Energy analysis of rock plug thickness in karst tunnels based on non-associated flow rule and nonlinear failure criterion

The geological hazards, such as water inrush and mud outburst, are easily induced by the high water pressure caverns ahead of a karst tunnel face. Therefore, it is a pivotal issue to determine the reserved thickness of rock plug during the construction of tunnels. The limit analysis principle is employed to analyze the safe thickness from the point of energy dissipation, and the nonlinear and non-associated characteristics of geotechnical materials are both considered. On the basis of a plane failure pattern of rock plug, the expressions of detaching curve and rock plug thickness are derived. The effect of each parameter on the safe thickness of rock plug is discussed in detail, which interprets the corresponding failure scope of rock plug. The obtained results indicate that the thickness of rock plug is highly influenced by the nonlinear dilatancy coefficient and the nonlinear coefficient. The proposed method is validated by a comparison of the calculated results with those of the engineering project of the "526 karst cavern" of Yunwushan tunnel. This proposed method can provide reference basis for the design and excavation of karst tunnels in the future.

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。

基于薄板理论的工作面底板隔水层稳定性研究

为了研究底板隔水层稳定性,基于薄板理论,结合某矿9103工作面采矿及地质条件,利用底板"下三带"理论和在分析研究工作面支承压力分布规律的基础上,将底板隔水层简化为四边固支受线性载荷作用下的矩形薄板,建立隔水层力学模型,分析隔水层最大挠曲位置、最大主应力方向和突水机理力学判据。研究表明:隔水层最大挠曲位置位于工作面倾斜方向的中心和距工作面煤壁初次来压步距5/12倍的交点处;隔水层中最大主应力方向与水平主应力方向一致;隔水层所能承受的极限水压与隔水层厚度成抛物线关系,薄板理论应用于隔水层稳定性分析中是可行、合理的,能为带压开采提供理论依据。

高风险岩溶隧道掌子面突水机制研究

在我国西部强岩溶地区,越来越多的长大深埋隧道潜在突水、突泥的风险,由于隐伏岩溶水体位置、规模以及体量的不确定性,突水模式与类型异常复杂,隧道掌子面的突水风险系数极高。对于隧道开挖后围岩结构完整性较好的掌子面,在特大体量隐伏岩溶水体作用下,当开挖面进入安全厚度内迅速发生破断突水,具备明显的突变特征。针对隧道掌子面发生破断突水的突变特征,采用数值手段探讨了施工条件对突水突变现象的影响。将隧道简化为圆形,建立了掌子面失稳的折叠突变模型,通过对系统势能函数的分析,推导了隧道掌子面发生破断的突水条件和最小安全厚度计算公式,基于系统势能突变控制参数灾变演化路径的分析,提出了掌子面突水的具体防治措施,并结合工程实例验证了其可行性。

煤层底板突水的动力学分析

提出了从煤层底板突水形成的机理，认为在底板突水的形成中，存在快、慢两种过程。用塞子模型模拟突水岩块，建立了动力学方程，提出突水的物理判据，并对实例进行了检验，其符合率高。

煤柱挖潜开采影响下断层活化危险性研究

为研究防水煤柱挖潜开采影响下断层活化突水机理及危险性,以荆各庄矿F3断层为例,采用力学理论分析及数值模拟分析,建立了煤柱挖潜开采影响下断层活化力学模型、力学判据、数值分析模型,分析了断层活化影响因素,对F3断层活化危险性进行了判定,最后利用钻孔压水试验验证了判定结果。研究表明:煤柱挖潜开采影响下断层活化的主要因素有断层的富水性、断层倾角、断层带特性、断层所处的位置等,F3断层活化指数为-3.81×105,小于0,断层不会出现活化,此结论通过数值模拟分析及现场钻孔压水试验得到验证。

煤层底板富水承压溶洞突水力学模型构建及突水判据研究

西南地区是我国南方重要的煤炭生产基地,由于喀斯特地貌分布广泛,岩溶发育强烈,该地区主采的二叠系煤层底板茅口组灰岩中常见充水性溶洞,煤矿开采过程中一旦遇到隐伏富水承压溶洞,在采动和承压水双重作用下,极易导致煤层底板隔水岩体失稳破坏产生突水灾害,对煤矿的安全开采造成严重威胁。为研究煤层底板富水承压溶洞突水灾害发生时的地质控制因素及隔水岩体失稳破坏的力学行为,有效保障煤矿安全开采,基于西南岩溶地区溶洞的形态特点、隔水岩体的受力特征,将溶洞顶板简化为圆形断面,将溶洞与煤层之间的隔水岩体简化为由无数积分薄圆板构成的圆锥台体,建立了煤层底板富水承压溶洞突水力学模型。运用突变理论中的尖点突变模型对力学模型进行解析,结合弹性力学理论,得出了系统变形失稳的标准势函数表达式,进而研究了系统的临界稳定状态,推导了煤层底板富水承压溶洞突水的力学判据。研究表明:隔水岩体失稳破坏进而引发富水承压溶洞突水的地质因素主要由隔水岩体的厚度、弹性模量、泊松比及溶洞的尺寸和水压等控制,且当隔水岩体厚度、弹性模量和泊松比越小,溶洞尺寸和水压越大时,越容易发生突水灾害。研究成果可以为煤层底板溶洞突水现象的解释和防治提供科学依据。

