煤柱尺寸对巷道围岩变形和破坏状况研究摘要：该文对矿区煤柱及围岩现场应力测试，分析了不同地质情况下不同的煤柱尺寸内应力受采动影响的变化趋势，提出如何进行煤柱尺寸的优化设计，从而保证在具体的地质情况及支护方式下煤柱的尺寸满足巷道的正常使用要求。
关键词：煤柱围岩应力；尺寸优化；巷道支护
abstract: in this paper the coal pillar mining area and surrounding rock stress test, analyze the different geological conditions of different internal stress pillar size by mining the change trend of influence, and puts forward how to carry on the pillar size optimization design, so as to ensure the geological conditions in specific ways and the support of the size of the coal pillar meet the normal use of the requirements.
keywords: pillar surrounding rock stress; size optimization; of support
中图分类号： p614 文献标识码：a 文章编号：
0 前言
采准巷道[1]大多布置在煤层中，煤柱尺寸不仅对巷道围岩的稳定性有很大影响，而且影响煤炭资源回收率。煤柱尺寸偏小，不能承受采动时矿山压力的影响，容易发生危险事故；煤柱尺寸偏大时，
煤柱尺寸对巷道围岩变形和破坏状况研究摘要：该文对矿区煤柱及围岩现场应力测试，分析了不同地质情况下不同的煤柱尺寸内应力受采动影响的变化趋势，提出如何进行煤柱尺寸的优化设计，从而保证在具体的地质情况及支护方式下煤柱的尺寸满足巷道的正常使用要求。 关键词：煤柱围岩应力；尺寸优化；巷道支护 abstract: in this paper the coal pillar mining area and surrounding rock stress test, analyze the different geological conditions of different internal stress pillar size by mining the change trend of influence, and puts forward how to carry on the pillar size optimization design, so as to ensure the geological conditions in specific ways and the support of the size of the coal pillar meet the normal use of the requirements. keywords: pillar surrounding rock stress; size optimization; of support 中图分类号： p614 文献标识码：a 文章编号： 0 前言 采准巷道[1]大多布置在煤层中，煤柱尺寸不仅对巷道围岩的稳定性有很大影响，而且影响煤炭资源回收率。煤柱尺寸偏小，不能承受采动时矿山压力的影响，容易发生危险事故；煤柱尺寸偏大时，
浅谈跨采巷道围岩变形破坏与控制 张玉涛 （淮北矿业集团公司临涣煤矿，安徽淮北235136） 摘 要 该文主要介绍了跨采巷道围岩的变形机理及变形特点，并概述了跨采巷道围岩稳定控制的关键。关键词 跨采巷道 围岩变形 控制 中图分类号TD325 文献标识码 A doi ：10．3969/j．issn．1005－2801．2012．06．106 Brief Talk on Deformation And Control Of Surrounding Rocks Of Roadway Affected By Overhead Mining Zhang Yu －tao （Linhuan Coal Mine ，Huaibei Mining Industy Group ，Huaibei 235136，China ） Abstract The paper presented the deformation mechanism and features of surrounding rocks of roadway affected by overhead mining ，and briefly summa-rized the key of control measures of roadway affected by overhead mining． Key words roadway affected by overhead mining deformation of surrounding rocks control *收稿日期：2012－05－08 作者简介：张玉涛（1982－），男，安徽阜阳人，2011年本科毕业于安徽理工大学采矿工程专业，助理工程师，现任淮北矿业集团临涣煤矿综采三区主管技术员。 我国现阶段煤层底板巷道主要采用跨采的方式，跨采形式分为横跨和纵跨两种方式，跨采巷道受采动影响的程度主要取决于巷道位置、围岩性质及巷顶与煤层底板的垂直间距。在开采过程中，只有了解跨采巷道的变形破坏机理，合理布置巷道，因地制宜的采取有效的加固维护措施，才能够减少巷道变形量，满足矿井通风、运输和行人的要求。1跨采巷道变形破坏机理1．1 底板垂直应力传递规律 在工作面的推进过程中，随着上覆岩层自上而下的冒落、破断与沉降，工作面前方煤壁会形成超前支承压力，在采空区则会出现应力降低现象即卸压，在底板岩层中，也会相应的出现垂直应力的集中区和卸压区，它与支承应力的分布大体是相一致的。 