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。

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。

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。

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。

软岩大变形隧道不同支护模式的合理性探讨——以木寨岭公路隧道为例

高地应力隧道修建过程中软弱围岩大变形灾害问题极为突出,虽经支护能得到一定程度的治理与改善,但实际工程中支护模式的选择仍是一个难题。首先,总结当前软岩大变形隧道中常用的支护模式,即强力支护、预应力支护和让压支护,并根据支护体系承载特性的不同,将上述3种支护模式划分为主动型支护和被动型支护2类。然后,基于不同支护强度下隧道开挖后围岩变形规律,探究被动支护模式的适用性,提出以挤压因子Nc为控制指标的被动与主动支护模式选用依据,即当挤压因子Nc≥0.2时,现行的强力支护模式能够对围岩进行有效支护,而Nc<0.2时,可根据现场围岩变形情况考虑采用主动支护模式;同时,基于锚固体系材料特性进一步分析主动支护适用性范围可知,当施加预应力不超过200kN时可采用预应力锚杆系统,超过200kN时则建议采用预应力锚索系统。接着,基于预应力锚索系统提出以索体延伸率εa为控制指标的主动与主动-让压支护模式选用依据,即索体工作状态延伸率εa不超过2.3%时可采用主动支护,超过2.3%时则建议采用具有更大变形能力的主动-让压支护模式。最后,依托木寨岭公路隧道典型大变形区段,基于上述支护模式的选用依据选取适宜的支护模式,并开展相应支护模式下的现场试验,试验结果一定程度上验证了选用依据的可行性。

超大断面通航隧洞软弱围岩及支护体系受力变形特性研究

文中以开挖面积为604 m 2的超大断面清水江通航隧洞为研究对象,以数值分析手段模拟超大断面软弱围岩隧道施工过程中围岩及支护体系受力变形特性。研究表明,隧洞开挖过程中,拱顶围岩变形影响区域较边墙大,但边墙处围岩受剪应力较拱顶围岩更高;采用长锚杆加固拱顶围岩,可取得较好效果,但长锚杆对边墙围岩加固作用不明显,边墙处更适宜采用短锚杆;隧洞临时支撑拆除前,下导坑临时侧壁弯矩、轴力急剧增大,接近屈服破坏;临时支撑拆除后,主洞初期支护受力明显增大,拱部和仰拱以受弯为主,边墙以受压为主,受力最不利位置为拱脚。

活动断裂影响区隧道高地应力软岩大变形特征分析及支护体系研究

为解决活动断裂影响区隧道建设过程中支护变形、开裂、破坏等问题,依托华丽高速东马场1号隧道进行研究。该隧道穿越程海—宾川活动断裂,施工过程中初期支护表现出变形量大、初期变形速率大且不易收敛、变形持续时间长、变形破坏不均匀等特点。受程海大断裂影响,隧址区地质构造应力水平高且以水平构造应力为主,断裂影响范围超过2 km。通过监测数据与试验结果分析,结合已开挖段隧道支护变形、开裂、破坏等情况,提出“长短结合、主动控制、分层支护、及时成环、预留内空”的综合支护体系。现场监测数据分析发现:1)优化方案实施后,累计沉降平均值增加了12.46%,累计收敛平均值增加了26.57%,这是由于工序增加、工序消耗时间长引起的。2)实施优化方案后围岩变形主要集中在第1层初期支护阶段,该部位本身开挖产生的变形值占总变形值的70%,其余部位开挖产生的变形值占总变形值的30%;第2层初期支护及仰拱施作后,变形速率明显降低,二次衬砌浇筑前变形速率可控制在0.8~1 mm/d。

云临高速大亮山隧道高地应力软岩大变形处治关键技术

为解决高地应力软岩隧道建设过程中初期支护变形、仰拱隆起、二次衬砌压溃等问题,依托云临高速大亮山隧道展开大变形处治关键技术研究。该隧道大变形段具有如下特点:1)初期支护变形累计变形量大、变形速率高、持续时间长;2)仰拱隆起病害段落长、隆起高差大、受水影响大;3)二次衬砌开裂破坏形态为压溃式破坏、破坏位置位于拱肩和拱顶、破坏时机为突发性破坏、破坏时间为滞后二次衬砌浇筑数月等。通过对大亮山隧道软岩大变形段的地质条件、破坏特点、变形特征及补勘结论等方面综合分析,采用理论分析、工程类比、数值模拟和现场实测等手段,提出仰拱曲率优化-初期支护双层钢架-二次衬砌加强衬砌-洞周限位锚杆等措施的大变形处治设计方案后,开展试验段施工和研究。试验成果表明:1)试验段累计施工323 m,平均月进尺约43 m;2)试验段支护方案较原设计方案,初期支护最大周边收敛值由1.4 m减小至0.30 m,最大拱顶沉降值由0.80 m减小至0.52 m,日均变形量由7 cm减小至1~2 cm;3)隧道大变形得到有效控制,初期支护无开裂、掉块,仰拱及二次衬砌未出现病害;4)结合监测数据及现场情况,经分析总结试验段的综合支护体系方案较合理,大变形处治关键技术总体较成功。

