A new method determining safe thickness of karst cave roof under pile tip

Cave roofs are used to support pile foundation in many engineering projects. Accurate stability analysis method of cave roof under pile tip is important in order to ensure the safety of the pile foundation structure. Firstly the mechanical model to analysis the stability of cave roof under pile tip is founded aiming to solve the problems that the simplified mechanical model has. Secondly, the boundary of cave roof is simply supposed to be supported according to the integrity of the rock mass in the boundary of cave roof. Thirdly, based on the theory of plates and shells, the simplified model is calculated and the theoretical calculation formula to determine the safe thickness of cave roof under pile tip can be obtained when the edges of the cave roof are simply supported. In the end, the analysis of the practical engineering project proves the feasibility and the rationality of the method which can be a new method to calculate the safe thickness of cave roof under pile tip.

Stability analysis of subgrade cave roofs in karst region

According to the engineering features of subgrade cave roof in karst region, the clamped beam model of subgrade cave roof in karst region was set up. Based on the catastrophe theory, the cusp catastrophe model for bearing capacity of subgrade cave roof and safe thickness of subgrade cave roof in karst region was established. The necessary instability conditions of subgrade cave roof were deduced, and then the methods to determine safe thickness of cave roofs under piles and bearing capacity of subgrade cave roof were proposed. At the same time, a practical engineering project was applied to verifying this method, which has been proved successfu1ly. At last, the major factors that affect the stability on cave roof under pile in karst region were deeply discussed and some results in quality were acquired.

An attribute recognition model for safe thickness assessment between concealed karst cave and tunnel

An attribute recognition model for safe thickness assessment between a concealed karst cave and a tunnel is established based on the attribute mathematic theory.The model can be applied to carrying out risk classification of the safe thickness between a concealed karst cave and a tunnel and to guarantee construction’s safety in tunnel engineering.Firstly,the assessment indicators and classification standard of safe thickness between a concealed karst cave and a tunnel are studied based on the perturbation method.Then some attribute measurement functions are constructed to compute the attribute measurement of each single index and synthetic attribute measurement.Finally,the identification and classification of risk assessment of safe thickness between a concealed karst cave and a tunnel are recognized by the confidence criterion.The results of two engineering application show that the evaluation results agree well with the site situations in construction.The results provide a good guidance for the tunnel construction.

桥梁荷载作用下巨型岩溶洞穴顶板稳定性研究

某高速公路桥墩基础完全置于巨型溶腔上部,通过定性、半定量、定量的方法对岩溶洞穴顶板稳定性进行综合分析评价,确定了桥型方案,然后通过地表变形监测,验证稳定性综合评价方法的合理性。

侧部承压溶洞与深埋隧道间隔水岩体安全厚度研究

为保证深埋隧道安全通过侧部高压富水溶洞区段,在隧道突水发生机制分析与隔水岩体最小安全厚度划分的基础上,结合突变理论、鲁宾涅特方程及相关工程经验对隧道边墙岩体安全厚度进行研究,导出最小安全厚度计算公式,建立突水判据,分析相关影响因素对隧道边墙隔水岩体最小安全厚度的影响规律。结果表明:隔水岩体最小安全厚度H_(min)与围岩力学参数弹性模量E、内摩擦角φ呈正相关,与溶洞水压力q_(w)、岩梁跨度L及隧道埋深h呈负相关;各因素对H_(min)影响程度由大到小依次为h、φ、E、L与q_(w),其中h与φ影响程度相近,E在超过3 GPa的情况下H_(min)变化趋于平缓,E的影响程度与L相近;结合有限元模拟结果和工程实例分析,验证了H_(min)理论计算公式及突水判据的准确性与可行性,对相关工程建设具有指导意义。

厚硬顶板刀把形采空区下综放工作面冲击地压机制研究

不规则的开采空间结构可增大煤矿冲击地压危险,研究多煤层复杂开采空间结构下工作面冲击机制对煤炭资源安全采出具有重要意义。综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究了某矿井W1123综放工作面的动静载分布特征,分析了冲击显现机制,提出了针对性的防冲措施并进行现场应用。结果表明,上覆刀把形采空区和厚硬顶板综合作用下W1123工作面动静载分布具有区域性特征,当工作面仅受到刀把形采空区的“刀柄”作用或同时受“刀柄”和“刀身”作用时,工作面中下部和区段煤柱静载集中、动载扰动剧烈,工作面回风巷围岩也存在动静载集中,且距离刀把形采空边界越近则围岩动静载越高;仅受“刀身”作用时,工作面回风巷围岩静载集中受动载扰动。工作面静载集中区和动载扰动区重合,动静载叠加造成冲击显现。依据刀把形采空区结构特征,W1123工作面回采期间冲击类型依次为强动载型、高静载强动载型、高静载型。数值模拟和现场监测揭示的冲击危险区与理论分析结果一致。针对W1123工作面静动载分布特征,优化设计了冲击地压防治措施,增大了厚硬顶板处理高度和破碎程度、增加了工作面运输巷煤体爆破和煤柱切顶以降低顶板和煤体应力和能量集中;优化措施实施后,工作面微震事件日均能量总体下降54%,大能量事件大幅减少,冲击地压危险显著降低。该研究结果可为相似条件矿井的冲击地压防治提供借鉴。