煤壁下方应力集中等值线呈现出斜向煤壁前方的泡形传递状态，采空区下方则是斜向煤壁后方的泡形。当巷道位于采空区下方时，巷道处于卸压状态，主要受水平应力作用；当跨采巷道位于煤柱下方时，巷道位于应力集中区，垂直应力占主导地位。随着底板岩层深度的增加，应力集中系数和卸压程度减小，应力分布逐步缓和。1．2 跨采巷道变形破坏机理 在工作面的跨采过程中，跨采巷道的围岩应力平 衡状态被扰动，进而在跨采巷道某些部位产生了新的应力集中，底板巷道围岩处于二向围压状态，本身经受不住大的变形能量，因此，跨采巷道周边围岩的应力状态将再次调整，塑性区的范围进一步扩大，并产生更大的压力和流动，最终导致跨采巷道围岩的最外层破裂区范围不断扩大，产生更大的碎胀变形。 跨采巷道变形失稳主要是由剪胀变形作用导致的，破裂区范围内的围岩自身稳定性差，围岩和支护体系的相互作用决定了跨采巷道能否长期保持稳定以及受跨采影响的程度和范围。2跨采巷道围岩变形特点2．1 跨采方式不同 工作面开采时，横跨巷道存在围岩变形的相对稳定区，与横跨巷道相比，纵跨巷道围岩变形破坏严重，无相对稳定区，巷道的变形主要是顶底板的移近造成的，且变形量呈持续上升趋势。2．2 巷道位置不同 跨采巷道围岩变形与巷道所处位置密切相关。当巷道位于采空区下方时，巷道总体变形量较大，变形特征以两帮内移为主；当跨采巷道位于停采线下方时，巷道煤柱侧帮部及底板变形较大；当跨采巷道位于煤柱下方时，巷道变形强烈，变形特征呈全断面收缩，底鼓严重。随着与工作面垂距的加大，巷道的变形破坏程度减小。3跨采巷道的围岩稳定控制3．1 跨采巷道的位置优化 由于底板应力传播特性以及矿压显现的区域性， 4 7 12012年第6期
深部围岩变形破坏时效性分析 1.引言 围岩应力场和位移场的分布规律是地下工程设计中必须解决的主要问题。地下洞室的失稳破坏，往往是从洞室周边开始、由于围岩应力超载或围岩位移过量所致，而岩石的流变性使得围岩的变形具有很强的时效性。一方面由于岩石和岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质，另一方面也由于岩体的受力条件(包括长期受力和三轴应力状态)使流变性质更为突出，因此，在矿山和地下工程中表现的力学现象，包括地压、变形、破坏等等几乎都与时间有关。巷道或隧道开挖后，在地应力的作用下，围岩往往会向巷道或隧道内慢慢地移动收敛，具体表现是:侧墙逐渐向内移动，底板慢慢隆起，顶拱则进一步开裂。各种长期监测资料表明，自洞室开挖至数月或数年内，围岩的变形和应力分布均随时间发生变化。现在己经认识到岩体流变的普遍性，并用塑性流动和粘性流动来解释地下工程的时间效应问题。岩石的流变变形也是导致岩体地下工程中支护结构产生变形和破坏的主要原因，作用于地下结构衬砌上的载荷会随时间而增长，大型边坡和地下洞室的变形会逐渐加大，甚至会引起灾难性的后果。 因此，对地下洞室变形时效性的研究，也是我们在地下工程中合理选择支护类型及支护结构的前提，对于研究开挖后的工程岩体的动态特征以及岩体工程的设计，均具有十分重要的意义。 2.岩体时效(Rock Timeliness)的影响因素 岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。根据大地构造测试结果，地壳目前的平均蠕变速率为106l/s。不少大断层至今仍有持续移动的迹象。在边坡、隧洞、基坑、矿井、铁路路基等岩体工程中，岩体流变现象很常见。近年来，由于能源开发的扩大和环境保护要求的提高，所进行的天然气、液化气、油料以及核废料地下储藏课题研究，将岩石材料在不同荷载水平和不同温度条件下的长期变形与稳定问题提到了十分紧迫和重要的地位。一般认为，岩体工程中的时间效应主要是由以下几个方面的因素所引起的： (l)、岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。一般的软岩，如盐岩、泥岩、粘土岩等，其粘滞系数都达到106-109MPa.S。硬岩的流变性态相对较弱，如测得的花岗岩的粘滞系数为1013MPa .S。然而，由于受到成岩过程中的地质构造运动影响，岩石材料中存在各种裂隙、节理、层理等构造面，这一结构特点导致脆性岩体亦呈现较强的
深部矿井开采技术问题 摘要:本文根据我国主要深部矿区30余对矿井的实地调查、部分井下观测和25个矿务局的函调材料,对我国煤矿深部开采的基本状况及其在开采中遇到的巷道维护、冲击地压、瓦斯突出及地热等主要问题作了总结和剖析,并就今后煤矿深部开 技术问题提出了几点看法和建议。 1煤矿深部开采的现状及趋势 深井开采技术是当今世界主要深井开采国家(如德国、原苏联、波兰等)十分关注的问题之一。随着我国煤矿开采规模的扩大,开采深度的逐渐增加,深部开采中遇到的各种技术问题日益增多,对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重。因此,研究深部开采问题,对安全、经济、合理地开发深部煤炭资源无疑有特别重要的意义。 我国是世界第一产煤大国,1997年原煤产量13.3亿吨。全国主要国有矿区90多个,井工开采的生产矿井588对(1996年统计)。据不完全统计,采深超过800m的深井19对,其中开滦矿务局赵各庄、沈阳矿务局彩屯矿采深超过1000m,新汶矿务局孙村矿、华丰矿、长广七矿采深超过800m。“八五”期间新打深井65个,平均深度588m,其中700~800m的井筒28个,800~1000m的井筒13个,1000m以上井有12个。 据煤炭资源开发和资源保护研究指出,在我国预测总储量中73.2%埋深在1000m 以下,浅部储量较少。因此,深井开采技术不仅是目前一些深矿井面临的问题,而且从长远看,它将是我国今后进一步开发利用深部煤炭资源的带有战略意义的问题。 