矿物解理/断裂规律与晶面间距的弱相关性及证明

应用密度泛函理论、断裂键理论和晶体化学性质,定量研究了矿物解理/断裂的晶体化学机制以及与晶面间距(或面网间距)的关系。归纳发现,矿物常见解理/断裂面并不总是与晶面间距最大的晶面相对应,体现为弱相关性。理论计算结果表明,矿物常见解理/断裂面对应于表面能最低的晶面,而表面能与面网密度及晶面原子平均断裂键数τ正相关。晶面间距与面网密度正相关,意味着当晶面间距大的晶面成为常见解理/断裂面时,需通过降低晶面原子平均断裂键数τ值以降低表面能。然而,通过分析发现,晶面间距与晶面原子平均断裂键数τ的关联性差,从而使得晶面间距与矿物解理/断裂规律无直接关联性。本文的研究结果能够为矿物解理/断裂规律以及表面性质研究提供理论借鉴。

松软破碎厚顶煤小煤柱巷道围岩控制技术研究

以山寨煤矿3506回风顺槽为工程背景,通过理论分析、数值模拟和现场实践等方法,揭示了松软破碎厚顶煤小煤柱巷道存在围岩变形大、应力高,煤体裂隙发育、围岩稳定性差等特点;提出了“锚杆索高强高阻支护+弱结构卸压”组合围岩控制技术;现场实践结果表明,支护方案优化后,最大顶板下沉量为120.9 mm,最大两帮内缩量为187.4 mm,巷道围岩稳定性得到有效控制,支护效果满足开采生产要求。

软弱破碎巷道“锚架”联合支护围岩控制技术研究

潞宁煤业公司22126运输巷为典型的软弱破碎围岩巷道,采用单一锚杆(索)支护方式,支护阻力较小,难以解决巷道围岩承载能力弱、变形量大的难题。为有效控制巷道变形,促进矿井安全生产,提出了“锚架”联合支护技术控制软弱破碎巷道,阐述其支护机理,建立了“锚架”联合支护组合拱模型,得出了“锚架”支护组合拱结构的极限承载能力。采用FLAC3D数值模拟对围岩控制方案进行优化,结果表明,“锚架”联合支护方案较锚网支护方案、架棚支护方案下顶板最大位移分别减小了63.3%、68.9%,两帮最大位移量分别减小了69.1%、65.6%,软弱破碎围岩巷道变形得到了有效控制。现场实测巷道最大顶板下沉量为156 mm,最大两帮移近量为139 mm,巷道断面收敛率减小,有效地控制了巷道变形。

富水软弱地层斜井围岩稳定控制技术研究

富水软弱地层斜井施工易引发围岩塌方、大变形和突涌水等地质灾害,威胁施工人员和机械设备安全,并延滞总体工程进度。以滇中引水工程香炉山隧洞5号施工支洞工程建设实践为背景,分析得出斜井的主要工程地质问题是围岩坍塌、软岩大变形及涌水突泥。结合围岩变形和支护结构受力监测成果论述了围岩的失稳破坏机制,主要分为顶拱坍塌、软弱带挤压外鼓、涌水突泥3种类型。基于对围岩破坏过程及其内蕴机理的认识,采用工程类比、现场应用效果反馈的方法,提出了针对不同失稳破坏机制的的斜井围岩灾害处置措施和稳定控制技术。相关成果可为类似地质条件下的斜井围岩稳定性控制提供借鉴。

折线形胶凝砂砾石坝三维静力有限元分析

以贵州地区某中型水库工程胶凝砂砾坝方案为案例,建立折线形胶凝砂砾石坝及地基的三维有限元计算模型,模型中考虑地基和坝体材料的非线性特性、坝段间接触特性、地应力平衡等。基于ABAQUS三维有限元计算,研究该方案蓄水工况和施工期工况下建坝引起的地基应力变化及各坝段的变形情况,为该项目方案决策提供理论依据。经计算分析,断层破碎带和影响带附近的地基应力及坝体变形均较大,不能满足地基承载力要求和坝段变形控制要求,需提出工程处理措施或其他技术方案进行优化。该有限元计算结果对类似工程如折线形刚性坝、胶凝砂砾石坝以及宽断层破碎带筑坝具有一定的借鉴意义。

