穿断层破碎带隧道围岩大变形控制双梯度注浆机制

近些年,中国西部大量深埋隧道工程因关键线路控制无法避让一些活动性断裂,常常在跨越断裂带范围内出现围岩大变形破坏现象,例如侵限、偏压、塌方、底鼓等灾害,严重影响隧道工程施工和运营的安全可持续发展。为了控制断层破碎带隧道围岩大变形,隧道工程设计者和建设者采用了多种控制方案,例如超前注浆、多层钢拱架被动支护、锚杆索主动支护等,但是都因断层破碎带围岩强度过低而出现超前注浆诱发围岩拉裂破碎、主动支护锚杆锚固力不足等现象。为解决上述难题,首先,提出一种增强穿断层破碎带隧道围岩强度的双梯度注浆技术,建立双梯度注浆概念模型,构建3种双梯度注浆模式;然后,确定特定工况下注浆材料粒径梯度与注浆压力梯度的适配条件;最后,通过理论分析、物理模型试验和现场试验,探索双梯度注浆机制及其控制效果。研究结果表明:1)随着开挖步序的增加,穿断层破碎带隧道拱肩变形最大,构造应力对围岩稳定性影响较大。2)在双梯度注浆作用下,浆液扩散效果良好,围岩未出现大面积脱落破坏,隧道周围岩体应力分布均匀。3)双梯度注浆形成了坚硬交叉浆脉骨架,达到了应力补偿效果,将围岩变形量从原来的3 100 mm控制到278 mm以内,实现了“零换拱、零侵限、零突涌”的目标。

锚杆钻车运行中支护承载结构及围岩受力变形分析

目的针对单轨液压锚杆钻车运行过程中支护承载结构及围岩受力变形难以观测分析的问题。方法利用研发的CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车,结合长城五矿1902S回风巷巷道现场情况综合分析钻车在大断面大倾角巷道动态运行的支护、承载及围岩协同受力变形特征。结果研究表明,钻车运行过程中吊挂板的受力变形在悬吊点处均达到峰值,工字钢在悬吊点的部分位移最小,与钻车直接接触的部分受力最大;锚索中部主要受到拉应力,靠近巷道一侧主要受到剪应力,而巷道两帮的锚杆拉应力主要分布在靠近巷道内部一侧;巷道顶板悬吊点处位移最大,两帮靠近顶板位移高于底板处,而巷道偏向低帮处底板的位移大于高帮处;以单轨液压锚杆钻车为核心的新型配套工艺可以有效控制围岩变形,支护效果良好,比传统以掘锚一体机为中心的机器化工艺掘进效率更高。结论研究明确了CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车在实际应用的可行性,解决了现有掘锚一体机难以在复杂地质条件下大断面煤巷自动化掘进支护的问题,提升了煤巷支护效果掘进效率,为CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车的现场应用提供了理论依据。

矿井破碎巷道围岩变形机理分析及支护技术研究

针对矿井破碎巷道在施工中易受围岩破碎、顶底板压力大等因素的影响,存在巷道围岩易变形,难支护安全生产隐患大的问题,以山西某矿10-208破碎巷道工程概况为例,结合巷道围岩变形机理,设计了具体的巷道围岩控制方案,并进行了应用测试,测试结果表明,通过给巷道进行注浆加固与采用锚杆索进行联合支护后,该巷道围岩变形得到了有效控制,该回采巷道过破碎段过程中顶底板最大累计变形量为49.5mm,巷道两帮最大累计变形量为64.6mm,取得了较好的围岩控制效果,可为类似工况下的矿井破碎巷道围岩的控制提供参考。