综采工作面顶板定向水力压裂技术应用

为解决主采煤层存在巨厚坚硬顶板,造成初次来压期间矿压显现严重,工作面局部支架压死的难题,对3104工作面地质条件进行分析,对目标层位实施定向水力压裂措施,并对初次来压期间工作面矿压显现、支架工作阻力变化情况进行观测、分析和对比,确定其初次来压步距。观测结果表明:在开展顶板定向水力压裂措施后,3104工作面基本顶初次来压步距30.8 m,相比原始状态顶板,减少54.9%。实践证明:对于上覆厚层坚硬顶板,通过定向水力压裂措施对顶板进行压裂是有效可行的工作面初次放顶技术。

近距离煤层厚硬顶板综放开采强矿压显现规律研究

针对厚硬顶板大采高综放工作面回采过程中强矿压的现象,以神东矿区某矿井近距离煤层厚硬顶板综放工作面为背景,通过现场实测和室内试验等方式,研究工作面矿压显现规律及覆岩破断特征。研究表明:(1)42105综放工作面老顶初次来压步距大,来压强度高,远超工作面支架额定工作阻力,工作面呈现出中部来压集中、强度高且较为频繁的特征;(2)近距离厚硬顶板下回采工作面时,重复采动下工作面覆岩破坏高度更大,尤其是上位关键层破断后带动下位关键层同时破断,并带动其控制的上覆岩层及上方采空区同步下沉,岩层载荷逐层向下传导至工作面,上下位关键层破断的协同作用,从而造成了工作面来压强烈。

岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响研究进展

基于岩溶区桩基承载性能问题,从研究方法、岩溶发育程度、影响因素3个层面对岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响进行介绍,并对其未来发展方向进行了展望。结果表面:①岩溶顶板稳定性对桩基承载性能影响研究方法有理论研究、现场及室内试验、数值分析;②对岩溶地区进行桩基础工程设计时需重复考虑该地区的岩溶发育程度;③岩溶顶板强度、岩溶顶板倾倒角度、岩溶顶板厚度为岩溶区桩基承载性能的主要影响因素;④实际工程缺乏实地观测和实测数据支撑,需要加强岩溶地区桩基与岩溶顶板之间的关系研究,还需要进行更多的室内试验和数值模拟分析,以深入研究岩溶顶板的形成机制和工程特性。

考虑裂隙影响的桩端岩溶顶板破坏形态与安全厚度

为了研究桩端岩溶顶板破坏形态和安全厚度受岩体质量的影响,借助离散元软件,建立含节理裂隙的岩溶顶板承载计算模型,揭示顶板损伤断裂破坏细观机制,明确含裂隙顶板破坏形态,以此为基础提出考虑裂隙影响的顶板安全厚度修正计算法。研究表明:完整岩体岩溶顶板表征出典型的脆性破坏,破坏临界位移仅为较破碎岩体的60%,对应的破坏荷载则大了67.5%,岩体裂隙会明显影响桩基安全冗余度的判断,实际工程应充分考虑;桩基荷载作用下含裂隙岩溶顶板发生渐进破坏,主要经历局部压缩、微裂隙闭合→新裂隙萌生、旧裂隙扩展→形成宏观裂纹并张开→生成贯通破坏面与断口,岩体割裂成块→破坏面发展,岩体割裂加剧→形成滑动带,顶板整体破坏;岩溶顶板因错综复杂分布的节理裂隙,其空间破坏形态并非遵循规则的椎台,也非以特定曲线为母线的旋转体,而是源于裂隙的空间不规则破坏体;提出了考虑岩体节理裂隙和桩基荷载作用的岩溶顶板安全厚度修正分析方法,与模型试验结果对比表明,修正计算具备合理性。

深埋隧道溶洞岩体防突层安全厚度研究

为防治深埋岩溶隧道开挖诱发的围岩突水灾害,文中依托巫镇高速笔架山隧道,在考虑溶洞水压条件下研究了充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离以及不同埋深时隧道围岩塑性区变化规律。研究结果表明,溶洞位于隧道底部时洞内水压对岩体支护作用最为显著,但该位置的防突层安全厚度受隧道埋深影响最大;溶洞位于隧道顶部时防突层安全厚度对隧道安全影响最大;防突层安全厚度随着隧道埋深的增大而增加;计算所得最小安全厚度为3.9~13.1m,在任意位置情况下,防突层安全厚度均随隧道埋深增大而增加,该预测模型可为隧道突水灾害防治提供参考。