2深井开采的主要技术问题 2·1矿压显现加剧,巷道维护困难随着矿井采深的不断增加,一方面,巷道断面必需加大,据对开滦矿区统计,近10年间采深平均增加100m,岩石巷道断面平均增加8.1%,煤、半煤岩巷平均增加32%;另一方面,地压增大,在深部高应力作用下,围岩移动更为剧烈,巷道产生变形破坏更为严重。在调查的超过700m的深井中,巷道矿压问题普遍严重,底鼓成为常见的地压现象,特别在采准巷道中尤其严重。失修和严重失修巷道比例增加,据开滦局调查统计,井深1000m时巷道失修率约是同条件下500~600m埋深巷道失修率的3~15倍,部分矿井巷道失修和严重失修率达20%以上。巷道维修占用大量人力物力,林西矿井深800m,巷道维修工占井下工人的比重为7.00%~10.50%。很多深部巷道由于严重破坏无法行人、行车而被迫停产反修。且常常出现前掘后修、重复反修的象。深井巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中的最薄弱环节。 出现上述现象的主要原因是客观上井深、围岩应力增加。主观上没有充分认识深井巷道矿压规律,巷道支护形式不能适应深井巷道围岩变形的要求,支护形式、支架参数
围岩变形弹塑性分析 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
§ 隧道围岩重分布应力的计算 隧道开挖前，岩体中每个质点均受到天然应力的作用而处于相对平衡状 态；隧洞开挖后，洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑，破坏了原有的平衡状态，从而产生向洞内空间的膨胀变形，其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系，引起应力、应变和能量的重新调整，达到新的平衡关系，形成新的应力状态。 弹性围岩重分布应力 对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一般时，隧道开挖后的围岩将呈弹性变形状态。这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩应力重分布可用弹性力学的基本理论来分析，隧洞半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑，围岩重分布应力可用柯西（Kirsh ）课题求解。 图2-1是柯西课题的简化模型。设无限大弹性薄板，在边界上受沿X 方向的外力P 作用，薄板中有一半径为R 0的圆形小孔。取如图极坐标，薄板中任一点M （r ，θ）的应力及方向如图所示，按平面问题考虑，不计体力，则M 点的各应力分量，即径向应力?r 、环向应力?θ和剪应力τθ与应力函数?间的关系，根据弹性理论可表示为： 22222 2 21111r r r r r r r r r θθ θ θφφσθφσφφτ??=+???=?????? ?? =?? ?? ?? -???（2-1） 上式的边界条件为： ()()() ()000cos 22 2 sin 22 r r b r r b r r r b r b p p b R p b R b R σθτθ στ====? =+ ? ?? =- ?? ? ==?? （2-2） 设满足该方程的应力函数φ是： () 222ln cos 2A r Br Cr Dr F φθ-=++++（2-3） 带入上式并考虑边界条件，可求得应力函数为： 2222 00222 00ln 1cos 22222pR R r r r R R r φθ? ?=-----?????? （2-4） 代入可得各应力分量：
某滑坡的变形和破坏机理分析研究 介绍了某滑坡的特征，分析了滑坡区区域工程地质和水文地质特征，对该滑坡体的变形和破坏机理进行了研究和分析。分析表明：人为活动和地形地貌是滑坡发生变形破坏的主要因素，降雨诱发、岩层产状等因素是造成滑坡发生滑动和进一步破坏的诱发因素。 标签：滑坡变形破坏诱发因素 1概述 塔山滑坡位于广东省开平市长沙区平岗村塔山开元塔底。由于建设工程的需要，在塔山的东南侧进行采石，采用放炮等土石法，致使塔山南侧岩石大量开采形成陡崖，并使周边岩土体产生裂缝，之后由于人为因素和自然因素的影响，塔山南侧裂缝逐渐扩大，至90年代，开始形成滑坡。1999～2001年，在修建塔山公园公路时对山体坡脚进行开挖，在公路北侧形成高约10～17m，坡度约35～45°的高陡边坡，滑坡距公路最近的平岗村居民区约22m，山坡坡脚距公路最近仅2m左右。2004年和2005年雨季，由于连降暴雨，滑坡有活动下滑的趋势，滑坡体前缘公路路面隆起，最高处隆起约40cm，隆起部分面积约有20～30m2，公路北侧排水沟产生变形歪斜，部分已经破坏，水沟上方在雨水后有地下水浸出，形成间歇性下降泉，平岗村内部分房屋墙面产生裂痕，进出塔山公园的公路曾数次被塔山山坡上崩塌的土体破坏。 2滑坡变形形态特征 X 根据实地踏勘，除滑坡体后壁出现较大裂缝外，滑坡周界及滑坡体底部也有约13处裂缝，现将裂缝走向一致的裂缝分为一组，共五组裂缝（表1）。 3滑坡体的工程地质与水文地质特征 塔山滑坡滑坡体主要由第四系坡积土层、风化残积土层、侏罗系中上统百足山群、全风化、强风化、少量中风化基岩组成（见图1）。滑坡体中上部为残积土层，主要由粉土、粉质粘性土组成，呈可塑状或松散状，含较多的碎石和砂、砾石，透水性较好；风化残积土层主要由粉质粘性土，含少量碎石和砂砾石组成，局部夹有全风化、强风化岩，其透水性较差；基岩主要为全风化、强风化泥质粉砂岩，含少量强、中风化岩块，其透水性较好；滑床基本处在中—微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩中，岩石呈中厚层状，岩质坚硬，局部裂隙发育，透水性好。 滑坡区地下水主要为第四系冲积土层、残坡积土层中的孔隙水和基岩裂隙水，地下水补给来源主要为大气降水的渗入补给和相邻含水层之间的侧向补给。
