新景矿大断面岩巷综掘技术研究与应用

为提高掘进速度,保证巷道稳定,在新景矿15号煤采区集中辅助运输巷开展了大断面岩巷综合机械化掘进技术的研究。在分析当前施工工艺以及支护中存在问题的基础上,提出了以EBZ320D掘进机和CMM2-25型锚杆钻机为主要设备的综合机械化岩巷掘进作业线。理论分析了锚杆索围岩强度强化理论,结合现场实际情况,设计了以不同长度锚索为主的支护方式。现场应用表明,应用新的综合机械化掘进技术后,巷道变形量小,掘进速度快,施工成本低,经济社会效益显著,应用效果良好。

乌兰木伦煤矿大断面硐室围岩变形破坏规律及控制

针对煤矿井下巷道大断面硐室的围岩变形破坏问题,以乌兰木伦煤矿井下分选及充填大断面硐室为研究对象,采用相似模拟实验方法,进行单调递增加载和恒定荷载加载单轴压缩实验,对大断面硐室围岩变形破坏规律进行了研究。结果表明:①2种加载方式在压密阶段、弹性变形阶段及微破裂稳定发展阶段破坏演化和变形位移趋势相似。②采用单调递增加载方式的试样裂纹较少但裂纹缝隙较大,试样沿着主裂纹突然发生破断,期间有大量碎屑飞出,试样变形位置主要集中在围岩边界,破坏时释放能量较多,但峰后释放能量持续时间较短。③采用恒定荷载加载方式的试样应力保持不变,应变缓慢增加,期间产生大量微小裂纹,试样变形位置主要围绕在硐室周围,破坏时释放能量较少,但峰后释放能量持续时间较长。依据大断面硐室围岩变形破坏规律,提出了锚杆索支护方案:硐室顶部打长锚索,将顶板和上方坚硬岩石连成整体;在硐室煤岩交界处打倾斜锚杆,将煤岩交界面与周围岩体紧密连接。数值模拟结果表明,支护后围岩应力、位移、塑性区均明显减小,围岩稳定性大幅提高,支护效果良好。

区段煤柱下大断面回采巷道不同成巷方式分析研究

为了探究在区段煤柱下大断面巷道在掘进时受到扰动最小的一种成巷方式,以乌兰色太煤矿掘进52202工作面运输顺槽为研究背景,针对该工作面实际地质资料,通过数值模拟分析了大断面巷道在不同成巷方式条件下的塑性区形态、应力场及位移场分布规律。结果表明,先掘进5.4 m宽正常巷道,后扩帮2 m的成巷方式为最优成巷方式,将其应用于工程实践,为同类型区段煤柱下大断面巷道提供参考依据。

大断面花岗岩公路隧道快速施工工法研究

大断面隧道施工穿越较破碎花岗岩区段时,采用台阶法开挖会造成工序之间相互影响,严重制约了大型机械的作业空间,为此在台阶法基础上提出了便于大型机械施工的快速施工工法,从而提高了施工效率。文章基于某高速公路隧道,通过有限差分软件,对快速施工工法和施工设计的台阶法留核心土开挖进行两榀开挖下的数值模拟对比分析,并结合FISH语言编程和现场监测数据验证了快速施工工法的围岩损伤及可行性。结果表明:快速施工工法与台阶法留核心土开挖相比,会增大隧道拱肩、边墙以及掌子面处的围岩变形;现场施工时要加强对隧道边墙下方和拱脚处的监测;快速施工工法是一种可应用于现场的、安全高效的施工工法。

矿井采煤过程中大断面巷道支护技术研究

煤炭资源是中国重要的能源资源之一,然而在矿井采煤过程中,巨大煤矿的开采和应力变化等因素导致支护不足和大断面巷道变形严重。为了解决这一问题,需要开展更深入、更系统的研究。首先介绍了大断面巷道的特点以及在采煤过程中存在的支护难题,包括巷道变形、支架开裂等问题。然后分析了传统支护方式存在的不足之处,并提出了一种新型支护技术——填充式支护技术。该技术采用填充材料将巷道周围空隙填满,从而增强了支护效果,提高了大断面巷道开采的安全性和可靠性。

