西(宁)成(都)铁路高地应力节理发育软岩地层隧道支护体系研究

为保证西成铁路高地应力节理发育软岩大变形隧道安全修建,采用现场勘察、室内试验、地应力测试、工程类比、数值模拟等方法展开研究,结果表明,西成铁路与毗邻兰渝线地质条件类似,均以二叠系、三叠系板岩与砂岩为主,层理清晰、节理裂隙发育,地应力以水平主应力为主导,水平主应力在10~30 MPa之间,竖直主应力在4~13 MPa之间,有较强水平构造应力作用,兰渝线控制围岩变形主要采用增加预留变形量、自进式长锚杆、钢花管加固、增加初支及衬砌刚度、钢纤维喷射混凝土等技术措施。在此基础上针对西成铁路节理发育软岩大变形主要发生在垂直节理倾角方向上的特点,提出首先增大矢跨比,然后增大钢拱架刚度,对于Ⅲ级大变形在垂直节理方向设置预应力锚索的非对称大变形隧道支护体系,该支护体系相比传统支护体系能够减小13.8%~21.2%软岩变形,对于控制节理发育软岩变形效果良好。

我国矿产资源综合利用现状评估与发展路径

我国各类矿产资源储量规模和结构不均衡,大型单一富矿不足,共伴生、低品位矿多,这种资源禀赋特点决定了必须走综合利用的发展路线和模式。经过多年努力,我国已形成全球最完整的矿产资源勘查、采选、冶炼、加工和应用产业体系,综合开发利用水平显著提升,油气采收率高位平稳,煤炭平均开采回采率达到70%,铁矿开采回采率和选矿回收率保持在80%左右,有色金属矿种采选指标稳中有升,尾矿废石综合利用步伐加快,缓解了生态环境压力。我国矿产资源供应能力基本保持稳定,为经济社会发展和平稳运行发挥了重要保障作用。近年来,矿产资源供需矛盾依然十分突出,部分矿产增储上产乏力或有下降趋势,产业链上游压力增大,大力提升矿产资源综合利用水平是保障我国资源安全供给的必然选择,也是推进矿业领域生态文明建设和高质量发展的必由之路,更是培育发展矿业新质生产力的重要载体和抓手。本文较为客观地评价了我国矿产资源综合利用基本现状,分析了存在的问题与挑战,认为我国矿产资源综合利用潜力大、前景好,并提出了全面构建矿产资源综合利用五大支撑体系的发展路径。

TBM隧洞围岩分级方法及支护体系研究

目前TBM隧洞设计施工主要采用基于矿山法的围岩分级方法,但由于TBM法与矿山法隧洞施工存在很大差异,传统矿山法的围岩分级方法难以适用于TBM施工。为解决该问题,依托北疆供水二期工程,综合考虑围岩稳定性和围岩可掘性,选取围岩基本质量指标BQ、岩石单轴饱和抗压强度Rc、岩体完整性系数KV和岩石磨蚀性指数CAI作为评价隧洞围岩性质的主要指标,统计18台TBM集群施工收集的近3000组BQ、Rc、KV等岩性指标数据,分析各项岩性指标与纯掘进速度PR及安全系数FS的变化规律,将TBM隧洞围岩分为Ⅰ~Ⅴ级共10个亚级。在此基础上,分析了敞开式TBM的施工特性,进而采用数值模拟方法,对各级围岩在不同支护参数下的稳定性进行对比分析,提出了适用于北疆地区水工隧洞各级围岩的隧洞支护体系及支护参数,共形成7套支护体系设计图,并结合现场实际工程对本文提出的围岩分级支护体系进行验证。现场监测数据表明,本文提出的TBM隧洞围岩分级支护体系有较好的适用性。