巷道围岩破坏机理及防护技术 矿产资源的不断开采，开采深度不断加大，渐渐进入深部开采，深部开采引起的三高一绕动严重影响巷道的稳定性，进入千米之后的深部开采围岩压力增大、原始构造应力大、巷道围岩变化剧烈。因此巷道围岩破坏研究机理及技术是我们研究重点，针对围岩稳定的基本状况，提出有针对性的支护方案有重要意义。 标签：巷道围岩；支护；稳定性 1 巷道围岩机理研究 矿井的深部开采的巷道问题已经不能用浅部理论解决，浅部条件下的地质情况以及矿山压力破坏机理都产生变化，深部的地质状况有独特的特点，对于深部要进行特征分析以及重新建立一个符合特点的压力显现理论。根据巷道变形的特点，建立一个科学体系将弹塑性理论以及破碎理论融合，传统的连续介质不适合复杂条件。深部巷道围岩破裂区和完整区多次交替的现象，即分区破裂化。将分区破裂化定义为“在深部岩体中开挖洞室或者巷道时，在其两侧和工作面前的围岩中，会产生交替的破裂区和不破裂区。 在各类的巷道进行施工的过程中，原始的应力场遭到破坏，巷道围岩压力的调整在巷道稳定蠕变期间，一个非线性的复杂的体系是围岩体系的状态，对于深部的巷道破坏不会有明显的显现特征，我们要保证加强对高应力下的巷道控制，做到对于耦合围岩变形的特征还有围岩压力进行控制。对于上覆岩层压力以及扩容压力是围岩失稳的主要方面，破坏扩容及粘土矿物膨胀压力是影响深部软岩巷道稳定的持续性力源。不注重围岩与支护体的变形协调和祸合难以达到理想的支护效果，是不能够合理的分析破坏机理，为此，必须从围岩的变形破坏特征。矿物组成、结构特点、力学作用等多方面深入研究围岩的变形力学机制，只有这样才能设计出一个合理稳定防御体系。对巷道围岩进行分析归类，对于不同的体系采取，对于支护方案进行设计，对参数进行确定，修缮施工工艺，多角度全方位的进行支综合研究。如今支护在材料以及支护设备上有新的突破，在支护材料方面主要研发了锚杆支护、喷射混凝土支护、钢结构支护混凝土预制大弧板结构等，在支护方式是包括锚杆+喷射混凝土、锚喷网、锚喷网+锚索，锚喷网。 2 支护方案 在现场进行锚杆与卸压孔协同作用就行现场应用，评价巷道围岩稳定性。深部测点数据在埋深982m处，最大水平主应力为29.20MPa，垂直应力为23.30MPa，最大水平主应力方向N20.6°E。埋深在1034m，轨道巷中，最大水平主应力33.22/MPa最小水平主应力15.19/MPa垂直应力25.84/MPa最大水平主应力方向N35°E。在1045m深的回风巷最大水平主应力为31.27MPa，最小水平主应力为14.27MPa，垂直应力为22.38MPa，煤矿深部地层应力场类型为H大于V大于A 型应力场，最大水平主应力为最小水平主应力的1.5到2.1倍。地应力数据划分的地应力水平是超高地应力区域，巷道围岩的强度显示，在岩层的完整性来看是
金属材料与热处理陈健 晶体的缺陷第二章金属材料的性能 ⑴了解金属材料的失效形式， ⑵了解塑性变形的基本原理， ⑶提高对金属材料的性能的认识。 正确理解载荷，内力、应力的含义。 应力的应用意义。 ⑴与变形相关的概念 ⑵金属的变形 讲授、提问引导、图片展示、举例分析、
一，晶体的缺陷： 1点缺陷：间隙原子，空位原子，置代原子，在材料上表现为：使材料强度，硬度和电阻增加。 2线缺陷：刃位错（如图：P-6），在材料上表现为：使得金属材料的塑性变形更加容易。 3面缺陷：有晶界面缺陷和亚晶界面缺陷，表现为金属的塑性变形阻力增大，内部具有更高的强度和硬度。因此晶界越多，金属材料的力学性能越好。 第二章金属材料的性能 导入新课： 我们经常见到一些机械零件因受力过大被破坏，而失去了工作能力。大家能否举些身边的例子呢？ ——如：弯曲的自行车辐条，断掉的锯条、滑牙的螺栓等。 机械零件常见的损坏形式有三种： 变形：如铁钉的弯曲。 断裂：如刀具的断崩。 磨损：如螺栓的滑扣。 本次课给大家介绍金属材料损坏的形式、变形概念与本质等等，首先我们来了解一些基本概念。
一、与变形相关的概念 ㈠、载荷 1、概念 金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 2、分类：根据载荷作用性质分，三种： ⑴、静载荷：大小不变或变化过程缓慢的载荷。 ——如：桌上粉笔盒的受力，用双手拉住一根粉笔两端慢慢施力等。 ⑵、冲击载荷：突然增加的载荷。 ——如：用一只手捏住粉笔的一端，然后用手去弹击粉笔。 ⑶、变交载荷：大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。 ——如：通过在黑板上绘图分析自行车轮转动时辐条的受力。 根据载荷作用形式分，载荷又可以分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭曲载荷等。 拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷 剪切载荷扭曲载荷 ㈡、内力 见车工工艺书 P32， 图2—20
深部矿井巷道围岩分区破裂实测研究 姜 光1 ,朱守颂1 ,谷 满2 ,王松涛 2 (1 中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221008; 2 中平能化集团六矿,河南平顶山467000) [摘 要] 采用钻孔电视监测法对某矿3213工作面运输平巷进行现场定点定面多次监测,选取掘后10d 与掘后50d 观测结果进行对比分析,研究巷道围岩随时间影响在其内部的变形趋势,同时展开深部巷道围岩阶段性裂隙成型与围岩应力变化关系的分析研究,成果揭示了深部矿井开掘巷道围岩内在变形破坏机理,为此类巷道维护提供依据。 [关键词] 深部巷道;分区破裂;钻孔探视[中图分类号]TD313 1 [文献标识码]A [文章编号]1006 6225(2010)06 0083 03 Zonal D isintegration O bservation of Roadway 's Surrounding Rock in D eep M ine JI ANG Guang 1 ,Z HU Shou song 1 ,GU M an 2 ,WANG Song tao 2 (1.M i n i ng Engi n eeri ng Schoo,l C hina Un i versit y ofM i n i ng&Techno l ogy ,Xuzhou 221008,C h i na ; 2.S i xt h M i ne ,Zhongp i ng Energy Che m icalG roup ,P i ngd i ngs han 467000,Ch i na) Abstrac t :Bo reho le TV appli ed to mon it o ri ng road w ay sta t us i n 3213m i ning face and observati on result of 10d and 50d after driv i ng compared and ana l y zed ,the paper ana l y zed defor m ati on tendency o f surround i ng rock i nfl uenced by ti m e .R e lati onship o f stress var i a ti on and crack of deep roadway w as researched .The resu lt show ed inner fail ure m echan i s m of roadway surroundi ng ro ck dr i ven i n deep ,wh ich prov i ded re ference for roadway m aintenance . K ey word s :deep road w ay ;zona l d i s i nteg rati on ;bo reho le TV [收稿日期]2010-07-27 [基金项目]国家自然科学基金项目(50974118);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET -09-0727);江苏省 青蓝工程 资助。 [作者简介]姜 光(1982-),男,河南平顶山人,硕士研究生,从事矿山压力与岩层控制方面的研究。 在矿井深部岩土工程中导致围岩呈分区、分阶段的形式破裂,其形成机制国内外学者做过大量研究。1986年俄罗斯学者E I She m yakin 等 [1-2] 率先 提出 间隔性的环带状碎裂现象 ,国内专家学者称之为 分层断裂 、 分区破裂 或 区域性断裂 、 间隔破裂 等;顾金才,顾雷雨等 [3] 认为 分层断裂应有较大的平行于深部开挖硐室轴线的水平地应力,同时硐壁要有较大的平整面或较大的曲率半径;贺永年,蒋斌松,韩立军等 [4] 采用能量 分析的方法对深部巷道围岩间隔断裂的形成机理进行了研究,并从围岩应力与物理力学性质方面阐述了间隔断裂的成因;李术才,王汉鹏,钱七虎等 [5] 通过钻孔电视研究淮南近千米深不同巷道后, 给出了巷道分区破裂分布图,并总结出破裂区半径与巷道半径r 的关系式为(2)i -1 r (i =1,2,3, 4);潘一山,李英杰,唐鑫等 [6] 在对金川与阜新 五龙等矿区现场监测基础上,通过天然岩石的实验室测验、相似模拟等手段,对分区碎裂现象进行了系统的研究,结合理论推导重新界定了巷道围岩分区碎裂发生的条件公式;钱七虎,李树忱 [7] 讨论 了国内外深部岩体分区破裂现象实验和理论的研究 进展,归纳分区破裂产生条件、变化规律的同时指出了接下来研究的5个方向,其中就有分区破裂现象下巷道围岩的支护稳定性研究。 分区破裂方向随着研究的不断深入,其形成机制与控制机理正逐步形成体系,但在深部矿井开挖巷道中对分区破裂发展发育的时间空间关系却研究较少。本文以某矿3213工作面运输平巷现场监测为基础,通过钻孔探测与理论分析,解析出深部开挖巷道围岩分区破裂的时间规律及其形成机理[8] , 为深部岩土工程的进一步深入研究提供参考。1 工程概况1 1 地质条件 某矿3213工作面运输平巷埋深700m 。煤层顶底板情况如表1所示。1 2 巷道断面及支护设计 3213工作面运输平巷设计为矩形断面,断面尺寸为5000mm !3000mm,采用锚杆(索)网梁支护,顶板锚杆规格为 22mm !M 24!2400mm 的左旋无纵筋螺纹钢,间排距800mm !800mm;锚索钢绞线规格为 17 8mm !6 8m,钻孔深度为6 5m,间排距为2200mm !1600mm 。 83 第15卷第6期(总第97期) 2010年12月煤 矿 开 采Coa lm i n i ng T echno l ogy V o1 15N o 6(Ser i es N o 97) D ece m ber 2010
第三章岩体的变形与破坏 变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。 破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。 1．岩体变形破坏的一般过程和特点 （1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段 ①压密阶段（OA段）： 非线性压缩变形—变形对应力的变化反应明显； 裂隙闭合、充填物压密。 应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。 ②弹性变形阶段（AB段）： 经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质； 应力-应变呈线性关系； 弹性极限B点。 ③稳定破裂发展阶段（BC段）： 超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。 a．出现微破裂，随应力增长而发展，应力保持不变、破裂则停止发展； b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）；
