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基于蝶形破坏理论的深部巷道围岩控制技术研究

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煤炭科学技术 2023年第1期51卷 157-167页

作者：王卫军范磊马谕杰袁超湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201

现阶段巷道围岩控制仍是煤炭资源深部开采的重大难题之一,而围岩塑性的形成与发展是导致巷道大变形和破坏的主要原因。通过数值模拟研究了巷道塑性区形成与发展规律以及对巷道稳定性的影响,结合理论分析和室内试验研究了锚杆支护的作用... 详细信息

现阶段巷道围岩控制仍是煤炭资源深部开采的重大难题之一,而围岩塑性的形成与发展是导致巷道大变形和破坏的主要原因。通过数值模拟研究了巷道塑性区形成与发展规律以及对巷道稳定性的影响,结合理论分析和室内试验研究了锚杆支护的作用机理并阐述了支护与围岩变形的内在关系,基于蝶形破坏理论探讨了深部巷道围岩的控制原理,提出深部巷道围岩控制技术并在工程中予以应用。结果显示:(1)锚杆支护能够有效减少围岩变形,但是无法控制巷道不发生变形,即在现有的支护水平下巷道存在着部分无法控制的围岩变形,即“给定变形”,且“给定变形”随巷道埋深的增加不断增大。(2)锚杆支护对于巷道围岩剪胀、滑移等非连续性变形的控制效果明显,而对于完整岩体的连续性变形的影响十分有限。因此,锚杆支护主要是通过控制巷道塑性区内岩体的非连续性变形进而控制巷道的总变形。(3)巷道总变形主要包括“给定变形”和“支护残余变形”2个部分。巷道围岩控制的主要途径就是减少“支护残余变形”。(4)锚杆支护的作用机理要求锚杆的锚固基础必须始终位于完整岩体中,因此巷道开挖后的塑性区形态以及塑性区在服务期内的发展规律对于锚杆支护方式的设计至关重要。巷道塑性区形态及其力学响应的差异性决定了巷道支护方式必须差异化设计。

关键词：深部巷道围岩控制给定变形支护机理蝶形破坏差异化支护

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相邻地形地貌对爆破振动波传播的影响研究

相邻地形地貌对爆破振动波传播的影响研究

作者：马谕杰湖南科技大学

学位级别：硕士

爆破振动受岩石性质、装药方式等诸多因素影响,然而在含有较大起伏的地形中,地形地貌对爆破振动传播影响较大。目前关于地形地貌对爆破振动波传播的影响研究主要集中在单个地形地貌上。然而,在工程实际中,相邻地形地貌也很常见,而目前... 详细信息