采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据

针对承压水上倾斜煤层底板岩层所受载荷的非对称特征,在考虑沿煤层倾斜方向存在一定水压梯度的情况下,依据隔水关键层理论,建立了线性增加水压力作用下的底板倾斜隔水关键层模型。采用弹性薄板理论,分析了倾斜隔水关键层的力学特性,揭示了底板倾斜隔水关键层在其长边中点偏下的位置最容易出现拉伸屈服破坏。最后,采用Griffith和Mohr-Coulomb两种屈服准则,在判断出底板倾斜隔水关键层上最可能发生屈服破坏位置的基础上,推导了基于拉伸和剪切破坏机理的采场底板倾斜隔水关键层的失稳力学判据,并应用于现场倾斜煤层底板隔水关键层的稳定性分析。

不连沟煤矿底板采动破坏深度规律研究

为了探究煤矿底板采动破坏规律,以内蒙古不连沟煤矿F6106工作面为试验现场,分别从现场注水试验、底板岩层应变探测、理论预测计算三个方面对煤层底板采动破坏规律进行分析,现场底板探测得出底板岩层在工作面推到测点时出现第一次破坏,破坏深度约为185m,当工作面推过测点15~20m后,采空区底板岩层破坏深度出现二次加深现象,破坏深度加深1m,采后底板破坏最大深度为19.5m;Griffith破坏准则下的底板弹性理论预测结果得出底板最大破坏深度与煤层埋深H、工作面应力集中系数n、底板岩体的单轴抗拉强度Rt有关,底板最大破坏深度随着埋深、支承压力增大而增大,随底板岩体的单轴抗拉强度的增大而减小。工程实践表明,F6106工作面底板破坏深度现场探测结果与理论预测结果一致。

防止岩溶陷落柱突水的煤柱合理尺寸研究

根据岩溶陷落柱突水的力学机理 ,分析了防突煤柱合理尺寸计算的影响因素 ;利用岩石强度理论得到了防突煤柱保持稳定所要求的最小尺寸计算公式。

煤矿底板突水定量预警准则及预警系统研究

为研究煤矿开采底板突水预警准则,研发水害监测预警技术,实现底板突水超前预警,采用矿井水文地质分析、力学分析、地球物理勘探等技术手段,分析了矿井底板突水征兆,建立了监测指标体系,研究了水害预警现场布置方式,提出了采动影响下底板破坏深度的实时监测反演方法。根据监测指标及突水力学判据,提出了矿井底板突水定性预警准则和定量预警准则,开发了底板水害预警系统。最后以许厂矿11603工作面为例,布置水害预警系统,实施了底板突水灾害监测预警。结果表明,水害预警系统可以实时监测煤层底板预警指标,反演底板岩体力学变形破坏情况,结合预警准则,实现煤矿底板突水监测预警。

基于上限原理的两种岩溶隧道岩墙厚度计算方法

岩溶隧道掌子面附近的高压富水溶腔易造成突水、突泥地质灾害,在施工中确定合适的岩墙厚度是一个亟待解决的技术问题。基于极限分析上限原理提出了两种新的岩墙厚度计算思路,即线性Mohr-Coulomb准则方法与非线性Hoek-Brown准则方法。根据构建的相应三维破坏模式,推导演绎了计算步骤,最终得到了这两种方法的岩墙厚度表达式。采用线性Mohr-Coulomb方法计算了Ⅰ~Ⅴ级围岩下的岩墙安全厚度。结果表明:随着围岩等级的逐级降低,即黏聚力、内摩擦角的减小,岩墙厚度在不断增大。对于非线性Hoek-Brown方法则分析了各个参数对岩墙厚度的影响,并根据计算结果绘制了岩墙的破坏形状与范围;同时,给出了Hoek-Brown常数A、B的建议取值,即围岩Ⅰ至Ⅵ级、岩性条件从好至坏,分别建议A取0.5~0.3,B取0.7~0.9。应用这两种方法分别计算了宜万铁路云雾山隧道与野三关隧道溶腔的预留岩墙厚度,与工程实际吻合良好,从而验证了方法的可行性。这两种计算方法可为今后高风险岩溶地区隧道的设计与施工提供参考。