煤矿综放工作面矿压显现规律与切顶压架预警指标分析

煤矿特厚煤层综放开采时受技术装备等条件限制,放顶煤时由于顶板松散程度较高难以形成稳定结构,导致工作面顶板更容易大面积切落,瞬间冲击支架,损坏液压支架结构,严重影响矿井安全高效生产。以不连沟煤矿F6218综放工作面为工程背景,通过实测数据分析了工作面支架初撑力、安全阀开启情况及工作阻力频率等支架基本工况,揭示了工作面矿压显现规律,建立了适合该矿的切顶压架灾害预警指标体系。结果表明:不连沟煤矿预警指标界限分别为循环增阻率40 kN/min、安全阀开启率50%、动载系数1.4、活柱下缩量500 mm、支架前柱不低于25 MPa,前柱合格率不低于90%;后柱不低于20 MPa,后柱合格率不低于90%。

特厚煤层综放开采邻空动压巷道围岩变形机理及卸压控制

受工作面采动叠加影响,特厚煤层综放开采邻空动压巷道极易发生冲击地压、巷道大变形等强矿压显现现象,是采掘过程中的重点防控区域。以榆神矿区曹家滩矿井特厚煤层综放开采为工程背景,分析了邻空动压巷道强矿压显现机理,研究了邻空巷道围岩倾向和走向支承压力分布力学机制,提出于邻空巷道进行定向张拉爆破切顶卸压巷道围岩控制,并运用数值模拟及现场试验等方法对该技术的作用效果进行了综合研究。结果表明,特厚煤层综放开采条件下,工作面开采大空间采空区长悬臂结构断裂后形成台阶岩梁块体长度较大,其滑落失稳或关键层失稳均会引发强动压,该动压作用在煤柱上并进一步传递至超前区邻空巷道围岩是造成底鼓大变形的主要原因。于邻空巷道内进行定向切顶卸压后,可减弱本工作面后方采空区顶板与煤柱间的承压,邻空巷道围岩应力向远离巷道方向转移,应力峰值降低,应力范围减小。现场开展了不同切顶方式下的现场工程试验,基于定向张拉爆破的深孔切顶卸压技术可有效减小特厚煤层工作面端头区邻空动压巷道的围岩压力,定向切顶后邻空动压巷道超前支架平均荷载降低11%,巷旁煤柱体应力峰值降低10%,巷内底鼓严重段平均变形减小65%,有效提高了巷道稳定性,为特厚煤层综放开采邻空动压巷道强矿压大变形控制提供了一种有效手段。

浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现规律及控制技术研究

针对榆神矿区曹家滩煤矿浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现强烈、强动载来压现象频发的问题,对工作面强矿压显现规律进行了研究总结。研究得出:工作面周期来压步距平均18.4m,来压持续距离平均11.5m,动载系数平均1.45,来压主要影响35#—125#支架,具有来压动载强、来压持续时间长、来压区域性明显、周期性出现强矿压等特点,工作面平均每间隔135m出现一次大周期来压,大周期来压时一般出现连续性强来压,并伴随支架安全阀大范围长时间开启(安全阀开启比例50%以上)、支架活柱持续性快速下缩(支架最大下缩量超过2.0m)等现象。为减小坚硬顶板带来的强矿压威胁,采用井下定向水平长钻孔区域压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前预裂。压裂后,工作面矿压显现强度明显减弱,未再发生顶板快速下沉的强矿压现象,顶板来压更加可控,支架工况得到明显改善,取得了良好的应用效果,对榆神矿区浅埋厚硬顶板工作面强矿压治理具有借鉴意义。

厚煤层复合顶板工作面上覆岩层“三带”发育特征研究

针对河南焦煤能源有限公司中马村煤矿厚煤层复合顶板在工作面开采过程中上覆岩层的裂隙发育变化规律,结合3906工作面的地质条件和开采工艺,采用理论计算和UDEC数值模拟相结合的方法对上覆岩层“三带”发育特征进行研究。结果表明:理论计算得到3906工作面垮落带的高度为42.8 m,导水裂缝带高度范围为73.03~93.87 m;UDEC数值模拟得到垮落带高度为36.8 m,导水裂缝带高度为73.30 m;理论计算和数值模拟结果与现场实测的结果基本一致,这也验证了研究结果的可靠性。

