深部岩体圆形巷道围岩松动圈形成机理数值试验研究

采用损伤力学和统计理论的单元本构模型，探讨深部岩体巷道围岩破坏规律, 利用岩石破裂过程分析软件RFPA$^{\rm 2D}$, 对深部 岩体中的圆形巷道的变形及非线性渐进破坏特征、巷道周边关键部位的位移和应力变化进行 了分析，研究了圆形巷道围岩松动圈的形成机理. 研究表明：巷道开挖后，其周边形成应力 集中带，随着围岩压力的持续作用，巷道周边产生塑性变形区，并沿径向形成裂纹；随着裂 纹的不断扩展，巷道周边出现松动破裂区，即松动圈. 产生破裂区后，应力集中程度减弱， 应力高峰点向远处转移.     

脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。     

岩石破裂过程THMD耦合数值模型研究

从岩石的细观非均匀性特点出发,应用损伤力学、热力学和渗流力学理论,建立了岩体热(温度)-水(渗流)-岩(应力)-损伤耦合数值模型(THMD model),把岩石(体)THM耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中。探讨了THM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制,并运用所提出方法计算温度-渗流-应力耦合作用下井筒近场围岩的稳定性,模拟得到的岩体破坏过程、应力分布、AE特性及渗流特性变化与现场标定结果有着一致的规律性,初步证明了该数值模型的合理性和有效性。THMD模型以简单的数值模型表征了岩石(体)中热、水、岩及损伤之间复杂的作用关系,为从细观损伤演化揭示宏观岩体温度-渗流-应力耦合破坏机制提供了一种新的数值分析方法。     

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。     

深部回采巷道围岩零应变交界圈现象的模型试验研究

以淮南矿区口孜东矿深部回采巷道为工程背景,采用真三轴模型试验装置模拟了从浅埋静水压力、深埋静水压力、初掘采动应力(K=1.5为1.5倍900m埋深静水压力,后同)到回采动压(K=2~3)等不同应力条件下,大、小两种尺寸的直墙拱形回采巷道围岩应变状态,获得了浅埋条件下巷道围岩浅部拉应变、深部零应变,以及深埋静水压力及初掘采动应力下,巷道围岩出现"零应变交界圈"现象及深埋回采高应力下非线性大应变的围岩应变特征。应变监测结果反映了深部回采巷道围岩变形破坏的动态演化过程,为巷道的稳定性控制提供了一定的思考。     

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.     

动力扰动诱发巷道围岩冲击失稳的能量密度判据

能量积聚程度及积聚位置是判别冲击矿压是否发生的两个重要参数,运用ANSYS/LS-DY-NA模拟了应力波作用下巷道围岩的能量积聚过程及应力波强度对能量积聚程度的影响,得到了一定围岩应力状态下巷帮围岩能量积聚的大小、位置等结果.模拟研究表明:应力波是巷帮能量积聚、继而诱发冲击矿压的一个重要因素;应力波强度决定了最大能量密度值及其位置,随着扰动应力波强度的增加,巷道围岩的最大能量密度随之增加,最大能量密度点的位置渐渐向巷帮边界面靠近.研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理及冲击矿压发生的预测预报具有重要意义.     

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.      

围岩应力重分布对隧洞爆生裂隙区比例半径的影响

基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机理的研究，采用莫尔库伦准则及最大拉应力准则，研究了围岩应力重分布对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明，围岩应力重分布对爆生裂隙区比例半径有重要影响，隧洞围岩应力重分布将减小隧洞径向爆生裂隙区比例半径，压剪破坏模式下，爆生裂隙区比例半径可降低20％以上，拉伸破坏模式下可降低10％以上。爆炸应力波作用下，岩体更容易沿结构弱面发生压剪破坏。利用围岩的应力重分布作用，可以降低爆破对保留岩体的损伤作用。     

基于破坏接近度的地铁隧道流固耦合稳定性分析

合肥地铁1号线盾构隧道下穿南淝河,施工中存在安全风险。运用FLAC3D进行了隧道盾构开挖过程的模拟,基于破坏接近度(FAI)对盾构隧道开挖过程中的岩土体稳定性进行分析。通过破坏接近度指标能够全面直观地评价隧道周围各区域岩土体的稳定性程度,定量给出损伤区和扰动区的范围。数值模拟结果表明:盾构开挖使隧道周边土体孔隙、水压力较初始值显著降低,导致了隧洞周边水力坡降增大,进而使地下水向隧洞拱顶及两侧流动,这些部位有发生涌水的可能;盾构开挖过程中,岩土体渗流场产生的渗流作用力对应力场分布产生较大的影响,在流固耦合条件下,隧洞周边岩土体FAI显著增大,部分区域已进入损伤区;在掌子面推进的过程中,当掌子面在分析断面前后2个开挖步数范围内时,断面的破坏接近度的分布变化明显,表明该范围内土体稳定状态受开挖扰动影响显著。研究盾构开挖过程中的破坏接近度分布及演化规律对施工中采取相应施工措施具有重要的指导意义。     