基于Mohr-Coulomb准则隧道围岩-支护体系协同作用下支护强度分析

确定围岩-支护结构体系动态协同变形关系是地下工程支护需要解决的关键问题之一。运用Mohr-Coulomb准则推导隧道开挖支护后围岩径向变形与支护结构径向变形的协同方程,探讨Ⅳ级围岩塑性半径、围岩位移及支护刚度随支护强度的变化关系;并运用FLAC3D数值模拟验证协同变形方程的合理性和有效性。结果表明,围岩-支护结构体系协同变形方程能很好地反映围岩位移和塑性区半径随支护强度变化的关系,且相互关系是非线性的。支护强度为0.75 MPa时,理论计算拱顶沉降为18.9 mm,数值模拟拱顶沉降为21.6 mm;支护强度为1.5 MPa时,理论计算拱顶沉降为11.2 mm,数值模拟拱顶沉降为11.1 mm,表明围岩-支护结构动态协同变形方程的有效性。针对Ⅳ级围岩在采用超前支护和交叉中隔壁法(cross diaphragm,CRD)施工时,建议支护强度设计为0.75~1.5 MPa,支护刚度设计为59.8~375.0 kN/mm。

基于泡沫混凝土和U型钢的煤矿巷道支护体系研究

针对煤矿软岩大变形巷道,提出了由钢网、锚杆、锚索、喷射混凝土、可压缩U型钢、泡沫混凝土阻尼层、裂隙岩缓冲层组成的组合支护体系。运用了数值分析和现场监测的技术手段。数值分析结果表明,泡沫混凝土能吸收围岩的大部分变形,U型钢的收缩率显著降低,U型钢的平均轴力与泡沫混凝土厚度呈二阶方程关系。在工程实践中,当泡沫混凝土厚度超过30 cm时,阻尼效应不再明显。现场监测结果表明,围岩位移及U型钢受力在组合支护体系初始阶段20 d内均呈增大趋势,但增大趋势减弱。

柳梧铁路某隧道初期支护体系研究

针对高地应力软弱围岩变形大、混凝土层裂开、钢架弯曲等破坏现象,以柳梧铁路某隧道为例,分析了高地应力软弱围岩对初期支护的不利影响,通过现场监测和数据分析,揭示了某铁路隧道内围岩压力的空间分布规律和时间演变特性,以及初期支护体系及构件的变化情况,探讨了围岩压力在开挖过程中的变化阶段和敏感性特征。

软弱围岩浅埋大断面公路隧道支护结构参数比选

以乐汉高速为工程背景,借助有限元软件MIDAS分别构建地层结构模型和荷载结构模型,研究不同支护参数下隧道围岩变形及结构受力特征,结合结构安全系数,比选出隧道最为合理的支护体系。研究结果表明,不同初支厚度下结构受力均呈现边墙>拱腰>拱顶的分布规律,围岩变形呈现仰拱>拱顶>拱腰>边墙的分布规律,随着初支厚度的增加,结构受力及围岩变形均逐渐降低,但跌幅较小,在15 cm厚初喷C25支护下结构受力及围岩变形均满足工程要求。对于软岩浅埋公路隧道,结构安全系数最小值位于隧道拱顶,且随衬砌厚度增加而逐渐提高,采用45 cm,55 cm,65 cm厚C30钢筋混凝土结构安全系数及裂隙宽度均满足规范要求,为了节省经济,减少工程投资,二衬可选择45 cm厚C30钢筋混凝土。

顶管掘进机新型支撑推进与回拉机构的设计与应用

城市地下管道顶管施工中,通常会遇到需要将预制水泥管回收再利用的问题,同时希望顶管机施工过程中,中间换刀的空间能够更大更安全,而传统的中继间结构目前无法实现。为了解决这一施工中的难题,设计了一种带支撑调向机构的特殊中继顶进系统,该特殊中继间结构通过在传统中继间基础上增加前后撑靴结构,实现中继间系统既能向前推进又能向后回撤,从而达到将预制水泥管顶出再利用以及将刀盘回拉增大前端换刀空间的目的。

固体充填开采支架与围岩关系研究

分析了充填开采支架与围岩关系和上覆岩层移动特征,确立顶板载荷估算方法,并通过充填开采实例进行验证。研究表明:充填工作面周期来压步距大,来压强度不明显;直接顶随着工作面推进逐渐冒落,垮落步距相比于普通综采工作面显著增大;基本顶以缓慢下沉形式发生弯曲变形,上覆岩层移动范围明显减小。支架高工作阻力可以控制顶板的下沉量,保证良好的充填效果,进而减小覆岩破坏高度,控制地表变形。

