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Stress gradient analytic solution and reasonable support prestress of roadway surrounding rock based on unified strength criterion:A case study
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作者 JING Suo-lin WEN Zhi-jie +2 位作者 ZUO Yu-jun LI Qiu-ju HAO Peng 《Journal of Central South University》 2025年第2期449-468,共20页
The stress gradient of surrounding rock and reasonable prestress of support are the keys to ensuring the stability of roadways.The elastic-plastic analytical solution for surrounding rock was derived based on unified ... The stress gradient of surrounding rock and reasonable prestress of support are the keys to ensuring the stability of roadways.The elastic-plastic analytical solution for surrounding rock was derived based on unified strength theory.A model for solving the stress gradient of the surrounding rock with the intermediate principal stress parameter b was established.The correctness and applicability of the solution for the stress gradient in the roadway surrounding rock was verified via multiple methods.Furthermore,the laws of stress,displacement,and the plastic zone of the surrounding rock with different b values and prestresses were revealed.As b increases,the stress gradient in the plastic zone increases,and the displacement and plastic zone radius decrease.As the prestress increases,the peak stress shifts toward the sidewalls,and the stress and stress gradient increments decrease.In addition,the displacement increment and plastic zone increment were proposed to characterize the support effect.The balance point of the plastic zone area appears before that of the displacement zone.The relationship between the stress gradient compensation coefficient and the prestress is obtained.This study provides a research method and idea for determining the reasonable prestress of support in roadways. 展开更多
关键词 PRESTRESS support compensation surrounding rock damage stress gradient analytic solution unified strength theory
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基于倾角效应的“支架-围岩”数字孪生模拟试验平台研制与测试 被引量:1
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作者 解盘石 张颖异 +7 位作者 伍永平 杜玉乾 杨航 黄宝发 林伟典 易磊磊 徐辉 冯春 《煤炭学报》 北大核心 2025年第6期2837-2852,共16页