④不稳定破裂发展阶段（CD段）： 微破裂发展出现质的变化： a.破裂过程中的应力集中效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展； b. 最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整体破坏。“累进性破坏”。 c. 应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大； ※结构不均匀；起始点为“长期强度”； ⑤强度丧失、完全破坏阶段（DE段）： 破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低， 岩体被分割成相互分离的块体—完全破坏。 （2）岩体破坏的基本形式 ①张性破坏（图示）； ②剪切破坏（图示）：剪断，剪切。 ③塑性破坏（图示）。 破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征； 二者的相互关系。 ①破坏形式与受力状态的关系： a.与围压σ3有关： 低围压或负围压—拉张破坏（图示）； 中等围压—剪切破坏（图示）； 高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。 的关系： b.与σ 2 σ2/σ 3 <4（包括σ 2 =σ3），岩体剪断破坏，破坏角约θ=25°； σ2/σ 3 >8（包括σ 2 =σ1）：拉断破坏，破坏面∥σ1，破坏角0°; 4≤σ2/σ3≤8：张、剪性破坏，破坏角θ=15°。 ②破坏形式与岩体结构的关系： 完整块体状—张性破坏； 碎裂结构、碎块结构—塑性破坏； 裂隙岩体—取决于结构面与各主应力之间的方位关系。
收稿日期:2017-10-12;修回日期:2017-11-07基金项目:国家自然科学基金项目(51679215)作者简介:王克忠(1965-),男,山东冠县人,教授,博士,主要从事水电站地下工程二隧道工程理论方面的研究三E-mail:wkz@https://www.doczj.com/doc/049093634.html, doi :10.11988/ckyyb.20171172 2018,35(3):159-163 基于结构面几何参数的深部隧洞围岩 破坏机理研究 王克忠1,吴 慧1,马 菲2 (1.浙江工业大学建筑工程学院,杭州 310004;2.山西省中部引黄水务开发有限公司,太原 030000)摘 要:岩体的强度主要由结构面控制,为确定结构面对隧洞围岩的影响,在对围岩中单一结构面的应力分布和破坏形式进行理论分析的基础上,研究了结构面倾角以及结构面到隧洞中心的距离对节理围岩破坏机理的影响三并利用3DEC 离散元程序分别对不同结构面分布二不同岩石强度和结构面强度下18种组合的围岩变形进行了计算,分析了结构面不同分布情况下围岩的破坏模式;对比分析岩石二结构面强度不同组合下岩石强度和变形特征,研究了结构面力学变形性质在岩体损伤破坏中的贡献三研究结果表明:结构面距开挖轮廓线越近越容易发生破坏;结构面倾角影响结构面首先发生破坏的位置;结构面的分布决定围岩首先发生破坏的位置,结构面的破坏不一定会导致围岩的破坏三研究成果对不同结构面组合分布的围岩变形和破坏分析具有一定的指导意义三关键词:深部隧洞;节理围岩;结构面;几何参数;离散元;破坏机理 中图分类号:TU457 文献标志码:A 文章编号:1001-5485(2018)03-0159-05 1 研究背景 岩体中存在着各种形态尺寸的软弱结构面,这些不连续面对岩体的力学性质和稳定性起着重要的控制作用三为了研究软弱结构面对岩体强度的影响,Jaeger 等[1]提出了单结构面理论;Ramamurthy 等[2]建立了新的岩石非线性破坏准则,并提出了单节理岩体强度经验公式;Reyes 等 [3] 对节理岩体的 节理倾角二台阶角二层距二岩桥长度以及节理组的连通率等对岩体变形破坏机制和强度的影响规律进行了研究;梁正召等[4]对断续节理岩体的强度和破坏特征进行了分析;孟国涛等[5]提出对含有优势断续节理组的岩体可以使用等效遍布节理来描述;范景伟等[6]通过模型试验和有限元计算得出对于含有多组交叉结构面的岩体,只需要分别校核其强度,可以忽略结构面间的相互影响的结论三 上述学者在对节理岩体强度的研究中,通常采用单轴或三轴进行试验和模拟,且岩体保持着相对的完整性三在隧洞开挖过程中,岩体完整性被破坏,围岩的受力状态和结构特征与单(三)轴试验不同,节理围岩的强度特征和破坏机制与完整节理岩体有差异,本文将对此展开研究三 在节理岩体研究中,数值模拟能够反映节理岩 体复杂的结构特征二应力状态和加卸载条件等,在国 内外的研究中得到了广泛的应用,如有限元法[7]二DDA 法[8-9]二离散元法[10-12]等三离散元法中的单元在运动过程中单元节点可以分离,更加准确地反映节理岩体的变形特征,因此本文将利用3DEC 离散元软件对隧洞节理围岩的破坏特征进行研究三 通过对不同结构面组合分布的围岩变形和破坏分析,对含节理围岩的破坏模式进行总结三针对不同的结构面分布组合,进行不同的支护加固,对实际工程具有一定的指导意义三 2 节理围岩稳定性及破坏机制分析 2.1 围岩中单一结构面的损伤破坏机理 如图1所示,围岩中存在倾角β二与隧洞中心距离d 的软弱结构面,可按式(1)计算结构面上点A (θ,r )的正应力σ和切应力τ三 σ=1 2(σr -σθ)+12(σr -σθ)cos[2(β+θ)]; τ=τrθcos(2α)-1 2(σr -σθ)sin[2(β+θ)]三 ì? í (1) 式中:σr 为围岩径向应力;σθ为切向应力;τrθ为剪应力;θ为点A 与隧洞中轴线的夹角,当点A 与点B 第35卷第3期长 江 科 学 院 院 报 Vol.35 No.3 2018年3月 Journal of Yangtze River Scientific Research Institute Mar.2018 万方数据
