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直墙式黄土隧道围岩结构的地震动稳定性分析——底脚处应力集中对安全系数的影响

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振动与冲击 2011年第11期30卷 214-218,223页

作者：程选生田瑞瑞郑颖人兰州理工大学土木工程学院兰州730050 后勤工程学院建筑工程系重庆400041

为了验证直墙式黄土隧道(洞)底脚处应力集中现象对围岩结构安全系数的影响,本文根据静力和动力分析模型,应用抗剪强度折减法和ANSYS软件,在现有研究的基础上,分析了底脚为直角时重力和地震作用下塑性区和安全系数的变化规律,并通过数值... 详细信息

为了验证直墙式黄土隧道(洞)底脚处应力集中现象对围岩结构安全系数的影响,本文根据静力和动力分析模型,应用抗剪强度折减法和ANSYS软件,在现有研究的基础上,分析了底脚为直角时重力和地震作用下塑性区和安全系数的变化规律,并通过数值算例,研究了底脚为不同半径圆弧时围岩结构安全系数的变化情况。结果表明:在重力作用下塑性区最先出现在底脚偏上,直角的应力集中现象对围岩结构安全系数没有影响,地震作用下塑性区虽然最先出现在底脚处,但安全系数的降低并非底脚处应力集中现象的影响,从而为以后工程结构中直墙式隧道(洞)的成型和工程应用提供了理论依据。

关键词：地震直墙式黄土隧道围岩结构稳定性分析应力集中结论

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切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用

中国矿业大学学报 2017年第5期46卷 959-969页

作者：何满潮陈上元郭志飚杨军高玉兵中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

针对传统沿空留巷施工工艺繁琐、留巷成本高的问题,提出了切顶卸压沿空留巷新技术.在沿空留巷覆岩运动规律的基础上,研究了采空侧顶板预裂卸压机制,建立了不同顶板位态下"围岩结构-巷旁支护体"力学模型,分别推导得出了巷旁支护阻力的计... 详细信息

针对传统沿空留巷施工工艺繁琐、留巷成本高的问题,提出了切顶卸压沿空留巷新技术.在沿空留巷覆岩运动规律的基础上,研究了采空侧顶板预裂卸压机制,建立了不同顶板位态下"围岩结构-巷旁支护体"力学模型,分别推导得出了巷旁支护阻力的计算方法.结果表明:通过顶板预裂爆破,采空侧低位基本顶间接转化为直接顶冒落,切落后碎胀的矸石对上位岩层起到了较好的支撑作用,限制了其旋转变形,并降低了顶板断裂冲击载荷;将顶板断裂线转移至采空区侧,顶板在侧向形成了切顶短臂梁结构,减小了侧向悬臂长度,降低了巷旁支护体承受的附加载荷.在此基础上,提出了聚能预裂爆破、恒阻大变形锚索及巷旁密集单体支柱等围岩控制技术,并在哈拉沟煤矿12201工作面得到了成功应用.

关键词：沿空留巷围岩结构卸压机制切顶短臂梁控制技术工程应用

隧道围岩结构地震动稳定性分析的动力有限元强度折减法

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岩土力学 2011年第4期32卷 1241-1248页

作者：程选生郑颖人田瑞瑞后勤工程学院建筑工程系重庆400041 兰州理工大学土木工程学院兰州730050

为了得到隧道围岩结构的地震动安全系数,借助通用有限元软件ANSYS,首先对水平地震作用下的模型进行模态分析,得到质量阻尼系数和刚度阻尼系数;其次由静力分析模型得到竖向边界上的水平向支座反力,然后将结构自重转化为温度边界条件,通... 详细信息

为了得到隧道围岩结构的地震动安全系数,借助通用有限元软件ANSYS,首先对水平地震作用下的模型进行模态分析,得到质量阻尼系数和刚度阻尼系数;其次由静力分析模型得到竖向边界上的水平向支座反力,然后将结构自重转化为温度边界条件,通过热分析得到模型各节点的温度,从而实现在动力分析中考虑重力的影响;最后采用悬臂梁动力分析模型,导入热分析获得的模型各节点的温度,并在竖向边界上施加水平向支座反力,通过不断折减围岩塑性区的凝聚力c和内摩擦角Φ,直到计算不收敛为止,从而得到隧道围岩结构的地震动安全系数。数值算例结果表明:采用的方法是可行的,将围岩结构自重转化为节点温度的措施解决了以往动力分析不能考虑结构自重的难点,进而为以后地震作用下隧道动力安全系数的计算及其工程应用提供了理论依据。

关键词：地震隧道围岩结构稳定性动力有限元强度折减法

特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系

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煤炭学报 2019年第6期44卷 1666-1678页

作者：许永祥王国法李明忠张金虎韩会军煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6.0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定... 详细信息