倾斜厚煤层异形巷道围岩变形特征及非对称支护技术研究

本文针对倾斜厚煤层中异形巷道围岩变形量大和矿压显现明显的问题,提出了以高帮补强锚索和低帮大直径钻孔卸压为基础的“高补低卸”异形巷道非对称支护技术,并以乌兰木伦煤矿工作面为技术背景,通过对工作面运巷和风巷的异形巷道进行区域划分,分析了不同区域内异形巷道应力场和位移场演化特征,确立了“高补低卸”异形断面非对称支护技术关键参数。研究结果表明:倾斜厚煤层运巷回采区异形巷道应力场分布最为复杂,高帮附近顶板支承应力大于低帮附近顶板支承应力,且呈现出非对称应力状态。异形巷道高帮变形主要是因为支承应力导致高帮煤柱强度弱化引起煤体滑移,而低帮和底板变形主要是支承应力较大和围岩应力集中系数高造成的。巷道高帮及顶板补强长锚索能够有效加固煤岩体。低帮和底板的大直径卸压钻孔能够将围岩集中应力向远场转移。现场应用表明倾斜厚煤层“高补低卸”异形断面非对称支护技术大大减小了围岩变形量和顶板离层量,对巷道进行了有效控制,应用效果显著。

松软破碎围岩巷道变形特征及支护技术研究

为解决山西新景矿佛洼3号煤破碎围岩巷道原支护技术方案不能有效控制围岩变形,且后期多次修复效果不佳的问题,基于破碎围岩巷道变形破坏特征,提出了优化支护技术,并采用数值模拟验证支护参数的可行性。现场试验结果表明:采用优化技术后,巷道顶底板移近量、两帮收敛量最大值分别为79 mm、55 mm,顶板最大离层量为7.3 mm,有效控制了松软破碎岩层巷道围岩的稳定性。

综放孤岛工作面围岩变形特征及巷道支护研究

综放孤岛工作面掘进过程中,采空区围岩的变形控制是影响煤矿能否顺利高效生产的主要瓶颈。山西省作为产煤大省,开采深度逐年增加,以往的综放理论难以保证孤岛工作面在掘进过程中的安全高效开采。为此,根据巷道地质条件,采用经验公式计算了小煤柱宽度,基于FLAC3D数值模拟结果开展了巷道支护工作。巷道局部围岩富含的高岭石、伊利石遇水软化、破碎、坍塌,蒙脱石遇水膨胀、软化、松动,导致巷道变形破坏严重。数值模拟和现场实测结果表明,在12~15m范围内,随着煤柱宽度的增大,煤柱内最大垂直应力减小,当煤柱宽度为15m时,巷道变形趋于稳定;随着煤柱宽度的增大,围岩变形持续减小,但变化不明显,因此,确定29107工作面两个巷道煤柱合理宽度为15m。确定了最终的支护设计方案,现场实践效果良好。

特厚顶煤单双夹矸层巷道开挖围岩变形破坏特征研究

针对特厚顶煤巷道开挖掘进时,单双夹矸层巷道围岩变形破坏特征不明晰的问题,以山西某矿13103工作面进回风巷道为工程背景,运用数值模拟的方法对巷道开挖过程中围岩变形破坏特征进行研究。研究结果表明,应力集中于巷道顶角上部并呈椭圆状分布,顶板最大下沉量出现在巷道中部且随掘进长度呈指数增长;单夹矸层巷道相比双夹矸层巷道应力集中幅度更高,应变更大,顶板破碎更严重。通过对单夹矸层巷道部分锚杆锚索倾斜打设并加长锚索后巷道变形控制效果显著提升,围岩强度得到明显增强,能够保证巷道稳定。

大断面巷道围岩变形破坏特征分析及支护技术研究

为解决河南某矿大断面厚煤层巷道存在围岩变形破坏严重和顶板难支护的问题,本文基于该矿大断面厚煤层巷道工程地质概况,结合巷道围岩易出现的变形破坏特征,设计了一种联合支护方案,并对其数值模拟分析,验证了该支护方案的可行性与稳定性。

基于时空效应下的巷道掘进围岩变形与多次支护技术

为解决目前王坪煤业巷道掘进工作面支护时间长、掘进效率低的问题,首先以传统巷道支护为基础,对巷道围岩变形特性以及围岩开挖面时空效应进行理论研究,提出多次支护技术,从理论研究以及工艺流程分析的角度对多次支护技术进行研究,最后通过试验对比,多次支护方案与原有方案在保证巷道安全稳定的前提下,月掘进量提升26.3%,实现了快速掘进的目标。

