超千米井筒原岩应力的数值分析
基于数值方法的超深竖井围岩力学特性变化规律研究_李丰果
竖井的开挖过程在时 ．
间、 空间上是个不断变 化 的 动 态 平 衡 过 程 ． 在开挖 过程中 ， 还需要考虑种 种 难 题 ， 如： 高 地 应 力、 高地 温和井壁塑性流动等 ． 同 时， 在超深竖井开挖过程
收稿日期 ： ２ ０ １ ２－０ １－１ ８
， 作者简介 ： 李丰果 （ 男， 中铁隧道集团三处有限公司教授级高级工程师 ． １ ９ ７ ３－ ）
６ ２ 全性 ．
８卷 交 通 科 学 与 工 程 第 ２
近年来 ， 有不少学者在这方面做了大量的研 取得了许多有 价 值 的 研 究 成 果 ， 为竖井的 究工作 ， 设计和施工 提 供 了 思 路 和 重 要 建 议 ． 但竖井计算 依然存在不 少 问 题 ， 例 如： 工 程 上， 在进行竖井计 用的都是挡土墙 理 论 ， 挡土墙理论对于土体 算时 ， 介质是适用的 ， 但用于 硬 质 围 岩 时 误 差 较 大 ， 不够 合理 ； 研究竖井稳定性时 ， 人们常采用 Ｔ ｒ ｅ ｓ ｃ ａ强度 准则 和 Ｍ 但这些方法都 ｏ ｈ ｒ Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ 强 度 准 则， － 是在忽略中 间 主 应 力 的 基 础 上 进 行 的 ， 而实际上 中间主应力的存在对围岩强度具有显著影响
ｒ ｄ
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岩土工程数值分析方法
* kl
✓ 位移：在 内及 上，任一点在k
方向的位移
u
* kl
第二种情况
✓ 体力：在无限域 上沿k方向有分
布体力 b k ✓ 表面荷载：在轮廓线 上，沿k方
向荷载 Pk
✓ 位移：在 内及 上，任一点在k
方向的位移 u k
整理课件
由功的互等定理：
P k * u lkd s ilu kd u k *P lkd su k *b k ld
n
PP0Pi i1
整理课件
误差修正方法 一阶自校正法：
K i 1 U i P i P i '1
P
误差
Pn
P1 P0
U0
U
整理课件
牛顿迭代法：
K i 1 U i P A P i 1
Ui Ui1Ui
P
误差
PA
P1
P0 U1
U 2
U0
UA U
整理课件
有限元法的实现
模型建立(范围及参数)
整理课件
单元位移函数： u v((x x ,,y y)) N N 1 1 ((x x ,,y y))v u 1 1 N N 2 2 ((x x ,,y y ))v u 2 2 N N 3 3 ((x x ,,y y ))v u 3 3
或：
u
v
[
N
]
[N]N 01
0 N1
N2 0
0 N2
平面六结点变厚度节理单元 相当于四边形等参元
位移函数：
u
v
形函数:
6
i1 6
i1
N
i
u
i
N
i
v
i
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基于FLAC的千米深矿井矿压显现规律数值模拟
基于FLAC的千米深矿井矿压显现规律数值模拟吴成峰【摘要】Deep mining and its wall rock Stability control are going to beone of most important problems. As an example ,Using FLAC soft ware as the tool this thesis gives out a digital simluation of Yancon Group ZhaoLou coal mine which is 1000m deep working face. Accroding to the analysis of result, it analysis the overlying strata Movemen and strata behaviors to guide the type choose of hydraulis support. Compare with engineering relality, this thesis gives out a right way to simlutaion it.%深部采场与围岩稳定性控制已成为煤矿开采面临的重大课题之一，引起了世界各国采矿界的高度重视。
采用FLAC软件，针对兖矿集团赵楼煤矿千米深采煤工作面进行数值模拟，并根据数值模拟结果分析埋深较深时矿压显现规律，指导工作面顶板管理及支护设备选型，得到了良好的工程实际应用。
【期刊名称】《煤矿现代化》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】3页(P61-63)【关键词】FLAC;千米深矿井;数值模拟;煤矿【作者】吴成峰【作者单位】兖矿东华重工有限公司，山东邹城 273500【正文语种】中文【中图分类】TD32山东省是中国煤矿开采深度达千米以上矿井最多的省份[1]。
二十一世纪以来，国家与政府对深部矿床开采越来越重视。
矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
辽宁工程技术大学学报（自然科学版） Journal of Liaoning Technical University（Natural Science）
文章编号：1008-0562(2010)01-0005-04
2010 年 2 月 Feb . 2010
矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
1 FLAC3D 简介
根据现场的实际条件采用美国明尼苏达大学 开发的 FLAC3D 有限差分计算程序，FLAC3D 算法的 基础是快速拉格朗日计算方法[8-9]，它特别适用于岩 石力学的非线性大变形或不稳定(如滑动或分离)问 题，其计算模型网格能以大应变模式变形并随材料
收稿日期：2007-02-05 基金项目：河南省重点基金资助项目（0623021400） 作者简介：李振华（1979-），男，山东 金乡人，博士研究生，讲师，主要从事现代采矿新技术、矿山压力及其巷道支护方面的研究。本文编校：于永江
