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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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Numerical analysis of deformation and failure characteristics of deep roadway surrounding rock under static-dynamic coupling stress 被引量:28
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作者 WU Xing-yu JIANG Li-shuai +3 位作者 XU Xing-gang GUO Tao ZHANG Pei-peng HUANG Wan-peng 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第2期543-555,共13页
In actual production,deep coal mine roadways are often under typical static-dynamic coupling stress(SDCS)conditions with high ground stress and strong dynamic disturbances.With the increasing number of disasters and a... In actual production,deep coal mine roadways are often under typical static-dynamic coupling stress(SDCS)conditions with high ground stress and strong dynamic disturbances.With the increasing number of disasters and accidents induced by SDCS conditions,the safe and efficient production of coal mines is seriously threatened.Therefore,it is of great practical significance to study the deformation and failure characteristics of the roadway surrounding rock under SDCS.In this paper,the effects of different in-situ stress fields and dynamic load conditions on the surrounding rock are studied by numerical simulations,and the deformation and failure characteristics are obtained.According to the simulation results,the horizontal stress,vertical stress and dynamic disturbance have a positive correlation with the plastic failure of the surrounding rock.Among these factors,the influence of the dynamic disturbance is the most substantial.Under the same stress conditions,the extents of deformation and plastic failure of the roof and ribs are always greater than those of the floor.The effect of horizontal stresses on the roadway deformation is more notable than that of vertical stresses.The results indicate that for the roadway under high-stress conditions,the in-situ stress test must be strengthened first.After determining the magnitude of the in-situ stress,the location of the roadway should be reasonably arranged in the design to optimize the mining sequence.For roadways that are strongly disturbed by dynamic loads,rock supports(rebar/cable bolts,steel set etc.)that are capable of maintaining their effectiveness without failure after certain dynamic loads are required.The results of this study contribute to understanding the characteristics of the roadway deformation and failure under SDCS,and can be used to provide a basis for the support design and optimization under similar geological and geotechnical circumstances. 展开更多
关键词 static-dynamic coupling stress(SDCS) deep roadway surrounding rock stability numerical simulation roadway deformation plastic failure of surrounding rock
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Stress evolution of deep surrounding rock under characteristics of bi-modulus and strength drop 被引量:6
