关闭矿井采空区破碎岩体再断裂机制及空隙结构演化特性

受“双碳”政策影响,关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关,而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此,需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形演化特性。笔者基于颗粒离散元数值方法,建立浸水及侧向约束压缩条件下不同级配的破碎岩体数值模型,分析破碎岩体变形行为及二次断裂演化特性,追踪颗粒从岩体骨架结构剥离及空隙内运移规律。得到如下结论:破碎岩体压实过程应力随应变增长可分为3个阶段:初始阶段(0<ε≤0.175),缓慢增长阶段(0.175<ε≤0.275)以及快速增长阶段(ε>0.275)。快速增长阶段应力-应变曲线出现明显波动,破碎岩体二次断裂及应力重分布现象在该阶段最明显。破碎岩体热储环境下空隙率的变化值与初始空隙率成正比,最大达到0.2。当破碎岩体内岩块粒径悬殊大时,接触键应变能最大,断裂能增长缓慢。岩块与颗粒密集区接触部分断裂分布多,与空隙接触部分断裂分布极少。颗粒未剥离岩块时,随岩块运动,整体运动路径复杂速度较小;颗粒剥离瞬间速度突然增大,与岩块碰撞导致速度改变。当颗粒速度减小到与周围岩块相近时,将造成空隙空间的堵塞。研究结果可为关闭矿井储热空间换热效率评估提供理论依据。

复杂破碎巷道支护难度分级方法研究与应用

为解决复杂破碎巷道支护方式选取缺乏定量化方法和标准、支护效果不稳定等难题,以金川三矿区为例,基于灾变耦合原理得到巷道变形破坏耦合路径,选取岩石强度应力比、矿岩破碎系数及岩体结构等级作为巷道支护难度评价指标,利用改进的LEC分级评价方法提出了巷道支护难度分级方法,将支护难度划分为Ⅰ~Ⅳ级。根据所提支护难度分级方法对该矿1 438 m分段进行了快速分级,并依据不同分级结果采取了对应的支护策略,支护效果良好。研究表明:所提巷道支护难度分级方法能够快速实现复杂破碎巷道支护级别分类,具有较高可靠性,为实现巷道安全、经济支护目标提供了技术支撑。

大跨度破碎岩体顶板预应力锚固支护机理及效果研究

大跨度破碎岩体顶板采用预应力锚固支护,能最大程度地维持顶板围岩稳定,因此研究预应力锚固对大跨度破碎岩体顶板的支护机理及支护效果,对于保障破碎岩体下大跨度地下工程、露天大断面隧道工程的长期稳定性具有重要意义。对锚固后锚固体强度变化进行力学解析,剖析大跨度破碎岩体顶板预应力锚固支护机理,以云南金厂河多金属矿Ⅳ级破碎岩体大跨度顶板支护难题为工程背景,针对其支护方式建立数值模型进行分析,对FLAC3D软件中结构单元Cable的布置,设计新的三段式布置法,将预应力锚杆(索)在FLAC3D软件层面分为预紧段、自由段、锚固段分别赋予指定参数进行数值计算,建立3组不同支护方式的数值模拟方案对预应力锚固支护效果进行验证。结果表明:预应力锚固后,支护区域顶板受拉应力基本小于破碎岩体顶板抗拉强度,塑性区体积对比普通无预应力支护方案,下降比率达到61.95%,顶板Z方向垂直沉降量降低比率高达83.90%,预应力锚固范围内围岩得到了有效控制。

软破矿岩条件下胶结充填法转分段崩落法研究及应用

金川集团龙首矿西二采区上部中段充填采场发生失稳事故后,采矿方法由下向分层进路式胶结充填法转为无底柱分段崩落法时,面临着软破矿岩条件下覆盖层形成和采场稳定性问题。采用数值计算和现场试验等方法,对这2个关键技术问题进行了研究。数值模拟结果表明,随着崩落法首采分段回采工作的进行,采场复合顶板经历了破坏裂纹萌生、零星散块冒落、拱形批量冒落和柱塞状整体冒落等阶段,当首采分段回采结束时,顶板复合岩层冒落能够为崩落法采场提供足够厚度的覆盖层,且在崩落法采动地压下软破矿岩采场能够保持稳定。现场工业试验表明,在崩落法采场首采分段采用“阶梯式退采均匀扩展采空区+总量控制出矿”的技术方案,能够安全、高效地形成覆盖层,并通过增补“钢拱架+钢筋网+锚杆”的技术方案,解决在崩落法采动地压下维持破碎矿岩采场稳定性的问题,为无底柱分段崩落法在西二采区的扩大应用奠定了技术基础。

