膨胀性泥岩地层斜井支护优化研究

针对我国蒙东地区膨胀性泥岩地层斜井井壁设计问题,基于弹性力学理论,建立了在不均匀地压和膨胀接触压力共同作用下的圆形井壁理论模型,获得了受不均匀地压和膨胀接触压力共同作用下井壁的应力、位移解析解;并在井壁理论解析解的基础上,研究了井壁厚度对井壁应力和位移的影响;基于FLAC3D中的热力耦合模块对不同井壁厚度的优化方案进行模拟,通过优化井筒断面和支护形式,确定了更合理的支护参数。数值计算结果表明:当外层井壁达到600 mm、内层井壁达到600 mm时,继续增大井壁厚度对井壁位移变形量的影响不明显;优化后支护方案可有效地抵抗膨胀性泥岩地层井筒的变形。

特厚煤层沿顶巷道抗剪锚管索帮角控制技术研究

针对特厚煤层沿顶巷道帮角围岩破碎外挤、锚索自由段受不均匀组合荷载作用导致的端部上翘和帮部变形较大等问题,以同忻矿8204巷道为研究对象,通过现场调研、拉剪试验、FLAC3D数值模拟和现场工业性试验等方法,并利用研发的抗剪锚管索支护结构进行特厚煤层沿顶巷道抗剪锚管索帮角控制技术研究。首先开展拉剪试验,测试锚索组成抗剪锚管索结构前后的承载能力;其次在不考虑原岩应力影响的条件下,通过对巷道围岩内部支护应力场的分布情况,查找原支护方案帮部支护效果较差的原因;最后结合强帮强角支护理念,提出抗剪锚管索帮角控制技术及支护优化方案,利用数值模拟方法险证该优化方案的支护效果,并在现场进行长为300 m的工业性试验。现场监测数据表明,应用所研抗剪锚管索帮角控制技术后,特厚煤层沿顶巷道围岩变形得到了有效控制。

管索组合结构支护新技术及其在深部大变形巷道应用研究

随着煤矿开采深度的增加,巷道围岩应力环境恶化,围岩大变形及锚杆锚索破断问题更加突出,严重影响深部矿井生产安全。为了解决此类问题,本文针对锚杆锚索支护的优点及缺陷,基于管索组合结构与围岩相互作用机理,提出了管索组合结构支护新技术。管索组合结构通过改善锚索自由段结构、优化其受力状态,使锚索具备较高轴向承载力,同时能够防止受岩石错动等横向作用而导致的锚索自由段破断,避免围岩失稳。通过室内剪切试验发现,管索组合结构的最大剪切荷载为普通锚索的1.27倍以上,平均最大剪切位移为普通锚索的1.16倍,表明管索组合结构具有良好的抗剪能力和剪切方向延展特性。基于九龙矿巷道的工程案例,通过现场监测和钻孔探测,分析了原支护方案下巷道的变形破坏特征,并将管索组合结构在深部大变形巷道进行了应用,现场监测结果表明,采用管索组合结构支护新技术能够有效控制围岩大变形。研究结果可为类似深部矿井支护提供参考。

九龙矿深部巷道管索组合结构支护技术研究

针对九龙矿深部巷道出现的锚索剪切破断、支护结构失稳、巷道变形严重等现象,采用钻孔窥视、数值模拟以及现场监测等手段,分析了九龙矿深部巷道围岩变形破坏机理,提出了以管索组合结构为主导的支护方案,并对原支护方案和管索组合结构支护方案进行对比分析。结果表明:管索组合结构支护技术能有效提高深部围岩的控制效果。

庞庞塔煤矿9-8062巷道管索组合结构支护优化设计

为提高庞庞塔煤矿9-8062托顶煤巷道围岩稳定性和锚索的抗剪承载力,抑制锚索的剪切破断,通过双剪试验、数值模拟等手段研究管索组合结构的力学性能,探索管索组合结构在巷道支护中的作用。双剪试验结果表明,管索组合结构的抗剪承载力优于锚杆锚索,横向变形能力与锚杆近似,具有比锚索更优异的变形能力,管索组合结构、锚索、锚杆中只有管索组合结构兼顾到了抗剪承载力与横向变形能力。根据数值模拟结果,与原方案相比,管索组合结构支护优化方案可以有效减小巷道的顶板下沉量、两帮移近量和塑性破坏区,有效控制巷道围岩变形。