三软煤层大倾角综采工作面开切眼大断面一次成巷支护技术研究

对于三软煤层大倾角综采工作面的开切眼支架安装采用的均是边扩帮边安装的方法,该方法存在着缺点。大倾角综采工作面开切眼一次成巷支护技术的应用,采用了金属锚网梁加锚索支护,确定了开切眼的支护方案,增加了大倾角工作面开切眼的巷道的围岩稳定性,确保了支架的顺利安装,实现了预期的支护效果。对于三软煤层大倾角综采工作面安装传统采用“边扩帮边安装方式”尤其是大倾角工作面的安装更增加了安装难度。与一次性安装存在以下缺点:安装较慢,安装和扩帮相互交叉,且扩帮的煤渣被下部的支架遮挡不易出渣,扩帮放炮存在崩坏已安装好的支架。为解决该难题,特进行了三软煤层大倾角综采工作面开切眼大断面一次成巷技术的研究。

大断面半煤岩巷道变形破坏机理研究及控制技术

针对大断面半煤岩巷道围岩变形控制难题,以小保当煤矿一号井大断面半煤岩巷道为研究背景,测试了巷道围岩岩层分布、围岩地应力分布及裂隙发育,分析了巷道围岩的变形破坏演化特征。通过实验室试验以及数值模拟分析了半煤岩组合体力学性能及其变形破坏形态,揭示了强度较低的煤体最先在煤岩交界面发生破裂、滑移,变形不断向深部延伸,随着煤岩体完整性及强度的持续弱化,造成巷帮由下而上的非均匀渐进性失稳破坏,揭示了提高大断面半煤岩巷道围岩稳定性的关键在于控制煤岩交界面非协调变形。基于此提出了采用高预应力锚杆支护与薄弱区域加强支护的变形控制思路,制定了小保当一号井大断面巷道半煤岩巷道围岩变形控制方案,并开展了井下工业试验,取得了较好的应用效果,在监测期内巷道顶板的位移量为28 mm,两帮的位移量为80 mm,底板的位移量为43 mm,随后围岩变形趋于稳定,巷帮煤岩交界处的变形控制效果显著,表明采用该方案可有效控制大断面半煤岩巷围岩变形。

厚煤层大断面沿空巷道变形破坏机理及控制技术

针对沿空巷道受多次采动叠加影响极易发生变形失稳破坏的难题,以某矿1505W工作面厚煤层综放开采工作面为研究背景,综合采用理论分析、现场实测、数值模拟等多种研究方法探讨分析了沿空巷道围岩失稳破坏机制,并提出了围岩“浅部、深部、表层”控制方案。现场试验结果表明,提出的控制方案能够使巷道浅、深部围岩形成统一的整体,有效抑制了沿空巷道围岩变形,提高了巷道的稳定性。

大断面斋堂隧道爆破近区围岩损伤研究

爆破荷载作用下隧道爆破近区围岩损伤特性研究较少.以斋堂隧道为工程背景,通过现场声波测试和数值模拟的方法,研究了隧道围岩损伤效应及毫秒延期爆破中不同段炮孔对围岩损伤的影响.研究结果表明:隧道围岩损伤范围约为2.4 m,隧道围岩累积损伤由爆炸冲击损伤和爆破振动损伤两部分组成.隧道保留岩体根据损伤分布特征情况可划分为4个不同区域,即严重破坏区、强扰动区、弱扰动区和未扰动区.其中,严重破坏区和强扰动区主要受崩落孔VI和周边孔影响;弱扰动区中的“带状损伤”则是各个段位炮孔综合作用的结果.