路堑边坡折线滑动极限状态设计方法研究

针对工程上常见的由数组软弱结构面控制的边坡进行极限状态分析,基于传递系数法构建功能函数,使用一次二阶矩验算点法求解三组典型边坡可靠指标和分项系数,进而构建折线滑动面边坡的设计表达式,给出分项系数建议值;结合张吉怀铁路芙蓉镇站既有顺层路堑边坡工点,验证了设计表达式和分析方法的可行性。

超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验研究

为研究超大断面隧道围岩随埋深逐渐增加的渐进性破坏过程,通过大型三维均匀梯度加载地质力学模型试验系统和软弱破碎围岩及其支护系统相似材料的研制,开展大跨度隧道围岩随埋深逐渐增加渐进破坏过程的大比尺模型试验,真实再现全断面和台阶法开挖段周边围岩及掌子面保留段软弱破碎围岩渐进破坏的全过程。首先,以一定范围内埋深(200～1 020 m)的双线大跨度隧道软弱破碎围岩(铁路隧道V级)为研究对象,采用铁晶粉、松香、石英砂、重晶石粉以及聚四氟乙烯棒等原料研制出具有应变软化特性的软弱破碎围岩、初喷混凝土以及锚杆等相似材料,并配以能实现精细开挖和支护施作的微型设备及其配套工艺,通过可实现三面均匀同步加载的大型三维地质力学模型试验台架模拟隧道全断面和台阶法施工的全过程,并采用光纤光栅传感器、电阻式应变计、多点位移计以及微型压力盒全程监测隧道洞壁及其整数倍洞径(0～3倍)范围内围岩的应力、位移以及近区荷载的变化信息;然后,对隧道全断面和台阶法开挖段以及掌子面保留段围岩进行超载试验,按50 m埋深等荷加载改变隧道埋深,直至隧道全断面无支护段围岩开始出现明显破裂特征,然后再按20 m埋深等荷加载缓慢增加隧道埋深,直至隧道全断面和台阶法支护段初喷混凝土大面积破坏脱落。试验结果表明:(1)在埋深不断增加过程中,隧道围岩破坏区域呈渐进扩大趋势,全断面无支护段周边围岩最早发生破坏,然后依次扩展至全断面支护段初喷混凝土和台阶法支护段初喷混凝土,最终破坏区面积顺次由大到小;(2)无支护段围岩破坏区和支护段衬砌结构破坏区均主要集中在拱顶上方区域,是衬砌结构破坏和围岩塌落荷载的主要来源,两侧边墙也存在局部破坏区,自边墙上部至拱角部位破坏程度逐渐加剧;(3)在埋深增加过程中,支护段围岩位移增长率小于无支护段,应力和荷载增长率恰相反,支护结构承载效应明显;(4)超载过程中,围岩的破坏深度不断增加,尤其是拱部呈现动态压力拱现象,据此确定顶部加固范围在理论上具有可行性。研究的方法技术及结果将对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。

钢拱架应力反分析隧道初期支护力学性能的研究

适时分析软弱破碎围岩段衬砌结构的内力状态是隧道动态施工中的关键性问题之一,对判断隧道施工安全状态和评价支护结构稳定性具有重要意义。考虑钢拱架已作为软弱围岩段公路隧道初期支护的重要形式,现通过分析隧道施工现场钢拱架支护的自身特点和受力特性,建立含有钢拱架和喷射混凝土的隧道复合初期支护的地基曲梁力学模型。然后运用地基曲梁相关理论,通过现场监测的钢拱架应力推求出隧道复合初期支护内力解析式,从而迅速得到隧道支护结构的应力集中部位。最后,经由台阶法施工的隧道工程实例运用表明,基于实测钢拱架应力求解隧道初期支护内力的解析研究是分析软弱破碎围岩段隧道支护力学性能的一种新方式,并能及时有效地为隧道现场施工安全提供直观、可靠的力学依据和技术支持。

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。

深部软弱破碎复合顶板煤巷稳定控制技术

针对深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷易冒顶、大变形、难支护等特点,基于锚杆和锚索支护理论,提出了兼具组合梁和组合拱承载效应的梁-拱锚固承载结构,分析了梁-拱锚固结构的几何特征,揭示了不同锚固参数条件下梁-拱锚固结构的形成过程及演化规律,反映了不同支护形式下煤巷顶板的锚固结构效应。采用FLAC^(3D)模拟研究了4种支护技术方案条件下深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩位移与塑性区损伤扩展演化规律,揭示了不同支护技术方案对矩形断面煤巷围岩的控制效果,验证了采用基于梁-拱锚固结构的深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷支护技术方案的合理性,并进行了井下工业性试验。监测结果表明,采用"梁-拱锚固结构"支护技术方案有效地控制了深部软弱破碎复合顶板煤巷离层与大变形,维持了深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩与支护结构的稳定及安全。