复杂地层井筒冻结壁异常状况监测技术研究现状与展望

为了实现对复杂地层条件下井筒整体冻结壁异常状况的早期预报、过程监测、效果评价,综述了测温孔观测、水文孔观测、冻结器内纵向测温、地质雷达技术、超声波监测技术等在技术原理、检测方法、应用现状等方面的进展。以新疆塔什店煤矿副井冻结工程为典型案例,分析出目前井筒冻结壁异常状况监测技术在应用过程中存在的主要问题包括:测温孔受限于布置位置,无法准确反映远距离冻结壁局部温度异常情况;水文孔在事故井筒冻结工程当中无法布置;纵向测温法具有停冻准备时间长,测试人员多,冻结壁开窗距离推算结果偏差较大等缺点。针对此,对纵向测温监测技术、超声波监测技术、冻结壁异常状况监测体系等方面的研究方向进行了展望,提出了复杂地层条件下井筒冻结壁异常状况监测体系构思。

三向受力条件下淡水冰破坏准则研究

为了更清楚地认识含冰冻结壁力学特性、解决复杂冰岩耦合问题以及给冰工程设计和数值仿真分析提供参数,有必要对冰在三向受力条件下的力学特性进行深入研究.以内蒙古自治区东胜煤田石拉乌素矿立井井筒建设为背景,参考现场水文地质资料在室内制作相似冰样,利用TDW-200低温冻土试验机,进行了4组温度和7组围压的人工淡水柱状冰三轴压缩强度试验,加载速率为0.5 mm/min,加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明:在恒定温度条件下,柱状冰随围压增大塑性增强,而恒定围压条件下,柱状冰随温度降低脆性增强;在试验温度范围内,淡水柱状冰和多晶冰强度均随围压、温度升高而增大,但同条件下柱状冰强度高于多晶冰;采用D-A模型、Teardrop模型解释了高压下偏应力与围压之间的非线性关系,从不同角度对拟合得到的破坏准则综合考虑,认为D-A准则更适合用于描述淡水冰的破坏特征.研究结果可为后期同条件冰-岩耦合、数值模拟研究提供参考.

西北人工冻结红砂岩的动态时效损伤模型

为了研究西北人工冻结红砂岩的动态力学特性,采用SHPB试验装置对-15℃红砂岩进行单轴冲击压缩试验。对SHPB试验中5组有效数据展开分析,得到了5条不同应变率下的动态应力应变曲线。基于损伤演化及元件模型理论,将冻结红砂岩视为由具有弹性特性、损伤特性、塑性特性及黏滞特性的非均匀质点组成,建立了包含损伤体元件、黏壶及弹簧的时效损伤模型。研究发现:试件强度与平均应变率呈指数相关,当试件平均应变率较小时,试件的强度变化平缓,在高平均应变率下,试件强度急剧增大,当平均应变率为120.73 s-1时,应力峰值高达84.96 MPa,接近静态抗压强度44.1 MPa的2倍;时效损伤模型较好地反映了在一定范围内的冻结红砂岩应力应变关系。

钢管混凝土支架构件—圆弧拱破坏机理研究

以钢管混凝土支架支护深井软岩巷道为背景,对钢管混凝土支架组成构件中的四分之一圆弧拱进行六分点等值加载,以研究试验试件的矢跨比和钢纤维体积掺量对试件力学性能的影响。实验表明,钢管混凝土圆弧拱试件拱底处主要受压弯剪应力影响,最先发生局部破坏;拱顶处主要受压应力影响,拱底和拱顶均为试件最薄弱截面。矢跨比越大,能够承受的荷载和刚度越大。1%~1.5%钢纤维体积掺量的试件的柔性增强,极限荷载与无钢纤维试件差别不大。继续增加钢纤维掺量,试件刚度增加,但试件极限荷载降低,钢纤维体积掺量在1%~1.5%较为合适。再通过数值模拟进一步研究试件危险截面的受力形式和试件的截面尺寸、矢跨比、壁厚对承载力的影响。与此同时,结合试验分析和数值模拟结果,从试件截面强度、局部失稳、整体失稳三方面进行理论分析,给出钢管混凝土圆弧拱局部失稳的原因和承载力的计算公式。最后,结合实际工程情况,提出钢管混凝土设计方案。