大断面浅埋隧道地表沉降Peck修正公式及其应用

针对经典Peck公式未考虑隧道断面形状、埋深对大断面浅埋隧道地表沉降影响的不足,考虑断面形状与隧道埋深修正系数改进Peck公式。利用白塔山隧道地表沉降实测数据对修正公式进行验证,两个监测断面预测值与实测值平均相对误差8.3%,最大相对误差18.4%。进而采用修正Peck公式对不同断面形状、不同埋深隧道开挖引起的地表沉降进行预测。结果表明:地表最大沉降与断面形状修正系数成正相关,地表最大沉降依次为矩形-1(Ⅰ)>马蹄形-1(Ⅱ)>圆形(Ⅴ)>矩形-2(Ⅲ)>马蹄形-2(Ⅳ);随着大断面浅埋隧道埋深增加,地表最大沉降减小而地表沉降槽宽度相应增大。地表沉降曲线形态由窄而深过渡到宽而浅,地表核心沉降区面积也逐渐减小。研究成果可为类似工程提供理论支持和技术参考。

高应力大断面巷道围岩注浆加固机理及其应用

为解决高应力大断面巷道服务期间变形严重的问题,利用莫尔-库仑准则和力学平衡原理,开展巷道松动圈注浆加固机理和力学模型分析,采用FLAC3D仿真计算软件对4种不同支护形式进行数值模拟,研究不同支护状态下巷道变形演化规律,并开展现场工程实践。研究结果表明:增加承载层的长度可以有效提高巷道围岩的稳定性,注浆加固可黏合破碎岩体,形成骨架结构;分层掘进可减小巷道围岩自由面,从而减缓应力释放速度;滞后注浆可在应力基本释放后对破碎岩体进行最大程度的黏合加固,加固后的松动圈形成整体结构后配合锚杆索支护,能够有效减少围岩破坏以及塑性区发育。实践证明:采用“分层掘进+滞后注浆+锚索补强”支护方案后,掘进期间,顶底板最大移近量约为50 mm,两帮最大移近量约为140 mm,底鼓量约为75 mm;5303工作面回采期间,顶底板最大移近量约为125 mm,两帮最大移近量约为350 mm,底鼓量约为173 mm,虽然回采期间巷道变形量较大,但整体变形可控,能满足深部大断面巷道支护要求。“分层掘进+滞后注浆+锚索补强”支护方案能够有效解决高应力大断面巷道严重变形问题,可在类似地质条件的矿井推广。

波纹钢板套衬加固大断面隧道衬砌力学性能

采用有限元软件建立了江西省某座大断面隧道地层-结构数值计算模型,对波纹钢板套衬加固隧道衬砌的力学性能进行研究。结果表明:波纹钢板套衬分担了部分围岩压力,隧道衬砌的应力出现重分布;波纹钢板套衬与既有衬砌组合结构的承载力随着锚栓数量的增加而增强,建议拱顶至拱肩区间的锚栓间距为2~3 m、拱肩至拱脚位置锚栓间距为1 m;既有衬砌和波纹钢板套衬对围岩压力的承担比呈负相关;考虑经济性和波纹钢板厚度对锚栓受力的影响,建议波纹钢板厚度不超过6 mm。

大断面切眼不同支护方式对围岩控制效果的数值分析

为了研究综采面切眼导硐和刷扩时采用单体挑棚支护和液压支架的不同布置方式对顶板的控制效果,运用FLAC3D软件进行数值模拟,分析在不同支护方式和不同滞后支护距离情况下,导硐与刷扩面顶底板移近量以及顶底板最大移近量的变化,在不同滞后距离条件下,分析了液压支架顺山布置与走向布置对刷扩面顶板下沉量的影响规律。结果表明:液压支架支护明显优于单体挑棚支护,表现为顶底板移近量和稳定距离减少,支架走向布置对顶板的控制优于顺山布置。

