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双模量-强度跌落耦合特征下深部围岩应力场演化

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Journal of Central South University 2022年第2期29卷 680-692页

作者：陈绍杰赵增辉冯帆张明忠 College of Energy and Mining Engineering Shandong University of Science and TechnologyQingdao 266590China State Key Laboratory of Strata Intelligent Control and Green Mining Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology Shandong University of Science and TechnologyQingdao 266590China

深部地下空间开发在深地能源贮存与开采、生态圈与地下生态城市等领域都有着巨大的潜在价值。针对深部均匀应力场作用下圆形硐室开挖,采用拉压双模量理论和弹性-脆性-理想塑性本构模型,推演了不同远场应力和内压力下围岩的应力解析解及... 详细信息

深部地下空间开发在深地能源贮存与开采、生态圈与地下生态城市等领域都有着巨大的潜在价值。针对深部均匀应力场作用下圆形硐室开挖,采用拉压双模量理论和弹性-脆性-理想塑性本构模型,推演了不同远场应力和内压力下围岩的应力解析解及塑性区边界方程,详细分析了围岩弹塑性应力场和塑性区随弹性常数比及残余强度系数的变化规律。结果表明:内压力较小时,三向主应力均为压应力,围岩的应力场分布不受双模量影响,与等模量理论下基于弹脆塑性跌落模型的求解结果相同;内压力较大时,切向应力变号,围岩可划分为切向拉应力塑性区(TPZ)、切向拉应力弹性区(TEZ)以及切向压应力弹性区(CEZ)三个区,拉压双模量对TEZ和CEZ两个区的分界线影响较大,强度跌落和双模量特性对围岩的应力分布具有耦合作用。相关成果进一步丰富了深部岩石力学理论。

关键词：深部围岩双模量强度跌落应力演化

深部围岩相变理论与分区破裂化现场实测对比研究

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煤炭学报 2023年

作者：燕发源王恩志刘晓丽戚承志马庆谢维强马前驰北京建筑大学土木与交通工程学院清华大学土木水利学院

高地应力作用下的深部围岩巷道分区破裂化现象，一直是岩土工程领域研究的热点和难点，其产生和发展对深部工程安全造成了很大影响。当材料发生屈服破坏时，能量出现一定耗散，随着耗散的进行，材料结构也产生相应变化形成新的组织结构... 详细信息

高地应力作用下的深部围岩巷道分区破裂化现象，一直是岩土工程领域研究的热点和难点，其产生和发展对深部工程安全造成了很大影响。当材料发生屈服破坏时，能量出现一定耗散，随着耗散的进行，材料结构也产生相应变化形成新的组织结构，该过程类似于协同学上的自组织过程，此时传统弹塑性力学已经不太能发挥作用，需要借助物理学理论；深部巷道围岩在高地应力作用下，当变形超过弹性极限之后，也会出现类似于耗散结构现象，围岩结构需要经历自组织过程形成新的耗散结构，此过程和物理学中的渐进相变现象类似；实际上，深部巷道围岩的变形破坏过程是一个固体向流体转换的二级相变过程，即其具有渐进相变特征。文中首先对现场尺度、实验室尺度以及模拟试验中出现的各种分区破裂化现象进行了比较分析；随后，基于相变理论模型，通过Poincare解析的参数摄动方法对非线性高阶控制方程进行了近似解析，各参数在近似解中的敏感性也得到了分析；最后，将理论模型计算结果和金属矿山金川二矿700m深的水平巷道中监测到的分区破裂化现场实测数据进行对比验证，结果表明理论半解析解的计算结果与实际测量数据高度符合，验证了针对分区破裂化的相变理论模型和计算方法的正确性。使得相变理论模型在工程尺度上的应用更进一步，为深部岩石工程变形破坏和支护等提供了一定的理论参考。

关键词：岩石力学深部围岩分区破裂力学机理非线性相变理论

深部围岩遇弱结构瓦斯抽采钻孔失稳分析与成孔方法

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煤炭学报 2010年第12期35卷 2073-2081页