爆破振动受岩石性质、装药方式等诸多因素影响,然而在含有较大起伏的地形中,地形地貌对爆破振动传播影响较大。目前关于地形地貌对爆破振动波传播的影响研究主要集中在单个地形地貌上。然而,在工程实际中,相邻地形地貌也很常见,而目前关于相邻地形地貌对爆破振动波传播的影响研究较少。因此,研究相邻地形对爆破振动波传播产生的影响对探索爆破振动衰减规律,预测并控制爆破振动效应有重要意义和现实价值。采用波动理论分析了单个地形地貌对爆破振动波传播规律的影响,同时结合相邻地形中地震波的传播特性,分析确定了相邻地形对爆破振动波传播的影响因素主要有:凹形地貌的深度、凸形地貌的高度、相邻距离及爆源距。通过对广东陆丰核电站爆破现场振动数据进行分析,得到了相邻地形地貌中爆破振动波传播特征:爆破振动波经过凹凸形地貌中凹形地貌时,水平向和垂直向振动速度峰值均降低,其中水平向降低的幅度较大,爆破振动衰减系数随爆源距的增加而降低;当爆破振动波经过凹凸形地貌中凸形地貌时,凸形地貌顶端水平向和垂直向振动速度峰值均发生了放大,且垂直向放大的幅度较大。水平向和垂直向放大系数均随爆源距的增加而减小。当爆破振动波经过凸凹形地貌凸形地貌时,水平向和垂直向爆破振动速度均发生放大。当经过凹形地貌时,在凹形地貌两端,水平向振动速度产生衰减,垂直向振动速度则发生放大。根据工程现场岩石力学性质及相关爆破参数,运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序模拟了相邻地形中爆破振动波的传播特性,模拟结果表明:凹凸形地貌中,凸形地貌顶端的振动速度随凹形地貌深度的增加而减小,随凸形地貌高度的增加而增大,随凹形地貌至凸形地貌之间距离的增大而减小;凹形地貌的衰减系数与凸形地貌的放大系数随爆源距的增大而减小。凸凹形地貌模拟结果表明:凸凹形地貌中,爆破振动衰减规律整体上呈现出“类M曲线”,且水平向和垂直向“类M曲线”表现不同。随着凹形地貌深度的增加,凸形地貌顶端振动速度峰值与凹形地貌靠爆源侧振动速度峰值均增大。随着凸形地貌高度的增加,凸形地貌顶端、凹形地貌靠爆源侧及背爆源侧的振动速度峰值均增大。而随着相邻距离与爆源距的增大,凸形地貌顶端、凹形地貌靠爆源侧及背爆源侧振动速度峰值均减小。通过现场实际振动监测将研究结论推广到工程应用上,认为在凹凸形地貌中,爆破振动监测不应只考虑爆源距,还应考虑爆破振动的高程放大效应,并根据相邻地形对爆破振动传播影响规律,给出了凹凸形地貌与凸凹形地貌减振沟布置的危险工况以及标准工况。

关键词：相邻地形地貌振动衰减规律影响因素放大效应衰减效应有限元数值模拟 ANSYS/LS-DYNA

双向极不等压软岩巷道围岩裂隙分布及变形机制

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煤炭学报 2024年第7期49卷 3025-3037页

作者：王卫军马谕杰范磊袁超吴海田芯宇湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201

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... 详细信息

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。

关键词：软岩巷道 3DEC 裂隙分布巷道大变形原因蝶形塑性区围岩控制

露天地下联合开采中地下爆破开采对露天边坡的影响研究

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中国矿业 2024年

作者：彭爱全谭靖唐海袁刚郭子洋张肖雨马谕杰中国核工业华兴建设有限公司湖南科技大学资源环境与安全工程学院

为研究露天地下联合开采过程中地下爆破开采对露天边坡的影响，利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了最危险工况下地下爆破开挖的简化模型，并对模型中爆源至露天边坡面的岩体损伤扩展过程及爆破振动速度衰减规律进行了分析。在此基... 详细信息

为研究露天地下联合开采过程中地下爆破开采对露天边坡的影响，利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了最危险工况下地下爆破开挖的简化模型，并对模型中爆源至露天边坡面的岩体损伤扩展过程及爆破振动速度衰减规律进行了分析。在此基础上，将模拟所得到的数据运用到现场试验中进行验证。研究结果表明：当地下采场采用未考虑高程放大效应影响的理论安全最大段药量60 kg进行爆破时，露天边坡实际振动速度将超出其安全允许阈值10 cm/s，影响边坡的安全与稳定；在地下爆破开采过程中，首先在炮孔附近岩体出现损伤，随着应力波的传播，在距离爆源最近的边坡坡脚处出现损伤，而后沿边坡坡面进行扩展，并逐渐扩展至整个边坡；而岩体内爆破峰值振动速度随着爆源距的增大而减小，衰减速度呈现出先衰减快，后衰减慢的规律，但在临近边坡坡面处峰值振动速度出现放大效应，且爆源至露天边坡坡面的损伤演化过程与振动速度衰减规律相互对应；为确保在最危险工况下边坡的安全与稳定，在实际工程中地下开采最大段药量应当控制在40 kg以内。研究结果可为类似矿山的安全生产提供借鉴。