液压支架与围岩两者间的稳定性关系是长壁工作面开采及其智能化研究的重难点内容之一。大倾角、急倾斜煤层赋存条件复杂,“支架-围岩”稳定性控制难度大,严重制约了该类复杂难采煤层矿井的安全智能开采。为此,在实验室环境下研制了三维... 液压支架与围岩两者间的稳定性关系是长壁工作面开采及其智能化研究的重难点内容之一。大倾角、急倾斜煤层赋存条件复杂,“支架-围岩”稳定性控制难度大,严重制约了该类复杂难采煤层矿井的安全智能开采。为此,在实验室环境下研制了三维大比例模拟试验平台与配套试验液压支架,可最大程度模拟复杂难采煤层工作面的开采环境,工作面“支架-围岩”系统耦合控制、顶板周期来压及冲击来压效果。基于数字孪生技术,构建了“支架-围岩”试验平台孪生系统,可实现对物理空间模拟试验工作面“支架-围岩”系统的精确感知与高效仿真。开展了试验平台性能、异型液压支架研发支撑、“支架-围岩”试验平台孪生系统优化等一系列测试试验,确定了试验平台整体结构的稳定性和性能的可靠性、孪生系统的实用性和准确性,体现了试验平台的多功能性。基于测试试验,发现工作面顶板来压期间,支架在倾角效应下易发生侧向偏转失稳,支架间侧向挤压加剧;工作面顶板、支架、煤壁及底板组成的“支架-围岩”系统是协同承载体,四者任何环节变化都会影响整体的稳定性,也会加剧另外环节的破坏。针对性提出采取液压支架防倒滑装置、加强围岩控制和实时监测预警3项改进措施,来提升复杂煤层工作面“支架-围岩”系统的整体稳定性。 展开更多
关键词 数字孪生 支架-围岩 倾角效应 大比例模拟试验平台 智能化 大倾角煤层
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锚杆支护围岩附加压应力场空间分布规律研究与应用
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作者 孙元田 王尚 +4 位作者 李桂臣 韩昌良 郝浩然 李菁华 赵海森 《煤炭学报》 北大核心 2025年第6期2940-2960,共21页
煤巷锚杆支护已得到广泛应用,锚杆支护作用于围岩内的附加压应力场大小与空间分布范围是量化支护参数、优化支护方案的关键。为研究锚杆(索)相关参数对围岩附加压应力场空间三维分布影响规律,从理论方面分析了锚杆作用下围岩所受托锚力... 煤巷锚杆支护已得到广泛应用,锚杆支护作用于围岩内的附加压应力场大小与空间分布范围是量化支护参数、优化支护方案的关键。为研究锚杆(索)相关参数对围岩附加压应力场空间三维分布影响规律,从理论方面分析了锚杆作用下围岩所受托锚力和黏锚力产生附加压应力机制,建立了围岩附加压应力模型,空间表征了附加压应力场分布特征,进一步通过模拟与理论对比,验证了模型的正确性;以围岩附加压应力≥0.02MPa为基准,量化研究了锚杆(索)支护关键参数即锚杆(索)预紧力、长度和锚固长度对围岩附加压应力场空间分布的形态、最大扩散半径、高度(间距)及体积的影响。锚杆支护下随着预紧力增大,空间附加压应力场分布形态由竖向“椭球体”发展为横向“椭球体”;锚杆长度增加,形态从近似“椭球体”变成“葫芦型”;锚固长度增大,形态从“葫芦型”变成近似“椭球体”。随着锚杆预紧力和长度增加,锚杆支护产生的附加压应力场的半径、高度及体积增大,而锚固长度对附加压应力场影响相反。锚索支护下随着锚索长度增加,围岩附加压应力场的空间分布形态从近似“椭球体”变成“葫芦型”,当锚索长度超过5m时,变成间断的上下2个“椭球体”且上小下大,即使预紧力和锚固长度增加,分布形态没有明显变化。随着锚索预紧力增加,锚索支护所形成的围岩附加压应力场的最大半径增加,体积增加,上下压应力场间距减少;随着锚索长度增加,围岩附加压应力场高度增加,随后间断成上下2个压应力场,其间距不断增大,半径及压应力场体积先增加后减少;随着锚索锚固长度的增加,围岩附加压应力场间距逐渐减小,半径先增加后减少,体积增加不明显。进一步分析了锚杆(索)组合支护下围岩高/低附加压应力对巷道顶板的作用,结合组合梁及悬吊理论的部分理念,确定了高/低阈值计算公式,通过对比围岩附加压应力场体积大小来确定锚杆支护方案优劣。以葫芦素煤矿21204工作面回风巷和城郊煤矿LW21106工作面运输巷为验证对象,分析了原/新支护方案特点,计算得到2条典型巷道围岩附加压应力场的高/低应力阈值及其在顶板覆盖的总体积。结果显示优化后方案锚杆(索)能在顶板形成有效连续的围岩附加压应力场,高/低压应力场体积均增加显著,围岩变形得到有效控制。 展开更多
关键词 围岩控制 附加应力场 锚杆支护 预应力 方案设计
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煤岩斜巷穿层掘进长短锚索协同支护及围岩控制机理研究
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作者 尹博 王睿 +3 位作者 张连昆 杨俊峰 李先峰 杨瑞宙 《金属矿山》 北大核心 2025年第2期13-23,共11页