下穿铁路隧道爆破振动衰减规律研究

基于Heelan短柱药包理论,引入等效作用半径的概念,得到内部瞬时激励荷载作用下爆破峰值振动速度的衰减模型方程,并通过量纲分析进行验证。结合下穿隧道爆破工程,研究不同雷管段位及不同炮孔类型对应的爆破峰值振动速度的衰减规律。此外,讨论球形装药、柱状装药条件下改进公式的药量形式表达式,结果显示,利用等效作用半径作为拟合参考变量可以综合考虑不同雷管段位及不同炮孔类型对爆破振动规律的影响。统计数据表明,利用改进公式得到的拟合效果最优,可以为类似隧道爆破振动研究提供参考。

裂隙红砂岩冻胀力特性试验研究

裂隙岩体冻胀现象在富水岩层冻结工程中普遍存在,冻胀力易使得岩体裂隙尖端应力集中而产生新的微裂纹,微裂纹扩展贯通导致岩体发生不同程度破坏。为揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,探究以冻胀力驱动下的岩体裂隙扩展规律,利用超薄型电阻式压力传感器、温度传感器、低温恒温箱组成的冻胀力测试系统对不同冻结速率、不同裂隙尺寸、倾角以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力进行测试,分析了贯通裂隙中冻胀力演化规律、冻胀劣化机制以及冻胀破坏模式。结果表明:含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程分为初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段;冻胀作用使得贯通裂隙端部附近出现明显裂纹扩展现象,试样整体呈竖向张拉破坏;贯通裂隙最大冻胀力随隙宽呈单指数函数增长、与温度成线性正相关;冻结过程中,试样边界条件对裂隙冻胀力影响显著,刚性约束边界条件下最大冻胀力达到1.27 MPa,融化过程中,不同边界条件对应不同冻胀力跌落现象;低温条件下贯通裂隙红砂岩冻胀力变化特征与冻胀过程中声发射能量变化规律一致,充分验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用。研究成果可为裂隙岩体冻胀力理论计算与数值分析、冻融损伤机制、冰-岩耦合特性以及煤矿立井冻结壁设计等提供参考。

厚顶煤巷道顶帮整体锚固支护体系研究与应用

针对深部应力作用及常规支护条件下厚顶煤矩形断面巷道围岩变形量大的问题,分析主要原因是巷道肩部围岩裂隙发育,顶帮锚固体相互独立,支护结构松散。从厚顶煤巷道围岩失稳破坏机理出发,采用FLAC3D数值计算,对顶帮整体锚固支护体系及传统锚固支护的支护预应力场分布特征及巷道围岩变形破坏规律进行了对比分析。结果表明,顶帮整体锚固支护体系能够改善肩部围岩为挤压式传力机制,抑制肩角处围岩剪切裂隙的产生和发育,增强顶帮围岩在空间上的相互支撑作用,有效提高围岩自承能力,防止厚顶煤巷道发生冒顶、片帮等非线性大变形现象。现场应用表明,采用顶帮整体锚固支护体系后,巷道顶板最大下沉量为50 mm,两帮移近量最大为100 mm,支护效果良好。

单向冻结条件下饱水砂卵石冻胀融沉特性试验研究

以北京典型饱水卵石7#地层为研究对象,利用恒温恒压冻胀融沉仪,研究不同干密度饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的冻胀率、融沉系数、冻胀力及水分迁移量。试验结果表明:①饱水砂卵石的冻胀率和融沉系数均小于1%,远小于黏土、粉土的冻胀率和融沉系数,且随干密度的增大而减小;②封闭系统砂卵石冻胀率(力)和融沉系数大于开放系统;③饱水砂卵石冻胀过程是排水过程,排水量占土颗粒质量比例不超过1%;④无论是开放系统还是封闭系统,砂卵石经冻胀融沉后,总有一定的变形残余量。研究成果为冻结法在北京深层地下空间应用提供理论依据和参考。