数值试验模型的截面尺寸为宽 60 m、高 80 m， 沿着走向长 200 m，巷道按照实际尺寸模拟，形状 为半圆拱巷道，墙高 1.7 m，拱半径 2.1 m。巷道采 用端锚树脂锚杆支护，锚杆排间距 0.7 m，间距 0.7 m，支护工艺为掘进后立即支护。在模拟开挖的过 程中，开挖步长 1.5 m 是最合理的，也是和实际条 件相符合的，但是由于计算模型包含的单元数量太 多及模拟条件的限制，计算过程需要太多的时间， 所以采用巷道一次开挖 20 m、50 m、80 m 和 100 m 来进行模拟，研究开挖后掘进工作面围岩的应力状 态分布以及开挖不同长度巷道对应力分布状态的 影响。
3 模拟结果及应力状态分析
3.1 模拟结果分析 采用对巷道进行逐步开挖的方法进行数值模
探讨高速铁路隧道围岩支护参数优化设计
探讨高速铁路隧道围岩支护参数优化设计一、现状世界各地隧道界的很多专家学者己经对隧道结构设计进行了广泛而深入的研究，如：Hoek和Brown川、Bieniaw欢i[2，31、Barton[4]、Muller[51、Lunardi[6]、李世辉[7]、潘昌实[8l等。
隧道结构设计必须考虑到隧道结构的承载能力、耐久性、适用性以及经济性等多方面的因素。
隧道结构设计是一门具有艺术性的科学。
这是因为岩土介质作为隧道工程的对象包含着多种不确定因素，例如：岩土材料的非均匀性和各向异性，岩体的地质构造，岩土材料的本构关系，初始地应力情况，地下水情况等。
正确的掌握这些因素及其变化规律非常困难，但随着当今计算机运算能力的提高，岩土本构关系研究的进展和数值分析方法的完善，实验和测试技术的发展，监控量测水平的进步，隧道结构设计目前正朝着科学化、精细化、规范化的目标迈进。
隧道结构设计的主要任务是针对支护结构进行的设计，而研究对象则是由围岩和支护结构两者共同组成并相互作用的结构体系。
不同围岩具有不同程度的自稳能力，围岩在很大程度上是隧道结构的承载主体，其承载能力必须加以充分利用。
隧道衬砌的设计必须结合围岩自承能力进行，隧道衬砌除必须满足净空要求外，还要求有足够的强度和耐久性，以保证其使用寿命期间的安全性。
二、隧道设计流程l）根据岩石自身强度和岩体的完整性程度、节理裂隙物理力学特性、地下水情况、围岩初始应力状态等确定围岩分级。
2）在围岩分级的基础上，结合隧道工程自身特点如衬砌结构特点、工法特点、辅助工法情况等综合使用多种方法（解析、数值）进行结构分析，在密切结合施工经验的基础上对围岩稳定性情况和衬砌支护能力等进行判断。
3）施工中的监控量测和信息反馈，尤其是在洞口段、大断面段、穿越不良地质体段需要加密监测来动态了解支护与围岩的相互作用情况。
必要时需要采用超前加固（超前注浆、超前锚杆、管棚）和过程恢复（补偿注浆、抬升注浆）措施。
三、隧道支护围岩相关（1）隧道支护参数性价比随着围岩的水平数的增大而减小。
中南大学2006-2012年硕士研究生入学考试试题935岩石力学试题合集
435岩石力学一、 名词解释。
（24分）1、 松脱地压；2、 蠕变；3、 端部效应；4、 剪胀；5、 构造应力；6、 假三轴试验。
二、 作图。
（34分）1、 示意性画出凯尔文流变模型及其蠕变、卸载和松弛曲线，标注相应的特征值。
（9分）2、 示意性画出典型岩石全应力应变曲线，在图上标明不同变形阶段的名称。
（8分）3、 假设某隧道产生了塑性变形，试画出该隧道围岩内的切向应力和径向应力分布曲线，据此对围岩进行分区，标注在图上。
（9分）4、 分别画出端部锚固式锚杆和全长粘结式锚杆的受力状态和锚杆中拉应力分布图。
（8分）三、 问答题（42分）1、 岩石的宏观破坏方式有哪几种，从破坏机理上可归结为什么破坏方式？（6分）2、 简述不连续面剪切时，不连续面的起伏和充填物对不连续面抗剪强度的作用，写出无充填规则齿状不连续面的抗剪强度表达式。
（12分）3、 什么是变形地压？产生变形地压的条件是什么？（6分）4、 边坡岩体的基本破坏模式有哪几种？发生的条件是什么？（8分）5、 如何根据岩石的单轴压缩试验曲线确定岩石的三种弹模？这三种弹模的物理意义是什么？（10分）四、 论述题（20分）在软弱破碎岩体中开挖隧道，采用喷锚支护。
试阐述（1）支护的施工过程；（2）喷锚联合支护的力学作用。
五、 计算题（30分，每小题15分）1、 用砂岩进行单轴和三轴压缩试验，测得单轴抗压强度为30MPa ，围压为10MPa 条件下三轴抗压强度为90MPa ，试根据莫尔——库仑准则计算这种岩石的粘结力和内摩擦角，并根据结果写出强度曲线表达式。
将这种岩石是围压为20MPa 条件下进行三轴试验，当轴压达到120MPa 时，岩石是否会发生破坏？2、 已知地下深度为1000m 处的原岩应力的三个主分量为：垂直方向z σ=34MPa 、水平方向x σ=35MPa 和y σ=20MPa 。
假设该位置的岩体为均质各向同性的弹性体，容重为27kN/m 3，泊桑比为0.35，试计算该处岩体内的三维构造应力。
张集煤矿北区原岩应力实测与分析
张集煤矿北区原岩应力实测与分析王传兵;丁晨曦;张继兵【摘要】采用应力解除法,对张集煤矿北区测点的原岩应力进行实测和分析,得到了各测点原岩应力的大小和方向.结果表明,张集煤矿北区的最大水平主应力分别约为最小水平主应力的1.65~2.79倍和垂直应力的2.58~2.66倍,原岩应力的分布对深部煤矿岩层的变形破坏形式和矿压显现规律均有较大的影响.根据实测发现原岩应力的最大水平应力方向为NWW-SEE方向,为减小原岩应力对巷道围岩稳定性的影响,巷道走向宜布置为NWW-SEE方向.张集煤矿原岩应力的实测和分析对揭示矿压显现规律具有重要意义,对巷道走向布置具有参考价值.【期刊名称】《中国煤炭》【年(卷),期】2017(043)005【总页数】4页(P43-46)【关键词】应力解除法;原岩应力;深部开采;矿压显现【作者】王传兵;丁晨曦;张继兵【作者单位】淮南矿业(集团)有限责任公司,安徽省淮南市,232001;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京市海淀区,100083;淮南矿业(集团)有限责任公司张集煤矿,安徽省淮南市,232001【正文语种】中文【中图分类】P554原岩应力是存在于地层中的天然应力，是导致工程变形破坏和地质灾难的动力因素，也是工程稳定性分析所必须考虑的要素之一。