作者：姚向荣程功林石必明淮南职业技术学院通风与安全系安徽淮南232001 淮南矿业(集团)有限责任公司安徽淮南232001 安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001

针对煤岩长钻孔过泥岩、构造带和软煤层成孔难的实际问题,根据现场实测煤岩力学参数,采用大变形FLAC3D软件对丁集煤矿-910 m水平11-2回风平巷抽采钻孔进行计算机数值模拟,解算出钻孔的应力场、位移场和塑性破坏区变化规律,得到的钻孔围... 详细信息

针对煤岩长钻孔过泥岩、构造带和软煤层成孔难的实际问题,根据现场实测煤岩力学参数,采用大变形FLAC3D软件对丁集煤矿-910 m水平11-2回风平巷抽采钻孔进行计算机数值模拟,解算出钻孔的应力场、位移场和塑性破坏区变化规律,得到的钻孔围岩二次应力弹、塑性分布特征与理论计算结果完全一致。当侧压系数不等于1时瓦斯钻孔二次应力分布、塑性区、钻孔径向位移不再呈圆环状分布,钻孔顶、底部孔壁位移量约为两侧孔壁位移量的2倍,随着岩体侧压系数的升高,钻孔围岩应力集中程度升高,钻孔径向位移增大,围岩塑性区半径增大,钻孔稳定性降低。随钻孔围岩强度强化区范围的增加,钻孔二次应力影响范围减小,塑性区半径减小,孔壁径向位移减小,钻孔更容易达到稳定平衡状态。基于注浆固化成孔新理论,对丁集煤矿1412(1)工作面巷道抽采钻孔围岩弱结构破坏失稳进行了有效控制,并用工程实例进行了验证。

关键词：深部围岩弱结构岩层钻孔失稳成孔控制

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深部围岩蠕变特性对巷道稳定性影响数值模拟

地下空间与工程学报 2021年第S1期17卷 404-410+432页

作者：丁增张奇明王恩元冯小军陈涛中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室中国矿业大学安全工程学院淮北师范大学物理与电子信息学院

深部巷道施工过程中,围岩及支护的空间变形和受力情况与时间密切相关。以恒大煤矿2233工作面进风巷围岩煤样为原型,通过蠕变压缩试验和FLAC3D数值模拟,分析了时空效应下巷道围岩的受力变形规律和支护结构特征。研究表明:Burgers本构模... 详细信息

深部巷道施工过程中,围岩及支护的空间变形和受力情况与时间密切相关。以恒大煤矿2233工作面进风巷围岩煤样为原型,通过蠕变压缩试验和FLAC3D数值模拟,分析了时空效应下巷道围岩的受力变形规律和支护结构特征。研究表明:Burgers本构模型可以准确拟合煤样蠕变曲线,辨识后的模型参数能科学地描述该矿巷道蠕变特征,适用性高;在支护作用下,巷道在第3个月后进入稳定蠕变阶段,此时围岩变形的水平收敛值和拱顶沉降值分别为16.38 cm和12.45 cm,围岩所受最大应力为15.49 MPa;云图表明巷道拱肩处的支护效果最差,锚杆变形最为严重,同时由于蠕变长时间的持续作用,1年后巷道的最大围岩变形值为24.98cm,远远超过拱顶处的变形值5 cm。巷道模拟结果与实际变化基本一致,能科学有效的反映深部巷道围岩蠕变规律,为深部矿井安全性和稳定性设计提供一定依据。

关键词：巷道蠕变深部围岩时空效应支护 FLAC3D

不同工况下深部围岩分区破坏非连续变形试验研究

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采矿与岩层控制工程学报 2021年第4期3卷 72-80页

作者：段昌瑞郑群薛俊华余国锋罗勇淮南矿业(集团)有限责任公司安徽淮南232001 煤炭开采国家工程技术研究院安徽淮南232001 深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室安徽淮南232001

以淮南矿区-1000 m为典型代表的深部地下开挖工程引发的支护难题越发突出。针对丁集煤矿-910 m西二11-2采区南轨道大巷实测发现的巷道分区破裂化现象,基于深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验系统,开展了4种工况下硐室的模拟试验研... 详细信息