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作者 CHEN Shao-jie ZHAO Zeng-hui +1 位作者 FENG Fan ZHANG Ming-zhong 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第2期680-692,共13页
Aiming at the circular chamber under uniform stress field in deep energy storage and mining,analytical solutions of stress and plastic zone of the surrounding rock under different far-field stress and internal pressur... Aiming at the circular chamber under uniform stress field in deep energy storage and mining,analytical solutions of stress and plastic zone of the surrounding rock under different far-field stress and internal pressure were derived based on bi-modulus theory and the elastic-brittle-ideal plastic constitutive model.Evolution trend of the elasticplastic stress and plastic region with different elastic constant ratios and residual strength coefficients were analyzed in details.Results revealed that when the internal pressure was small,the three-direction principal stress was compressive stress and the stress field distribution of the surrounding rock was not affected by the moduli difference.The obtained solution was consistent with the solution from the elastic-brittle plastic drop model under the equal modulus theory.On the other hand,when the internal pressure was large,the tangential stress was changed.The surrounding rock can be divided into three zones,i.e.,tensile plastic zone(TPZ),tensile elastic zone(TEZ)and compressive elastic zone(CEZ).The tensile and compressive dual modulus had significant influence on the demarcation point between TEZ and CEZ.In addition,the strength drop and the dual modulus characteristic had a coupling effect on the stress distribution in the surrounding rock.The related achievements further enrich the theory of deep rock mechanics. 展开更多
关键词 deep surrounding rock bi-modulus strength drop stress evolution
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Assessing the range of blasting-induced cracks in the surrounding rock of deeply buried tunnels based on the unified strength theory
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作者 LI Liang CHEN Jia-jun +3 位作者 ZHAO Lian-heng HE Ke-pei HU Shi-hong LI Hua-long 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第7期2341-2364,共24页
Blasting-induced cracks in the rock surrounding deeply buried tunnels can result in water gushing and rock mass collapse,posing significant safety risks.However,previous theoretical studies on the range of blasting-in... Blasting-induced cracks in the rock surrounding deeply buried tunnels can result in water gushing and rock mass collapse,posing significant safety risks.However,previous theoretical studies on the range of blasting-induced cracks often ignore the impact of the in-situ stress,especially that of the intermediate principal stress.The particle displacement−crack radius relationship was