基于组合赋权法的建筑施工现场安全综合评价

建筑施工现场安全状况综合评估常用多层次模糊综合评价法,其中,如何确定合理的评价指标权重是一个关键问题。笔者提出了基于组合赋权法的模糊综合评价模型对建筑施工现场安全状况进行综合评估的方法,建立了多层次安全评价指标体系,通过层次分析法和熵权法分别计算评价指标的主观权重和客观权重,将两个权重进行有机组合得到结合了主客观因素的新权重,确定最终评价结果。结合工程实例,采用基于组合赋权法的模糊综合评价模型对北京住总某建筑工地现场安全状况进行综合评价,并将评价结果与AHP模糊综合评价方法进行了对比。对该项目而言,基于组合赋权法的模糊综合评价模型对建筑施工现场安全状况综合评价较AHP模糊综合评价法具有更好的实用性,评价结果更加可靠。

马里亚纳海沟表层沉积物物理性质与微观结构初探

针对取样于141°48.700 8'E,11°11.698 8'N,深度为8 638 m的马里亚纳海沟海底表层沉积物,考虑该沉积物中的孔隙水为海水,提出一种测定其基本物理性质指标的修正方法,并测定其相关的物理性质指标,最后通过扫描电子显微镜观察其微观结构。研究结果表明:本次取样处的深海海底表层沉积物具有极高的含水率、高孔隙率、低密度、低比重、高饱和度等特性。考虑海水中盐分影响的修正后,该土样的含水率比修正前提高了11.68%,比重比修正前降低了7.66%。该沉积物显微结构以絮凝结构为主,中间夹杂着大量多孔隙的硅藻碎片和生物体的空壳,这使得该沉积物中的孔隙数量增多。研究结果将有助于了解马里亚纳海沟地区的深海沉积环境和历史,为深海集矿车的设计提供参考。

钢管混凝土圆弧拱跨中与拱脚滑移性能的研究

通过对6点均布加载条件下钢管混凝土圆弧拱跨中位置处位移和拱脚不同滑移量的监测,以及对钢管外壁和内部核心混凝土的应变、极限承载能力进行分析,同时通过内嵌一种无厚度黏聚力黏结单元的ABAQUS大型有限元软件建立混凝土损伤模型,对圆弧拱抗弯过程进行全过程仿真三维数值模拟分析,较为准确的展示钢管核心混凝土受压破坏过程。实验和模拟分析结果表明:与两端固定相比,钢管混凝土圆弧拱试件在拱脚滑移的过程中,由于受到拉压弯三重作用发生了破坏,核心混凝土产生裂缝,随着荷载继续增加,裂缝的存在导致混凝土体积膨胀,进而使钢管发生鼓包。在一定的拱脚滑移量范围内,跨中截面核心混凝土底部受拉顶部受压,试件跨中与拱脚的弯矩急剧增加,钢管混凝土圆弧拱的承载力随着拱脚滑移量的增加而降低。通过室内试验和数值模拟,以及现场监测的结果分析可知,圆弧拱跨中下降的位移与两侧滑移量呈两倍关系。达到极限荷载后,圆弧拱试件中钢管对混凝土的套箍作用失效。

渗流作用下局部水平冻结体扩展规律试验研究

目前采用物理模型试验的方法对渗流作用下的冻结温度场进行研究时,多以均质砂层为地层传热介质,且多为单排管全长冻结,鲜有以砂卵石为地层传热介质的双排管局部冻结。为研究渗流作用下砂卵石地层双排管局部水平冻结体扩展规律,基于相似理论,进行渗流作用下砂卵石地层双排管局部冻结模型试验。研究表明:渗流作用下双排管局部水平冻结体成形过程可分为:第二排冻土柱交圈、形成连续水平冻结体的同时背水面扩展、迎水面再扩展3个阶段,且成形时间及冻结锋面扩展速度均应按时间历程依次划分为4种。试验结果显示,测点交圈时间有随渗流速度的增大而增大的趋势,在冻结时间相同的情况下,渗流速度越小,测点温度越低。渗流速度u对第二排冻土柱交圈速度ve的影响随u的增大逐渐增大,而迎水面扩展速度vm则相反,且受群孔效应影响,vm大于ve。冻结后期,迎水面再扩展速度vu和背水面扩展速度vd均随冻结时间的延长而逐渐减小,水平冻结体上/下游长度逐渐趋于定值。在本模型试验中,通过回归分析,分别拟合得到了第二排冻土柱交圈时间te、迎水面扩展速度vm与渗流速度u的函数关系,迎水面再扩展速度vu、背水面扩展速度vd与冻结时间的函数关系,其中,te,vm分别与u成二次函数关系,vu,vd分别与冻结时间t的平方成反比关系。为控制成形时间及成本,并基于安全考虑,建议取Ed为水平冻结体下游长度,并根据水平冻结体扩展特性提出总成形时间ts计算式。