关于软岩大变形，目前还没有形成一致和明确的定义。Karl Terzaghi(1946)最早对隧道围岩大变形进行描述和定义，他指出：“挤压变形岩石是指含有相当数量黏土矿物的岩石”，变形行为会以“不容易察觉的体积增加缓慢地侵入隧道净空，挤压变形的先决条件是岩石中高含量的具有膨胀性细微或亚微云母矿物和黏土矿物”。国际岩石力学学会于1995 年成立了专业委员会研究岩石挤压变形问题，提出挤压变形的定义“挤压变形是一种与时间相关的变形行为，通常发生在地下空间开挖面周边，一般由于极限剪切应力失稳而导致的蠕变所造成，这种变形可能会在开挖期间停止，也有可能持续非常长的时间”。 仔细分析这两种经典定义，太沙基实际上讨论了地质软岩的概念，定义强调岩石成分的特殊性，对力学机制没有涉及。而国际岩石力学学会的定义则强调大变形是与时间有关的变形行为，产生原因是由于极限剪切应力失稳。实际上，上述定义只强调了一个现象的两个方面，均有一定缺陷。陈宗基等(1983)认为，围岩收敛变形机制应包括塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、挠曲五个方面，与前述定义有重叠之处；翁汉民等(1999)认为不能从变形量的大小定义大变形，具有显著变形是大变形问题的外在表现，其本质是由剪应力产生的岩体剪切变形发生错动、断裂分离破坏，岩体向地下空间方向产生挤压变形来定义大变形；何满潮等(2002)基于地下空间大变形现象将软岩分为膨胀型软岩、高应力软岩、节理化软岩、复合型软岩四类；李天斌等(2005)基于产生围岩大变形的地质环境及力学机制，将其定义为：隧道及地下工程中，由软弱岩体构成的围岩，在高或相对高地应力、地下水或自身膨胀性的作用下，其自承能力丧失或部分丧失，产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形且变形得不到有效约束的现象，它既区别于岩爆运动脆性破坏，又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏；赵旭峰（2007）提出挤压现象是一种在隧道开挖中与时间有关的大变形，与岩体的时效力学行为紧密相关，表现为在工程扰动力作用下，当岩体所承受的剪应力超过某极限值时，所发生的随时间发展的显著粘弹塑性变形；上述对大变形的定义均较好地概况了前述两种经典定义。
深井软岩巷道破坏机理与围岩控制技术研究 李智峰 （黑龙江科技学院，黑龙江哈尔滨150027） 摘 要 矿井开采进入深部以后，原有的支护方式及支护强度已很难适应深井煤巷的变形特征，巷道围岩变形根本无法满足矿井安全生产的 需要。该文通过对深井软岩巷道的变形破坏机理，采用锚杆为主的联合支护技术，实现了深井软岩巷道围岩控制的长期稳定，也为该类巷道推行锚杆联合支护技术提供了参考和借鉴。关键词 深井 软岩 锚喷支护中图分类号TD327 文献标识码 A *收稿日期：2012－02－27 作者简介：李智峰（1972－），男，辽宁彰武人，中级职称，毕业于黑龙江科技学院计算机科学与技术专业，大学本科。现为黑龙江科技学院安全工程学院教师，主要从事科研管理和煤矿安全方面的研究工作。 随着煤矿开采强度与范围显著增加，巷道布置出 现了以下发展方向：（1）在巷道层位方面，永久性巷道从岩巷向煤巷发展，以提高掘进速度，缩短建井周期；放顶煤开采技术的广泛应用，使得回采巷道从岩石项板煤巷向煤层项板巷道和全煤巷道发展。（2）在巷道断面形状与大小方面，拱形断面向矩形断面发展，以提高掘进速度与断面利用率，回采巷道有利于采煤工作面的快速推进；小断面向大断面发展，以满足大型采掘设备与高开采强度的要求。（3）在回采巷道数量方面，单巷布置向多巷发展，以满足高瓦斯矿井及大型矿井运输、通风的要求。（4）从巷道赋存条件方面，埋深从浅部向深部发展，简单地质条件向复杂地质条件发展，特别是深井软岩巷道围岩控制问题，增加了巷道支 护难度，对支护技术提出更高、更苛刻的要求 ［1－3］ 。因此，本文从深井软岩巷道破坏机理，针对具体实际情况确定巷道支护方式和技术参数，通过现场工业试验获得良好的技术经济效果。1 深井软岩巷道破坏机理 随着开采深度的增加，地应力也随之增加，由于围岩强度小，巷道围岩应力状态达到或超过岩石的塑性变形临界或强度极限，要达到一个新的平衡，必须由深部岩石来承载巷道动压，当一个平衡点被破坏，就要求有一个新的平衡点来支持，这样必然造成巷道围岩松动圈增大，由浅入深，因而巷道收敛变形量急剧增加，稳定性差，给巷道稳定性控制带来困难。1．1深井巷道矿山压力 深井巷道稳定性差的根本原因是深井巷道的矿山压力较大，或简单地说是原始地应力大，假定巷道承受的垂向地应力等于地层重力。对于深度达到800m 的巷道，则自重应力可达到20MPa ，如果巷道围岩的轴抗压强度为40MPa ，则有巷道的不稳定系数为0．5，则巷 道围岩会因应力集中达到单轴抗压强度极限。对于受 到采场矿压作用的巷道，则更容易发生变形破坏。1．2深井巷道变形破坏规律 若以巷道松动圈的厚度来表示巷道变形破坏情况，则可发现：随采深的加大，各种岩性巷道的松动圈的厚度随着加厚；岩性越软则松动圈厚度越大，承受动压作用的各种岩性巷道松动圈的厚度值更大一些。鸡西荣华煤矿主要大巷所在水平的岩层主要为泥岩、煤和炭质泥岩，经观测泥岩、煤和炭质泥岩松动圈最大在2 2．5m 之间，属于深井软岩，极难支护。1．3深井软岩巷道稳定性控制 通过以上分析，巷道稳定性主要取决于3方面的因素：（1）巷道围岩应力场，主要由开采深度和采动影响决定；（2）巷道围岩的力学性质，主要由岩层结构、岩石强度和裂隙发育情况等因素起作用；（3）巷道支护方式和参数。 因此，深井软岩围岩控制应从煤层赋存情况、开采 深度和井田的地质情况为依据， 从巷道的支护方式和参数入手，不断优化支护方案，增强围岩强度，提高支护能力来控制巷道的稳定性。2锚杆支护在软岩巷道中的应用 2．