基于板壳理论的采空区顶板稳定性分析及应用

金厂河铅锌铜多金属矿主采区矿石资源消耗过快,D采区为主要补给矿块,铅锌品位低,充填掘进工程量多,充填难度大、成本高。针对金厂河铅锌矿D采区现存问题,运用弹性理论建立板壳结构力学分析模型,研究采空区顶板经历两次冒落而趋于稳定,计算分析不同方案下的采空区顶板的初始冒落高度分别为11~38 m、26~58 m、41~87 m,后续稳定冒落高度可达1.5~2.0倍采空区跨度。同时,依据采场参数和松散体特性,分析冒落67~100 m即可自然挤压冒落拱底板。为防治地表错裂塌陷,提出及时废石充填空区挤压临时矿柱,增强矿柱支撑能力和限制空区大范围冒落。以此设计空场法、留矿柱空场法和空场适时充填不同开采方案,通过空区顶板初始冒落高度、矿柱承载数值、回收矿量对比,推荐空场适时充填方案可保证D采区安全开采。

深埋串珠状溶洞的超高层基础设计案例分析

超高层建筑对地基稳定性、地基承载力和地基变形的要求非常高。2007年某市拟建超高层建筑,详勘揭露地表80 m以下地层中分布深埋串珠状溶洞,溶洞顶板厚度薄,串珠状溶洞在水平方向和垂直方向的分布情况及连通性等方面的不确定性较多,若建筑基础浅埋,则地基承载力无法满足设计要求;若建筑基础深埋,则因套管回收及溶洞处理等问题施工的可行性差。设计原则最终确定为基础浅埋方案,首先初步确定满足地基稳定性的前提条件,随后工程设计及施工各专业围绕单桩承载力问题进行讨论并修改专业方案,最终决定应用当时的创新工艺-灌注桩后注浆工艺解决单桩承载力问题。该工程终于在2010年得以推进。工程一期建成后平均沉降与不均匀沉降均很好地满足了规范要求。此次多专业技术联动是勘察设计施工技术一体化的一次成功尝试,相比目前质量进度管理一体化更具前瞻性,也是今后技术优化一体化的发展方向。

特厚煤层8.8 m超大采高综采面切眼放顶技术

上湾煤矿特厚煤层8.8 m超大采高12403综采面顶板不易自然垮落,在工作面初采阶段,易导致顶板初次垮落步距较大,在顶板大面积瞬间垮落时会产生强烈的强矿压和飓风现象,从而导致人员伤亡及设备损坏等。为了保证工作面初采阶段的安全生产工作,上湾煤矿通过引进井下定向长钻孔水力压裂工艺技术对切眼顶板进行预裂,同时配合切眼三角区强放技术,对特厚煤层8.8 m超大采高综采面切眼进行了初采放顶工作。实践表明:通过在上湾煤矿12403工作面进行煤层顶板定向长钻孔分段水力压裂工程施工,有效降低了顶板强度,缩小了初次放顶步距,为矿井安全高效回采提供技术保障,同时为大采高工作面初次放顶提供了治理经验。

巨厚煤层坚硬顶板抽冒型垮落岩层控制关键技术及应用

针对柴沟煤矿坚硬顶板巨厚煤层工作面初采阶段顶板抽冒型垮落导致的矿压、通风、地面破坏等系列问题,采用理论分析、现场测试、实验室试验、微震监测等手段,统计分析巨厚煤层开采过程中覆岩运动规律及特征,对巨厚煤层坚硬顶板围岩强度和结构参数特征进行测试分析,分析水力压裂对不同岩性破坏深度的影响,提出了巨厚煤层坚硬顶板抽冒性垮落及综合治理技术。在此基础上,提出巨厚煤层坚硬顶板抽冒型垮落防治手段,采用长距离水平定向钻孔区域压裂与浅孔工作面水力压裂初次放顶联合控制技术,对采煤工作面坚硬岩层大尺度全方位进行水力压裂预裂与卸压,促使巨厚煤层坚硬顶板在工作面初采阶段实现有序垮落。在柴沟煤矿1519工作面进行现场工业性试验,监测结果表明,采用“长距离水平孔区域压裂+浅孔水力压裂”联合控制技术后,工作面来压步距和强度明显降低,大的微震能量事件显著降低,避免了工作面在地表形成抽冒现象,安全经济效益显著。

厚煤层巷道掘进过断层冒落区防治技术研究

5103运输巷在掘进过F1断层影响区时,巷道顶煤出现冒落,给巷道后续掘进及使用带来较大安全威胁。巷道冒落区内顶板控制难度高,原有的锚网索支护方式难以实现围岩有效控制,在对巷道顶板冒落原因及冒落区围岩特征分析基础上,提出采用“注浆加固+人工架棚”方式对冒落区进行治理,并通过超前管棚对巷道顶板进行加固。现场应用后,冒落区围岩得以有效控制,同时冒落区范围内瓦斯浓度未有异常;超前管棚对断层影响区顶板进行加固后,巷道掘进期间顶板始终保持稳定,未有冒落征兆。研究成果为矿井其他巷道过断层影响区顶板控制提供经验借鉴。