强震区软弱破碎千枚岩隧道系统锚杆支护作用效果分析

以在建的穿越5.12强震区发震断裂带的广甘高速公路杜家山隧道为工程依托,选取20 m典型围岩区段为试验段,对有、无系统锚杆时的洞周位移、锚杆轴力、钢拱架内力、围岩与初支接触压力、及其二衬内力进行实测对比分析,探讨锚杆支护作用效果不明显的成因,提出了在强震区软弱破碎千枚岩隧道围岩中采用"钢喷"初期支护的支护方案。研究结果表明:设置锚杆的断面,其锚杆轴力值较小,最终洞周变形值及围岩与初支的接触压力值相对偏大,钢拱架和二衬的安全储备相对不足;锚杆的施工不仅在某种程度上加剧了对深部围岩的扰动,而且还延误了喷射混凝土和钢支撑支护对暴露围岩及时封闭的最佳时机;震后深部围岩的震裂损伤和震裂岩体地下水的渗透性增强,致使围岩松弛区域超过了锚杆设置范围,且锚杆与围岩间的黏结力被削弱。

大断面软弱破碎围岩煤巷演化规律与控制技术

随着矿井开采深度与巷道断面尺寸的增加,煤巷围岩松软、破碎程度越来越严重,煤巷顶板冒落的危险性增大,大断面煤巷支护与维护难度随之增加。基于煤巷围岩松动圈测试与分析,揭示了大断面软弱破碎围岩煤巷变形破坏特征;采用FLAC3D模拟研究了不同巷道布置方式、顶煤厚度、巷道高宽比及侧压系数等条件下大断面软弱破碎围岩煤巷开挖后围岩变形特征、塑性区演化规律及应力分布特征,为煤巷优化布置、合理支护方案与参数的选取提供了理论依据;针对大断面软弱破碎围岩煤巷变形破坏特征与支护难点,提出了全断面锚网索喷初次支护、高预应力锚索与锚注二次加固组成的"三锚"联合支护技术方案,采用数值模拟分析与相似材料模型试验,验证了该方案的合理性与围岩控制效果,并进行了井下工业性试验。监测结果表明,采用"三锚"联合支护技术,有效地控制了大断面软弱破碎围岩煤巷的大变形与底臌,维持了煤巷围岩与支护结构的稳定及安全。

超大断面隧道软弱破碎围岩台阶法施工过程力学效应规律研究

超大断面软弱围岩隧道施工过程中,采用台阶法施工方案容易引起大面积塌方,但是可以有效缩短施工工期,从安全性的角度出发,台阶法施工特别是作为台阶法核心问题的台阶高度选择值得进一步分析。依托兰渝铁路两水隧道,采用三维数值仿真手段,分别建立台阶高度取H/3,H/2,2H/3和最大宽度处模型,模拟了铁路隧道在极软弱围岩中采用台阶法施工选择不同台阶高度的施工过程,对比不同台阶高度下隧道的拱顶沉降、水平收敛和掌子面挤出变形,揭示了台阶法施工过程中围岩力学效应的演化规律,并最终得出最优台阶高度,为工程施工提供参考。

软弱破碎围岩大断面隧道台阶法施工几何参数优化分析

在软弱破碎围岩进行隧道开挖时,采用台阶法施工往往比CD法、CRD法等分多部开挖法要更加危险,容易产生大变形,塌方等事故,但由于它工期短、施工方便而常常为施工单位应用。依托人和场隧道,采用数值模拟的方法对台阶法上台阶开挖高度进行优化,以对台阶法进行适当优化。通过对比0.55H、0.60H、0.65H、0.70H、0.75H五种不同的开挖高度对隧道初衬和围岩的影响,得出在施工中采用0.65H的台阶高度是良好的,为工程施工提供参考。