1 支护方式的选择 以鸡西荣华矿水平运输大巷为例介绍软岩巷道围岩控制方式。 软岩支护设计必须采取卸压、让压与加固围岩、提高围岩自承能力相结合的方法，若采用料石砌碹的支护方法，不仅工序复杂，支护工期长，工人劳动强度大，成本高，而且因砌筑材料是刚性的，起不到卸压、让压的作用，当围岩应力发生变化时，极易破坏，不能解决软岩支护问题；采用U 型钢支架支护，虽然承载能力高，可缩性强，但硐室高度、跨度较大，施工困难，成本较高，且它不能对巷道围岩提供主动支护作用，也不是一种理想的支护方式。根据荣华水平运输大巷围岩的 实际情况， 对设计依据进行了详尽分析后，确定采用以高强度左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆为主的锚、网、索与喷射混凝土联合支护。通过高强度左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆对围岩进行主动加固，保持围（下转第155页） 3 512012年第5 期
科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 2013年第5期0引言 近些年来，甘肃省经济发展迅速，但是发展经济的前提，交通必需先发展。随着高含水率黄土隧道修筑的增加，施工中出现了一些问题，许多学者作了大量的研究。采用隧道理论计算与现场监控量测相结合的方法，为隧道安全施工提供了重要保证，进一步优化了初期支护和二次衬砌的参数，提高了施工速度和质量。本文以石羊岭隧道为工程依托，通过MIDAS/GTS 数值计算和现场监控量测，对隧道留核心土施工法施工过程进行数值计算，并与现场监控量测数据对比，得出留核心土施工法施工对石羊岭隧道开挖比较合理[1-3]，为高含水率黄土隧道施工积累经验，研究具有一定的参考价值。 1工程概况 石羊岭隧道位于定西市安定区。隧道全长1288m ，隧道起点端里程桩号K6+232，隧道终点端里程桩号K7+520，洞体最大埋深约123.7m ，位于K6+824.3m 处；进出口均位于黄土冲沟，距乡村公路较近，交通便利。 隧道位于临县境内黄土梁峁区，隧址区（Q 3eol ）黄土大面积覆盖，微地貌为黄土残梁、黄土陡坎，隧址区走向近东北向，山梁顶部较平缓，山梁两侧为冲沟，山坡为中陡坡。 石羊岭梁隧道进口段围岩由第四系上更新统（Q 3al+pl ）粉质粘土组成，其状态为坚硬-硬塑，松软结构，地下水出水状态为滴渗水，围岩级别Ⅴ级。岩体较破碎，含水率高，稳定性差，开挖后易坍塌，侧壁不稳定，需加超前小导管，本文用于数值计算的目标断面为K6+450，隧道埋深70m 。 计算所采用的断面初期支护采用型钢混凝土联合支护，C25喷射混凝土、I20a 型钢、钢筋网联合支护，对于Ⅴ级围岩需在顶部做超前小导管，采用准42超前小导管，长3m ，混凝土喷层厚度为0.3m 。 2隧道施工过程数值模拟 2．1模型建立2．1．1约束的确定 依据圣维南原理、有限元计算误差和工程的要求，选取的计算范围为3～5倍洞径，但当超过5倍洞径，位移一般控制在5%以内，误差较小。 2．1．2钢拱架力学模拟 运用等效的方法考虑时，采取抗压刚度相等的原则，并用钢架的弹性模量折算给喷射混凝土，简化初期支护，计算为： E=E 0+ S g ×E g S c 上式中，E 为折算后混凝土弹性模量；E 0为原混凝土弹性模量；S g 为钢拱架截面积，E g 为钢材弹性模量；S c 为混凝土截面积。 因此模型尺寸长×宽=100m ×84m 。模型地面为无约束自由面，四周采用横向变形约束条件，底部采用竖向约束条件。计算中土体采用摩尔—库仑准则，初期支护采用C25混凝土材料，厚度0.3m 。初始应力场仅考虑土体自重应力场，忽略地层的地层构造应力。整个模型共个363节点，共1263单元。地层采用平面单元，初期支护采用梁单元[4-5]，计算模型见图1。2．2参数选取 根据工程地质勘察报告，数值计算采用的参数见表1。 表1 模型计算材料参数 Table 1Physical and mechanical parameters of model materials 2.3 现场开挖过程模拟 依据现场施工方案，留核心土法施工模拟，先开挖上半部分，再开挖核心土，最后开挖下半部分，在开挖时荷载释放系数为0.6，初期支护阶段荷载释放系数为0.4。2.4数值模拟结果分析 2.4.1隧道围岩竖向位移分析 （a ）开挖上台阶竖向位移云图 （b ）开挖核心土及下台阶竖向位移云图 图2围岩竖向位移云图 Fig.2Vertical displacement contours of the surrounding rock, 黄土隧道围岩变形规律分析 辛纯涛吴勇 （甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃兰州730050） 【摘要】结合石羊岭隧道工程，对高含水率黄土隧道开挖支护后围岩变形进行了研究。利用Midas/GTS 有限元分析软件，建立了有限元计算模型，分析了石羊岭黄土隧道开挖支护后的位移场，并与现场监控量测数据进行了分析对比，得到了黄土隧道的围岩变形规律，给出了合理的支护方案。结果表明：留核心土施工法适用于此隧道，并从开挖过程得到隧道位移分布及影响范围；从现场监控量测数据可以得出，变形经历三个过程，最终处于稳定状态。数值计算结果与现场监测数据基本一致，并得到初期支护与二次衬砌间隔的时间为25天。 【关键词】黄土隧道；MIDAS/GTS 数值计算；现场监测；围岩变形 作者简介：辛纯涛（1986—），男，助理工程师，主要从事隧道检测及岩土数值计算。 图1隧道计算模型 Fig.1Computation model of the tunne 名称密度 (KN/m 3)弹性模量 (MPa)粘聚力 (KPa)内摩擦角 (°)泊松比 层厚 (m)黄土18.50534.420.050.3100喷射混凝土24.0015000--0.20.3小导管 78.50 20000 - - 0.3 4.5 ○科教前沿○78