原岩应力的准确测量对各种岩土工程的开挖设计和地质运动规律的研究均具有重要意义。
原岩应力的现场实测是获得原岩应力数据的重要手段，并在实测的基础上进行统计回归分析，能够得到所研究的地质体的主应力大小和方向。
原岩应力的测量方法有多种，就应用范围而言，最常用的方法有应力解除法和水压致裂法。
本文采用应力解除法对淮南矿业集团张集煤矿北区原岩应力进行实测和分析，进一步揭示原岩应力与矿井巷道布置、巷道围岩稳定性之间的关系，为深部矿井的岩石力学计算和岩体力学模型建立提供可靠的原岩应力参数。
张集煤矿东南部为陈桥背斜构造，西部的地层走向为北偏西约75°，北部向正北方向延伸。
岩石力学数值分析方法
4、关键块理论
• 工程岩体(rockmass)建岩石(rock)和结构面组合焉 或，除极完整和极极破碎外，一般情况下将被结 构面自身以及工程开挖面共同切割成随机分布的 个别块体和群体，这些块体随它们的空闻几何形 状和开挖面形成了各自的可能运动状态，有些是 可能不稳定的危险块体，另一些则是稳定块体。 块体理论认为，在开挖面上所揭露的块体，可以 分为可能产生向开挖面运动的块体和不可能向开 挖面运动的块体，显然，不可能开挖面运动的 块体即为稳定块体。而具备了运动条件的块体中 有的仍可保持稳定，有的块体则在自重及周围块 体作用的组合作用下下失稳破坏，则该块体为危 险块体。
2、常用岩石力学数值计算方法应用
• • • • • • 1、有限元法 2、边界元法 3、离散单元法 4、关键块理论 5、DDA法 6、FLAC法
1、有限元法
• 在岩石力学数值计算方面，有限元法主要用来求 解线弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题， 是地下工程岩体应力—应变分析最常用的方法。 其优点是可以部分地考虑地下结构岩体的非均质 和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小和 分布，并可近似地依据应力、应变规律去分析地 下结构的变形破坏机制。为了模拟岩体中存在的 断层、节理裂隙等结构面，考虑其非连续性，可 按结构面的特征采用不同的处理方法。
3、离散单元法
• 离散单元法中一个基本假定是块体运动对动能将 转化成热能而耗散掉，因此，在计算中，即使是 静力问题也必须人为的引入粘往阻尼器以使系统 达到平衡，使块体运动趋于稳定。离散单元法中 块体之间阻尼系数、运算的时间步长等参数的确 定带有极大的任意性和盲目性，至今没有确定这 些参数时可遵循的原则。与有限元等数值方法不 同，这类方法中块体单元的划分不同就会给出不 同的、甚至截然不同的结果。尽管如此，在结构 面已将岩体完全切割成块体状的情况下，采用该 方法仍不失先一种十分有效的途径，如溺来分析 边坡及裂隙发育地区工程的坍方和支护等。但当 岩体并朱被结构面切割成块体的集合时，该方法 就不甚适合。
千米深井高应力区域巷道围岩综合控制技术研究与应用
千米深井高应力区域巷道围岩综合控制技术研究与应用发布时间：2021-05-21T07:19:36.776Z 来源：《中国科技人才》2021年第8期作者：邹沙沙[导读] 近年来,深部高应力巷道的稳定性研究受到广泛关注,很多学者都针对高应力软岩巷道变形破坏机理与控制对策进行了较系统的研究,但由于各矿区情况千差万别,研究这类围岩的变形机理与控制原理应遵从实际情况。
皖北煤电集团朱集西煤矿安徽省宿州市 234000摘要：随着煤矿采掘逐渐向深部转移，地应力明显增大，同时受工作面回采动压影响，巷道变形快、变形量大，现有巷道围岩控制技术已不能满足安全生产需要。
针对这一情况开展深部巷道围岩综合控制技术研究十分必要，通过深部巷道围岩综合控制技术研究，减小巷道变形程度，确保巷道围岩控制质量和效果，延长巷道服务年限。
鉴于此，文章结合实际，重点就千米深井高应力区域巷道围岩综合控制技术研究与应用进行研究分析，以供参考。
关键字：千米深井；高应力区域；巷道围岩；综合控制技术引言近年来,深部高应力巷道的稳定性研究受到广泛关注,很多学者都针对高应力软岩巷道变形破坏机理与控制对策进行了较系统的研究,但由于各矿区情况千差万别,研究这类围岩的变形机理与控制原理应遵从实际情况。
根据采场巷道的变形破坏机理,提出了深部高应力采场巷道以预应力锚索为核心的综合控制技术，该技术已在深部采场巷道得到应用并获取得了显著成效,为探索深部高应力采场巷道的控制技术探索出一条途径。
1千米深井高应力区域巷道围岩综稳定性的影响因素第一，地质条件。
矿山地质条件包括矿岩体性质、节理裂隙发育程度、产状、矿区断层、剪切破碎带、矿岩接触带以及地下水等。
地质条件是矿体在成矿过程中以及成矿后的历次地质构造运动的产物,与成矿构造运动和后期作用密切相关；第二，赋存环境。
巷道工程赋存环境主要包括应力环境、地下水环境和温度环境，深部采场巷道的赋存环境主要是考虑应力环境。
与其他隧道和水电等地下工程不同,巷道围岩的应力场不仅取决于原岩应力,而且还与采场应力环境密切相关,即巷道的应力环境是原岩应力与采动应力的叠加后的应力环境；第三，工程因素。
超千米立井井筒抗变形设计及施工技术
的需要 ， 其是深 部第 三水 平 开采 时 ， 风线 路 长达 尤 进 ８００ ｍ， ０ 通风 阻力 加 大 ， 以保 证 安 全 生产 ， 此在 难 因 深 部预设 计三水 平进 风 井筒 。如果按 照 常规 的留设 保 护煤柱 法 ， 建井筒 留设保护 煤柱其压 煤量将 达 到 新
的现代化 矿井 。矿井 于 １５ ９ ８年 ８月建成 投产 ， 主要 开 采石炭 二叠 系的 丁 丁 戊 戊 戊 己 、 、 、 、 己 己， ８个 煤 层 ， 层 累 计 厚 度 １． ８ｍ， 层 倾 角 平 煤 ４ ６ 煤 均 ９ 。 目前 ， 产水平 为 第 一 、 。 生 第二 水 平 ， 计划 开采 第 三水平 （ 深部 水平 ） 。 矿井采用立 井 、 多水 平 、 中下 山开 拓。但 随着 集 矿井 开采 深度 的增加 ， 瓦斯 含量 也逐 渐 增 大 ， 风线 通
中 图分 类 号 ： Ｄ２ ２ Ｔ ６ 文 献 标 识 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：０ ３—０ ０ ２ １ ０ １０ ５ ６（ ０ ０） ｌ一０ ６ ０ ４—０ ２