为解决浅埋多煤层斜巷穿层掘进过程中软硬复合顶板变形大、易离层、支护难等问题,以淖尔壕煤矿2-3煤辅运斜巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法,通过对比分析无支护和现有支护条件下巷道围岩塑性区及软硬复... 为解决浅埋多煤层斜巷穿层掘进过程中软硬复合顶板变形大、易离层、支护难等问题,以淖尔壕煤矿2-3煤辅运斜巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法,通过对比分析无支护和现有支护条件下巷道围岩塑性区及软硬复合顶板易离层区特征,发现现有支护参数下仍不能有效预防局部冒顶发生,为此提出了长短锚索协同支护优化设计方案。结果表明:煤岩斜巷穿层掘进中,当距离软硬复合顶板较近时,巷道受剪切破坏与张拉破坏共同作用,导致围岩塑性区探入顶板离层区内,极易引发冒顶。另外,按照等长锚索布置时,虽可提高支护效果,但塑性破坏区范围未完全处于锚杆、锚索的锚固范围内,仍存有冒顶事故发生可能。根据斜巷掘进层位与局部冒顶易发区的复合顶板特征将现有支护的等长锚索布置方式变为长、短锚索相间布置后,顶板下沉量进一步减小至40 mm,塑性区范围处于锚杆、锚索支护范围内。长短锚索协同支护优势在于长锚索锚固端若处不稳定岩层,则以短锚索补强,确保始终存在锚固与稳定岩层中的锚索。从而有效控制围岩,防止冒顶事故的发生。结合现场监测分析结果,巷道围岩变形明显减小,稳定性升高,可以有效地提高巷道的稳定性和安全性。研究结果将为巷道围岩稳定性分析及巷道穿层支护设计提供参考依据。 展开更多
关键词 浅埋多煤层 穿层掘进 围岩变形 局部冒顶 协同支护
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连采连充式工作面矿压叠加特征及围岩控制技术应用
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作者 杨涛 闵恒 +3 位作者 胡嘉英 陈全秋 张庆国 张书超 《中国安全生产科学技术》 北大核心 2025年第7期99-105,共7页
为解决特厚煤层在连采连充工艺中支巷围岩变形及稳定性难题,采用数值模拟与现场实验相结合的方法,揭示采动应力场时空迁移规律及围岩破坏机制,提出“深层锚索约束+浅层锚杆支护+双向护网”的差异化协同控制技术。研究结果表明:充填后可... 为解决特厚煤层在连采连充工艺中支巷围岩变形及稳定性难题,采用数值模拟与现场实验相结合的方法,揭示采动应力场时空迁移规律及围岩破坏机制,提出“深层锚索约束+浅层锚杆支护+双向护网”的差异化协同控制技术。研究结果表明:充填后可显著降低未开采支巷应力集中水平;充填体-煤柱复合结构因刚度差异导致显著非对称变形;通过“锚索约束深部岩体+锚杆强化浅层结构+护网协同承载”的差异化支护,实现围岩应力场均衡化调控。研究结果可为特厚煤层绿色高效开采提供理论与技术支撑。 展开更多
关键词 特厚煤层 连采连充 围岩控制 数值模拟 差异化支护
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深部动压巷道卸-固协同控制技术研究
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作者 王书刚 熊怀鑫 +4 位作者 孙利辉 刘亮平 白忠 龙亚鑫 秦宇坤 《煤炭工程》 北大核心 2025年第6期57-66,共10页
针对深部动压巷道受高原岩应力、强烈采动应力的双重叠加扰动影响,巷道围岩频繁发生大变形、支护结构失效、反复维修等问题。以云驾岭矿八采区运输平巷受12805下工作面采动影响为工程背景,通过理论分析、岩石力学实验、数值模拟、现场... 针对深部动压巷道受高原岩应力、强烈采动应力的双重叠加扰动影响,巷道围岩频繁发生大变形、支护结构失效、反复维修等问题。以云驾岭矿八采区运输平巷受12805下工作面采动影响为工程背景,通过理论分析、岩石力学实验、数值模拟、现场监测等方法,研究动压扰动下巷道变形破坏规律,分析采动影响下巷道围岩大变形机理,提出扰动源巷道切顶卸压+动压扰动巷道“双壳”加固的联合治理技术。研究结果表明:深井巷道受高应力场和工作面动压扰动等双重叠加应力扰动影响,巷道围岩结构发生不可逆性强度损伤,围岩体应力强度普遍下降,导致动压巷道支护结构大面积失效,巷道围岩发生大变形破坏;扰动源巷道采用切顶卸压后,工作面侧向支承压力影响范围和应力传递强度均大幅度减小,为动压区巷道加强支护提供了稳定的应力环境,动压巷道采用双壳支护后,巷道破碎区岩体强度得到提高,围岩承载能力得到加强,抑制了动压巷道的变形破坏。现场试验结果表明:动压巷道围岩变形量控制在220 mm以内,锚杆(索)最大受力为极限破断力的54.7%,动压巷道围岩变形得到有效控制,锚杆(索)受力均在合理范围内,扰动源切顶卸压+动压巷道“双壳”支护的联合治理方案现场应用效果良好。 展开更多
关键词 开采扰动 循环加卸载 围岩大变形 切顶卸压 双壳支护
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综放工作面过空巷超前支护技术研究与应用 被引量:2
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作者 王栋晨 孙华清 +6 位作者 冯伟斌 王代峰 秦艳华 陈井龙 吕金龙 李然 曹峰 《中国煤炭》 北大核心 2025年第1期132-145,共14页
