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节理岩体巷道围岩破坏机理及数值模拟研究

黄龙现(Hwang RyongHyon)  
【摘要】:巷道是井下生产的基本通道、巷道掘进和维护在采矿成本中占有很大比重,对煤矿生产建设效益有重要影响。在采矿工程、地下隧道工程等岩石工程中,巷道掘进和维护受到很多因素的影响。由于受采动、构造、布置、支护及煤柱留设等综合因素影响,巷道在掘进和回采过程中变形和破坏较为严重,影响了矿井的正常生产秩序。 当矿井生产地质条件复杂、巷道布置不合理、或支护方式不当时,将造成巷道破坏率高,需要进行不断的维护或返修,不但巷道支护成本高,而且造成煤炭资源开采的极端困难,严重威胁着矿井的安全生产。随着矿井开采深度的进一步加大,巷道的支护问题将日显突出,大变形、大地压、难支护,矿井基本巷道支护破坏严重,陷入重复投资、多次复修的困境。 构造应力场是影响对巷道稳定性的重要因素之一。随深度增加,深部岩层压力迅速增长,构造应力增长更为显著,构造应力的方向性变的明显,并且两个水平构造应力的差值变化越来越大,导致应力场带有明显的方向性,产生不均衡的三维应力场,给深井建设和开采造成了严重困难,其中支架折损、支护破坏、巷道失稳就是一个最直接的后果。 本文从复杂地质条件角度出发,应用数值模拟方法深入研究了不同的侧压系数情况下,各向异性、裂缝对巷道应力位移和破坏的影响,并提出了巷道破坏规律。 主要工作归结为以下几个方面: 1.通过广义平面应变模型的理论分析,研究在三维地应力作用下的巷道周边的应力与位移变化规律:通过COMSOL3D数值模拟研究,分析了巷道轴向与最大主应力夹角对巷道的稳定性、破坏模式的影响而且确定了地应力场下合理的巷道布置。 2.针对原应力场和巷道破坏模式之间的问题,在不同水平和垂直应力条件下,利用RFPA程序模拟无裂缝巷道的破坏过程,分析了均质度,压拉比,破坏准则等因素对计算结果的影响,从而探究巷道围岩破坏模式与原应力场之间的关系。 然而举个关于不同的侧压系数下巷道破坏模式的实验例子证明了数值模拟的准确性。 3.针对裂缝岩体巷道稳定性问题,.基于Monte Carlo法的正态和指数分布密度函数,生成了二维情况下的结构面,采用RFPA2D数值软件,研究了岩体内部结构面对巷道道稳定的影响,深入探讨了不同裂隙分布方式,倾角和裂隙充填材料下的巷道围岩破坏模式。 4.针对三维各向异性材料模型问题,利用COMSOL软件中的两个坐标系可以简单地考虑各向异性材料的方向。 基于复合材料的应力变形关系和Hoffman强度准则,研究了二、三维各向异性岩体巷道。通过COMSOL3D软件分析了不同的侧压系数下,各向异性面的倾角、各向同性面与巷道轴夹角对巷道周围应力位移和塑性破坏区的影响。 5.在工程应用方面,针对山东兖州东滩煤矿回采过程中出现的轨顺巷道稳定性问题,进行了数值模拟,提出了锚杆支护设计的方案,分析了工作面对巷道稳定性。


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