以淮南矿区-1000 m为典型代表的深部地下开挖工程引发的支护难题越发突出。针对丁集煤矿-910 m西二11-2采区南轨道大巷实测发现的巷道分区破裂化现象,基于深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验系统,开展了4种工况下硐室的模拟试验研究,旨在获取最大荷载方向与硐室轴线垂直、斜交、平行条件下巷道围岩的受力与破坏特征,揭示深部巷道围岩发生分区破坏的条件。试验结果显示,模型拱顶、侧墙和底板周边径向应变均呈现拉应变,形成环状裂缝;在较大轴压作用下,巷道周边产生剪切破坏和拉伸破坏,但拉伸、剪切破坏区的形成不同步,拉伸破坏的速度远大于剪切破裂的速度,使周边岩体产生这种不连续且交替出现的环状裂隙区。直墙圆拱巷道发生分区破裂的特点为帮部呈现分层断裂,拱顶和底部呈现滑移型断裂。研究结果可为深部高地应力下巷道围岩的支护对策及优化提供参考。

关键词：深部围岩物理模拟分区环向裂隙

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深部围岩位移破坏及穿层钻孔封孔优化

中国煤炭 2015年第12期41卷 105-109页

作者：王中华瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆市沙坪坝区400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆市沙坪坝区400037

基于深部和浅部巷道围岩地应力差异,理论分析了浅部巷道围岩特征为单应力峰值、单一破裂区,深部巷道围岩特征为多应力峰值、分区破裂。现场观测了深部巷道围岩位移呈现波峰、波谷交替出现的规律,波峰部位为破坏区,波谷部位为非破坏区;... 详细信息

基于深部和浅部巷道围岩地应力差异,理论分析了浅部巷道围岩特征为单应力峰值、单一破裂区,深部巷道围岩特征为多应力峰值、分区破裂。现场观测了深部巷道围岩位移呈现波峰、波谷交替出现的规律,波峰部位为破坏区,波谷部位为非破坏区;破坏呈现破裂区和完整区间隔的分区破裂现象,破裂区一般为4~5个,破裂区范围明显大于浅部巷道围岩破裂部位。优化了穿层钻孔封孔深度为8~10 m,通过单孔抽采量考察,结果表明穿层钻孔单孔抽采纯量高达28 m^3/d,平均抽采浓度达20%以上,抽采量提高近10倍,抽采浓度提高4倍以上,抽采效果显著提高。

关键词：深部围岩多应力峰值分区破裂位移破坏封孔深度抽采效果

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深部围岩蠕变特性试验研究及其数值模拟

深部围岩蠕变特性试验研究及其数值模拟

作者：刘正湖南科技大学

学位级别：硕士

流变性是岩石重要的力学特性之一，研究流变力学特性的最重要手段就是开展岩石流变力学试验。随着近年来大型地下洞室、开挖巷道逐步向深部发展，修建过程中的安全性以及运营期的稳定性等岩石工程问题逐渐凸显出来，而项目的长期稳定性... 详细信息