established in this paper by utilizing the blasthole cavity expansion equation,and theoretical analytical formulas of the stress−displacement relationship and the crack radius were derived with unified strength theory to accurately assess the range of cracks in deep surrounding rock under a blasting load.Parameter analysis showed that the crushing zone size was positively correlated with in-situ stress,intermediate principal stress,and detonation pressure,whereas negatively correlated with Poisson ratio and decoupling coefficient.The dilatancy angle-crushing zone size relationship exhibited nonmonotonic behavior.The relationships in the crushing zone and the fracture zone exhibited opposite trends under the influence of only in-situ stress or intermediate principal stress.As the in-situ stress increased from 0 to 70 MPa,the rate of change in the crack range and the attenuation rate of the peak vibration velocity gradually slowed. 展开更多
关键词 deep drilling and blasting cracks in surrounding rock unified strength theory intermediate principle stress in-situ stress cavity expansion dilatancy characteristics
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Influence of underground water seepage flow on surrounding rock deformation of multi-arch tunnel 被引量:11
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作者 李夕兵 张伟 +1 位作者 李地元 王其胜 《Journal of Central South University of Technology》 EI 2008年第1期69-74,共6页
Based on a typical multi-arch tunnel in a freeway, the fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensions(FLAC3D) was used to calculate the surrounding rock deformation of the tunnel under which the effect of underg... Based on a typical multi-arch tunnel in a freeway, the fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensions(FLAC3D) was used to calculate the surrounding rock deformation of the tunnel under which the effect of underground water seepage flow was taken into account or not. The distribution of displacement field around the multi-arch tunnel, which is influenced by the seepage field, was gained. The result indicates that the settlement values of the vault derived from coupling analysis are bigger when considering the seepage flow effect than that not considering. Through the contrast of arch subsidence quantities calculated by two kinds of computation situations, and the comparison between the calculated and measured value of tunnel vault settlement, it is found that the calculated value(5.7-6.0 mm) derived from considering the seepage effect is more close to the measured value(5.8-6.8 mm). Therefore, it is quite necessary to consider the seepage flow effect of the underground water in aquiferous stratum for multi-arch tunnel design. 展开更多
关键词 multi-arch tunnel underground water seepage flow coupling flow and stress surrounding rock deformation vault settlement
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Non-complete relief method for measuring surface stresses in surrounding rocks 被引量:4