一种基于分形理论的破碎岩体稳定性分级的改进方法

在对破碎岩体稳定性分级过程中,传统RMR岩体分级方法中RQD和节理间距指标容易受到测量方位和测量角度的影响。针对这一不足,引入岩体分形理论,以岩体分形维数代替RMR分级方法中的RQD和节理间距两项指标,改进性的提出了一种适用于破碎岩体稳定性分级的FT分级方法。以岩体分形理论为基础,现场获取结构面信息并导入三维重构模型,借助CAD内置VAB程序,计算破碎岩体分形维数。根据各指标评分细则,制定FT分级方法评价标准。以某金矿6个试验区岩体结构面调查数据及岩体力学参数为基础,运用改进的FT法分别对试验区破碎岩体稳定性进行评价。结果表明:FT法提高了分级准确性,减少了现场工作量,提高了分级效率,同时在对岩体稳定性描述方面更加合理,将为地下矿山破碎岩体稳定性分级带来极大便利。

积水采空区破碎煤岩体渗流特性试验研究

掌握积水采空区破碎垮落带煤岩体渗流规律对矿井瓦斯安全高效开采至关重要。利用气水两相可调控流动试验系统,采用稳态渗透法开展了积水采空区破碎煤岩体应力-渗透率试验,得到了不同块径、不同积水量条件下渗透参数随轴向载荷的变化特征,揭示了积水采空区破碎煤岩体渗流规律。结果表明:煤样应变随着载荷应力的增加逐渐增大;相同积水量条件下,不同块径煤样渗透率随着载荷的增大呈指数式递减;相同块径条件下,不同积水量的煤样渗透率随载荷的增大呈减小的趋势,且随着载荷的增大,积水量对渗透率的影响逐渐减小。

复杂破碎矿体采矿方法研究及提产优化实践

复杂破碎矿体难以实现安全高效回采,其采矿方法的选择仍是当今采矿技术的难题。本文以某铁矿复杂破碎采场为背景,进行采场结构参数数值模拟及提产布局协同技术研究。首先进行岩体结构面调查分析和岩石试件点荷载强度测试,进行岩体稳定性分级;其次在岩体质量分级的基础上,基于Mathew稳定图表法,在综合考虑采准工程和采场顶板与侧帮稳定性的基础上,获得采场允许暴露的结构参数:当宽度为10~18 m时,采场最大允许暴露长度为30~60 m;当采场高度小于30 m时,采场最大允许暴露长度为30~50 m;当高度大于30 m时,采场最大允许暴露长度为45~60 m。在此基础上,提出25种不同开采方案,采用FLAC3D对采场结构参数进行数值模拟优化,通过采场顶板和侧帮位移、应力、塑性区对比分析等,结合开采实际,提出在南部地质条件相对较好区域推行预控顶大直径深孔采矿法,较为破碎的北部区域采用预控顶中深孔落矿分段凿岩采矿法,并不断进行提产布局及排产优化,顺利实现设计产能。

采空区破碎煤岩体溶蚀作用及净水机理实验研究

开展地下水库采空区破碎煤岩体溶蚀作用及净水机理研究,是实现矿井地下水库安全高效运行的关键。本文以锦界煤矿31409工作面开采形成的地下水库为工程背景,选取采空区破碎煤岩体及去离子水进行污染物释放规律实验研究,分析了采空区破碎煤岩体溶蚀作用规律,探究了破碎煤岩体对水体特征影响机理,获得了破碎煤岩体在不同温度、风化条件下污染物释放规律,并分析了地下水库净水过程中的沉淀溶蚀作用。溶蚀作用及岩体中黏土矿物表面对可溶性有机质的吸附、沉淀作用等水岩作用决定了地下水库净水特征,在不同的时间范围里,溶蚀作用和吸附沉淀作用各自占主导作用,影响矿井水质。

断层蠕滑作用下活动断裂带地应力分布研究

采用非连续变形分析(DDA)方法研究断层蠕滑过程中嘉黎活动断裂带区域应力分布的变化规律。结果表明,断层蠕滑会导致岩体中应力明显增长,随着深度的增加应力有相近的变化趋势;断层破碎带中的应力普遍低于两侧岩体中的应力;断层蠕滑会使岩体内发育大量裂隙,造成破碎岩体中应力分布不连续;断层破碎带及其两侧岩体中出现应力集中的区域在不同深度下的分布有一定的相似性。

深部破碎矿体分段空场嗣后充填法采场结构参数优化

为确定深部破碎矿岩条件下采场合理结构参数,通过理论分析、现场测试以及数值模拟研究相结合的方法,对深部矿体采用分段空场嗣后充填法的采场结构参数进行分析与模拟。首先,通过对井下不同岩体进行取样实验与工程地质调查,获得不同岩体的岩石力学参数与节理裂隙参数,采用RMR法与BQ法进行岩体分级,开展岩体质量评价,评估矿岩稳定性。其次,采用Mathews图法,确定了铜绿山铜铁矿现有赋存条件下的采场结构参数合理范围。最后,利用Flac3D三维数值模拟软件,对开采过程进行仿真模拟,结合采矿过程中的应力、应变等的变化,分析采场的稳定性,验证采场结构参数的合理性。