铜坑矿92号矿体巷道顶板岩体质量评价

以铜坑矿92号矿体+392 m中段某运输巷道为例,首先划分试验区并调查所需现场数据,然后采用MRMR岩石质量分类系统对巷道顶板岩体评分并确定其质量等级,最后基于分级结果给出合适的巷道顶板支护措施建议。结果表明,RMR法评分为50,属于III级岩体,修正后的MRMR方法评分为29,属于IV级岩体,由现场结构面调查情况可知,MRMR方法分级结果与实际情况更相符。

准东二矿大巷及工作面顺槽支护系统抗冲击能力校核

巷道围岩支护能力不足易导致冲击地压的发生,支护系统抗冲击能力成为矿井安全高效开采亟待解决的问题。以国家能源集团准东二矿巨厚强冲击倾向性煤层为例,运用支护系统防冲能力计算原理,完成并评估了大巷及1101工作面顺槽支护系统的抗冲击能力,同时确定了1101工作面超前支护长度。研究结果表明:大巷及工作面顺槽帮部支护能力均大于顶板,支护系统均能够承受弱冲击危险性事件的发生;1101工作面动压影响范围为150 m,结合冲击地压防治工作对工作面超前支护范围不得小于120 m的要求,认为1101工作面超前支护长度为150 m较为适宜。研究结果为矿井冲击地压防治及巷道支护优化提供依据。

深埋隧道围岩应力圈层传递理论及支护体系设计方法

深埋隧道围岩应力是一个涉及多因素的复杂问题,同时也是隧道工程研究的热点问题。基于深埋隧道围岩应力圈层传递理论,将隧道围岩离散为若干个圈层,每个圈层即是荷载也是结构,均可承受围岩达到极限强度时的径向应力及切向应力,分析不同围岩级别及隧道跨度条件下围岩应力和塑性区范围的变化规律。研究结果表明:深埋隧道围岩应力圈层传递理论揭示了隧道开挖与支护过程中应力的传递过程,为隧道开挖工法与支护结构的设计提供理论基础;根据圆环受内外径向压力时应力的计算函数和围岩强度模型,可获得各个圈层切向和法向应力的递推公式;采用递推公式计算出各圈层塑性和弹性切向应力,并等比例绘制在隧道围岩应力分布图中,根据围岩受力平衡的基本原理,分析隧道开挖前后围岩塑性和弹性切向应力的图形面积,可确定隧道塑性区的分布范围。

综放首采工作面异常矿压显现分析及控制措施

矿井首采工作面的矿压特征往往因缺乏相应数据和经验而存在较大不确定性,针对9102工作面的具体地质生产条件和面临的围岩支护难题,在汇总大量观测数据与资料的基础上,对工作面常规情况及异常情况下的矿压显现特征进行分析,进而依据具体的矿压显现特征设计了9102综放工作面采场围岩控制体系,制定了相应围岩控制措施。现场实践效果表明,工作面推采过程中仅发生局部轻度片帮冒顶事故,未发生大范围严重冒顶片帮事故,保障了工作面的安全生产。

彬长矿区冲击地压防治技术体系及远景目标

彬长矿区作为黄陇煤炭基地的主力矿井,承担“西煤东送、北煤南运”的重要角色。以彬长胡家河煤矿冲击地压防治为例,通过对矿井主控岩层判定,建立了井上下三维立体分区式冲击地压防治技术体系。同时围绕主控岩层的控制,以“绿色开采+冲击地压防治”为目标,提出主控岩层“上承下压”与柔模支护置换煤柱的井上下综合冲击地压防治思路。实践结果表明,胡家河煤矿4号煤层冲击现象由深埋、褶曲、断层、煤柱、底煤留设等因素形成了冲击的静载荷积聚与大采场扰动和主控岩层断裂所产生的冲击动载共同形成作用;通过井上下三维立体分区式冲击地压防治技术,有利于对冲击地压在力源、传播路径、显现区域的控制,弱化了冲击地压发生的强度。

U型钢支架支护状态下巷道围岩变形特性

为了解U型钢支架支护时巷道围岩的变形特性,基于非接触式近景摄影测量系统,从宏观和微观两方面研究了不同竖向荷载作用下巷道围岩模型的裂纹产生过程,并对U型钢支架支护作用下巷道围岩的荷载应变关系进行深入分析。结果表明:竖向荷载作用下应力集中区主要分布在围岩模型的顶部和左右两侧的上部;巷道顶板受拉应力作用,随着竖向荷载的不断增加,围岩模型顶板拉应变不断增大;巷道两侧受压应力作用,随着竖向荷载的增加,巷道两侧上部的压应变值也不断增大,但增长速度较缓慢。可见,实际工程中U型钢支架支护状态下巷道围岩应加强顶板和左右两侧上部的变形监测,保证采煤通道的安全使用。

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。