高应力软岩巷道可接长锚杆让压支护技术

高应力软岩巷道的塑性区范围和变形量均较大,其稳定型控制需要支护材料具备良好的延伸性能及深部锚固特性。基于'高阻让压'而研发的可接长锚杆长度大于4 m、延伸率为17%,破断载荷为195 kN,能够适应此类巷道的变形破坏特征。根据支护材料和围岩的变形破坏特征,分别建立了可接长锚杆和'锚杆+锚索'支护系统的本构模型,结果表明:为保证支护结构稳定,避免支护系统本构模型失稳后应变量剧增,支护系统本构模型的应变上限不能超过支护元件的最大应变量;可接长锚杆能够能提供远大于锚索的让压距离,保障软岩巷道支护系统的支护强度和稳定性。试验条件下,可接长锚杆的平均支护阻力约为170.2 kN,顶板0~4 m内围岩理论变形量为264 mm,与工程实际变形量比较接近,起到了对高应力软岩巷道顶板的让压支护的目标。

大倾角煤层长壁大采高综采支架动态载荷特征分析

针对大倾角煤层大采高工作面支架受载特征复杂、对工作面围岩稳定性控制影响大等问题。采用现场实测与理论分析相结合方法,研究了大倾角煤层大采高开采过程中,支架瞬态与长时载荷变化规律,结果表明:正常回采阶段与来压期间,工作面循环初期和循环末期支架载荷均呈现出倾斜中部较大、下部次之、上部最小的特征,工作面载荷分区特征更为明显,支架受载不均衡程度表现出后柱大于前柱、循环末期大于循环初期、来压期间大于正常回采阶段;与一般采高大倾角煤层工作面相比,支架受力多变程度明显增加,工作面倾斜上部区域尤为明显,初次来压与周期来压步距均明显减小,来压强度则明显增大,支架阻力整体增加。

隧道支护结构体系及其协同作用

隧道支护结构体系是围岩稳定性控制的关键,也是隧道设计的基本任务,而对支护结构之间相互作用过程和机制的系统认识则是定量化设计的基础.本文从隧道围岩结构性和支护作用的本质特征出发,提出隧道支护具有"调动"和"协助"围岩承载的基本作用,明确了二者的功能分配原则和实现方式,即分别通过超前支护的保障作用、初期支护的核心作用和二次衬砌的安全储备作用共同完成;针对围岩的正面挤出、前倾式冒落和后倾式冒落等三种超前破坏模式,分别给出了相应的超前支护方式和支护效果评价方法;提出初期支护作为隧道围岩附加载荷的主要承担者,包括锚固体系与拱架及喷射混凝土结构,分别通过"调动"和"协助"围岩实现其承载功能,且同时具有"支"与"护"的作用;阐明了二次衬砌结构作为安全储备功能的内涵,建立了二次衬砌结构的载荷分担比率与刚度匹配性、支护时机的关系,并据此给出了二次衬砌结构参数和施作时机的建议值;建立了以围岩变形量S最小和协同度ξ最优为目标,基于超前支护、初期支护和二次衬砌与围岩相互作用三阶段的协同支护优化模型,明确了支护结构体系与围岩、不同支护结构之间以及支护结构要素之间三个层次的协同关系,并提出了隧道支护结构体系协同优化设计方法.

超前液压支架与围岩耦合支护系统及其适应性研究

为解决工作面采动应力影响范围内动压巷道的支护难题,采用数值模拟和现场监测相结合的研究手段,分析采动应力影响范围和分布规律,得出了东滩煤矿深部综放工作面沿空巷道超前支承压力影响范围宽为45-68 m;榆神矿区坚硬完整围岩大断面巷道超前影响距离为20-30 m,相对剧烈影响段在20 m内。提出＂低初撑、高工阻＂非等强耦合支护理念和超前支护设计原理,并采取凹凸型顶梁结构、增大移架步距、带压擦顶移架、交替迈步自移、增设调架机构等措施,使超前加强支护系统与锚网索支护系统相匹配,实现超前支护系统与围岩强度耦合、结构耦合以及稳定性耦合,增强系统适应性,达到协同支护的目的。同时,研制出适应不同开采技术条件、不同开采方式的一系列超前液压支架,并在多个矿区推广应用,取得了良好使用效果。