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作者 张凤鹏 邱兆国 冯夏庭 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS 2014年第9期3665-3673,共9页
The measurement of surface stresses in surrounding rocks with the use of a relief method of annular hole-drilling was studied by numerical analysis. The stress relief process by hole-drilling was then simulated with t... The measurement of surface stresses in surrounding rocks with the use of a relief method of annular hole-drilling was studied by numerical analysis. The stress relief process by hole-drilling was then simulated with the use of finite element method. The influences of the borehole diameter(d), the initial stresses and the ratio of the initial principle stresses on the variations of the remained stress and the released stress in function of the relief depth(h) were discussed. The relation between the non-dimensional ratio of the released principle strains and that of the initial principle stresses, and the effect of the elastic modulus and the Poisson ratio of the rock mass on the stress relief curves were studied. The results show that the stress relief behavior formulated with the non-dimensional ratio of the released stress and the ratio of h/d is only sensitive to the ratio of the initial principle stresses and the Poisson ratio. The stresses are completely released when h equals 1.6d, and the tensile stresses take place on the bore core surface in the relief measurement process. Finally, a non-complete relief method of annular hole-drilling for measuring surface stress in surrounding rocks is proposed and the procedure is presented. 展开更多
关键词 non-complete relief method surface stress in surrounding rock stress relief rate ratio of initial principal stresses ratioof released principal strains
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上软下硬地层大跨暗挖地铁车站拱盖法施工力学效应研究 被引量:2
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作者 麻凤海 张雨 《辽宁工程技术大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第1期52-61,共10页
为研究上软下硬地层大跨暗挖地铁车站拱盖法施工的力学效应,以大连地铁4号线东南山站为研究背景,采用数值模拟和现场监测相结合的方法,运用MIDAS-GTS/NX有限元软件,研究地铁车站拱盖法施工全程的围岩变形及稳定性并与现场实测数据对比... 为研究上软下硬地层大跨暗挖地铁车站拱盖法施工的力学效应,以大连地铁4号线东南山站为研究背景,采用数值模拟和现场监测相结合的方法,运用MIDAS-GTS/NX有限元软件,研究地铁车站拱盖法施工全程的围岩变形及稳定性并与现场实测数据对比分析。研究结果表明:地表沉降由车站中线向两侧逐渐递减,影响区域约为车站开挖跨度的2倍;围岩变形和应力具有明显对称性,拱部围岩以沉降为主,高边墙以隆起为主,拱部跨中向隧道净空入侵,大拱脚向围岩入侵;围岩最大主应力均为压应力,拱脚尖角部位存在应力集中现象;围岩塑性区作用位置随车站施工不断变化,最终集中作用于高边墙位置处;通过Peck公式预测地表沉降,验证在上软下硬地层中采用拱盖法施工的可行性,为实际工程施工提供参考。 展开更多
关键词 暗挖地铁车站 拱盖法施工 围岩变形 Peck沉降预测 围岩塑性区 围岩最大主应力
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考虑轴向应力作用的巷道偏应力分布与破坏特征关系 被引量:1
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作者 刘洪涛 韩子俊 +5 位作者 陈子晗 郭林峰 梁嘉璐 韩洲 刘勤裕 姬越 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期824-844,共21页