在遗煤复采过程中,工作面前方常存在与其推进方向交叉的空巷,为提高过空巷时辅运巷和回风巷围岩的安全稳定,实现煤炭的安全高效开采,在长壁放顶煤过空巷的开采基础上,结合SolidWorks、Rhino-Griddle、FLAC 3D软件,建立了液压支架支护、... 在遗煤复采过程中,工作面前方常存在与其推进方向交叉的空巷,为提高过空巷时辅运巷和回风巷围岩的安全稳定,实现煤炭的安全高效开采,在长壁放顶煤过空巷的开采基础上,结合SolidWorks、Rhino-Griddle、FLAC 3D软件,建立了液压支架支护、锚杆支护、锚杆+支架支护这3种不同的超前支护方式,对比分析了3种超前支护方式对围岩矿压及变形的影响,并给出了最优支护方式,同时探讨了过空巷时液压支架的承载特征。研究结果表明,邻近空巷时,液压支架支护方式能有效分担两帮压力和控制围岩变形,但在巷道顶部会出现开采扰动和空巷的应力叠加;锚杆支护方式通过破坏围岩的几何形态对两者的叠加效果进行了有效减弱,但围岩变形控制较差;锚杆+支架支护方式综合两者优势,支护效果最好。 展开更多
关键词 综放工作面 超前支护 过空巷 围岩变形 数值模拟
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神东矿区浅埋大采高工作面支架-围岩耦合关系及支架适用性研究 被引量:2
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作者 王巍 王文 张广杰 《河南理工大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第2期32-41,共10页
目的为有效解决神东矿区浅埋大采高工作面开采强度大导致的采场围岩控制困难问题,方法通过理论分析和现场实测方法,结合采场覆岩砌体梁力学模型,阐释了大采高工作面开采支架-围岩耦合关系,并对该矿区特殊条件下采场矿压规律、支架合理... 目的为有效解决神东矿区浅埋大采高工作面开采强度大导致的采场围岩控制困难问题,方法通过理论分析和现场实测方法,结合采场覆岩砌体梁力学模型,阐释了大采高工作面开采支架-围岩耦合关系,并对该矿区特殊条件下采场矿压规律、支架合理工作阻力及其适用性进行了研究。结果结果表明:断裂的老顶及其随动岩体自重、旋转空间对顶板动载荷产生影响较大,直接顶、支架及底板整体刚度对老顶的破断位置产生影响,使老顶来压时对支架的作用力变小、作用时间变短;支架-围岩间存在刚度、强度、稳定性等耦合关系。结论提出基于支架实用效果的“支、护、采”三因素法并对其适用性进行评价,采用岩石自重估算、实测支架循环末工作阻力加1倍均方差及传递岩梁理论等方法对支架工作阻力进行验算,并得到了合理的支架工作阻力。为相似条件下支架选型及其适用性评价工作提供科学指导。 展开更多
关键词 大采高工作面 支架-围岩耦合 矿压规律 工作阻力 适用性分析
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矿山岩体质量非均匀性表征及其在巷道差异化支护中的应用
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作者 刘飞跃 杨科 +5 位作者 杨天鸿 朱万成 解联库 邓文学 孙东东 《工程地质学报》 北大核心 2025年第3期1099-1107,共9页
考虑岩体质量的非均匀性进行矿山巷道分级分区差异化支护,在确保安全的前提下降低支护费用具有现实的工程意义。使用深度学习从岩体内部钻孔岩芯照片中自动计算RQD,结合摄影测量与最短路径搜索算法从岩体表面图像中识别结构面迹线,实现... 考虑岩体质量的非均匀性进行矿山巷道分级分区差异化支护,在确保安全的前提下降低支护费用具有现实的工程意义。使用深度学习从岩体内部钻孔岩芯照片中自动计算RQD,结合摄影测量与最短路径搜索算法从岩体表面图像中识别结构面迹线,实现快速准确的岩体质量评价;利用地质统计学理论挖掘实测岩体质量的空间相关性,获取各向异性实验半变异函数,空间插值建立非均匀岩体质量块体模型;以甲玛铜矿为例,根据巴顿岩体质量Q设计巷道分级分区差异化支护方案。结果表明岩体质量在同一岩性上是非均匀的也是连续的,但在岩性分界面处体现较强的变异性;根据岩体质量进行巷道的分级分区差异化支护,可以合理选择巷道位置、支护方式与支护参数。研究旨在建立一套矿山岩体质量非均匀性表征及巷道差异化支护的方法体系,实现巷道支护降本增效的目标。 展开更多
关键词 岩体质量 非均匀性 块体模型 巷道围岩 差异化支护
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超深巷道围岩应力变化规律及支护技术
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作者 王胜开 刘家明 +4 位作者 朱志根 余一松 方旭刚 李华华 刘立波 《矿冶工程》 北大核心 2025年第2期54-59,共6页
以云南某矿山为背景,采用理论分析、现场监测、数值模拟相结合的方法,对埋深1 500 m巷道围岩破坏模式进行分析,研究巷道围岩应力的变化规律。结果表明:埋深1 500 m近矿体段主运输巷道及沿脉运输巷道围岩基本属于Ⅰ、Ⅱ类围岩;巷道地层... 以云南某矿山为背景,采用理论分析、现场监测、数值模拟相结合的方法,对埋深1 500 m巷道围岩破坏模式进行分析,研究巷道围岩应力的变化规律。结果表明:埋深1 500 m近矿体段主运输巷道及沿脉运输巷道围岩基本属于Ⅰ、Ⅱ类围岩;巷道地层稳定性对松动圈的影响大于巷道断面尺寸对松动圈的影响;在围岩应力、采动应力、爆破荷载等扰动作用下,巷道拱角围岩应力大于侧帮围岩应力。基于巷道围岩破坏模式,提出了锚杆+钢筋网+喷砼支护方式,3DEC数值模拟结果表明,巷道支护后,巷道两帮、拱顶、底板塑性区深度分别减小了0.5、0.8、0.6 m。 展开更多
