依据。

关键词：围岩控制高地应力巷道底板隐形拱支护优化

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煤岩体突水通道中骨料沉积运移规律研究

煤炭科学技术 2023年第8期51卷 200-207页

作者：苏培莉文嘉豪谷拴成刘锋李冲西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

先行灌注骨料后注浆可有效控制煤岩体突水。骨料在煤岩体突水通道中沉积运移规律的研究是确定骨料粒径、骨料灌注量以及骨料灌注孔间距的重要前提,但目前在该方面的理论和试验研究甚少,实际施工主要依赖经验,带有较大的盲目性。鉴于此,... 详细信息

先行灌注骨料后注浆可有效控制煤岩体突水。骨料在煤岩体突水通道中沉积运移规律的研究是确定骨料粒径、骨料灌注量以及骨料灌注孔间距的重要前提,但目前在该方面的理论和试验研究甚少,实际施工主要依赖经验,带有较大的盲目性。鉴于此,基于浆体管道输送理论和泥沙运动力学,结合牛顿第二定律,将骨料从灌注孔进入突水通道的全运移过程划分为:自由落体,类平抛以及滑移3个运动阶段,并分别对其进行受力分析,建立由单颗骨料到骨料颗粒群的沉积运移扩散模型,得出表征骨料颗粒群在水平方向上的沉积运移规律;自行设计煤岩体突水通道骨料沉积运移可视化的模型试验平台,借助该平台开展在不同动水流速、骨料粒径、灌注高度等多因素影响下的骨料沉积运移模型试验,分析骨料在突水通道内的沉积运移规律,得到在不同试验方案下骨料沉积运移区的总长度。试验结果表明:骨料实际运移过程与理论3个运动阶段的假设吻合,骨料沉积运移距离的试验值与理论计算值平均误差为7.34%;在控制投注高度与动水条件一致的前提下,相较细骨料(粒径≤5 mm)而言,理论公式对于粗骨料(粒径>5 mm)更具适用性;在工程中解决煤岩体突水问题时,若骨料粒径>5 mm,利用本文理论公式可计算得到骨料颗粒群在水平方向上的运移距离,从而确定骨料灌注孔的间距,降低实际施工过程中的盲目性。

关键词：突水骨料颗粒沉积运移自由落体类平抛滑移突水通道注浆加固

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基于能量计算的预掘回撤通道顶板下沉量分析

矿业科学学报 2023年第5期8卷 623-632页

作者：王博楠谷拴成李军西安理工大学土木建筑工程学院陕西西安710048 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 陕煤集团神木张家峁矿业有限公司陕西神木719300

采用预掘回撤通道技术的综采工作面在末采阶段易发生顶板大变形而引发压架事故。本文基于工作面贯通后的3种基本顶破坏形式,建立了不同的回撤通道顶板力学模型,通过分析顶板变形过程中的能量释放与做功过程,求得不同基本顶破坏形式下的... 详细信息

采用预掘回撤通道技术的综采工作面在末采阶段易发生顶板大变形而引发压架事故。本文基于工作面贯通后的3种基本顶破坏形式,建立了不同的回撤通道顶板力学模型,通过分析顶板变形过程中的能量释放与做功过程,求得不同基本顶破坏形式下的回撤通道直接顶下沉量。结合张家峁煤矿N14201工作面回撤通道顶板大变形案例,分析了不同顶板力学模型的影响因素,发现基本顶破断位置、关键块及其上覆岩层厚度、关键块回转角和支护强度对回撤通道顶板下沉量影响显著,确定了张家峁煤矿N14201工作面发生压架事故的原因,即基本顶在保护煤柱上方4~6 m范围内破断以及上部3^(-1)煤层开采导致主关键层破断失稳。