平 煤 集 团 公 司 四 矿 是 一 个 生 产 能 力 １ ８ Ｍ ／ ． ｔａ
采 造成地 层 下沉对 井 筒 支 护 的影 响 ， 吸收 竖 直方 向 的压缩变 形 ， 分别 在 每 隔一 定 距 离 的软 岩 位 置设 置 １ 可缩性 井壁 。可缩 性材 料选 用 梯 形 复合 橡胶 砖 道 （ １， 图 ） 共设 置 １ ９道 可 缩层 ， 层 高 ８ ０ｍｍ， 道 每 ０ 每 又均分 为 ４个 分层 ， 每层 橡 胶 砖 通 过 限位 孔 实 现砖
层 上部 ５ ｍ时 ， 随掘 随 锚 ， 而后 进行 绑 扎 钢 筋 ， 下落 滑模 浇筑 混凝 土井 壁 ， 完成可 缩层 上部 ５ｍ工作 。 （） ２ 高度 ８ ０ ｍ 可 缩 层 段 掘 进 。井 筒 向下掘 ０ ｍ
井巷工程：原岩应力
原岩——地下岩体中没有受到人类工程活动（如矿井中 开掘巷道等）影响的岩体
原岩 应力 按产 生原 因
自重应力——由于岩体的自身重力作用而产生 的应力。 构造应力——由于地质构造运动而引起的应力。
其他应力——岩体中水和瓦斯所引起的应力。
第三章 井巷矿压
一、自重应力
处于一定深度的原岩体，承受着上部岩体的重量，由这个重量所引 起的单位面积上的内力，就是自重应力。
z
11 z
11
z
式中 Y一上覆岩层的容重，kN/m3 z—单元体所在位置离地表的深度，m。
自重应力 z 的表达式为 z z
式中 —上覆岩层的平均容重， 一般取23-25 kN/m3。 σx＝σy=λσZ
式中 λ—原岩体侧应力系数，一般取入＝0 .25～0 .43
第三章 井巷矿压
二、构造应力
第三章 井巷矿压
巷道的稳定性可用下式判断：
max [ ] U max [U ]
式中：σmax ，Umax围岩体内或支护体中危险点的应力和位移；
[σ]，[U] 围岩体内或支护材料的强度极限和位移极限。
围岩内危险点应力和位移:当 max [ ] U max [U ] 巷道稳定；
当 max [ ] Umax [U ] 巷道出现不稳定。
破坏
围岩的破 坏类型
顶板悬垂与冒落 侧壁鼓胀与滑落 底板鼓胀与隆破
第三章 井巷矿压
四、围岩应力分布
巷道围岩应力分布
第三章 井巷矿压
五、围岩稳定性 围岩稳定是指在一定时间内、在一定的地应力的 作用下围岩不产生破坏和失稳。
一般来说，当围岩内一点的应力达到并超过了相应 围岩的强度时，就认为该处围岩已破坏或失稳；否 则就没有破坏，也就是说该处围岩是稳定的。
王家臣-原岩应力其量测方法介绍详解
3.1 地球及其构造的一般概念地球的绝对年龄估计在50～55亿年。
在45～47亿年以前开始形成地壳，就是说地球诞生在47亿年以前。
整个太阳系也是在不到50亿年前由尘埃和大气形成。
我们目前所熟知的地球，具有适于人类生存的大气和丰富的资源，这颗行星的内部仍在活动。
这点已由地震、火山、张开和闭合的大洋及漂移开来的大陆所证实。
根据对深部地带进行地震研究而得到的现代概念，地球可分为地壳、上地幔、下地幔、外地核和内地核。
地壳的平均厚度为32km ，而且在大陆上的变化范围是20～70km ，在海洋中其变化为5~15km 。
地壳是以莫霍面为分界面，是1909年由南斯拉夫的莫霍洛维奇契首先发现了M 面。
在该面以下，弹性纵波的速度p v 突然增长，达到8km/s ，而在地壳中通常是6～7km/s （最大值为7.4km/s ）。
上部地幔物质密度：33～37kN/m 3；地壳物质密度：27～30kN/m 3。
在地壳范围内，可按地震波特征分为三个主要分层：现在，采矿工作主要是在小于1000~1800m 的深度内进行。
在欧洲，有些矿速增层）地球内部结构示意图弹性纵波速度p v ＝2.0~5.0km/s ，厚度10～15kmp v ＝5.5~6.0km/s ，最大厚度30～40km p v ＝6.5~7.4km/s ，其厚度为10～20km井的开采深度约达2000m；在南非及印度，个别金属矿井的开采深度已超过3000～3500m。
开采石油和天然气的深度达到6000~7000m。
最深的构造钻孔和勘探钻孔已超过12000m，并开始实现钻孔深度达15000m的计划。
上述数字提供了有关地球开发深度的概念及其人类当今已经直接达到和可能近期达到的深度。
显然这些深度属于地壳上部的范围内，其厚度与地球直径相比微不足道。
然而浅部地壳的组成结构及其应力状态是矿山岩石力学和矿压理论关注的重点问题之一。
3.2 原岩应力天然状态下地壳中存在地应力，通常在地学中称之为地应力。
掘进巷道过采空区围岩应力演化规律数值模拟
掘进巷道过采空区围岩应力演化规律数值模拟张国华;范秀利【摘要】针对掘进巷道过采空区围岩变形大、控制困难等问题,以新建煤矿掘进巷道过采空区为例,采用数值模拟方法,研究掘进巷道过采空区围岩应力演化规律。
结果表明:揭露采空区前,围岩应力增高区影响范围达45 m,应力集中系数2.0。
进入原岩应力等值区,范围12 m,而后进入应力降低区,范围15 m;揭露采空区期间,巷道进入应力降低区,范围40 m;揭露采空区后,历经应力降低区,范围10 m,然后进入原岩应力等值区,范围5 m,再进入应力增高区,范围10~20 m,应力集中系数2.0。
据此,提出掘进巷道过采空区围岩控制分为揭露采空区前、中及后三个阶段。
该研究为掘进巷道过采空区围岩控制提供理论依据,对同类条件下巷道围岩控制具有重要借鉴意义。
【期刊名称】《黑龙江科技大学学报》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】6页(P463-468)【关键词】采空区;围岩;应力演化;数值模拟【作者】张国华;范秀利【作者单位】黑龙江科技大学矿业工程学院;黑龙江科技大学安全工程学院【正文语种】中文【中图分类】TD322随着我国煤炭资源的开采,煤矿形成了大量采空区。
采空区的存在不仅造成煤矿地质环境恶化,严重时影响煤矿安全生产,尤其是开采年限较长的老矿井,巷道掘进时很容易将采空区揭露,产生一系列安全隐患。
特别是巷道围岩灾害,在采空区掘进巷道时,围岩变形大,很难控制,对安全生产造成极大威胁。
因此,掘进巷道过采空区围岩控制问题,成为老矿井面临的普遍难题。