通过理论分析建立了考虑巷道轴向应力影响的全平面应变问题三维模型,推导了三维应力场下巷道围岩第二不变偏应力J_(2)隐式解析解,分析了巷道围岩在弹性状态和塑性状态时不同水平侧压和轴向侧压应力环境下的J_(2)分布大小及形态演化规律... 通过理论分析建立了考虑巷道轴向应力影响的全平面应变问题三维模型,推导了三维应力场下巷道围岩第二不变偏应力J_(2)隐式解析解,分析了巷道围岩在弹性状态和塑性状态时不同水平侧压和轴向侧压应力环境下的J_(2)分布大小及形态演化规律。基于Kastner求解法得出了三维应力场下的巷道围岩塑性区边界隐式解,并运用数学与数值分析方法研究了不同应力条件下巷道围岩塑性区分布特征。建立了第二不变偏应力J_(2)与围岩塑性区形态的相互对应关系,揭示了巷道围岩的变形破坏机制。以寸草塔二矿31205工作面回风巷为工程背景,对叠加采动作用下的巷道围岩J_(2)及塑性区分布特征展开研究,量化了非对称变形破坏特征,寻求了支护阻力与J_(2)的相互作用关系,提出了叠加采动巷道的稳定性控制技术。研究结果表明:固定轴向侧压值变化水平侧压值的情况下,J_(2)和塑性区形态分布特征呈现“圆形−类椭圆形−类蝶形”的演化过程。固定水平侧压值变化轴向侧压值的情况下,J_(2)和塑性区形态保持不变。轴向应力的改变对塑性区形态的影响较小,但会对塑性区尺寸产生较大影响。巷道围岩J_(2)的集中程度越大,围岩的变形破坏程度越大,J_(2)的分布形态一定程度上决定了塑性区的破坏形态。31205回风巷在叠加采动影响下处于高偏应力J_(2)环境,且形成了向采空区一侧旋转的应力分布特征,致使巷道形成非对称大变形破坏。支护阻力的提高对巷道围岩的偏应力J_(2)的降低作用有限,仅依靠锚杆(索)无法完全对巷道围岩进行稳定控制。基于上述研究,提出了超前强力支架+锚杆(索)支护系统的组合控制技术,现场应用效果良好。 展开更多
关键词 巷道围岩控制 偏应力第二不变量J_(2) 塑性区形态 围岩破坏机制 重复采动
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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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渤海海峡跨海通道工程南段地应力特征与工程稳定性分析
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作者 乔二伟 马秀敏 +2 位作者 郭华林 孙尧 姜景捷 《地质力学学报》 北大核心 2025年第2期197-210,共14页
渤海海峡跨海通道工程是连接山东半岛与辽东半岛重要的海上交通主线工程,沿线地应力状态是工程设计和施工决策的重要参考依据。为了准确获得工程南段地区现今地应力特征及构造应力场分布特征,在烟台市蓬莱区西南北沟镇实施了300m以浅的... 渤海海峡跨海通道工程是连接山东半岛与辽东半岛重要的海上交通主线工程,沿线地应力状态是工程设计和施工决策的重要参考依据。为了准确获得工程南段地区现今地应力特征及构造应力场分布特征,在烟台市蓬莱区西南北沟镇实施了300m以浅的水压致裂法地应力测量。结果表明:测区主导应力为水平构造应力,与东北—华北应力区其他地区相比,应力值处于中等;随测量深度增加,最大水平主应力(S_(H))、最小水平主应力(S_(h))和垂向主应力(S_(v))均呈线性增大趋势;在测量深度范围内地壳浅表层应力结构以逆断型为主,即S_(H)>S_(h)>S_(v);实测S_(H)平均方位角为N75.3°E,与华北应力区的应力场方向一致,也与其震源机制解和GPS测量揭示的区域构造应力场方向基本一致。应用库仑摩擦滑动准则和此次测量数据,初步评估了渤海海峡跨海通道工程南段地区现今地应力积累水平及其对工程稳定性的影响,认为σ_(θ_(max))区域内应力积累总体水平相对较低,工程区域地壳相对稳定。依据岩爆危险程度综合判别准则/R_(c)讨论了通道区域地下隧道工程围岩岩爆的可能性,认为该工程地下隧道发生岩爆可能性很低,隧道围岩总体稳定。研究结果为渤海海峡跨海通道工程的设计、施工等方案的优选提供了科学依据,同时也可为区域活动断裂、地震地质、区域动力学等研究提供基础数据。 展开更多
关键词 渤海海峡 跨海通道工程 水压致裂法 地应力 围岩稳定性 构造应力场
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煤基固废泡沫充填材料性能及空巷群围岩控制
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作者 孙强 赵瑞 +2 位作者 周楠 高嘉良 袁辉 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第6期327-342,共16页
工作面过空巷是煤矿井下生产过程中普遍面临的工程问题,空巷地质条件赋存复杂且密集时,易导致围岩失稳、支架空顶作业、支架漏底等问题,影响工作面安全高效生产。以鲍店煤矿5316综放工作面过空巷群为研究背景,采用理论分析、实验室测试... 工作面过空巷是煤矿井下生产过程中普遍面临的工程问题,空巷地质条件赋存复杂且密集时,易导致围岩失稳、支架空顶作业、支架漏底等问题,影响工作面安全高效生产。以鲍店煤矿5316综放工作面过空巷群为研究背景,采用理论分析、实验室测试、物理相似模拟及现场实测等方法,研究了水泥泡沫材料、粉煤灰泡沫材料及矸石泡沫材料性能及优势配比,工作面过空巷群围岩变形规律及控制效果。结果表明:发泡剂稀释倍数20倍、水灰质量比0.5、稳泡剂掺量为1%、发泡剂掺量1.0%、石膏掺量7%时,水泥泡沫充填材料28 d试样强度可达1.72 MPa;矸石粒径0~0.3 mm、掺量30%时,矸石泡沫充填材料28 d试样强度可达1.53 MPa;粉煤灰掺量30%时,粉煤灰泡沫充填材料28 d试样强度可达1.13 MPa。提出了以煤基固废泡沫材料充填、补强锚索与U型钢梁加强支护为主的空巷群围岩控制技术方法,并给出了煤基固废泡沫材料空巷充填技术原理及加强支护主要参数设计,通过物理相似模拟试验研究了不同层位空巷群围岩应力峰值变化范围为16.9~26.5 MPa,应力集中系数变化范围为1.61~2.53,同层空巷顶板最大下沉值介于300~400 mm,下伏空巷顶板最大下沉值介于200~300 mm,且空巷交叉处易产生应力集中,变形量较大。工作面开采期间空巷群围岩表面位移、煤岩体(充填体)应力、顶板离层及锚杆(索)载荷、支架工作阻力等现场监测数据显示,整体空巷围岩变形量控制效果较好,实现了工作面安全高效生产。 展开更多
关键词 空巷 泡沫充填材料 物理模拟 围岩变形 应力分布
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深埋隧洞中黏结型锚固系统的黏结性能研究
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作者 夏洪春 严滑钧 +3 位作者 朱训国 张传庆 郭利军 薛子钎 《辽宁工程技术大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第2期175-185,共11页