水-岩软化作用下巴东组泥岩隧道大断面开挖掌子面稳定性研究

为明确软弱围岩条件下高速铁路隧道大断面机械化施工过程中的掌子面稳定性特征,以郑万铁路巴东隧道穿越巴东组紫红泥岩段为工程背景,对隧道揭露的巴东组紫红泥岩开展不同含水率下的三轴试验,揭示巴东隧道紫红泥岩的水-岩软化特征;在考虑水-岩软化特征的Hoek-Brown强度准则下,构建考虑水-岩软化作用的隧道穿越巴东紫红泥岩地层流-固耦合数值模型,揭示不同地层水位下巴东组紫红泥岩隧道大断面施工掌子面稳定性特征;最终提出“掌子面喷混凝土+掌子面超前锚杆+超前管棚”的组合式超前加固方案。经过试验和模拟计算,结果表明:1)随含水量的增加,巴东隧道紫红泥岩的刚度与抗剪强度显著降低,与既有研究揭示的浅表地层紫红泥岩相比,巴东隧道紫红泥岩具有更高的抗剪强度;2)掌子面后方拱顶沉降、掌子面前方拱顶预收敛、掌子面挤出变形的最大值均随历史水位的升高而增大;3)根据不同地层历史水位条件下开挖面支护力与挤出变形之间的关系,巴东隧道紫红泥岩掌子面稳定性可以分为A(稳定)、B(短期稳定)以及C(不稳定)3类,对于C类掌子面,采用“掌子面喷混凝土+掌子面超前锚杆+超前管棚”的组合式超前加固措施后,掌子面前后方各项变形最大值可以减小60%~90%。

软土地层浅埋暗挖矩形大断面隧道施工力学响应特征

[目的]为探究在城市软土地层中安全有效地施工浅埋暗挖矩形大断面隧道的技术方法,以实现施工过程的安全性控制。[方法]以某地铁区间隧道工程为例,提出4导洞开挖和“中导洞”先行6导洞两种开挖方案。利用有限差分软件建立三维数值仿真模型,模拟了隧道施工过程并详细分析了隧道施工过程中的地层竖向位移和初期支护内力变化。通过与现场监测数据分析对比,验证了所提工法的合理性与有效性。[结果及结论]在导洞开挖阶段,隧道顶部和底部的地层竖向位移最为显著,且相邻导洞的开挖对位移影响有限。采用6导洞开挖方案,与4导洞开挖方案相比,底部最大位移值显著减少了21.5%,同时在施工过程中,底部的竖向位移速率也降低了6.1%。特别是在中导洞施工期间,地层竖向位移变化速率是侧导洞变化速率的1.2倍左右,这表明中导洞对地层的影响更为显著。6导洞开挖方案在控制施工期间地层变形和结构受力方面更为有效,特别是在中导洞施工阶段,需要特别关注并加强监控和支护措施。

深部巷道大断面交叉点联合支护技术研究

针对深部大断面巷道支护易发生失稳的难题,以唐山矿-1100中央轨道山下车场大断面交叉点为工程背景,开展工程地质调查及巷道变形情况分析,提出锚喷+锚注联合支护方案,并运用FLAC3D数值模拟分析支护方案改进前、后巷道变形情况。结果表明,常规锚网喷支护下大断面巷道顶板下沉和帮部位移量较大,巷道不能实现自稳;锚喷+锚注联合支护下巷道变形量大幅降低,巷道基本实现自稳。将该方案应用于工程实践,锚喷+锚注联合支护技术能够有效控制深部大断面巷道变形,顶板下沉量较原支护降低了78.8%,帮部位移量降低了54.8%,为同类工程背景提供可靠的技术参考。