流变性是岩石重要的力学特性之一，研究流变力学特性的最重要手段就是开展岩石流变力学试验。随着近年来大型地下洞室、开挖巷道逐步向深部发展，修建过程中的安全性以及运营期的稳定性等岩石工程问题逐渐凸显出来，而项目的长期稳定性问题与岩石的流变力学特性密切相关，同时一大批大型岩石工程项目的建设更是给岩石流变力学的研究带来了严峻的挑战，因此开展岩体(特别是深部软弱围岩)在单向、三向应力条件下的流变力学特性研究具有重大的理论价值和实践意义。本文以国家自然科学基金项目(50874043)：深部围岩蠕变损伤特性及其应用研究为依托，以湖南邵东县牛马司水井头煤矿为工程背景，采用试验研究、数值模拟相结合的研究方法，基于单轴、三轴压缩变形试验和蠕变特性试验来探讨岩石的瞬时力学强度、变形特性和流变力学特性，主要研究粉砂岩在不同应力水平和状态下的流变力学特性，建立与之适用的单轴、三轴流变本构模型，在VC++的环境下实现自定义本构模型的程序研制，并在FLAC3D软件中实现自定义模型的调用，进行与室内蠕变特性试验同条件的蠕变试验数值模拟研究，并对不同参数对蠕变特性的影响进行敏感性分析。本文的主要研究工作如下： (1)基于RMT-150C伺服试验机得到的粉砂岩单轴、三轴压缩瞬时力学特性试验结果，求取了岩石的各项基本力学和变形参数，并从应力应变曲线的特征、强度及变形指标、破坏形态角度，分析了单轴、不同围压的三轴条件下粉砂岩的瞬时力学特性及变化规律，探讨了不同应力状态下粉砂岩压缩瞬时破坏机理。 (2)基于RYL-600岩石三轴流变试验机对粉砂岩进行单轴、三轴流变特性试验，研究了岩石在不同应力水平和围压下轴向应变随时间变化的规律，分析了等时应力应变曲线的特征。通过对试验数据进行粘弹塑性分离，进一步探讨了岩石流变的粘弹塑性特征，探讨了不同应力水平下轴向蠕变应变稳定蠕变速率的变化规律，分析了岩石在蠕变破坏荷载下轴向应变、轴向流变速率的变化规律，并对比分析了轴向、侧向蠕变的变化规律，由此掌握了粉砂岩单轴、三轴流变特性的规律，同时为流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。 (3)基于粉砂岩单轴流变试验研究结果，通过对理想塑性体进行改进，进一步将其与广义开尔文体串联，得到了一个新的能全面反映岩石瞬弹、瞬塑、粘弹、粘塑的六元件粘弹塑性流变模型(mcvisc模型);基于粉砂岩三轴流变试验研究结果，在西原模型的基础上，通过串联一个开尔文体，得到了一个能全面反映岩石瞬弹、粘弹、粘塑的七元件粘弹塑性流变模型(mcvisc2模型);基于单轴、三轴流变试验曲线，利用数学软件Origin8.0强大的非线性拟合功能自定义拟合函数，对建立的单轴、三轴流变本构模型进行参数的辨识。 (4)基于已建立的单轴、三轴流变本构模型，将其三维形式的本构关系进一步推导为有限差分形式，在VC++的环境下以FLAC内嵌的cvisc模型为蓝本分别对单轴、三轴流变模型实现了自定义本构模型的程序研制，并分别编译成动态链接库文件***和***。利用FLAC内嵌的本构模型对模型的退化形式进行验证，以此证明模型开发的正确性和适应性。基于此对程序的开发流程和程序研制中的关键问题进行了简要的介绍。 (5)在FLAC软件中分别调用自行研制的本构模型(mcvisc模型和mcvisc2模型)，分别开展与室内流变试验同条件的单轴、三轴数值流变试验模拟研究，通过对比数值结果与流变试验结果，验证了自定义模型的正确性和适应性。基于数值试验结果进一步探讨轴向、侧向流变变化规律并对比分析其对流变变化的敏感性差异，同时对试件侧向不同位置的流变变化规律进行对比分析。 (6)分别对不同试件形状、尺寸和围压的数值模型进行与室内蠕变试验同条件的数值模拟研究，探讨了参数变化对蠕变特性的敏感程度，为此类室内流变试验和数值试验参数变化对流变特性的影响提供了合理的评价和建议。

关键词：深部围岩蠕变本构模型参数辨识二次开发数值模拟

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深部围岩蠕变特性试验研究

深部围岩蠕变特性试验研究

作者：刘栋湖南科技大学

学位级别：硕士

岩石作为地下工程建筑中所主要面对的工程材料,其物质组成成分和所赋存的复杂地质环境使其具有显著的流变特性和明显的时效性,对地下岩体工程的稳定有着重要的理论意义和实用价值。目前,在岩石流变特性的研究方面,试验研究是不可或缺的... 详细信息