关键词 深部开采 巷道 塑性区 围岩 围岩应力 支护方式 数值模拟 破坏模式 围岩稳定性
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10 m超大采高液压支架关键结构及其承载特性
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作者 韩会军 雷亚军 +2 位作者 张金虎 韩存地 曾明胜 《煤炭学报》 北大核心 2025年第4期1993-2004,共12页
针对10 m超大采高综采工作面围岩控制需求,研发了ZYA29000/45/100D两柱掩护式超大采高液压支架。阐述了超大采高采场围岩垮落及矿压显现特点,总结了10 m超大采高工作面注重顶板、煤壁防护及承受强动载的支护需求;在此基础上研发了10 m... 针对10 m超大采高综采工作面围岩控制需求,研发了ZYA29000/45/100D两柱掩护式超大采高液压支架。阐述了超大采高采场围岩垮落及矿压显现特点,总结了10 m超大采高工作面注重顶板、煤壁防护及承受强动载的支护需求;在此基础上研发了10 m超大采高液压支架,给出液压支架结构关键参数,配套双层伸缩梁+三级协动护帮、?630 mm大缸径抗冲击立柱等创新结构,具备断面全防护、结构抗冲击、架体自稳定等技术特点;以结构稳定性为切入点,在分析工作面倾角及采高对支架稳定性影响的基础上,研究了液压支架对不同工作面倾角及采高的适应性,分析得出支架横向临界倾倒角度为12°,适应采高7~10 m,液压支架在正常工作区域内,其理论支护效率并不会有较大变化,而掩护梁受载是超大采高液压支架与小采高支架的最大区别;针对两柱掩护式支架承载特点,分析了不同支架参数下顶梁力平衡承载区域及其迁移特性,两柱式掩护式支架力平衡区主要集中于立柱部位,立柱与顶梁铰接点位置的变化对力平衡区影响显著,平衡千斤顶参数的变化对力平衡区的影响有限;分析了不同型式护帮结构的煤壁防护性能,阐明双层伸缩梁+三级协动护帮结构在防护力度、防护面积等方面具有明显的优势;通过分析支架在增阻状态下的等效刚度,建立了液压支架动载力学仿真模型,通过模拟试验方法研究了其在“给定变形”工作状态下承受动态载荷的响应过程,得出顶梁承受动载主要通过立柱传递、掩护梁承受动载主要通过四连杆机构进行传递的特点;分析了支架在曹家滩煤矿122104工作面的使用情况,说明ZYA29000/45/100D对10 m超大采高工作面有较好的适应性,且满足工作面超大采高围岩控制需求。 展开更多
关键词 超大采高 液压支架 围岩控制 工作面支护 支护技术及装备
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基于围岩卸荷弱化效应的特大断面隧道超前支护研究
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作者 郑科 杨文波 +3 位作者 曾文浩 方勇 姚超凡 浣宇翔 《铁道科学与工程学报》 北大核心 2025年第4期1710-1722,共13页
为了揭示卸荷过程中岩体力学参数的弱化特性,研究在卸荷弱化效应下不同管棚参数对特大断面隧道超前支护的影响效果。依托重庆火凤山隧道,通过三轴加、卸荷试验得出岩石变形模量和抗剪强度卸荷弱化规律,采用FLAC^(3D)有限元软件建立了考... 为了揭示卸荷过程中岩体力学参数的弱化特性,研究在卸荷弱化效应下不同管棚参数对特大断面隧道超前支护的影响效果。依托重庆火凤山隧道,通过三轴加、卸荷试验得出岩石变形模量和抗剪强度卸荷弱化规律,采用FLAC^(3D)有限元软件建立了考虑围岩卸荷弱化效应的岩体力学参数动态计算模型并验证了计算模型的准确性,在此基础上通过模型试验和数值模拟,就不同管棚布设范围、间距和注浆厚度对特大断面隧道围岩变形及支护结构内力的影响开展系列研究。研究结果表明:1)岩石试样的变形模量和抗剪强度随卸荷量增大而发生不同程度的衰减,试样破坏后残余变形模量仅为峰值的8%,残余黏聚力仅为峰值的23%~32%。2)相比于摩尔库伦模型,动态弱化模型能够更准确地描述岩石破坏特性和围岩卸荷损伤发展过程。3)超前管棚支护能够显著降低围岩变形,改善支护结构内力,使拱顶沉降降低38%,围岩压力降低20%,拱顶和拱肩初支弯矩降低60%~80%。4)围岩变形和结构内力对不同管棚支护参数敏感性不同,管棚布设范围对隧道拱顶沉降影响较小,管棚间距大于40 cm,注浆厚度小于70 cm时,拱顶沉降明显增大;管棚支护能够显著降低支护结构弯矩但对轴力改善效果不明显。研究结果可为隧道围岩在开挖卸荷过程中的参数弱化及特大断面隧道超前支护提供参考。 展开更多
关键词 特大断面隧道 卸荷试验 围岩参数弱化 超前支护 模型试验
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基于围岩压力-承载区特征曲线的挤压大变形隧道支护原则研究
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作者 马凯蒙 刘勇 +4 位作者 樊浩博 刘志春 朱正国 张俊儒 冯冀蒙 《中国铁道科学》 北大核心 2025年第3期129-139,共11页
