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针对红透山深部断层下巷道围岩破坏诱发的涌水现象,以该矿水文地质条件 为基础,建立了岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统 (RFPA$^{\rm 2D}$-Flow)模拟研究了深部断层下巷道围岩破坏过程：裂隙形成、扩展到突水通 道最终贯通形成涌水的全过程. 通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化规律进行分析, 揭示了巷道应力重新分布诱发损伤及渗流涌水规律,对涌水通道进行模拟定位,为红透山铜 矿深部巷道支护防渗设计提供了科学依据.     

基于Hoek-Brown准则的破裂围岩应力分析

深部煤矿巷道在高围压的作用下,围岩普遍出现破裂,而且围岩破裂范围在扩大的同时,往往出现继续破坏的现象,并形成不同的分区.论文针对长的圆形巷道,将围岩分成破裂、塑性和弹性三个区域,采用Hoek-Brown准则,进行非关联弹塑性分析,获得了其应力和变形的封闭解析解,并说明该解析解是不唯一的.通过利用在弹塑交界处应力连续的条件、以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件,获得了确定围岩破裂区和塑性区半径的解析算式.最后,通过算例并分析了破裂区和塑性区应力和应变的分布特点、以及破裂区范围的影响.利用所获得的结果,可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据.     

2021-07期目录

在陈宗基院士关于地下硐室长期稳定性力学问题研究的基础上,采用Sadovsky院士关于复杂地质岩体的等级构造学说,围绕深部岩体非均匀构造与封闭应力固有的统计力学属性,研究了岩体非均匀变形与封闭应力特性,以及深部硐室围岩的长期稳定性等两个力学问题。给出了岩体非均匀构造与封闭应力的数学表征;根据质量守恒定律得到了计算深部硐室围岩长期变形的一般公式;得到了围岩变形中劈裂扩容变形占主要部分的结论,并且阐明了深部围岩卸荷时更易出现劈裂破坏的原因。给出了劈裂破坏形态的演进序列与扩容位移的计算方法。将围岩松动圈范围、破裂区位置和边壁位移的计算结果与锦屏一级电站厂房现有监测数据进行了对比,两者相当吻合。     

基于Hoek-Brown准则对围岩松动圈半径的推导及改进

针对服从Hoek-Brown准则的节理岩体圆形隧道,根据隧道开挖后的围岩分为破裂剧烈区、塑性软化区、弹性区的特点,推导了圆形隧道在轴对称时松动圈半径的表达式。Hoek-Brown准则中扰动参数D表征的是岩体受扰动的程度,而对其如何取值的相关研究较少。为提高所推导围岩松动圈半径表达式的精确性,采用可拓学理论,综合考虑爆破损伤、卸荷影响、岩体完整性指标Kv、围岩级别四个因素来判断岩体受扰动情况,在物元模型的理论基础上得到了扰动参数D的取值方法。最后运用新的岩体扰动参数D得出了围岩松动圈半径解析解,并在现场采用地质雷达对隧道的不同断面进行了实测,得到了不同隧道断面6组围岩松动圈的半径,将实测值与对应的计算值进行对比分析,二者相对误差约为4.5%,验证了本文理论解的正确性。     

深部岩体损伤对分区破裂化效应的影响

深部岩体是一种具有初始损伤的非连续介质,其内部存在着大量节理和裂隙。深部岩体分区破裂化效应与节理、裂隙的扩展、连接和汇合密切相关。由于节理、裂隙的扩展、连接和汇合可能会导致深部岩体的内部空间由欧氏几何空间向非欧几何空间转化。本文利用损伤变量表示含节理和裂隙岩体的损伤,根据非欧几何模型,获得了静水压力和非静水压力情况下深部圆形洞室损伤围岩的应力场,确定了损伤变量对圆形洞室围岩的应力场和分区破裂化效应的影响。采用Hoek-Brown准则,获得了静水压力和非静水压力情况下损伤围岩的破裂区与非破裂区的分布规律。本文的研究结果为理解深部岩体分区破裂模式提供了有价值的参考。     

不同应力差下非线性蠕变研究

深部工程处于复杂的环境场(应力场、温度场和渗流场)之中,引起的地下工程围岩流变破坏事故屡见不鲜。本文通过三轴蠕变实验,根据岩体流变力学和蠕变原理对影响深部岩体蠕变的因素进行了研究。用实验数据进行数值计算,得出了深部软岩巷道围岩在高地应力作用下的非线性蠕变模型,建立了应力差-时间-蠕变的定量关系,利用MATLAB软件得到了不同情况下的蠕变-时间曲线;应力差-时间-蠕变曲面。从而验证了非线性流变理论,找到了引起蠕变的主要因素应力差。并利用应力差理论分析了深部巷道围岩的蠕变破坏机理。     