关键词：综采工作面末采阶段预掘回撤通道顶板下沉量压架事故

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锚杆–围岩承载结构支护下隧洞稳定性分析

岩土力学 2018年第S1期39卷 122-130页

作者：谷拴成周攀黄荣宾西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

为避免锚杆支护过剩或支护不足以及快速地、准确地评价被锚隧洞围岩稳定性,首先将岩石和锚杆的复合体考虑成材质均匀的加固体,基于弹性理论推导出加固体的物理力学参数表达式,建立了围岩与加固体协调变形力学模型,并对该模型进行弹塑性... 详细信息

为避免锚杆支护过剩或支护不足以及快速地、准确地评价被锚隧洞围岩稳定性,首先将岩石和锚杆的复合体考虑成材质均匀的加固体,基于弹性理论推导出加固体的物理力学参数表达式,建立了围岩与加固体协调变形力学模型,并对该模型进行弹塑性力学分析,同时提出了围岩稳定性评价方法,最后将该理论与已有理论和数值模拟进行了对比,研究不同锚杆支护强度对围岩稳定系数的影响。结果表明,通过文中理论得到的隧洞塑性圈半径以及洞壁位移与已有理论的计算结果相比分别相差0.8%和2.1%,并且理论计算值与数值模拟的结果能较好地吻合,从而验证了文中理论的合理性;锚杆长度和锚杆间排距对围岩稳定性影响较大,锚杆支护设计遵循长而疏、短而密的原则;当间排距减小或者预紧力增大时,所需要的最佳锚杆长度有所减小。文中理论可为锚杆支护下的隧洞围岩稳定性研究提供相对简洁快速的定量计算方法。

关键词：隧道工程均匀化方法全长粘结式锚杆弹塑性分析围岩稳定性

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非连续边界荷载影响下隧道围岩压力计算方法

隧道建设（中英文） 2022年第8期42卷 1435-1442页

作者：聂红宾谷拴成周志强张建鹏陕西铁路工程职业技术学院城轨工程学院陕西渭南714000 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 中铁第六勘察设计院集团有限公司天津300308 山东省建筑科学研究院有限公司山东济南250031

浅埋隧道施工中经常面临堆载、孤石等工况,为了确定其形成的非连续边界荷载对围岩压力取值的影响,以隧道上覆岩体破坏迹线建立压力模型,将堆载、孤石按照作用范围、位置等效为均布或者集中边界荷载,以其随岩体深度变化及偏压情况为条件... 详细信息

浅埋隧道施工中经常面临堆载、孤石等工况,为了确定其形成的非连续边界荷载对围岩压力取值的影响,以隧道上覆岩体破坏迹线建立压力模型,将堆载、孤石按照作用范围、位置等效为均布或者集中边界荷载,以其随岩体深度变化及偏压情况为条件,按照太沙基理论建立轴对称边界荷载影响下围岩压力微分方程,以非连续边界荷载和为条件求解方程,将求解的压力值与附加弯矩在半无限空间体中产生的应力组合,形成非连续偏压边界荷载影响下围岩压力计算方法。通过与拉林铁路隧道群围岩压力监测值的对比,验证模型的可行性。得到以下结论:1)非连续边界荷载在岩体分布的有效长度可作为围岩压力计算方法的选取依据。2)在非连续边界荷载影响下,围岩压力取值与隧道衬砌不同位置的角度呈线性关联。3)将孤石等效为集中或者均布边界荷载,2种围岩压力计算值存在一定的偏差,压力差值与隧道埋深有关;当埋深小于7 m时,将孤石作为非连续均布荷载的围岩压力计算值与监测值相近;当埋深大于8 m时,将孤石作为非连续集中荷载的围岩压力计算值与监测值较为接近。

关键词：浅埋隧道围岩破坏理论非连续边界均布荷载集中荷载围岩压力

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岩体离层对锚固体荷载影响的弹塑性分析

岩土力学 2013年第9期34卷 2649-2654页

作者：谷拴成丁潇西安科技大学建筑与土木工程学院西安710054

巷道围岩由于变形不协调而产生离层,离层对锚杆产生附加应力。在已有弹性分析的基础上,根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机制,建立了离层进一步扩展、锚固体界面进入弹塑性阶段的锚杆受力模型。通过选取二阶段线性函数剪切滑移模... 详细信息