挤压大变形隧道常常出现初期支护侵限、喷射混凝土局部开裂、钢架扭曲甚至局部塌方等灾变。以高速铁路大埋深Ⅳ级围岩双线隧道为研究对象,通过数值模拟法建立围岩压力-承载区特征曲线;依托中老铁路会排山隧道进行现场测试,验证围岩压力... 挤压大变形隧道常常出现初期支护侵限、喷射混凝土局部开裂、钢架扭曲甚至局部塌方等灾变。以高速铁路大埋深Ⅳ级围岩双线隧道为研究对象,通过数值模拟法建立围岩压力-承载区特征曲线;依托中老铁路会排山隧道进行现场测试,验证围岩压力、变形与松弛范围的关系;基于松弛区对埋深的敏感性,给出不同埋深下Ⅳ级围岩隧道支护原则。结果表明:随着变形的增加,围岩压力逐渐减小,而松弛区逐渐增大,岩体离散阈值出现在松弛区范围内;围岩压力-承载区特征曲线的结果基本可以反映现场的实际情况;Ⅳ级围岩隧道在埋深达到千米级时,围岩开挖后可先进行混凝土初喷及锚杆支护,锚杆长度建议为6~8 m,如遇变形速度快或变形量大时可采用预应力锚杆,适当增加支护刚度,可采用刚柔结合的支护形式。 展开更多
关键词 隧道工程 围岩压力-承载区特征曲线 现场验证 挤压大变形 支护原则
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基于悬臂掘进机施工的高铁隧道结构受力变形特征研究
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作者 杨可德 丁祖德 +3 位作者 缪庆杰 杨进京 丁文云 郭永发 《材料导报》 北大核心 2025年第S1期293-299,共7页
目前针对隧道悬臂掘进机法施工过程中支护结构受力变形特性的研究较少。为了确保施工顺利实施及安全,有必要对隧道悬臂掘进机引起结构响应的机理进行研究。本工作依托渝昆高铁长水机场隧道工程开展了基于悬臂掘进机台阶法开挖条件下隧... 目前针对隧道悬臂掘进机法施工过程中支护结构受力变形特性的研究较少。为了确保施工顺利实施及安全,有必要对隧道悬臂掘进机引起结构响应的机理进行研究。本工作依托渝昆高铁长水机场隧道工程开展了基于悬臂掘进机台阶法开挖条件下隧道典型断面结构变形及受力的现场监测,分析了隧道结构受力变形随时间的演化特征和空间分布规律。结果表明:隧道拱顶沉降和周边位移时程曲线总体表现为四个发展阶段,变形主要发生在上台阶开挖阶段,该阶段隧道平均的拱顶沉降及周边位移量分别约占总变形量的58%和55%,主要影响范围分别为13 m和30 m。围岩压力和钢架应力随时间的发展总体表现为急剧增大、增速放缓和趋于稳定的三阶段变化规律,在空间上呈“上大下小”的分布特征,围岩压力最大值为0.203 MPa,钢架应力最大值为130.7 MPa,均出现在左拱肩位置。层间接触压力和二衬应变随时间大体经历了迅速增长、减小和逐渐平稳三个变化过程,层间接触压力在空间上呈“下大上小,左大右小”的分布形态,最大值为0.32 MPa,出现在左墙脚;二衬内外侧各测点混凝土均处于受压状态,最大压应变为325.16με,位于二衬外侧右边墙位置。本工作的研究结果可为隧道后续施工和支护方案优化提供依据,也可为类似条件下隧道工程施工、监测和进一步的理论研究提供参考和借鉴。 展开更多
关键词 高铁隧道 悬臂掘进机法 现场监测 围岩变形 支护受力特征
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软弱地层隧道围岩承载环抗力计算
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作者 苏雅 苏永华 +2 位作者 刘阳阳 李明 罗彪 《湖南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第3期141-150,共10页
软弱地层中隧道锚喷支护的力学效果主要是形成基于空间边界附近围岩的承载环.利用岩体评级(RMR)系统中的相关因素与岩体地质强度指标(GSI)所涉及要素之间的对应关系,建立了GSI各项要素指标及其总值确定的简明途径.利用岩体内摩擦角、黏... 软弱地层中隧道锚喷支护的力学效果主要是形成基于空间边界附近围岩的承载环.利用岩体评级(RMR)系统中的相关因素与岩体地质强度指标(GSI)所涉及要素之间的对应关系,建立了GSI各项要素指标及其总值确定的简明途径.利用岩体内摩擦角、黏聚力与霍克-布朗(Hoek-Brown,H-B)准则常数ms、s及a的等效换算关系,结合拉布西维兹剪切楔体滑移失稳模式,导出了基于H-B非线性屈服准则的承载环抗力及其稳定安全系数计算表达式.实例分析计算结果显示,基于H-B准则计算获得的承载环安全系数与实际情况更为接近,而基于Mohr-Coulomb(M-C)准则的安全系数则过于保守.承载环力学机制及其总体特征由岩体自身力学属性及锚喷拱架支护结构协同决定.锚杆长度控制承载环厚度,其与承载环抗力首先正相关,超过一定值后,转变为负相关.拱架的主要效能在于避免围岩早期出现过大变形松散,喷射混凝土是承载环紧固力(围压)的主要贡献者.岩体力学属性是承载环抗力大小的控制性要素. 展开更多
关键词 岩体力学 隧道工程 锚喷支护 霍克-布朗准则 承载环 安全系数
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深部复杂破碎软岩巷道围岩变形控制技术研究
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作者 石磊 王鹏 +1 位作者 姜丙孝 孙耀辉 《中国矿业》 北大核心 2025年第6期215-223,共9页