万峰煤矿半煤岩巷道围岩变形特征及支护优化

针对万峰煤矿1115回风巷采用锚网索+W型钢带支护时存在顶板离层量大、围岩变形长时间不收敛、部分锚杆及锚索失效等问题,在综合顶板离层监测、锚杆索应力监测以及围岩窥视基础上,提出以提升锚杆索支护强度为核心的围岩支护优化措施。

三软煤层巷道围岩“双壳”支护技术研究与应用

针对三软煤层巷道围岩变形破坏严重、传统支护技术难以控制巷道稳定的问题,以霍州煤电集团金能煤业有限公司1201掘进巷为工程背景,基于原支护方案下巷道围岩变形破坏特性,提出了“双壳”支护技术。对未支护、原支护、“双壳”支护技术分别进行数值模拟,得出“双壳”支护的优越性,同时现场应用效果良好,实现了对三软煤层巷道围岩变形破坏的有效控制。

高应力破碎围岩巷道控制机理及支护技术

为解决高应力破碎围岩巷道围岩支护效果差、变形破坏严重等问题,以东峡煤矿37221-2回风巷为背景,通过现场勘察、理论分析和现场试验相结合的方法,研究了高应力破碎围岩巷道的变形破坏特征和控制原理。基于原支护方案及分析成果,提出了“注浆管浅部注浆+锚杆+注浆锚索+钢筋网”的联合支护方案。现场工业试验结果表明,采用优化支护后顶底板最大移近量和两帮最大收敛量同原支护方案相比,分别减少了约77%、82%,围岩的整体性和稳定性良好。该研究可为高应力破碎围岩巷道、围岩控制提供参考和技术支持。

覆岩载荷扰动下平硐围岩变形分析及支护优化

传统的收敛仪、三维激光扫描等矿山巷道围岩变形监测技术无法满足复杂工程全面监测需求,实时及自动化监测程度低,且不具备长距离、高精度和大面积监测能力,而现有光纤传感技术仅针对巷道围岩的单一参量进行监测,无法全面分析巷道围岩稳定状况。以某煤矿主平硐为工程背景,采用数值模拟研究了平硐上方填土前后的围岩稳定性,结果表明:填土工程导致平硐两帮围岩支承压力升高,且呈不对称分布;顶板最大下沉量由填土前的8.3 mm增至22.1 mm,最大底鼓量由4.0 mm增至8.5 mm,两帮移近量最大增幅为16.2 mm;围岩变形量与支承压力对应性较强,呈现随平硐上方填土厚度增大而增大的特征。采用光纤布拉格光栅(FBG)传感器构建了平硐围岩变形监测系统,在平硐断面设置FBG传感器监测平硐拱顶裂缝张开度、顶底板及两帮变形量、断面应力应变等,通过实时光谱图分析围岩局部变形情况,结果表明平硐在现有料石砌碹支护状态下,受上覆载荷扰动影响,顶板受压明显,顶板最大下沉量约为30 mm,形成约2 mm宽的裂缝,且监测结果与数值模拟、现场观测结果相符,验证了基于FBG的平硐围岩稳定性监测方法的有效性。根据监测结果,针对平硐支护薄弱处提出了锚杆+T型钢板的补强支护方案,通过数值模拟对其支护效果进行验证,结果表明优化支护方案后,在覆岩载荷扰动下平硐顶板最大下沉量为11.3 mm,两帮最大移近量为12.04 mm,围岩变形量平均降幅达48.8%,提高了围岩稳定性。

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。

软岩巷道临时支护支架与围岩相互作用的数值模拟

为探究软岩巷道临时支护支架的力学特性,以软岩巷道支护理论为基础,设计一种临时支护支架,建立数学模型并对其进行受力分析,利用FLAC3D数值模拟分析其软岩巷道围岩应力和位移等特征。结果表明:采用该支架支护后,巷道两帮及顶板浅部围岩应力明显增加,变形量降低显著,顶底板平均移近量1.88 mm、两帮平均移近量2.3 mm,支护效果显著;利用Adams分析软件对该支架进行动力学分析,得到在支架受力下降过程中,支架右半部分所受的力明显大于左半部分,围岩在变形过程中并不是呈现均匀变化的,容易使支架受到集中力的破坏。