岩石作为地下工程建筑中所主要面对的工程材料,其物质组成成分和所赋存的复杂地质环境使其具有显著的流变特性和明显的时效性,对地下岩体工程的稳定有着重要的理论意义和实用价值。目前,在岩石流变特性的研究方面,试验研究是不可或缺的基础性工作,其结果可以为揭示岩石不同应力水平条件下的流变属性,为建立合适的流变模型、并为进行工程岩体数值分析提供有关流变参数。但是,随着地下工程埋深的逐渐增大,深部工程围岩表现出了与浅部岩体不同的流变特性,给工程建设带来了更大的挑战。因此本文针对某矿山深部巷道围岩开展了室内蠕变试验研究工作,主要取得了如下几个方面的结论和研究成果:(1)本文首先完成了深部巷道粉砂岩的基本力学特性试验,结果表明:该类岩石节理裂隙较发育,单轴压缩破坏性态主要为沿轴向的劈裂和局部的剪切破坏。有围压的存在时,岩石破坏后残余强度较高,且主要为倾斜于轴向的剪切破坏;岩石抗压强度随围压的增大而增大,经过拟合得到了抗压强度与围压的关系公式。根据理论原理,获得了该岩石的基本力学参数。(2)针对深部巷道粉砂岩进行了多组不同围压下的岩石蠕变试验,试验结果表明:由于节理裂隙较发育,粉砂岩单轴蠕变时随着应力水平的增大,蠕变变形量及衰减稳定时间均先减小后增大,岩石蠕变特性从低应力下的应变硬化逐渐转为高应力下的应变软化。该类岩石变形模量随着时间及应力水平的增大均降低,且岩石处于稳定蠕变阶段的蠕变速率随应力水平的增大而增大。通过不同围压下蠕变特性对比分析发现,围压越大岩石蠕变非线性程度越高,围压的存在消除了蠕变过程中裂隙压密闭合的影响,使得整个蠕变过程中呈现应变软化特性,且其变形模量受应力水平的影响不再随时间的增大而减小。此外,加大围压可以减缓岩石的蠕变破坏时间,破坏前有明显的等速蠕变阶段,围压越大破坏时变形量也越大。(3)根据粉砂岩单轴蠕变试验中加卸载试验曲线特征对岩石蠕变模型中可能存在的基本元件及其组合方式进行了辨识分析,分析了常用元件模型的优缺点,提出了改进西元模型,并拟合确定了模型参数,取得了较好的效果。针对三轴条件下粉砂岩轴向蠕变显著的非线性及应变软化特性,以变形模量的变化定义了损伤,建立了蠕变损伤演化方程,并对Burgers模型进行了修正,得到了粉砂岩三轴条件下轴向蠕变损伤本构模型并确定了模型参数,通过试验曲线和拟合曲线的对比,验证了模型的正确性和可行性。

关键词：深部围岩蠕变围压本构模型变形模量损伤演化参数拟合

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互补支护技术在林南仓矿深部围岩中的应用

煤炭工程 2015年第5期47卷 48-50,54页

作者：肖雪峰刘志双常振兴开滦(集团)有限责任公司河北唐山063000 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

针对林南仓矿深部软弱围岩巷道地应力大、变形大、支护困难的现状,在9#煤层石门进行互补支护技术试验,首先对围岩结构展开了观测,进而分析了该矿围岩变形的主要影响因素,最终以支护体"支护统一,护支并重"的思路,进行了支护设计。工程实... 详细信息

针对林南仓矿深部软弱围岩巷道地应力大、变形大、支护困难的现状,在9#煤层石门进行互补支护技术试验,首先对围岩结构展开了观测,进而分析了该矿围岩变形的主要影响因素,最终以支护体"支护统一,护支并重"的思路,进行了支护设计。工程实践表明,与原支护方式相比,在一个月的时间内,新支护方式顶底变形量减少了546mm,两帮移近量减少了1154mm,说明该方式能够有效控制该矿深部低自承、高膨胀围岩的变形,为安全开采提供了保障。

关键词：深部围岩互补支护主动支护软弱围岩