钢管混凝土支架作用下南关矿煤巷变形破坏规律

以汾西矿区南关矿煤巷为原型,依托嵌套式相似模拟实验系统建立物理相似模型,研究煤巷在钢管混凝土支架支护下围岩应力、位移分布规律和变形破坏特征。应用FLAC3D 5.0建立钢管混凝土支架巷道模型,分别模拟埋深100~1000 m的情况,分析煤巷变形破坏规律及支架受力特点。研究结果表明:钢管混凝土支架能提高巷道的径向支撑压力,加载初期保持了巷道稳定,但随着荷载加大两帮收敛量大于顶底板移近量,帮部先出现裂隙并向顶底板发展,随后帮部和顶板相继失稳,可见帮部是支护的薄弱环节。在钢管混凝土支架作用下,巷道表面应力呈锯齿状分布,说明支架对围岩存在有效支护范围,支架之间是支护的薄弱部位;支架套管的轴力和弯矩均较大,容易发生破坏,导致支架的承载力丧失。可见,控制煤巷帮部和支架套管的变形破坏,提高其强度,是保证南关矿煤巷钢管混凝土支架支护稳定性的关键。

一种新的表征岩石节理粗糙度指标系统

基于长方体微凸体两种破坏模式提出了等效高差概念来反映微凸体几何参数对剪切强度贡献比例。不同剪切方向的等效高差分布不同可反映节理剪切方向性。进而提出了基于等效高差的节理三维粗糙度指标系统,其中平均等效高差表征了不同破坏形式的微凸体对强度的贡献,也可反映节理面的起伏方向性;分形维数表征了不同尺度粗糙度的关系,可从尺度上全面描述节理面信息,并且也可表示剪切方向性。最后基于三维测量系统获取了节理面离散点坐标值并计算出新指标系统具体数值,验证了指标系统可以描述剪切方向性,同时克服了采样间距的影响。新指标系统物理意义明确,可反映不同微凸体对强度贡献比例。

卸载条件下逆冲断层滑移实验研究

煤矿开采活动对断层系统的卸荷效应,往往诱发逆冲断层失稳进而导致冲击地压灾害。以义马F16逆冲断层为工程背景,采用实验室实验研究了卸载条件下逆冲断层的差应力变化特征,分析了逆冲断层卸载过程中的位移场、变形场演化规律,阐述了逆冲断层失稳瞬态的滑移位移及声发射特性,探讨了逆冲断层的失稳过程。研究结果表明:逆冲断层卸载失稳时发生多次差应力"突跳"现象,以首次"突跳"变化量最大,差应力"突跳"量为0.36 MPa;断层不同部位滑移情况具有显著差异,其中下部滑移量大于中部和上部、下盘远场滑移量大于近场和上盘;断层岩体的法向应变和剪切应变呈"降低—突增—波动—稳定"的变化趋势,且变形场受位置影响较大,如下部法向应变"突跳"量大于中部和下部,两端剪切应变"突跳"量大于中部;断层失稳瞬间可分为启滑、主震、后震3个阶段,主震将释放大部分能量,为断层冲击地压的主要能量来源;卸载导致逆冲断层滑移的过程分为线性稳态、非线性稳态、亚失稳及失稳4个阶段,失稳瞬间剪应变的变化趋势为"突降—回弹—稳定";开采扰动引起的卸荷作用,造成F16断层不同位置呈不同的滑移模式,即浅部逆时针滑移、深部顺时针错动。