基于岩石蠕变及D-P准则的深部巷道围岩弹塑性分析

为深入分析岩石蠕变及中间主应力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性及分区变形特性的影响机理, 通过剖析长期荷载作用下深部巷道围岩的变形特征, 揭示了基于围岩蠕变特性的深部巷道围岩四分区变形机理, 并依据Druck-Prager准则及关联性流动法则考虑了中间主应力、岩体扩容及应变软化的影响, 推导出巷道围岩各分区应力、变形和半径解析解. 结合工程算例, 通过对现场监测数据以及不同力学模型的计算结果进行对比分析, 论证了本文理论的科学性, 并揭示了不同强度准则和围岩参数对深部巷道围岩各分区形态的影响规律. 结果表明, 忽视深部巷道围岩的蠕变特性将导致初始黏聚力的取值大于实际值, 从而造成围岩的理论承载能力大于实际承载能力; 在[0, 0.7]区间内提高中间主应力系数可有效控制围岩塑性区及破碎区范围的扩展; 当初始黏聚力及内摩擦角减小时, 中间主应力系数对围岩塑性区、破碎区范围及巷道变形的影响力显著提高. 研究成果可为地下工程支护设计及围岩稳定性评估提供理论参考.      

开挖卸荷条件下深部圆形洞室各向同性围岩分区破裂化机理

论文提出了一种静水压力条件下动态开挖卸荷对深埋圆形洞室各向同性围岩分区破裂化影响的力学模型,获得了动态开挖卸荷条件下深埋圆形洞室围岩的弹性应力场,确定了卸荷速率和岩体动态力学参数对深埋洞室各向同性围岩分区破裂化现象的影响.利用动态Hoek-Brown准则,获得了围岩破裂区和非破裂区的数量和宽度.数值计算结果表明卸荷速率和岩体动态力学参数对破裂区与非破裂区的数量和宽度有较大影响.     

巷道围岩松动圈的地质雷达探测及应用

在简述地质雷达探测原理的基础上, 分析了巷道围岩松动圈雷达探测的可行性。结合华丰矿巷道围岩松动圈探测实例, 提出了松动圈雷达探测方法、图像分析及探测结果应用。结果表明, 采用地质雷达探测巷道围岩松动圈是可行的, 可以用于指导巷道围岩的锚杆支护设计。     

深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下，原有的平衡状态被打破，围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下，岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性，因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发，结合统计物理学观点，为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍，并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。     

基于改进西原模型巷道围岩流变参数反演分析

当应力达到一定水平时,岩石经过衰减和稳定蠕变过程之后会发生加速蠕变破坏,但是传统西原体模型无法更有效地反映该加速蠕变阶段。为了解决这一问题,引入一个非线性流变元件,并将其串联在西原体模型上,组成一个新的六元件模型,该模型可充分反映岩石蠕变的三个阶段。基于改进的西原体模型本构方程,应用Laplace变换,得到了盾构圆形巷道围岩的径向位移变化规律;根据巷道围岩收敛变形现场实测数据,反演得到了岩石黏弹塑性蠕变参数;由巷道围岩径向位移计算结果和实测数据对比分析表明:两者吻合较好;当t ≤25 d时,巷道围岩处于加速变形阶段,其径向位移变化速率随时间的增长而不断增加,当t>25 d时,巷道围岩进入稳定变形阶段,随时间的推移,其径向围岩位移变化速率逐渐趋于稳定。     

工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析

结合某地下工程实际,运用FLAC^3D模拟了巷道断面形状、开挖面距离以及开挖顺序对巷道围岩稳定性的影响,并模拟了围岩深部多点位移规律。结果表明,相同围岩条件下,不同断面形状其力学效应不同,同一断面在不同围岩条件下变形不一样;围岩水平位移曲线随开挖面的距离呈“S”形,围岩水平最大位移主要发生在距开挖面后方 2倍巷道长径的范围内;Ⅲ级围岩深部位移影响范围约 2 .8～ 4 .3m,Ⅳ级围岩影响范围 6 .9～ 7.8m;对较大断面,分步开挖有利于围岩控制。     