较破碎岩石地基中嵌岩桩竖向承载力分析

嵌岩桩的分析基于桩端置于完整岩体中的研究较多,而本文更偏向于较破碎岩体中的桩的竖向承载力分析。结合武汉某高层项目现场静载荷试验,对较破碎岩体中的嵌岩桩承载力进行分析,研讨此类岩体中桩基的承载性状。结果表明:较破碎岩石中嵌岩桩的Q-s曲线呈陡降型,桩顶沉降主要由桩身压缩引起,达到了90%以上;在有效桩长范围内,桩身轴力随埋深增加呈递减趋势;侧摩阻力分布曲线呈“上小下大”,其发挥具有异步性;极限荷载下,试桩端阻比平均值为30.59%,呈端承摩擦型桩特性。此外,通过对嵌岩段承载力进行修正,提出了较破碎岩体中嵌岩桩的承载力计算方法,并通过实例验证的结果与实测值相差较小。试验成果可为较破碎岩体中桩基设计提供借鉴。

不同压实时间破碎岩体注浆加固机理研究

不同压实时间下的破碎岩体注浆后表现出的力学特性不同,为研究不同压实时间破碎岩体注浆加固机理,采用理论分析、实验研究、总结归纳的方法得到了加压条件下注浆体试件成型效果及破坏形态。实验表明,注浆体经过3 d的0~3 MPa预压成型阶段后,在2~14 d纵向排水梯度时间下试件含水率在8%~12%内递减,且随着排水天数的增加,注浆体试件整体含水率曲线趋于平缓,降幅减小。随着排水天数的增加,注浆体试件单轴抗压强度也逐渐增大。采用最小二乘法建立注浆体单轴抗压强度与其含水率的线性回归方程,注浆体的含水率随着其单轴抗压强度的增加而降低,呈近似线性关系。

破碎岩体中盾构施工掌子面安全系数计算方法研究

为解决由于破碎岩体造成的盾构施工过程中隧道掌子面失稳破坏的风险,基于强度折减理论、修正椭球体理论和极限平衡安全系数理论,结合有限差分计算软件,提出一种破碎岩体中盾构施工掌子面安全系数计算方法,并对该计算方法的可靠性进行验证。研究结果表明:1)强度折减法适用于破碎岩体中盾构施工掌子面安全系数的计算;2)破碎岩体发育程度、掌子面支护压力对掌子面的安全系数影响很大。

破碎、较破碎岩体渗透系数与埋深关系的研究——以某石灰石矿山为例

岩体的渗透性与其埋深关系紧密,一般表现为岩体的渗透性随埋深增加而逐渐减小的规律,本文开展破碎、较破碎岩体随单一埋深关系的渗透系数研究,采用负指数相关性模型和幂次函数模型对丽江古城某石灰石矿山在地表浅部55 m深度范围进行的5次压水水样数据进行拟合相关模型计算参数,发现幂次函数模型的相关性(R=0.9165)比负指数模型相关性(R=0.8842)优越。并根据拟合参数与CHEN Y F(2018)通过我国西南地区12个大坝上万组注水试验数据得出的拟合参数进行对比,得出基于常数头注水试验在地表以下较浅深度段的渗透系数可以代替地表渗透系数,采用多段不同埋深渗透系数拟合K 0时宜采用负指数相关模型,确定地表渗透系数后或已知地表渗透系数的情况下宜采用幂次函数模型预测不同深度渗透系数。

金山店矿松软破碎岩体采准工程合理布置

金山店矿东区Ⅱ号矿体下盘近矿围岩松软破碎,原设计的下盘开拓和采准工程破坏严重,报废率高。结合矿山无底柱崩落法开采现状,提出了上盘沿脉凿岩联巷和沿走向长凿岩进路2种采准工程优化布置方案。通过对比井巷工程量、中深孔工程量、掘进成本、井巷工程施工周期、支护成本、回采周期等,进行技术经济评价,从而确定相对合理的采准工程布置方案。优化后的采准方案较好地规避了松软破碎围岩,同时具备较高的开采效率。