巷道围岩由于变形不协调而产生离层,离层对锚杆产生附加应力。在已有弹性分析的基础上,根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机制,建立了离层进一步扩展、锚固体界面进入弹塑性阶段的锚杆受力模型。通过选取二阶段线性函数剪切滑移模型,确定了离层左右两侧的滑移范围,并得出锚固体的应力分布形式。总结出离层作用下锚固体的受力过程一般分为4个阶段:弹性阶段、单侧进入弹塑性阶段、离层两侧均进入弹塑性阶段和一侧全部滑移、另一侧滑移范围增大阶段。通过对不同离层值和离层位置的参数分析得出:在相同离层位置条件下,离层值越大,离层对锚杆产生的附加应力就越大;在相同离层值条件下,弹塑性阶段基本趋势和弹性阶段相同,表现为锚杆中心处应力最小,越靠近边缘离层产生的附加应力越大。

关键词：离层离层值离层位置锚固体荷载剪切滑移模型滑移范围弹塑性分析

直接顶-基本顶耦合作用下采场顶板断裂力学模型研究与应用

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煤田地质与勘探 2023年第7期51卷 123-129页

作者：李金华郑承先谷拴成吴宝林王雄宋勇军西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

周期来压是矿山压力显现的典型特征,准确进行采场周期来压步距预测是有效降低采场事故发生的重要途径。针对基本顶自身缺陷与直接顶耦合作用对周期来压步距的影响,视采场顶板为自带裂缝的有限板模型,根据覆岩协调变形机理,基于断裂力学... 详细信息

周期来压是矿山压力显现的典型特征,准确进行采场周期来压步距预测是有效降低采场事故发生的重要途径。针对基本顶自身缺陷与直接顶耦合作用对周期来压步距的影响,视采场顶板为自带裂缝的有限板模型,根据覆岩协调变形机理,基于断裂力学理论建立采场顶板断裂力学模型,推导直接顶-基本顶耦合作用下周期来压步距函数式,以陕北某矿区2个工作面为例,分析基本顶岩石断裂韧度、裂缝深度、直接顶厚度和弹性模量等参数对周期来压步距的作用规律。研究表明:基本顶断裂韧度与周期来压步距呈近似线性关系;裂缝深度比(裂缝深度/顶板厚度)对周期来压步距影响较大,裂缝深度比达到0.8后,基本顶失稳破坏;直接顶厚度小于3 m时对周期来压步距影响较小,超过3 m后对周期来压步距影响显著。研究结果对采场顶板周期来压步距预测及支架选型具有重要的理论意义和工程价值。

关键词：断裂力学协调变形直接顶-基本顶耦合周期来压步距

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燕子垭高边坡危岩加固及稳定性分析

岩石力学与工程学报 2004年第Z1期23卷 4498-4501页

作者：谷拴成邹仁华西安科技大学建筑与土木工程学院西安710054

根据燕子垭高边坡危岩的实际情况,运用ANSYS软件对其加固前后的稳定性进行了有限元分析。程序中考虑了裂隙、孔隙水等因素对岩体整体稳定性的影响,并对加固前后岩体的应力、位移等方面进行了对比分析,为工程加固设计方案及其稳定性评价... 详细信息

根据燕子垭高边坡危岩的实际情况,运用ANSYS软件对其加固前后的稳定性进行了有限元分析。程序中考虑了裂隙、孔隙水等因素对岩体整体稳定性的影响,并对加固前后岩体的应力、位移等方面进行了对比分析,为工程加固设计方案及其稳定性评价提供了理论依据。

关键词：岩石力学,ANSYS,高边坡,裂隙,稳定性