基于随机共振理论的异步电动机转子断条检测新方法

现场采样获得的电动机故障信号通常会含有很多噪声。传统的方法是对故障信号消噪后进行分析,但在消噪的同时会丢失一些有用信息。本文提出了基于随机共振(SR)理论的异步电动机转子断条早期故障检测新方法。该方法是通过选择合适的系统参数,使非线性系统发生随机共振,把一部分噪声能量转化成信号能量,达到异步电动机转子断条早期故障检测的目的。实验分析结果表明该方法是切实可行的。

含夹层或软弱破碎带难采矿体协同开采技术研究

含夹层或软弱破碎带矿体开采一直是矿业界难题。现阶段针对此类矿体,一般是对矿体上下盘采用不同的采矿方法进行适应性开采,但大部分矿山受地质特征、作业安全、采矿成本等因素制约,通常采用采易弃难的回采方式,造成了矿产资源的永久损失。以“协同开采”理念为指导,提出了一种含夹层或软弱破碎带难采矿体协同开采技术,即预先回采夹层或软弱破碎带,实现回采工序协同作业以及地压协同管理,从源头上解除安全隐患,为后续矿体开采创造安全的技术条件,最大化发挥协同开采的技术价值。以国内某磷矿与某铜多金属矿为例,针对其特定的开采技术条件,以夹层剔除与切割槽作业协同实施为核心,制定了矿体内含不同厚度夹层与上下盘矿体的协同开采方案;同时基于地压协同或环境再造理念,发展了一种软弱破碎氧化带矿体协同开采方法,实现了软弱破碎氧化带矿体的安全高效回采。所提出的协同开采方案为国内类似矿体开采提供了技术参考,在一定程度上提升了“协同开采”理念在类似复杂难采矿体开采中的实践指导价值。

缓倾薄层弱结构松动圈声波测试时测孔布置的理论依据与验证

从层状岩体的力学特性、声波在层状岩体中的传播规律、围岩塑性区和剪裂区的分布特征3个方面,对缓倾薄层弱结构松动圈声波测试测孔布置的理论依据进行研究,提出声波测孔布置3项基本原则,即:巷道两帮测孔顺层布置;顶底板测孔垂直于岩层布置;塑性区和剪裂区较大部位加大声波测孔控制深度。基于测孔布置的理论和原则,在工程中合理设计声波测孔布置方式。基于测孔布置的理论和原则,在某矿山巷道松动圈声波测试时改进声波测孔布置方式。测试结果表明:顺层和垂直于岩层的测孔布置方式获得的纵波波速vp与孔深L的曲线规律明显,克服了常规布置方式带来的vpL曲线无序变化的缺陷,可容易确定出倾斜薄层弱结构松动圈范围。

引松供水工程岩溶及软弱破碎地层敞开式TBM施工技术

引松供水工程四标段隧洞TBM法施工长度约17 km,其中7 332 m主要穿越灰岩(岩溶)、炭质板岩、断层等软弱破碎地层。为解决TBM在该类地层中掘进时TBM偏机、栽头、刀盘被糊、被卡、涌泥涌水、收敛变形引起设备被卡等难题,通过资料查阅、调研国内外现有TBM施工案例、专家咨询研讨等,对比研究多种方案;结合工程实践,提出TBM超前地质预报、钢拱架、钢筋排和喷射混凝土联合及时支护等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。经工程验证,该方案与措施能够很好地保证TBM在岩溶及软弱破碎地层的连续掘进,为工程的顺利实施奠定了坚实的基础。本文研究得出了一系列理论及参数,可为类似工程提供借鉴和参考。

大断面软弱煤帮巷道注浆加固支护技术

为解决曙光煤矿轨道巷矿压显现剧烈、巷道变形严重等问题,通过优化合理的注浆参数,采用深、浅孔注浆与锚索联合方式对巷道软弱煤帮进行加固支护,对巷道稳定性进行了研究。研究结果表明:软弱煤帮注浆加固支护使巷道原来破碎的围岩形成一个整体,提高了围岩其自承载能力,减轻了巷道顶板承载压力;采用深浅孔相结合的注浆方式对浅部巷道围岩实现封闭,使锚索能在深部围岩产生了有效的拉力;采用对两帮注浆加固方式的巷道两帮移近量较一帮注浆方式降低约50%,较巷道原有支护方式,降低约85%,巷道围岩整体变形得到了有效控制。

软弱破碎矿体中炮孔变形破坏分析

软弱破碎矿体中炮孔变形破坏较为严重，对炮孔变形破坏的影响因素进行探讨，分析变形破坏的几种类型和破坏机理，并提出了控制措施。