目前,我国煤矿掘进巷道过采空区研究主要侧重于工程实践,如侯玮等针对掘进巷道过采空区支护技术难题,通过理论分析、方案设计、现场工业性试验,建立了采空区内掘进巷道采用锚网索支护、料石墙、工字钢以及注浆等相结合的围岩综合控制技术体系[1];赵俊杰等针对石屹节煤矿老空区较多的情况,在该矿井开拓延深工程施工中,采用锚网梁、锚索喷料和石墙联合支护形式,不仅满足了设计和生产对断面的要求,而且有效的控制了顶板,成功通过老空区,为今后在老空区内施工积累了经验[2];王瑞光等利用注马丽散超前加固技术对过采空区巷道进行围岩控制[3];孙相斌采用锚网喷+U钢支架+浇注+注浆联合一系列的支护方式,安全通过采空区影响区域,达到良好的预期目的[4];苏清政等针对整合煤矿总回风巷掘进通过采空区巷道支护难题,采用注浆方法加固顶板及采空区围岩[5-8]。
千米深井大采高工作面覆岩破坏过程数值模拟分析
千米深井大采高工作面覆岩破坏过程数值模拟分析孙伟;只玉军;于海洋【摘要】我国近年来千米深井不断增多,覆岩破坏形式和破坏范围也越来越严重.从千米深井大采高覆岩运动和顶板破坏的形式及应力分布特征出发,利用RFPA数值模拟的方法进行了大采高工作面的覆岩破坏过程的研究,得出了在千米深井工作面推采时主应力向两侧转移,且大致沿岩层移动角出现扇形应力降低区的结论.随着工作面的继续推进,采空区上方覆岩破坏和位移具有明显的分带性,各带特征明显不同,但其界面逐渐过渡,空间形态大致呈对称的“马鞍”形分布.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】4页(P1-4)【关键词】千米深井;大采高工作面;数值模拟;覆岩破坏过程;RFPA【作者】孙伟;只玉军;于海洋【作者单位】山东省沂源县鲁村煤矿有限公司【正文语种】中文目前我国煤炭产量居世界之首，又以井工开采为主，随着我国煤矿开采强度的加大，正以年平均25 m左右的增长速度进入深部开采，越来越多的矿井进入到了千米深井的行列。
从目前情况来看，我国每年发生多起覆岩运动导致的灾害多发生在深井中，尤其是在千米深井大采高工作面中发生的概率更高，我国已成为世界上受顶板运动和覆岩破坏危害最严重的国家之一。
因此，研究千米深井大采高工作面覆岩破坏的过程已经是刻不容缓的任务［1］。
1 千米深井大采高工作面覆岩应力分布特征目前，人们对覆岩应力的分布研究成果基本都是基于极限平衡理论得出的。
由于极限平衡理论是以连续介质理论为基础的，不能考虑老顶岩梁破断前后结构状态变化对支承压力分布的影响，本文试图应用损伤基础上梁模型对该问题给予探讨［2］。
根据“以岩层运动为中心”的矿山压力理论，老顶由煤层开采到初次来压的运动过程可分为3个阶段如图 1 所示［3］。
(1)第一阶段。
从采场推进开始至煤壁支承能力改变(即煤壁附近煤体进入塑性)以前。
如图1(a)，显然，此种条件下煤体内支承压力分布及老顶的运动规律可用弹性基础梁理论予以描述。
复杂地质环境中立井井筒受力特征研究应用
复杂地质环境中立井井筒受力特性研究声明亮1，邵伟1，薛爱芝2，朱宜海2（1同济大学地下建筑与工程系上海92，2济宁市市政设计院山东济宁27）摘要：本文采用有限元数值分析技术手段，选用深层地下构造——立井井筒为研究对象，建立大型三维有限元模型，设定复杂地质环境条件，进一步研究了随着深度增长，地质条件变化而引起地下构造位移及受力特性变化，拟定了应力集中位置，并且分析了由于地下构造施工导致土体位移趋势。
本文所得结论可以对立井井筒及其她大深度地下构造设计、施工起到一定理论指引意义。
核心词：大深度地下构造；立井井筒；复杂地质条件；有限元数值模仿中图分类号：TU923 文献标记码：AStess Feature Research of Shaft in ComplexGeological EnvironmentSHEN Mingliang1，SHAO Wei1,XUE Ai-zhi2,ZHU Yi-hai2(1. Department of Geotechnical Engineering in Tongji University，Shanghai 92，China；2. Municipal Design Instituteof Jining，Jining，Shandong 27，China)Abstract:The change of underground structure displacement and stress feature caused by the change of geological conditions as the depth increasing is researched in this article，and the stress concentration position is determined. The research is done by the method of finite element numerical analysis. The reaserch object of the three-dimensional finite element modele is deep underground structure----shaft under complex geological environmental. The soil displacement and the change of secondary stress field caused by the underground structure construction is also analysed in this article. The conclusions can play a guiding significance to the design and construction of shaft and other deep underground structures.Key words：deep underground structure；shaft；complex geological condition；finite element numerical simulation0 引言随着国内经济发展，煤矿产业也在迅速发展，新矿区不断建设，立井井筒是矿井建设一种重要某些。
岩石力学原岩应力及其测量
2、计算方法
1 3 21 3 cos 2
r 0
当 0
33 1 Pi 33 1 t Ps 3
当考虑水压力时