为研究深埋隧洞中黏结型锚固系统的黏结性能,保证深部隧道开挖安全,以锦屏二级水电站2#引水深埋隧洞的高应力条件为研究背景,采用数值模拟、试验和监测相结合的方法,研究隧洞开挖与锚杆拉拔过程中的黏结性能。研究结果表明:开挖后围岩... 为研究深埋隧洞中黏结型锚固系统的黏结性能,保证深部隧道开挖安全,以锦屏二级水电站2#引水深埋隧洞的高应力条件为研究背景,采用数值模拟、试验和监测相结合的方法,研究隧洞开挖与锚杆拉拔过程中的黏结性能。研究结果表明:开挖后围岩应力会发生重分布,围压总体上随开挖深度的增大而增大,围岩应力呈不均匀性,出现局部失稳现象;当围岩的强度增大时,黏结型锚杆的剪应力峰值随之增大,达到峰值后,剪应力的衰减幅度变大;锚杆的受力过程可分为弹性、塑性软化和完全滑移3个阶段,最终完全失效;当锚杆体-注浆体直径差为6~9 mm时,黏结性能最优。研究结果可为黏结型锚杆在深埋隧洞等地下工程中的应用提供参考。 展开更多
关键词 锚固系统 围岩 剪切应力 直径差 黏结性能 深埋隧洞
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上覆采空区隧道注浆加固参数设计与应用
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作者 包龙生 刘德罡 +1 位作者 齐阳 吴凤元 《辽宁工程技术大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第4期385-394,共10页
针对隧道上覆采空区岩体引发冒顶、坍塌等工程安全问题,以本桓高速长梁子隧道上覆采空区为工程背景,通过数值模拟方法分析不同注浆加固范围和厚度对隧道围岩的影响。研究结果表明:上覆采空区改变了隧道围岩应力分布。与无采空区工况相比... 针对隧道上覆采空区岩体引发冒顶、坍塌等工程安全问题,以本桓高速长梁子隧道上覆采空区为工程背景,通过数值模拟方法分析不同注浆加固范围和厚度对隧道围岩的影响。研究结果表明:上覆采空区改变了隧道围岩应力分布。与无采空区工况相比,拱底隆起位移增加12.6%,拱脚收敛位移增加14.3%,拱顶沉降位移虽减少13.4%,但塑性区发展贯通的可能性增大。采用注浆加固可有效减小围岩变形。注浆范围为150°、注浆厚度为2 m时,加固效果最佳。加固后,拱底隆起、拱脚收敛和拱顶沉降位移分别下降33.2%、35.7%和36.1%,拱顶处主应力下降44.9%,塑性区范围显著缩小。研究结论为上覆采空区隧道的设计与施工提供依据。 展开更多
关键词 上覆采空区 隧道围岩 注浆加固 超前管棚 围岩变形 围岩应力
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极高地应力条件下光面爆破围岩损伤规律研究
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作者 黄永辉 占宇飞 +2 位作者 张洪波 李清林 阮迅 《振动与冲击》 北大核心 2025年第6期104-112,共9页
针对深埋隧道开挖过程中存在极高地应力的情况,为研究地应力对光面爆破围岩损伤产生的影响,采用基于ANSYS/LS-DYNA软件的数值模拟方法,通过结构化网格-有限元-粒子流耦合算法(structured mesh-finite element-particle flow coupling al... 针对深埋隧道开挖过程中存在极高地应力的情况,为研究地应力对光面爆破围岩损伤产生的影响,采用基于ANSYS/LS-DYNA软件的数值模拟方法,通过结构化网格-有限元-粒子流耦合算法(structured mesh-finite element-particle flow coupling algorithm,S-FEM-SPH)进行三维模拟。研究在双向等值地应力0~40 MPa条件下的光面爆破围岩损伤规律,研究结果表明:边帮和顶板处的围岩损伤度根据爆心距的变化分为水平直线阶段和反“S”型曲线下降阶段;在反“S”型曲线下降阶段,距离爆心距中间位置的围岩,损伤度随爆心距的下降速率大;地应力对边帮和顶板处的围岩损伤均有影响,但对边帮处围岩损伤的影响大于顶板处,当地应力大于20 MPa时影响更加明显;通过对比边帮和顶板处有效塑性应变和围岩损伤深度随地应力的变化规律,从而验证了围岩损伤深度随地应力增加呈现先减小后增大变化规律的正确性。 展开更多
关键词 数值模拟 光面爆破 极高地应力 围岩损伤 S-FEM-SPH算法
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考虑冻胀率梯度的季冻区非等压隧道不均匀冻胀解析
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作者 李亮 陈嘉骏 赵炼恒 《铁道科学与工程学报》 北大核心 2025年第1期320-331,共12页
季冻区隧道在非等压应力作用下,由于冷空气的严重影响从而极易引发隧道冻害,为此进行的抗冻设计关键在于隧道运行中的冻胀力和应力分布评估。现有试验表明,寒区隧道存在明显的径向温度场所形成的围岩体积冻胀率梯度。本文考虑围岩冻融... 季冻区隧道在非等压应力作用下,由于冷空气的严重影响从而极易引发隧道冻害,为此进行的抗冻设计关键在于隧道运行中的冻胀力和应力分布评估。现有试验表明,寒区隧道存在明显的径向温度场所形成的围岩体积冻胀率梯度。本文考虑围岩冻融循环劣化引起的弹性模量和冻胀率的改变,依据围岩的不均匀冻胀特性,引入隧道温度场所形成的冻胀率径向梯度。采用复变函数映射双向非等压应力边界条件,进而提出一种季冻区非等压隧道的双重不均匀冻胀解析方法。将本文模型暂时退化后,得到了工程实例和现有理论的有效验证。参数分析表明:引入冻胀率梯度使得季冻区隧道的应力明显减小,且非等压应力作用下隧道在不同方位角的应力变化速率存在差异。随围岩不均匀冻胀特性的增强,引入冻胀率梯度所导致的隧道应力降低逐渐显著。随侧压力的增大,隧道的径向应力和环向应力提高,而隧道应力的峰值和变化速率在不同方位角的差异逐渐减小,且对隧道冻胀力的影响较小。冻融循环下,隧道在不同方位角的应力分布差异和应力变化速率大致相同,但引起的围岩劣化会导致隧道应力的增大,且隧道应力的增长幅度随冻融循环次数的增加而明显。研究成果可为季冻区非等压隧道的应力评估和抗冻设计提供理论指导。 展开更多
关键词 冻胀率梯度 围岩不均匀冻胀 冻融循环 非等压应力 季冻区隧道
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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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超大断面巷道支护关键技术及采动应力演化规律