ZONAL DISINTEGRATION MECHANISM OF DEEP CRACK-WEAKENED ROCK MASSES UNDER DYNAMIC UNLOADING

Size and quantity of fractured zone and non-fractured zone are controlled by cracks contained in deep rock masses. Zonal disintegration mechanism is strongly dependent on the interaction among cracks. The strong interaction among cracks is investigated using stress superposition principle and the Chebyshev polynomials expansion of the pseudo-traction. It is found from numerical results that crack nucleation, growth and coalescence lead to failure of deep crack- weakened rock masses. The stress redistribution around the surrounding rock mass induced by unloading excavation is studied. The effect of the excavation time on nucleation, growth, interaction and coalescence of cracks was analyzed. Moreover, the influence of the excavation time on the size and quantity of fractured zone and non-fractured zone was given. When the excavation time is short, zonal disintegration phenomenon may occur in deep rock masses. It is shown from numerical results that the size and quantity of fractured zone increase with decreasing excavation time, and the size and quantity of fractured zone increase with the increasing value of in-situ geostress.     

软岩条件下大断面巷道支护技术的实践与研究

为进一步研究软岩条件下大断面巷道围岩的变形机制和破坏特征, 确定合理有效的支护形式和支护参数, 选取高家梁煤矿的大断面顺槽为研究对象, 在确定巷道断面形状和尺寸的基础上, 运用现场监测、数值模拟的方法, 确定了锚-网-索联合支护系统. 现场实践结果表明: 该支护形式和支护参数有效地控制了围岩的变形, 支护效果好, 经济合理, 安全可靠, 具有较高的应用价值, 此类支护系统为解决软岩内大断面巷道围岩变形大、稳定性差、巷道难以维护的问题提供了一条新思路.     

Zonal fracturing mechanism in deep crack-weakened rock masses

The mechanical behaviors of deep crack-weakened rock masses are different from those of shallow crack-weakened rock masses. The surrounding rock in shallow crack-weakened rock mass engineering is classified into loose zone, plastic zone and elastic zone, while the surrounding rock in deep crack-weakened rock mass engineering is classified into fractured zone and non-fractured zone, which occur alternatively. It is assumed that the deep rock masses contain one joint set, in which the probability density function describing the distribution of sizes is assumed to follow the Rayleigh distribution, and the probability density function describing the distribution of spacing is assumed to follow the Weibull distribution. On the basis of strength criterion of deep rock mass, the near-field stress redistribution around circular opening induced by excavation is determined. The strong interaction among cracks is investigated by using the dislocation model. The nucleation, growth, interaction and coalescence of cracks were analyzed based on the strain energy density factor theory. When cracks coalesce, failure of deep crack-weakened rock masses occurs, fractured zone is formed. Then, size and quantity of fractured zone and non-fractured zone are given out. The size and quantity of fractured zone increase with decreasing strength of rock mass. The size and quantity of fractured zone increase with increasing in situ stress. Zonal fracturing phenomenon occurs once value of in situ stress is larger than the unaxial compressive strength of rock masses. The size and quantity of fractured zone decrease with increasing λ when p₂ > p₁. The size and quantity of fractured zone increase with increasing λ when p₂ < p₁.     

利用锚杆轴力量测定围岩破坏区的方法

本文系统总结了锚杆轴力分布型式,分析了各轴力分布型式的力学机理。结果表明,在围岩不同区内,锚杆所受剪切力具有不同的特点,而且,锚杆所受剪切的特点在锚杆轴力分布中得到了反映。根据以上关系,提出了利用锚杆轴力量测确定围岩破坏区的方法。     

岩爆与围岩分类

岩爆是高地应力条件下完整脆性硬质围岩失稳的一种表现型式,岩爆烈度如何影响围岩类别尚不清楚,探索岩爆与围岩分类的关系,对准确判别高地应力条件下的围岩类别有着重要意义。本文以某深埋隧洞围岩分类为依据,对我国水利水电地下洞室围岩分类中岩爆烈度与围岩类别的关系、岩爆判别指标的选取等问题进行了探讨。     

ANALYSIS OF ACCUMULATION CHARACTERISTICS OF ELASTIC DEFORMATION ENERGY OF SURROUNDING ROCK IN RECTANGULAR ROADWAY1)

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出：矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

金坪引水隧洞围岩变形稳定性评价

金坪引水隧洞埋深较大,部分洞段岩体强度较低,洞室开挖后由于二次应力的作用围岩有可能产生变形,因此合理的评价隧洞围岩变形稳定性问题具有重要的工程意义。鉴于此,文章针对金坪引水隧洞围岩变形稳定性问题,对隧洞在大埋深环境下的围岩应力分布特征进行了数值模拟分析,利用与围岩的应变率和岩体抗压强度相关的两种评价方法,分析了可能发生围岩变形的部位和洞段,对引水隧洞围岩变形稳定性做出了综合评价。