城市基坑富水破碎岩体注浆加固技术研究

在城市地下基坑开挖过程中,由于地下水和工程地质条件的影响,普通注浆材料对破碎岩体地层的加固效果较差。本次研究利用改性聚氨酯粘合剂对普通快硬性水泥注浆材料进行改良,室内制备了改性聚氨酯/水泥基新型复合注浆材料,并对其展开了综合试验研究。研究表明:(1)掺入改性聚氨酯粘合剂后,注浆材料的扩散半径和抗压强度会逐渐降低,但流动性及承载能力依然在良好的范围内;新型复合注浆材料的初凝时间和终凝时间得到了大幅改善,不同MP材料浓度条件下,新型盾构注浆浆液初凝时间分别为21 min、18 min、12 min、10 min以及8.5 min,终凝时间则分别为117min、91min、66 min、57 min以及42 min;(2)随着MP材料浓度的增大,碎石土注浆结石体试样的渗透性逐渐减小。利用纯水泥注浆材料注浆加固的结石体试样的渗透系数为2.01×10^(-9)cm·s^(-1),随着MP材料浓度的逐渐增大,结石体的渗透系数分别降低到1.79×10^(-9)cm·s^(-1)、1.68×10^(-9)cm·s^(-1)、1.61×10^(-9)cm·s^(-1)以及1.55×10^(-9)cm·s^(-1);(3)当养护时间较短时,新型复合注浆材料对碎石体的加固效果不断增强,结石体的抗压强度和抗折强度也不断提高,而当养护时间足够长时,随着MP材料浓度的不段增大,结石体的抗压强度和抗折强度均呈现出先增大后减小的变化趋势。

采煤工作面过断层超前治理技术研究

某煤矿F116断层斜穿5302采煤工作面,在断层影响区内煤岩体破碎、稳定性较差,断层是制约5302采煤工作面高效回采的主要因素。为提高该矿采面过断层效率及安全保障能力,依据断层产状以及赋存参数,提出在进、回风巷内布置钻场、在钻场内施工深部钻孔向断层影响区进行注浆、在回风巷内施工平行钻孔进行浅部注浆、对超前注浆方案进行设计并进行工程应用。现场应用后,5302采煤工作面在过F116断层期间保持4.8 m/d推进速度,顶底板及煤壁围岩、液压支架等始终保持稳定,现场取得较好应用成果。

工作面过顶板易冒区注浆加固技术研究

为确保回采安全,提出使用注浆加固方式对工作面易冒区破碎煤岩体进行加固。以8103综采工作面为工程实例,对注浆加固钻孔布置参数进行设计,并在采面检修期间进行加固。现场应用后,工作面回采过易冒区时未出现顶板冒落、煤壁片帮等问题,同时采面仍保持4.0 m/d速度推进,现场取得较为显著的应用成果。

近地表破碎盲矿体回采方案研究与优化

为了安全高效的回收资源,以阿舍勒铜矿新探明的高品位锌矿体为例,开展回采方案研究工作。根据矿体赋存状态和工程地质条件,初步提出上向进路充填法、上向水平分层充填法和分段凿岩分段出矿空场嗣后充填法三种回采方案。通过采切比、回采工艺、经济技术指标和安全可靠性等因素对比分析,结合模糊综合评判法确定上向进路充填法为最优回采方案。为克服进路法产能较低的缺点,提出以RQD岩体质量分级为基础的组合回采方案:Ⅱ~Ⅲ级岩体采用分段凿岩分段出矿空场嗣后充填法,IV~V级岩体采用进路法。最后,最大化利用矿山现有工程,设计经济合理的开拓系统。

富水破碎岩体帷幕注浆模型试验研究

利用自主研制的三维注浆模型试验系统,开展富水破碎岩体多孔分序帷幕注浆试验,获得注浆扰动下岩体多物理场演化规律:1被注岩体总压力及孔隙水压力变化强烈,历经急剧增长—峰值波动—渐进衰减—趋于稳定的变化阶段;2破碎岩体内部,浆液在隧洞拱顶和拱底位置发生优势劈裂扩散,同时引起洞周收敛位移;3注浆作用下破碎岩体压缩释水导致渗透性能显著降低,表现为分序注浆试验中超孔隙水压力激发程度逐次大幅提高。帷幕注浆试验结束后,揭露、分析了加固体内部特征,研究破碎岩体加固范围非均匀变化规律,归纳总结松散破碎岩体及泥质软弱岩体对应的渗透–劈裂型及微劈裂型两类注浆加固模式,揭示了劈裂浆脉形成的多重注浆叠加机制。基于以上研究工作,利用扫描电子显微镜(SEM)分析固结岩体微观特征,研究表明浆脉–黏土界面具有三维结构,可划分为渗透型和微劈裂型两种类型,网络状微型浆脉的锚固作用增大了界面粗糙度和强度;界面靠近黏土一侧发育损伤裂纹,推测为固结岩体物理力学条件突变位置,为加固岩体潜在破坏环节。研究成果补充和完善了室内注浆模拟试验方法,探索了多孔分序帷幕注浆试验中浆液扩散规律及注浆加固机理,为类似地质环境下岩体注浆提供了理论支撑与技术指导。