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作者 程利兴 王锐 +4 位作者 张镇 李增林 任建超 汪占领 贾金河 《煤炭学报》 北大核心 2025年第4期1979-1992,共14页
针对超大断面巷道围岩变形控制难题,以曹家滩煤矿超大采高工作面回采巷道为研究背景,研究了曹家滩煤矿顶板岩层分布规律,分析了“高+低层位厚硬顶板”结构特征,明确了动压巷道围岩变形呈现非对称性、分区性、持续性的特征及其形成机理... 针对超大断面巷道围岩变形控制难题,以曹家滩煤矿超大采高工作面回采巷道为研究背景,研究了曹家滩煤矿顶板岩层分布规律,分析了“高+低层位厚硬顶板”结构特征,明确了动压巷道围岩变形呈现非对称性、分区性、持续性的特征及其形成机理。采用数值计算分析了巷道断面尺寸对围岩稳定性的影响及支护预应力场分布特征,确定了合理的锚杆支护参数,提出了高预应力锚杆支护提高近场围岩稳定性、顶板水力压裂降低远场矿压动载的协同控制技术,分析了不同煤柱宽度下围岩应力及塑性破坏分布规律,确定了超大采高工作面合理护巷煤柱宽度为25 m,制定了超大断面巷道锚杆支护及水力压裂卸压技术方案。采用自主研发的超大断面巷道矿压监测预警系统平台,揭示了超大采高工作面动压巷道采动应力演化规律,获取了压裂区顶板微震能量演化规律及空间分布特征。结果表明:超大断面巷道掘进期间巷道未发生明显变形,锚杆受力很快趋于稳定。工作面回采阶段超前影响范围135.7 m,辅助运输巷滞后工作面229.6 m矿压基本趋于稳定,工作面超前支承压力峰值位于25.3~31.7 m内,锚杆受力及煤柱应力剧烈变化周期短,且很快趋于稳定,锚杆最大受力142 kN,锚索最大受力178 kN,煤柱最大应力增量8.6 MPa。相对于普通综放工作面,留巷巷道矿压影响周期明显减小,顶板水力压裂显著弱化了坚硬厚顶板,有效减小了煤柱侧向支承压力的持续作用。煤柱侧向顶板微震能量在超前工作面170 m至滞后工作面220 m显著增大,在滞后工作面20~60 m顶板活动最为强烈,随后迅速减小,表明顶板高低层位岩层及时有序垮落,微震能量与采动应力演化规律具有较好的一致性,揭示了顶板高低位岩层运移状态与矿压形成机理。超大断面巷道围岩全周期内均未出现明显变形,表明超大断面巷道采用高预应力锚杆支护与顶板压裂卸压协同控制技术,达到了较好的围岩变形控制效果。 展开更多
关键词 超大断面巷道 锚杆支护 采动应力 围岩控制 水力压裂卸压 微震能量
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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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煤矿巷道顶板锚杆受力分析与支护机理
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作者 郭亮 王俊红 +3 位作者 李永亮 李然 李文凯 袁江震 《中国煤炭》 北大核心 2025年第6期57-70,共14页
为获得煤矿巷道顶板锚杆的真实受力特征,采用数值模拟研究了巷道顶板锚杆在埋深、侧压力系数和预紧力等因素影响下的区域受力规律,进一步阐述了顶板锚杆的区域锚固机理。研究结果发现,锚杆在巷道顶板中受到轴力和剪切力的共同作用,且在... 为获得煤矿巷道顶板锚杆的真实受力特征,采用数值模拟研究了巷道顶板锚杆在埋深、侧压力系数和预紧力等因素影响下的区域受力规律,进一步阐述了顶板锚杆的区域锚固机理。研究结果发现,锚杆在巷道顶板中受到轴力和剪切力的共同作用,且在巷道顶板不同位置呈现出不同的受力特征;顶板中部锚杆以受拉应力为主,靠近肩部锚杆受到的剪切力更为显著;随着埋深的增加,锚杆受力逐渐增大;随着侧压力系数的增加,锚杆所受的轴力和剪切力峰值均呈现先增加后减小的规律,在顶板中部和肩部的变化显著;预紧力的施加对顶板变形起着有效的控制作用,随着预紧力的增加,顶板变形减小,不同位置处的锚杆受力趋于均匀。 展开更多
关键词 顶板锚杆 受力特征 分区锚固 围岩控制 数值模拟
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双翼采动下准备巷道围岩控制技术
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作者 王坤 孟祥瑞 +3 位作者 赵光明 程详 戚敏杰 朱世奎 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第6期396-406,共11页
针对双翼采区准备巷道受采动叠加支承应力影响,准备巷道出现围岩失稳及变形破坏严重的问题,开展双翼采区准备巷道围岩应力调控技术研究。以许疃煤矿83下采区为工程背景,利用理论分析,数值模拟,现场监测的综合研究方法,分析准备巷道围岩... 针对双翼采区准备巷道受采动叠加支承应力影响,准备巷道出现围岩失稳及变形破坏严重的问题,开展双翼采区准备巷道围岩应力调控技术研究。以许疃煤矿83下采区为工程背景,利用理论分析,数值模拟,现场监测的综合研究方法,分析准备巷道围岩应力演化规律及切顶卸压机理,进行终采线深孔预裂爆破切顶卸压工业性试验,以期达到改善准备巷道围岩应力环境的目的。结果表明:双翼工作面回采完毕后,工作面前方聚集的超前支承应力和采空区上覆岩层“长悬臂梁”结构产生的弯矩,致使准备巷道出现变形失稳的现象。通过FLAC3D数值模拟和分布式光纤监测结果判断,7_(2)316工作面超前支承应力影响范围超过130.14 m,采动超前支承应力影响至准备巷道,准备巷道顶板垂直应力较回采前增加10.48%,深孔预裂爆破切顶卸压后,准备巷道顶板垂直应力减少27.68%。现场进行终采线切顶卸压工业性试验后,准备巷道两帮最大变形量62.5 mm,最大变形率0.2 mm/d,顶底板最大变形量105 mm,最大变形率0.4 mm/d,围岩变形均在可控范围之内,准备巷道整体状况良好。终采线深孔预裂爆破切顶卸压技术,阻断工作面超前支承应力传递至准备巷道的物理路径,减小“弯矩”产生的集中应力,降低采动应力场的主导作用,有效改善准备巷道围岩应力环境,实现远场卸压护巷。研究结果对双翼采区准备巷道围岩稳定控制提供新思路,保障矿井安全高效生产,为相关工况下采区集中应力调控及巷道围岩稳定提供理论依据。 展开更多
关键词 围岩应力调控 深孔预裂爆破 分布式光纤 现场监测 双翼采区
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