针对金能煤矿1201回风巷道存在的深部高应力软岩难支护问题,通过现场调研、理论分析、数值模拟及现场工业性试验,系统地分析了巷道围岩变形破坏机理,并提出了有效的支护方案。首先研究分析了巷道围岩变形破坏的主要机理,指出地质条件差... 针对金能煤矿1201回风巷道存在的深部高应力软岩难支护问题,通过现场调研、理论分析、数值模拟及现场工业性试验,系统地分析了巷道围岩变形破坏机理,并提出了有效的支护方案。首先研究分析了巷道围岩变形破坏的主要机理,指出地质条件差、围岩渗水、支护参数不合理是导致巷道变形失稳的主要因素。基于以上变形特征,提出了一种“锚杆(索)+金属管棚+注浆+钢筋网”联合支护方案。该方案通过长短锚索的有机结合,实现了深浅部围岩的有效支护,提高了围岩的整体稳定性。在理论分析方面,基于莫尔-库伦准则,对比了原始支护方案与优化支护方案的支护作用力和围岩强度变化,从理论上验证了优化支护方案的适用性。并数值模拟分析了优化支护方案在巷道顶板支护应力、两帮支护应力、支护水平位移、支护垂直位移等方面均显著优于矿井巷道原始支护方案,分别提高了约0.02 MPa、0.08 MPa、125 mm和137 mm。同时,为验证优化支护方案的实际效果,在现场进行工业性试验。试验结果表明,优化支护方案后巷道的顶底板和两帮围岩控制效果分别提高了约59.20%和62.42%,显著优于原始支护方案。综上所述,优化后的联合支护方案在深部复杂破碎软岩巷道围岩变形控制作用效果满足矿井需要,并为其他类似地质条件下的矿井巷道支护提供了重要参考。 展开更多
关键词 深部软岩 围岩控制 注浆锚固 联合支护 现场监测
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竖井井壁结构设计理论研究现状及发展趋势
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作者 陈弦 张基伟 +4 位作者 张佳鑫 吴卫东 潘锋 张叔胤 张忍杰 《金属矿山》 北大核心 2025年第5期32-50,共19页
随着我国深部矿产资源开发需求的不断增加,竖井井壁结构设计理论面临着严峻的挑战。尤其是在千米级深井建设中,传统设计理论的滞后性与复杂的地质条件之间的矛盾日益突出,亟需进行系统的理论研究与技术创新,以满足深部资源开发的实际需... 随着我国深部矿产资源开发需求的不断增加,竖井井壁结构设计理论面临着严峻的挑战。尤其是在千米级深井建设中,传统设计理论的滞后性与复杂的地质条件之间的矛盾日益突出,亟需进行系统的理论研究与技术创新,以满足深部资源开发的实际需求。系统梳理了单层、双层及复合井壁结构的发展历程,深入分析了其在不同地层环境下的力学响应特征。在此基础上,总结了传统井壁结构在深部高地应力、高渗透水压及高温耦合作用下的失效机制,并进一步揭示了井壁—围岩相互作用机理。通过构建多参数耦合的井壁厚度优化计算模型,定量评估了埋深、围岩强度等关键参数对承载力的影响,明确指出了传统设计在千米级深井中安全冗余不足的问题。基于上述研究,提出了多维参数耦合分析模型,将地质受力评估、结构体系优化与井壁设计理论有机结合,为适应深部复杂地质条件提供了新型结构优化方案。同时,通过对比分析了国内外竖井井壁设计规范中载荷结构法的理论体系及其工程适用性,系统探讨了各规范基于厚壁圆筒理论的差异化设计准则。总结了拉麦公式在浅层匀质岩体中具有普适性,但在深部复杂地质条件下存在显著局限;多姆克公式虽然改进了冻结壁厚度计算方法,但是其结果与实际工程需求存在深度悖反现象;包神公式引入流固耦合作用机制,实现了技术突破;锚注结构衬砌支护公式通过预锚注技术实现围岩—支护协同承载,为千米级深竖井设计提供了创新路径和理论框架。研究表明:(1)相较于传统圆形断面,椭圆形竖井在深部建井工程中展现出显著的稳定性优势,其特有的应力重分布特性可有效降低岩爆等动力灾害发生概率。(2)现有井壁稳定性理论体系在千米级以浅竖井工程中已初步验证有效,但在千米级以深竖井应用中尚未系统涵盖高地应力与温度应力的多场耦合效应,在结构参数动态优化、非均匀地质适配及深部多场耦合效应解析精度等方面存在亟待突破的技术瓶颈。(3)现行井壁设计规范提高了竖井井壁的安全性能,可为高水压环境下的支护设计与施工提供指导。(4)通过构建考虑围岩—支护动态响应的预锚注初期支护力学模型,建立了基于三维数值仿真的锚注结构衬砌支护理论体系,为深部复杂地层支护设计提供了理论基础。在上述分析的基础上,剖析了深竖井工程在超2000 m深度面临以下挑战:传统理论难以解析高水压、高地温和复杂应力的耦合效应;二维模型在三维应力场中的精度不足;化学腐蚀导致的材料劣化缺乏完善的评价体系。“十五五”乃至更长一段时间内,竖井井壁结构设计的研究应聚焦于以下方面:研发自适应应力调控与纳米复合增强材料;构建数字孪生平台,实现全生命周期管控;推动低碳化转型,推广3D打印再生混凝土技术;突破深部恶劣环境下的长效服役技术,开发多层梯度复合材料井壁,并优化椭圆形井壁的应力调控机制,提升极端条件下井壁的耐久性和可靠性。上述分析对于破解深部竖井工程中高地应力、高温、高水压多场耦合作用下的井壁失效难题具有参考意义。通过建立多维参数耦合分析模型及新型复合井壁技术体系,为千米级深井井壁结构设计提供了理论基础。 展开更多
关键词 井壁结构 围岩荷载 水平地压理论 井壁与围岩相互作用 井壁厚度设计规范 椭圆形井壁