Pi 33 1 T P0
Pr 33 1 P0
五、应力解除法
将具有初始应力的岩体用人为的方法解除其应力，使岩体 变形恢复，再通过某种手段测出岩体恢复的变形（应变或位 移），然后按弹性理论求出岩体应力（主应力的大小和方 向）。
x
1 E
x
y
y
1 E
y
x
xy
21
E
xy
（二）、孔径变形法
在欲测岩体应力处先钻一大孔到指定深度，然后在孔底平 面钻一同心小孔，在小孔内安装不同类型的孔径变形传感器， 再用环形套钻延伸小孔，形成与基岩分离的筒状岩芯。由于 卸载使小孔孔径发生变化，根据孔径变形传感器测出孔径三 个方向的变化量，按弹性力学公式即可确定垂直于钻孔平面 的岩体应力状态，这种方法称为孔径变形法。
构造应力场分布特点： 1、应力可能是压应力，也可能是拉应力。 2、以水平应力为主，一般水平应力大于垂直应力。 3、分布很不均与，以地壳浅部为主。
地壳浅部原岩应力分布的规律： 1、原岩应力场是一个相对稳定的非稳定的应力场。
2、实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量。
3、水平应力普遍大于铅垂应力。
4、平均水平应力与铅垂应力的比值随深度的增加而减小。
z H
x
y
H
1
H
xy yz zx 0
当深度H内有多层岩石，且各层岩石容重不同时：
铅垂应力
n
z i Hi
水平应力
x
i1
y
1
i i
n
iHi
i 1
千米深井下孤岛工作面采场应力演化规律
千米深井下孤岛工作面采场应力演化规律马宁【摘要】以山东某矿千米深井下3306孤岛工作面地质条件为工程背景,建立FLAC30三维计算模型进行数值模拟.研究了3302和3308工作面采空的情况下,3306孤岛工作面回采过程中的应力演化情况,得出3306工作面回采过程中的支承应力演化规律和潜在的冲击危险区域.结果表明:3306工作面回采期间整体冲击危险性较高,重点冲击危险区域出现在工作面回采过程中顶板来压、“见方”期间等;由于工作面静载较高,超前支承应力达30 MPa,且3302、3308工作面侧向支撑压力影响范围较大,因此在整个回采期间,冲击危险性较高,需及时检测并卸压处理.为实现煤矿工作面的安全高效生产提供了依据.【期刊名称】《煤》【年(卷),期】2018(027)002【总页数】3页(P15-17)【关键词】深井;顶板来压;FLAC3D数值模拟;支承应力;工作面回采【作者】马宁【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】TD324随着我国煤矿开采深度越来越大，冲击地压逐渐成为国内外煤矿开采中所发生的主要灾害之一[1]。
冲击地压是以突然、急剧、猛烈的形式释放积聚的弹性能,将煤岩抛向巷道,造成支架损坏、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员,并产生巨大的响声和岩体震动的现象[2]。
煤矿深井开采是世界上大多数主要采煤国家面临的实际问题之一[3] 。
为实现千米深井下工作面的安全回采，本文利用 FLAC3D软件对山东某矿3306孤岛工作面进行了数值模拟，通过分析得出3306工作面回采过程中的超前支承应力演化规律，确定了高应力危险区域，对于煤矿的安全生产具有一定的指导意义。
1 工程背景3306孤岛工作面对应地面标高为+54.1～+55 m，工作面标高为-1 147.5～-1 178.3 m，断层发育，煤层倾角为6～13°，平均为9°；煤层厚度7.9～8.5 m，平均8.20 m；工作面倾斜长度95 m，走向长度776 m。
2 原岩应力
未开采前，地下空间已形成原岩应力场； 在较大范围内，原岩应力场分布不均； 不均衡应力场随围岩变形及时间推移将趋于平衡
二、自重应力： 自重应力： 铅直应力： 铅直应力：
σ z = γH
水平应力： 水平应力： σ x =σ y= λσ z 其中： 其中： λ ——侧压系数 海 姆：
λ =1
µ
1− µ
（静水压力理论） （ 弹性侧压理论）
：静水压力状态
σ
x
= σ
y
= σ z＝ γ H
σ x = σ y = σ z＝20MPa 20MPa
三、构造应力： 构造应力：
1、构造应力——由构造运动引起（板块、火山、升降） 、构造应力
现代构造应力 地质构造残余应力
构造应力
难以区分
构造应力场——构造运动形成 构造运动形成： 构造应力场 构造运动形成 板块挤压——板块移动，挤压边界引起（横向）； 地幔热对流——地幔上下封闭对流形成； 岩浆侵入——岩浆侵入挤压、冷凝收缩（局部）
σt
σt
移动支承压力（移动边界）
σt
3、回采工作面前后方支承压力分布： （P107） 、回采工作面前后方支承压力分布：
前方移动支承压力远远大于后方支承压力； 工作面仅承受极少量压力作用。
4、影响支承压力分布的主要因素： 影响支承压力分布的主要因素： 影响支承压力分布的主要因素 1）回采空间尺寸及形状； 2）回采空间顶板管理方法（支撑状态）； 3）顶板岩层及煤层岩性； 4）采深； 5）周围回采空间分布。
3、煤壁前方应力分布： 、煤壁前方应力分布：
2 f ⋅ x 1+ sin φ m 1−sin φ
σ yp = N 0 e
4、应力及围岩分区： 、应力及围岩分区： 极限平衡区 D 围岩分区 弹性区 E 原始应力区 F 减压区 A 应力分区 增压区 B 稳压区 C （二者有交叉）
超深立井围岩压力测试
点。
图3
立井围岩压力均值随深度变化曲线
() 求得了立井围岩压力计算的经验公式 p = b0 + b1 ln H + b2 1 0 / R + b3 s
图2 立井测试系统示意图
1/6
+
b4 tg (
θ
4
+ 45 °)
(2)
4
综合研究成果
经过两个立井围岩压力和井壁应变的监测结
式中，p 为围岩压力 (k P a)； ln H 为对深度取自然对 数 ； b 0~ b 3 为 回 归 系 数 ； R 为 岩 石 单 向 抗 压 强 度
试数据分析，提出了超深立井围岩压力分布规律的量化参数和经验公式，给出了任意荷载作用下的井壁应力函数，构成了由 实测围岩压力推出井壁应力的系统公式。给出了井筒开挖端位移释放函数，为井筒临时支护设计提供了依据；提出由实测立 井围岩压力反算原岩应力的模型，拓宽实测数据的应用范围。 关键词： 超深立井， 围岩压力， 分布模型， 监测 中图分类号： TD 321 文献标识码： A 文章编号： 1004-3152(2003)03-0078-03