采矿巷道围岩支护设计专家系统

本文在收集、总结和分析大量资料和经验的基础上,全面研究了各因素与支护型式之间的关系,提出了合理进行采矿巷道围岩支护设计的基本观点和原则,在SUN 386计算机上用Turbo Prolog智能推理语言开发了采矿巷道围岩支护设计专家系统(称作MSDES),利用该系统对程潮铁矿等矿区的部分巷道进行了支护设计咨询,结果令人满意。

基于RES的地下巷道工程稳定性全耦合分析方法

针对地下巷道工程稳定性问题,基于岩石工程系统(RES)理论,提出了全耦合分析法及优化设计思想。首先简要地叙述了全耦合分析过程的思想及流程,并在收集的27个样本的基础上,应用神经网络编码法建立了地下巷道工程的综合交互作用矩阵(GIM),分析了主要因素影响和作用机制。根据本巷道工程系统的稳定性能分析结果,提出了稳定性评价参数,给出了稳定状态范围。针对沙曲煤矿顺槽进行了优化支护设计举例,并用Q系统岩体质量评价法对其进行对比分析及验证。现场监测及对比分析结果表明,提出的全耦合分析法对稳定性分析及支护设计方法有实用价值。

冲击载荷作用下巷道支护围岩体系动力响应

为提高深部巷道支护围岩体系的安全性,应用FLAC3D软件分析了井下巷道在冲击载荷作用下的速度响应和应力、位移演化规律,以及冲击波在支护围岩体系中的传播及衰减规律.结果表明:冲击波作用下,巷道两边帮最大水平速度达1.6m/s,U型钢支护使巷道整体支撑能力增强,同时减小了巷道变形.通过数值计算研究冲击载荷对巷道稳定性的影响,有助于进一步认识冲击载荷对深部巷道支护围岩体系作用机理.

JS复合型软岩顶板条件下煤巷锚网支护技术

基于现场实践及工程地质调查,结合工程地质理论与大变形力学原理,确认了镇城底矿煤巷顶板具有节理化软岩的特点,并具有膨胀型和结构变形型的复合型变形力学机制.应用有限差分程序FLAC2D,进行了软岩顶板复合型变形力学机制向单一型转化的力学对策和支护参数优化的模拟分析,提出了锚网索联合支护形式和支护顺序.经现场工业性试验,成功解决了在采动压力下煤巷软岩顶板难以支护的难题.

大倾角煤层综采面围岩控制机理及回采技术

在对大倾角煤层开采矿压显现及岩层移动特征分析的基础上,结合现场实测,提出了大倾角工作面支架-围岩相互作用关系,并对大倾角综采工作面支护系统稳定性进行分析。以新庄孜煤矿56104首个综采面为例,从顶底板的稳定性控制和支架固有的结构参数设置两方面入手,对大倾角综采工作面关键回采技术进行研究,保证了大倾角综采工作面的安全、高效生产。

软岩巷道喷锚网——弧板复合支护试验研究

本文叙述的是在松软泥岩巷道中采用喷锚网—钢筋混凝士弧形板复合支护的工程实例。对一、二次支护的设计原则,时间和空间的匹配和施工顺序等进行了分析,并扼要叙述了关于弧形板强度、尺寸、接头形状、垫板材料和充填材料等的实验研究成果。

高速公路小净距隧道合理净距的探讨

结合京福高速公路三明—福州段小净距隧道工程实践 ,对II类围岩在相同埋深(H =30 .0m)、相同支护措施、不同净距 (L =3.0m～ 8.0m)条件下 ,隧道围岩 -支护结构体的屈服接近度、隧道周边典型位置的位移及中夹岩位移进行了数值模拟研究。数值分析结果表明 :当采用侧壁导坑法施工时 ,隧道中夹岩的优化合理净距为L =8.0m ,如对中夹岩下部左、右脚进行加强支护 ,L =6.0m也是较合理的 ;当采用台阶 -侧壁导坑组合法施工时 ,中夹岩合理净距也应取L =8.0m ,如对中夹岩上、下部进行加强支护 ,取L =7.0m和 6.