膨胀应力作用下复合顶板巷道围岩支护研究

针对澄合矿区复合顶板管理难度大,巷道支护困难,严重制约矿井安全开采这一问题,以山阳煤矿5号煤层1501回风巷为工程背景,对复合顶板软岩巷道的破坏机理及支护问题展开了研究。首先通过物理力学试验,得到顶板各岩层的物理参数,然后采用现场实测和理论分析的方法,分析复合顶板的应力分布特征,从而构建山阳煤矿巷道的复合顶板力学模型,最后运用数值模拟和现场实测的方法验证支护方案的可行性。研究结果表明,矿井复合顶板上部砂质泥岩为膨胀岩,最大膨胀率为42.3%,最大膨胀应力为198.2k Pa;中粒砂岩层K4为关键岩层;提出的顶板采用全锚索支护,巷帮采用金属网+钢带+锚杆支护的支护方案,经过数值模拟和现场实测的验证,该方案可满足现场生产需求。研究成果可为类似地质条件的巷道支护提供参考。

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。

破碎软弱围岩巷道耦合支护技术研究

受开采扰动破碎围岩巷道容易发生变形破坏,是矿山深部开采面临的重要支护难题。以昆阳磷矿二矿破碎、极破碎地段巷道破坏为研究背景,采用有限元分析方法分析巷道开挖后围岩位移、应力分布特征、塑性区范围。研究发现巷道开挖后两帮出现拉伸破坏,拱肩部位产生大量的剪切塑性区,顶板区域发生贯通的变形破坏机理。因此,提出采用钢拱架、锁脚锚杆、钢筋网、连接筋、喷混凝土耦合支护形式防止巷道坍塌。通过现场应用表明:采用此耦合支护技术可有效控制破碎软弱巷道围岩的变形,支护效果良好。研究结果为类似工程地质条件下的巷道支护提供了借鉴。

黄土隧道不同支护体系下围岩变形响应研究

随着隧道机械化、装配化施工的推进,探索新型结构的支护效应对于实现“双碳”目标具有重要意义。基于新型组合结构支护体系,依托某浅埋黄土隧道,探讨了传统型钢钢架与π型钢架的抗弯性能,并通过现场监测结合数值模拟,对比分析了传统支护体系与新型支护体系下的围岩变形特征及响应规律,明确了各自的支护效应。结果表明:相比传统型钢钢架,π型钢架I_(x)/I_(y)更加接近1,水平和垂直方向的抗弯能力相对平衡,稳定性更好;数值计算结果与现场监测数据的沉降趋势较为吻合,围岩变形发展均经历4个阶段,且拱顶最终沉降及周边收敛的计算平均误差分别为14.85%和15.25%,验证了数值建模方法的正确性;建立对比分析模型,与传统支护体系相比,新型组合结构支护体系下的拱顶沉降、周边收敛以及初期支护压应力分别减少53.4%、61.0%、35.2%,塑性区的扩展得到有效控制。本研究可进一步丰富黄土隧道支护结构选型,为同类工程施工提供参考。

冰水堆积体隧道围岩分级与支护力确定方法

为定量评价冰水堆积体围岩参数,提出一种冰水堆积体围岩快速分级方法,并给出冰水堆积体的变形控制标准,主要包括:(1)根据规范的相关计算方法,结合国外相关规范与冰水堆积体的基本特性和地貌特征,对设计阶段围岩进行分级;(2)根据土体密实状态、细粒含量以及细粒含水率,对施工阶段围岩进行分级,将冰水堆积体分为3个基本等级,4个亚级;(3)根据地下水与围岩胶结情况提出最终的围岩分级;(4)基于冰水堆积体隧道围岩分级,计算了不同围岩等级下的围岩特性曲线以及隧道允许变形量,从而提出基于允许变形量的隧道支护力确定方法。研究成果可以为冰水堆积体隧道围岩的分级、支护力的确定等提供参考。