1 .0 7 8 8 1 .5 6 9 1 2 .4 3 5 1 2.9311 3 .5 8 1 6 4 .1 8 2 1 4 .9 9 9 4 8 .6 7 4 2 9 .4 0 2 3
a (° ) - 4 .8 - 4 .8 - 4 .8 - 4 .8 - 4 .8 - 4 .8
2 8 .5 2 8 .9 2 8 .2
W ANG W ei-m ing ， K O N G Liang
(Shandong Poly Tech. U niv., Shandong 271019, C hina)
隧道超挖的围岩力学响应数值模拟分析 刘铁成
隧道超挖的围岩力学响应数值模拟分析刘铁成发表时间：2019-07-22T13:32:42.697Z 来源：《基层建设》2019年第13期作者：刘铁成赵文建[导读] 摘要：以勐松一号隧道为研究对象，对隧道段开挖过程进行数值模拟，研究了隧道埋深及超挖对围岩力学响应的影响规律，研究分析表明：①在不同埋深下，围岩等效应力最小值出现在拱顶位置，等效应力最大值出现在拱脚位置；②隧道洞身拱顶位置收敛变形量最大，拱脚位置变形量往往最小；③在相同埋深条件下，相同超挖对应的等效应力值随埋深增加而不断增大；同一位置围岩的变形量随埋深的增加而增大。
中交一航局第三工程有限公司大连 116001摘要：以勐松一号隧道为研究对象，对隧道段开挖过程进行数值模拟，研究了隧道埋深及超挖对围岩力学响应的影响规律，研究分析表明：①在不同埋深下，围岩等效应力最小值出现在拱顶位置，等效应力最大值出现在拱脚位置；②隧道洞身拱顶位置收敛变形量最大，拱脚位置变形量往往最小；③在相同埋深条件下，相同超挖对应的等效应力值随埋深增加而不断增大；同一位置围岩的变形量随埋深的增加而增大。
关键词：隧道；隧道超挖；数值模拟；隧道变形1.引言随着我国铁路工程技术的快速发展，长大隧道施工也越来越多，由于云南地区围岩地质条件复杂，岩质情况变化较快，面临的各种各样的问题也会越来越多，超欠挖已成为影响施工质量其中的关键性因素之一。
基于激光轮廓分析技术建立的隧道轮廓质量指数（TCI），认为TCI建立在激光剖面的基础上技术可用于更有效地管理隧道轮廓质量。
借助有限元软件程序，数值模拟得出超欠挖部位应力集中的数值解和塑性区的影响范围；计算发现隧道超欠挖数值分形维数与节理间距呈相应的线性关系；用有限元方法得出超挖值与深度对隧道整体自稳性的数量关系。
本文从工程实际的地质情况出发，结合现有的标准规范和研究成果，在不同工况下在结合不同的隧道超欠挖形式，利用有限元软件，对不同类型的工况进行模拟和计算，利用数值模拟的方法，研究了隧道埋深和超挖厚度对围岩力学响应的影响规律。
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4、实测对比分析
第一水平井壁内缘钢筋受力
环向受力发展曲线
竖向受力发展曲线
环向受力最大为50.83KN
竖向受力最大为27.32KN
1、钢筋受力发展曲线与内缘混凝土应变发展曲线呈现相似性。 2、环向钢筋受压力大于竖向钢筋受的压力，环向钢筋平均受到41.2KN作用力，按22mm钢筋的面积分 摊，压应力为108.4MPa，而竖向钢筋受到作用力为21.KN，按22mm钢筋的面积分摊得到压应力55.4MPa， 前者是后者的1.96倍。比内缘应变环竖之比1.57略高。
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2、工程背景
图1 副立井广场地层构造剖面图 国家精品课程网上资源的可用性研究/***
3、有限元模拟与分析
建立与地质柱状条 件和地质构造一致 的平面应变力学有 限元模型。模型以 副立井为中心，两 侧各850m，垂深 1600m，几何范围 覆盖井筒保护煤柱 的范围，-Y为垂深 方向，XY平面为地 层走向的横切面。
3、有限元模拟与分析
截取井筒垂深950 m 深度的水平线上 400m范围内没有断 层，水平应力分布是 连续光滑的，但由于 地层倾向和上覆盖地 层密度的变化，导致 水平应力和地层的倾 斜发生一定关联关系 ，即倾斜方向的上游 水平应力高于下游水 平应力；而岩层倾向 横剖面内的水平应力 高于走向的水平应力 。
倾斜上方
倾斜下方
图2 磁西原始地应力场有限元分析几何模型
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3、有限元模拟与分析
建立磁西矿井筒原岩应力场的有限元数值模型时， 边界条件和假定如下： (1) 以实勘的岩层倾斜、断层为既成条件，而造成该 地区构造的原动力已经得到释放； (2) 整体竖向加载自重应力场，与自重加速度相比， 水平加速度忽略不计；体积力—重力场 (3)上边界地表是自由边界，深部1600 m为固定位移 的下边界，左右两侧均为约束水平位移滚珠边界，半 径范围850 m； (4) 将同一年代岩性归类，岩层倾斜界面和断层线为 内部几何边界，但都视为完全弹性接触，同年代地层 的物理力学性质采用统计均值，且不考虑各向异性。
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4、实测对比分析
第一水平井壁内缘应变
环向应变发展曲线
竖向应变发展曲线
环向应变最大为771.77με
竖向应变最大为910.167με
1、内缘井壁应变来看，虽然最大应变出现在竖向，但整体上环向应变仍 然是最大应变，平均值为568 uε，竖向压应变平均值为435 uε 2、内缘井壁同样呈现受力的不均匀性 3、井壁内缘应变的发展规律大致和外缘应变的发展规律相同
内层 外层 内外缘 环 C50 22@250 纵 22@250 内外缘 环 内缘环 C55 22@200 22@200 纵 22@250 内、中： 外缘 环 环 22@200 C55 22@200 纵 纵 22@200 22@250 C55 C40 C45 C45
内壁径筋 6.5@500
内壁径筋 6.5@500
传感器准备 采集仪防水处理
传感器线路铺设
压力盒的安装
基站安装
数据采集 国家精品课程网上资源的可用性研究/***
4、实测对比分析
第一水平井壁外缘应变
环向应变发展曲线