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利用HHO-LSTM-SVR模型预测TBM掘进参数
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作者 满轲 曹子祥 +2 位作者 刘晓丽 宋志飞 刘汭琳 《铁道标准设计》 北大核心 2025年第8期123-132,共10页
针对单一模型对TBM掘进参数预测准确度低、泛化性低等问题,利用改进最小二乘法集成哈里斯鹰优化(HHO)算法优化的长短期记忆(LSTM)网络和支持向量机回归(SVR)算法,构建一种实现TBM掘进参数高精度智能预测的混合模型(HHO-LSTM-SVR模型)。... 针对单一模型对TBM掘进参数预测准确度低、泛化性低等问题,利用改进最小二乘法集成哈里斯鹰优化(HHO)算法优化的长短期记忆(LSTM)网络和支持向量机回归(SVR)算法,构建一种实现TBM掘进参数高精度智能预测的混合模型(HHO-LSTM-SVR模型)。利用HHO-LSTM-SVR模型进行不同隧道围岩等级TBM掘进参数预测,并选择哈里斯鹰优化算法优化的GRU模型和BP模型与HHO-LSTM-SVR模型进行预测误差对比分析,最后采用灰色关联度分析方法计算预测模型输入变量对输出变量的重要性。结果表明:隧道围岩等级越高,掘进参数的预测精度越高,Ⅱ级围岩各掘进参数平均相对误差绝对值为0.01,而Ⅳ级围岩为0.05;推力、转速和扭矩的预测精度相对较高,施工速度的预测精度最低;HHO-LSTM-SVR模型预测结果平均相对误差绝对值比各单一模型小57.68%,各单一模型预测性能相较于HHO-LSTM-SVR模型更低;TBM掘进不同等级的隧道围岩时岩机相互作用规律存在较大差异;利用改进最小二乘法集成组合2个单一模型可以有效提高模型预测准确度、泛化性和鲁棒性。 展开更多
关键词 TBM 掘进参数 隧道围岩等级 岩机相互作用规律 HHO-LSTM-SVR模型
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基于混合数据聚类分析的回采巷道动态分类与控制技术
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作者 马军杰 范钢伟 +2 位作者 王文兴 王旭阳 王彦林 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第8期3172-3180,共9页
针对灵台矿区回采巷道支护设计存在的参数同质化、合理性不足等问题,对回采巷道进行分类研究,进而提出差异化支护对策具有重要意义。首先,在系统分析灵台矿区回采巷道围岩地质条件与支护系统匹配关系的基础上,确定6个分类指标。其次,提... 针对灵台矿区回采巷道支护设计存在的参数同质化、合理性不足等问题,对回采巷道进行分类研究,进而提出差异化支护对策具有重要意义。首先,在系统分析灵台矿区回采巷道围岩地质条件与支护系统匹配关系的基础上,确定6个分类指标。其次,提出基于混合数据聚类的回采巷道分类方法,挖掘数值型指标和分类型指标的信息特征,并引入惩罚竞争机制,实现巷道分类过程中动态优化聚类数。接着,应用所提方法将37段灵台矿区回采巷道分为四类,验证方法可行性。最后,在邵寨煤业2502运输巷D段开展现场试验。结果表明:试验段巷道顶底板最大移近量为109 mm,两帮最大移近量为113 mm,围岩破坏范围小,回采巷道动态分类与差异化支护方法能够实现巷道围岩的稳定控制。 展开更多
关键词 回采巷道分类 巷道围岩控制 聚类分析 差异化支护
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基于不稳定岩层厚度的上覆斜交煤柱巷道分区支护设计方法
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作者 曹海岗 陈聪 +2 位作者 李利峰 李起航 李伟 《煤炭工程》 北大核心 2025年第5期45-55,共11页
针对基于不稳定岩层厚度的上覆斜交煤柱巷道分区支护设计方法问题,以郭家湾煤矿一盘区5^(-2)煤层工作面作为工程背景,通过运用理论分析、数值模拟以及现场工程实践等方法,对遗留斜交煤柱下巷道围岩力学结构、巷道稳定性进行了研究,确定... 针对基于不稳定岩层厚度的上覆斜交煤柱巷道分区支护设计方法问题,以郭家湾煤矿一盘区5^(-2)煤层工作面作为工程背景,通过运用理论分析、数值模拟以及现场工程实践等方法,对遗留斜交煤柱下巷道围岩力学结构、巷道稳定性进行了研究,确定了基于完整岩层厚度下的支护分区设计原理与支护参数优选原则。并通过现场工程实践确定了巷道分区支护方案,对支护方案进行了模拟验证。研究结果表明:在上煤层工作面采高、应力集中系数等条件进行变化时,不稳定岩层厚度也会随之变化,呈正相关关系,其中应力集中系数对其影响较大;随着层间距减小以及靠近煤柱中心线,应力集中系数会不断增大,而棚距与顶锚杆有效长度会随之减小,这时支护方案会依次采用锚杆索、全锚索、架棚支护;数值模拟验证切实可行,现场验证控制效果良好。 展开更多
关键词 遗留煤柱 围岩控制 分区支护 不稳定岩层 数值模拟
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