关键词：露天地下联合开采数值模拟露天边坡爆破振动安全控制

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负高差地形爆破振动规律研究

工程爆破 2021年第5期27卷 16-25页

作者：唐海马谕杰夏祥朱帅帅姜威振湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

为了研究负高差地形对爆破振动波传播的影响,对广东陆丰核电站观景平台爆破工程进行了长时间的爆破振动监测。通过对监测数据的对比分析得出了负高差地形下爆破振动规律。结果表明:相较于平整地形,在负高差地形下,爆破振动速度在水平方... 详细信息

为了研究负高差地形对爆破振动波传播的影响,对广东陆丰核电站观景平台爆破工程进行了长时间的爆破振动监测。通过对监测数据的对比分析得出了负高差地形下爆破振动规律。结果表明:相较于平整地形,在负高差地形下,爆破振动速度在水平方向上表现出整体衰减、局部异常的现象,在垂直方向上则表现为整体衰减。同时,发现在负高差地形下,炮孔的深度L与坡的高度H之间的大小关系对爆破振动波的传播影响较大;L>H时,炮孔底部装药低于测点,出现高程放大效应。该放大效应与地形对波的叠加相互作用,致使爆破振动波表现出整体衰减、局部异常的现象;L

关键词：负高差爆破振动回归分析局部放大影响系数

基于组合权重物元可拓模型的巷道冒顶风险评价

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煤矿安全 2024年第10期55卷 100-110页

作者：苏小伟王卫军李俊袁超范磊马谕杰湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 云南湾田集团兴路煤业有限公司云南曲靖655000

为了降低煤矿生产风险、及时预测和控制巷道冒顶风险,选取巷道稳定岩层厚度、地质条件、巷道断面形状等12项评价指标,构建巷道冒顶风险评价指标体系,提出了巷道冒顶的风险程度标准;采用层次分析(AHP)法和熵权(EW)法组合权重物元可拓理... 详细信息

为了降低煤矿生产风险、及时预测和控制巷道冒顶风险,选取巷道稳定岩层厚度、地质条件、巷道断面形状等12项评价指标,构建巷道冒顶风险评价指标体系,提出了巷道冒顶的风险程度标准;采用层次分析(AHP)法和熵权(EW)法组合权重物元可拓理论建立了巷道冒顶风险评价模型,根据最大隶属度原则确定了巷道冒顶的风险程度;并基于JavaWeb开发了巷道冒顶风险评价系统(MW-MEW),应用该评价方法和MW-MEW系统对兴路煤矿C9回风联络巷冒顶的风险程度进行了评价,与AHP-物元可拓模型评价结果作对比。结果表明:该评价方法的评价结果符合实际工况,并优于AHP-物元可拓模型。

关键词：巷道冒顶风险层次分析法熵权法物元可拓 JavaWeb

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地应力影响下立井爆破扩掘岩石块度形态

科学技术与工程 2024年第30期24卷 12909-12919页

作者：郭子洋唐海袁刚马谕杰张肖雨黄靖龙湖南科技大学资源环境与安全工程学院湘潭411201 湖南科技大学深海深地矿产资源开发技术与装备教育部工程研究中心湘潭411201

为获取不同地应力下的爆破岩石块度信息,避免在立井正向爆破扩掘中出现爆后岩石块度过大的现象,通过有限元ANSYS/LS-DYNA建立了立井计算模型,研究了岩石碎片面积分布规律,分析了不同类型裂隙面的形成效果;最后对岩体应力状态进行分析,... 详细信息

为获取不同地应力下的爆破岩石块度信息,避免在立井正向爆破扩掘中出现爆后岩石块度过大的现象,通过有限元ANSYS/LS-DYNA建立了立井计算模型,研究了岩石碎片面积分布规律,分析了不同类型裂隙面的形成效果;最后对岩体应力状态进行分析,判定对应裂隙面的形成效果,明确大块岩石的形成位置,并在此基础上提出爆破方案设计建议。结果表明:随着地应力的不断增加,碎片面积分布区间变广,主要分布区间由0~300 cm^(2)逐渐向300~900 cm^(2)过渡,且爆后岩块向不规则体发展;当地应力超过5 MPa时,爆破会产生1500~1800 cm^(2)的碎片,接近允许最大碎片面积1736 cm^(2),产生的爆破岩石块可能堵塞导井;靠近设计开挖面的岩体底部其垂向应力较大,水平裂隙面形成受阻,爆破易产生大块岩石;靠近开挖岩体上表面处的岩体其垂向应力较小,容易形成水平裂隙面。可见,在设计立井爆破扩掘方案时,应考虑在靠近设计开挖面岩体的底部加强装药,并按照从扩掘岩体上部至下部的顺序,依次起爆相同装药高度的炸药,改变岩体应力状态,减小爆后岩石块度,避免爆生岩块堵塞导井。