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6.0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统“小结构”初次耦合主动支撑和“大结构”二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩“大、小结构”耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响,指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足“小结构”支护系统适应“大结构”周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响,研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。

关键词：支架结构围岩结构结构耦合特厚坚硬煤层综放开采

深部不同断面巷道分区破裂形态与围岩结构控制

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岩土工程学报 2023年第4期45卷 720-729页

作者：许磊郭帅 Davide Elmo 刘洪林洪紫杰肖同强河南理工大学土木工程学院河南焦作454000 河南省地下工程与灾变防控重点实验室(河南理工大学) 河南焦作454000 英属哥伦比亚大学NBK矿业工程学院温哥华V6T 1Z4 新疆大学地质与矿业工程学院新疆乌鲁木齐830046 河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000

采用理论分析、现场实测、模拟分析的方法,研究了各向等压条件下等效开挖矩形、直墙半圆拱和圆形断面分区破裂形态及围岩稳定结构。结论:3个断面分区破裂形态不同,矩形断面分区破裂呈“■”状分布,直墙半圆拱断面分区破裂呈多层的“■... 详细信息

采用理论分析、现场实测、模拟分析的方法,研究了各向等压条件下等效开挖矩形、直墙半圆拱和圆形断面分区破裂形态及围岩稳定结构。结论:3个断面分区破裂形态不同,矩形断面分区破裂呈“■”状分布,直墙半圆拱断面分区破裂呈多层的“■”状分布,圆形断面分区破裂呈“花瓣”状分布;三个断面位移特征相似,位移等值线浅部呈正立的“鸡蛋壳”形,深部呈“碗”形;支承压力在主破裂面处降低,在最外层主破裂面头部集中,在破裂面之间完整岩层处升高,呈分区集中,“波谷—波峰—波谷”震荡增高的特征向外传播;理想正方形破裂面弦长有an+1=2(1/2)an(n=1,2,3,4)关系;浅部围岩分区破裂形成后,相当于深部围岩的伪开挖,3个断面均存在多层“■”形围岩承载结构。巷道稳定原理就是促进多层承载结构相互依存,共同承载。具体措施:加密、加粗、加长锚杆(索)支护结构,建立浅部与深部多层承载结构相互联系,在浅部形成稳定锚固体促进深部围岩稳定,主破裂面精准注浆修复围岩破裂面和限制主破裂面滑移。

关键词：分区破裂围岩结构深部巷道破裂形态

软弱缓倾层状岩层隧道围岩结构变形与失稳机制试验研究

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采矿与安全工程学报 2024年第6期41卷 1148-1157页

作者：李元海赵万勇朱茂国刘德柱于恒中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 中铁第六勘察设计院集团有限公司天津300308

为探究软弱缓倾层状岩层隧道围岩结构变形与失稳机制,通过大比例相似模型试验,采用自主开发的岩土计算机视觉量测系统PhotoInfor进行围岩变形时空演变过程观测分析,并通过建立围岩结构力学模型探讨围岩失稳机制。研究结果表明:软弱缓倾... 详细信息

为探究软弱缓倾层状岩层隧道围岩结构变形与失稳机制,通过大比例相似模型试验,采用自主开发的岩土计算机视觉量测系统PhotoInfor进行围岩变形时空演变过程观测分析,并通过建立围岩结构力学模型探讨围岩失稳机制。研究结果表明:软弱缓倾层状隧道围岩变形的空间分布特征是首先在拱顶处产生裂纹,随着围岩荷载增加,左右拱肩出现垂直于层理面方向的裂纹并与层理面及拱顶裂纹贯通,进而形成剪切楔并最终塌落导致围岩失稳;缓倾层状岩体存在顺层偏压现象,在荷载作用下围岩结构变形明显左右不对称,在时间演变特征上表现为经历顶板断裂、拱肩失稳和隧道坍塌3个阶段;根据试验现象观测,提出可将隧道围岩顶板与拱肩岩层处分别简化为受均布荷载的简支梁、悬臂梁和受非均布荷载的简支梁力学模型,以此揭示了软弱缓倾层状隧道的围岩结构变形与失稳机制。

关键词：隧道工程层状岩层围岩结构模型试验力学模型

基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理

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煤炭学报 2023年第1期48卷 163-176页

作者：靖洪文赵振龙吴疆宇中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 临沂大学土木工程与建筑学院山东临沂276000

深部煤炭资源开采的强度和深度不断增加,深部巷道围岩的结构性失稳灾变问题日趋严峻、复杂,严重制约深部煤炭安全高效开采。鉴于深部巷道围岩结构变形失稳的渐进演化过程中释放多物理场响应信息,采用自主研制的深部地下工程结构变形失... 详细信息