赞比亚谦比西铜矿水文地质条件和疏干方案研究

分析了赞比亚谦比西铜矿水文地质条件的特点及其对矿山防治水的影响。提出了与当地习惯做法不同的本中段为主疏干、放水工程非均匀布置的治水方案 ,以及保证方案得以成功实施所应采取的措施。     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

水岩耦合变形破坏过程及机理研究进展

坝址水力劈裂、煤矿和隧道突水以及水力压裂工程都是岩体损伤演化积累诱发破坏 (灾变) 的过程,然而能否正确认识和评价这些过程取决于人们对水岩耦合变形破坏过程和机理的研究程度. 阐述了岩石渗流 --变形 --破坏特性及机理研究的进程, 侧重于物理实验成果. 综述了水岩耦合变形破坏过程分析模型和数值计算, 特别是有限单元法处理裂纹的思路, 并介绍了作者课题组近年来所取得的一些代表性成果. 给出了当前理论 (数值) 研究中所面临的几个具体问题和挑战, 并对今后研究工作进行了力所能及的展望.      

基于三轴压缩试验的破裂岩损伤演化方程的建立

分析了基于三轴试验的弹塑性损伤演化方程建立的方法 ,验证了采用该方法的合理性 ,并依此提出了鲁中冶金矿山公司小官庄铁矿两类破裂岩的弹塑性损伤演化方程 ,该方程参数少、物理意义明确 ,对该类围岩巷道进行数值计算分析具有重要意义。     

岩溶隧道突水灾害形成机理及发展趋势1）

岩溶隧道突水灾害具有“强突发、高水压、大流量、多类型”等显著特点,其灾变演化过程复杂、动力失稳规律尚不清楚.本文系统提出了不同类型突水灾害的发生条件、判据及安全厚度分析方法,剖析了近期研究进展及发展趋势.首先,给出了隧道突水灾害的概念、类型及构成三要素,从系统论角度分析了隧道突水的灾变过程;其次,总结了隧道突水灾害致灾机理、力学模型、失稳判据和最小安全厚度等方面的近期研究成果;最后,从构成三要素角度分析了隧道突水致灾机理方面的现状与问题,并提出了今后的发展趋势与方向,主要有：（1）灾害源固液气三相置换机制与释能模式,（2）突水通道多相物质迁移与流态演化规律,（3）隔水阻泥结构动力灾变演化机理,（4）突水通道破裂形成过程的模拟分析方法等.     

频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体的动力学影响

基于冬瓜山铜矿深部巷道围岩开挖过程中面临的高应力和频繁爆破扰动问题，利用改进的SHPB动静组合加载系统，开展了频繁动力扰动对围压卸载中高储能岩体动力学影响的研究。研究结果表明，围压卸载中的矽卡岩受到动力扰动时，其动态峰值应力和弹性模量随动力扰动次数非线性变化。围压卸载中的高储能矽卡岩受到动力扰动时会释放能量。轴压促使岩样内微裂隙轴向发育，造成岩样抵抗动力扰动能力减弱；围压减缓岩样内微裂隙轴向发育，造成岩样抵抗动力扰动能力增强。动力扰动对微裂隙扩展有促进作用，使围压卸载中的岩样由拉伸破坏向剪切破坏转变。     

岩体裂隙三轴应力渗透规律的试验研究

利用三轴应力渗透仪分别对煤矿底板的硬岩和软岩进行三轴应力渗透试验 ,观测渗水量、围压、轴压及水压的变化。     

深部软岩巷道喷射钢纤维混凝土支护技术

针对深部软岩的基本特征, 提出了深部软岩巷道支护的新思路, 即改变现有的锚喷作业顺序, 并通过在素喷混凝土中掺入适量钢纤维的方法来改善混凝土的整体力学性能, 使之更好地适应软岩巷道大变形的需要。借助数值模拟, 进行了支护方案的对比分析, 并提出了合理的支护方案。     

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。     

近场水下爆炸气泡与双层破口结构的相互作用

针对双层结构在水中受到水下爆炸冲击这一问题，利用欧拉有限元数值模型对近场水下爆炸气泡与双层破口结构的相互作用机理进行了研究，分析了舱室涌流及流场演化等规律。首先，通过放电实验对数值模型进行了验证，结果表明,数值结果和实验结果吻合较好；然后，总结了不同破口尺寸、不同起爆位置和不同壳间水位条件下的耦合作用规律。在内部空气、流体惯性以及破口的联合作用下，气泡演化过程中会出现气泡分割现象。当内层破口尺寸系数小于0.5时，内舱室内会出现二次涌流现象，且涌流形态较细长；炸药起爆位置系数小于0.1时，自由液面处会出现破碎和重闭合现象；壳内水位对舱室涌流量的影响作用较为复杂，当水位满舱时，急速涌流会减少船艇的应急时间。