竖向应变发展曲线
径向应变发展曲线
环向应变最大为1093.3με
竖向 应变最大为699.025με
径向应变最大为437.96με
1、第一主应变是环向压应变 第二是竖向压应变，第三是径向压应变 2、三个测点结果表明其井壁外缘受力不均匀性 3、三个测点的监测结果发展变化呈现相似性 4、最大混凝土应变出现在东北方位的环向应变为 1093.3μ ε
垂直断层走向：大 倾斜上方
倾斜下方
平行断层走向：小
图4 垂深950m水平应力分布图
同一方向上地层的水平应力的梯度达到了约1×10-3 MPa/m， 两个方向的水平应力不均匀系数在1.03~1.04之间。
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3、有限元模拟与分析
对于垂深1079m和1208m，同一水平若遭遇岩层界面变化或断层， 水平应力在岩层交界面和断层位置都发生跳跃。与垂深950 m相比， 由硬岩进入软岩后，两向应力的大小关系，出现了反转，说明两向 水平应力的大小之比的变化还是较复杂，它不仅与岩层倾角有关， 而且与岩体自上而下的剪切模量变化有关。
超千米深井不均匀原岩应力场 有限元模型研究
汇报人: 周晓敏 教授 北京科技大学 2015年10月31号
汇报提纲 1
引言
2 3 4 5
工程背景 有限元模拟与分析 实测对比分析
结论
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1、引言
自重应力
金尼克公式
地下工程界越来越关注
传统概念只局限于衬砌 界面所受到的作用力
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3、有限元模拟与分析
两向不均匀应力系数是指两垂直方向应力Sx和Sy之比：λ
不均匀应力系数的影响因素次序
表3 正交分析统计结果表
水平应力梯度 水平应力均值 Sx方向 (-MPa) 4.868 5.777 6.88 5.322 5.956 Sz方向 (-MPa) 4.847 5.899 7.079 5.733 6.737 0.996 1.021 1.029 1.077 1.131 比值 Sx/Sy
4.87E-04
1.03E-03 4.46E-04 1.05E-03
5.276
5.57 5.596 5.441
5.25
5.78 5.318 6.107
0.995
1.052 0.95 1.122
影 响 因 素 次 序
1
剪切模量
2
3
倾角
厚度之比
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3、有限元模拟与分析
国家精品课程网上资源的可用性研究/***
磁西副井监测方案与实施
仪器准备和安装
第一水平在2013年1月24日埋设 ，2月24日进行了初测，在6月27 日，在井筒施工返回到马头门时 ，进行第三次数据检测，在7月12 日实现了自动采集功能，至11月7 日之间进行了3次集中数据收集。 第一水平共埋设27个传感器，正 常工作的26个，有效果的有21个 传感器，反应了历时288天的井筒 井壁的力学反应特征。 第二水平埋设时间是2013年4 月16日，埋设位置方位和第一水 平相同。第二水平埋设了井壁外 缘三向共9个应变计，内缘的两向 共6应变计，2向共6个钢筋计，3 个压力盒，东北方向一处井壁内2 个温度计，共26个传感器，正常 工作的22个，有效果的有20个传 感器数据。
公路 铁路 采矿
原岩应力
结构载荷
构造应力 件，建立超千米深地层原岩应力有限元模型 数值计算 ，研究各岩体层厚
本文根据磁西矿区地质构造条件，建立超千米深地 层原岩应力有限元模型，研究各岩体层厚、力学性 质的差异、断层、倾斜等对原岩应力不均匀性规律 的影响，为井筒井壁设计和矿井开采提供参考。
国家精品课程网上资源的可用性研究/***
表2 影响因素水平表 水平 1 2 3 倾角 10° 20° 30° 厚度之比 1:4 2:4 3:4 剪切模量/Pa 3.60E+10 2.52E+10 1.44E+10
图5 单斜构造下地层水平原岩应力分析模型
按照表2改变图5模型中指标层位 的3个因素，研究指标层位岩层水平 应力在3个因素影响下变化规律。
1）与地层剪 切模量的关系
3 2 =-0.058 E -0.03 E -0.012 E +1.21
回归公式
岩体不均匀应力系数λ与弹性模量之比 E 成反比关系
2）与地层地层 倾角φ的关系
回归公式
=0.932+0.0522
地层不均匀应力系数λ与地层倾角φ成正比关系
水平应力梯度变化规律
表5
垂深位 井壁 结构 置m
磁西井壁结构设计概况
混凝 土等 内层 外层 级
厚度mm
钢筋
备注
双层+ -7~-140 塑夹 600 层
500
-140~240
双层+ 塑夹 600 层
500
-240~- 单层+ 250 网喷 -250~255 -255~610 -610~700 -700~1100
600+700
-771 -51 -134
-568 -41 -108
-682 -44 -116
按直径22mm钢筋计算 -671 -540 -579
按照混凝土和钢 筋变形的协调一 致性规律，可将 实测钢筋的受力 换算成应变，和 井壁混凝土应变 实测结果相比 ， 二者无论数值还 是大小分布的方 位都一致，应变 数 值 误 差 在 5%~16%之间。
-1100~单层 1200 800 C60
3、磁西副井监测方案与实施
监测内容
1、监测井壁外缘混凝土环向、纵向及径向应变变化； 2、监测井壁内缘100mm处混凝土环向和纵向应变变化； 3、监测井壁内缘环向和纵向钢筋受力变化； 4、监测井壁外缘总压力； 5、监测井壁外侧水压
第二埋设水平 第一埋设水平
监测位置
模型1 模型2 模型3 模型4 模型5
6.67E-04 6.76E-04 7.01E-04 1.81E-03 1.93E-03
三项和 K1j 三项和 K2j 三项和 K3j
极差Rj
3.046 3.203 3.359 0.104
模型6
模型7 模型8 模型9
1.16E-03
1.61E-03 1.39E-03 2.36E-03
平行断层走向：大
垂直断层走向：小
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