深部煤炭资源开采的强度和深度不断增加,深部巷道围岩的结构性失稳灾变问题日趋严峻、复杂,严重制约深部煤炭安全高效开采。鉴于深部巷道围岩结构变形失稳的渐进演化过程中释放多物理场响应信息,采用自主研制的深部地下工程结构变形失稳全过程模拟试验系统,配合声发射、并行电法、电磁辐射等监测系统,研究基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理。开展了完整、层状和块状3种结构围岩的破坏性物理模型试验,利用声、电、磁多源信息演化规律对不同结构围岩的荷载-位移全过程进行了定量化评价和多源信息表征,从荷载-位移全程曲线、多源信息响应规律、围岩峰后损伤特性3个角度综合揭示了不同结构围岩的灾变演化及变形失稳机制。研究结果表明:(1)随着围岩完整性的降低,围岩由塑性破坏向脆性破坏转变,其变形破坏过程的波动性和渐进式破坏特征更加显著,层状和块状结构围岩的物理模型峰值承载能力相比于完整结构分别降低4.73%和20.73%;(2)与完整结构围岩的声、电、磁多源信息的连续性响应过程不同,层状和块状结构围岩呈现出阶段式响应规律且特征值更突出,尤其块状结构围岩的阶段跳跃性现象显著;(3)完整、层状和块状结构围岩的裂隙发育区面积依次为448.84、651.76和824.49 cm^(2),即随着围岩结构完整性的降低,裂隙发育区面积不断增大,在本研究中增大范围在1.5~1.9倍;(4)围岩的破坏失稳由完整结构的强度控制型向块状结构的结构控制型转变,而层状结构表现出强度-结构联合控制特征,围岩破坏失稳的结构效应越来越显著。

关键词：灾变演化围岩结构深部巷道多源信息荷载-位移全过程

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基于定向声波扫描的钻孔围岩结构探测方法

工程科学与技术 2020年第1期52卷 118-125页

作者：汪进超王川婴胡胜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

在大型水利水电、能源交通等基础设施的建设中,查明岩体结构中存在的不良地质特征是保证工程顺利开展的重要基础,而常规物探方法很难探测到钻孔围岩结构的精细特征及异常区域的范围和走向。为此,在实验室岩样缺陷检测方法的基础上,提出... 详细信息

在大型水利水电、能源交通等基础设施的建设中,查明岩体结构中存在的不良地质特征是保证工程顺利开展的重要基础,而常规物探方法很难探测到钻孔围岩结构的精细特征及异常区域的范围和走向。为此,在实验室岩样缺陷检测方法的基础上,提出一种基于定向声波扫描的钻孔围岩结构探测方法,该方法为了适用于钻孔围岩结构特征探测,采用定向声波探头、旋转部件及定位装置相结合的技术方法来实现。首先,根据扫描探测数据建立环形扫描矩阵,提出构建环形扫描图的数据处理方法;随后,构建声波数据和环形扫描矩阵的映射关系,将对应的声波处理数据按照映射关系进行对应匹配,形成钻孔围岩结构断面图,在叠加深度信息之后实现了钻孔围岩结构的立体图重建;最后,针对钻孔围岩缺陷区域的岩石声速及缺陷位置参数难确定的问题,利用不同频率声波在岩石中传递的相位特征关系,构建声速维和距离维2维扫描向量,采用数值分析方法求解岩石的声速及异常区域的位置,实现了钻孔围岩的结构特征立体呈现和参数提取,并将该方法应用于实际工程,验证了该方法的可行性和准确性。

关键词：钻孔探测围岩结构声波扫描围岩缺陷围岩声速

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曲墙式土体隧道围岩结构的爆炸动力响应

重庆大学学报（自然科学版） 2013年第4期36卷 142-149页

作者：程选生王建华苏佳轩兰州理工大学土木工程学院兰州730050

为了找出爆炸动力作用下的力学规律、隧道围岩结构的薄弱部位和最容易失效的单元,通过建立土体隧道动力分析有限元整体模型,综合考虑非线性动力方程的求解方法、材料模型的选取、爆炸冲击波的输入方法和收敛性及流固耦合效应的实现因素... 详细信息

为了找出爆炸动力作用下的力学规律、隧道围岩结构的薄弱部位和最容易失效的单元,通过建立土体隧道动力分析有限元整体模型,综合考虑非线性动力方程的求解方法、材料模型的选取、爆炸冲击波的输入方法和收敛性及流固耦合效应的实现因素,利用显式动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,探讨了土体隧道围岩结构在爆炸作用下不同单元的时间历程曲线,分析了爆炸作用下土体隧道围岩结构的动力响应问题,从而为隧道的抗爆设防设计提供参考依据。

关键词：爆炸曲墙式土体隧道围岩结构动力响应