煤层底板突水的突变理论预测方法及其应用

基于煤层底板突水的尖点突变特征 ,应用突变理论的方法 ,针对煤层底板突水预测指标监测信号 ,分析了单变量序列尖点突变模型及其稳定判据 ,提出了煤层底板突水的突变理论预测方法。实例表明 ,预测结果与现场工程实际情况相一致 。

2种屈服准则下的底板突水判据安全性比较

为预测煤层底板突水情况,将采动底板剩余完整岩层带内强度较高的单一薄岩层(或相距较近含软弱夹层的2层薄坚硬岩层构成的复合岩层)简化为四边固支的矩形薄板,建立煤层底板隔水关键层力学模型。分别基于Tresca屈服准则和Mohr-Coulomb屈服准则,推导出2种屈服准则下的底板突水力学判据。依据现场底板突水的预测结果,对突水判据的安全性进行比较分析。结果表明:Mohr-Coulomb屈服准则更趋于实际矿山岩体工程性质,基于Mohr-Coulomb屈服准则推导的底板突水判据预测煤矿底板突水更安全可靠。

深部开采底板突水灾变模式及试验应用

深部采场高地应力、高岩溶水压和强开采扰动条件使得底板突水相比浅部采场形成特定构造、水-岩-应力及采掘工程相互作用影响下的复杂岩体水力学问题。基于不同地质构造受采动影响特征及其诱发煤层底板突水机理,将深部开采底板突水灾变模式划分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型3种类型,并分析了对应的突水判据。研究认为完整底板裂隙扩展型归结于承压水影响下裂隙扩张造成彼此贯通引发承压水导升高度大于有效隔水层厚度,原生通道导通型归结于构造活化引发局部位移扩展与保护煤柱底板压缩区连通裂隙发生沟通,隐伏构造滑剪型归结于构造上方断面岩层失稳发生剪切破坏造成承压水以最短距离涌入采空区。利用深部采动高水压底板突水相似模拟试验系统探寻了3种突水灾变模式下突水通道的时空演变过程,验证了突水判据的准确性。

断层倾角对煤层底板突水影响的机理研究

平朔井工一矿发育有大量复杂断层,在采动影响下活化造成突水,极大增加了工作面底板突水危险性。运用基础力学建立力学模型,对断层活化导水机理进行理论分析,揭示了突水通道形成过程,得到突水的理论判据。研究表明:断层倾角是影响底板突水的关键因素,断层倾角越小越易活化导水。

无水压影响带在底板突水评价中的应用

在分析承压水水压对完整隔水层带影响的基础上,将完整隔水层带分为无水压影响带和水压影响带,并根据无水压影响带、水压影响带的赋存状况给出带压开采判别模型。根据给出的判别模型在肥城煤田曹庄井田81004工作进行验证,通过与实际情况对比,其判断结果比突水系数法更符合实际。

煤矿井下奥灰水突水危险区判别方法研究

为了有效地预测煤矿井下奥灰突水灾害,在MTI奥灰水监测预报方法基础上,提出了煤矿井下奥灰水突水危险区域的判别方法。该方法采用有限元方法对矿区以及周边区域煤层底板含水层建立渗流模型并且进行数值模拟计算,最终计算结果应用于霍州煤电集团李雅庄煤矿突水预测。结果表明:以所有节点突水危险判别指标平均值的10%、20%、30%作为界限,将计算区域划分为不同等级的突水危险区域。该预测方法适用于不同水文地质条件的矿区进行煤矿奥灰水突水危险预测。

基于因子分析法的焦作矿区底板突水模型研究

为研究焦作矿区工作面底板突水的主要影响因素和防治措施,选取地质构造λ_(1)、煤层厚度λ_(2),煤层倾角λ_(3)、工作面宽度λ_(4)、开采深度λ_(5)、含水层水头压力λ_(6)、隔水层平均强度λ_(7)、隔水层平均厚度λ_(8)作为研究变量,建立了焦作矿区工作面底板突水的因子分析模型。研究结果表明:焦作矿区底板突水的8个变量可归纳为采矿赋存因子、采矿设计因子、技术可变因子;得出了模型加权综合得分大于等于0.95时则突水危险性很大,且需采取相应的技术措施的判别标准;该因子分析模型在赵固二矿11011工作面成功应用并验证了其正确性。该研究成果对焦作矿区及类似地质条件下采掘工作面底板是否需要注浆加固或采取其他防治措施提供了一定的参考意义。

采煤工作面底板突水判据的建立及应用

根据近几年奥灰岩溶水防治的研究成果和大量的实际调查资料,认为底板突水预测预报的关键是建立突水判据,并依据带压开采中煤层底板承压水渗流场、采动应力场的耦合效应,模拟采动条件下煤层底板破坏状态以及破坏区域的演化规律,建立了底板突水判别式。并以韩城矿务局马沟渠煤矿1108工作面带压开采为例予以说明。