关键词：扩掘爆破岩石块度导井地应力数值模拟

揭穿煤层前巷道围岩耗散能突变判别方式及稳定性分析

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湖南科技大学学报（自然科学版） 2024年第3期39卷 1-10页

作者：杜荣杰王卫军袁超范磊马谕杰苏小伟湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201

以湖南坦家冲煤矿-80 m北石门作为工程案例,基于能量原理和尖点突变理论,构建以巷道围岩总耗散能作为变量的耗散能突变判别准则,分析巷道围岩的耗散能演化过程,提出耗散能突变特征值Δ.研究发现:当Δ>0时,巷道围岩稳定;当Δ<0时,巷道围... 详细信息

以湖南坦家冲煤矿-80 m北石门作为工程案例,基于能量原理和尖点突变理论,构建以巷道围岩总耗散能作为变量的耗散能突变判别准则,分析巷道围岩的耗散能演化过程,提出耗散能突变特征值Δ.研究发现:当Δ>0时,巷道围岩稳定;当Δ<0时,巷道围岩进入失稳状态;Δ=0时,围岩处于临界失稳状态,此时围岩极易受到扰动从稳定状态变为失稳状态.基于巷道变形破坏特征及耗散能演化特征,提出“全断面高强度树脂锚杆+锚网喷+高强弹性锚索”联合支护方式,工程实践结果表明:该联合支护方式能够有效地保持巷道围岩的稳定性.

关键词：能量守恒原理突变理论耗散能围岩控制

不同位置爆源作用下硐室围岩损伤规律的数值模拟研究

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爆破 2023年第2期40卷 181-190页

作者：唐海马谕杰夏祥袁超张肖雨范磊姜威振湖南科技大学资源环境与安全工程学院湘潭411201 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

爆破作用下硐室围岩的损伤扩展过程对硐室抗爆设计具有重要意义。为探究不同位置爆源作用下硐室围岩的损伤扩展规律,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了顶爆、拱顶侧爆、侧爆、底部侧爆及底爆5个等爆源距数值计算模型,对模型中的岩... 详细信息

爆破作用下硐室围岩的损伤扩展过程对硐室抗爆设计具有重要意义。为探究不同位置爆源作用下硐室围岩的损伤扩展规律,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了顶爆、拱顶侧爆、侧爆、底部侧爆及底爆5个等爆源距数值计算模型,对模型中的岩体采用RHT模型分析了不同位置爆源作用下硐室围岩的损伤扩展过程。在此基础上,在模型中沿爆源至硐室边界处等距离地设置了10个振速监测点,研究了爆源中心至硐室边界处的振动速度衰减规律。结果表明:相同爆源距不同爆源位置下硐室围岩的损伤扩展规律为首先在距爆源最近距离处出现“损伤点”,在“损伤点”形成后,损伤区沿着硐室边界逐步扩展,最终形成沿硐室边界处的损伤区。相较于爆破振动速度衰减规律,爆破振动波在硐室围岩处发生全反射,使硐室围岩处爆破振动速度出现放大效应。同时,爆源至硐室围岩处的损伤演化与峰值振速变化规律相互对应,将硐室围岩处峰值振速放大效应与硐室围岩的损伤结合,认为硐室围岩是否产生损伤可通过监测其振动速度进行确定。

关键词：不同爆源位置 RHT模型围岩损伤振动速度数值模拟