大断面组合式顶管机掘进排渣离散元仿真

顶管法已在地下工程中广泛应用,但对新型超大断面组合式顶管机掘进排渣过程中土体的运动和力学响应仍缺乏研究。建立了世界最大断面组合式顶管机的等尺寸模型,利用离散元法模拟顶管机的掘进排渣过程,研究排渣速度对土体运动行为和力学响应的影响。模拟结果表明,最佳的掘进-排渣速度比约为0.6 cm/rev,土仓流动性受上下两个半截面底部两侧刀盘的影响,滞排时土压随掘进累积增大,存在地表隆起倾向;超排时土压小于静止土压力,上覆土体随掘进由局部破坏发展为整体破坏。

特大断面山岭隧道出洞口段开挖技术对比分析:以燕山地区汗沟2号隧道为例

为研究不同出洞开挖施工方法对特大断面山岭隧道洞口段围岩变形影响,以燕山地区汗沟2号隧道为依托工程,利用ABAQUS有限元软件建立数值模型,分析了双线隧道洞口段先行右洞采用超前小导洞开挖出洞和后行左洞采用三台阶七步开挖进洞情况下的围岩水平收敛、拱顶沉降、底部上拱、地表沉降、塑性区分布以及衬砌支护应力等影响。结果表明:小导洞开挖过程中围岩变形较小;由洞内向洞外与洞外向洞内扩挖右洞小导洞的围岩变形规律基本一致,前者对于山岭隧道洞口段施工具有优越性;左右洞贯通后,右隧最大水平收敛、拱顶沉降、底部上拱、地表沉降和衬砌最大主应力分别为1.35 mm、3.91 mm、2.88 mm、3.39 mm和0.11 MPa,左隧分别为1.52 mm、5.57 mm、2.67 mm、5.34 mm和0.35 MPa,超前小导洞开挖工法更有利于控制围岩变形,而三台阶进洞开挖下围岩塑性应变以及地表沉降较大。研究结果可为同类工程提供一定理论依据和指导,实现特大断面山岭隧道安全、高效出洞作业。

煤系软岩中抽水蓄能电站地下厂房大断面硐室支护设计

为实现绿色低碳可持续发展,大屯能源股份有限公司龙东煤矿拟在埋深约300 m的煤系软岩地层中建设抽水蓄能电站,决定该项目可行性的关键问题之一是能否对主厂房大断面硐室进行经济有效的支护。为此,提出了基于规范和灰色关联度分析的支护设计方法。首先对该硐室的围岩稳定性进行分级,然后根据相关规范和工程经验提出4种支护备选方案,继而通过数值模拟对其支护效果进行对比分析,最后运用灰色理论的关联度模型综合支护效果和支护成本确定出技术经济效果最优的支护方案,从大断面软岩硐室的支护角度证明了在龙东煤矿建设抽水蓄能电站的可行性。该支护设计方法科学、可行、高效,可为煤系软岩中大断面硐室的支护设计提供参考。

大断面类矩形顶管注浆压力对管节损伤的影响分析

为探究大断面矩形顶管注浆压力波动及其控制边界难以确定的实际问题,依托南京某大断面类矩形顶管工程,借助理论分析、工程类比和数值模拟等方法,研究了顶板和侧壁局部憋压工况下,大断面类矩形管节结构的变形和损伤机制。通过分析矩形顶管管节受力特征,计算了大断面类矩形管节承受的外荷载,并采用ABAQUS有限元数值模拟软件内置的混凝土损伤塑性模型进行数值建模,研究不同注浆压力作用下钢筋混凝土管节损伤演化机制。结果表明:(1)注浆荷载作为可变荷载,对管节受力有明显影响,应将注浆压力纳入管节设计环节;(2)针对该工程,其理论注浆压力为0.311 MPa,考虑抑制背土效应的需要,应适当提高注浆压力,但必须控制在合理范围内;(3)从损伤演化的角度来看,注浆荷载达到0.6 MPa时,管节顶板的拉伸损伤已达到较高水平,因此,将0.6 MPa作为该工程的注浆压力预警指标,而0.9 MPa应作为注浆压力的控制指标。