深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念

资源、人口和环境是21世纪的主旋律。随着资源开发和工程建设的不断发展,开挖深度日趋加深,数千米深的地下工程屡见不鲜。随之出现了深部围岩独特的力学特性以及对经典理论的严峻挑战。综述了国内外关于深部围岩特性和设计方法的研究现状,并提出了今后的发展方向。

岩爆和冲击地压的差异解析及深部工程地质灾害关键机理问题

岩爆和冲击地压原来在自然界并不存在,完全是由于人类进行深部地下空间利用、深部矿产资源开采等工程建设时诱发产生的,两者同属于最典型的深部工程地质灾害。由于历史原因,岩爆和冲击地压长期存在概念混用的情况。本文比较详细地综述了岩爆和冲击地压领域国内早期的研究历程,系统解析了岩爆和冲击地压之间存在的差异。在研究对象(硬岩和煤的承载强度、储能及释能能力、弹脆性)、受力条件(地应力、扰动应力)和边界条件(开挖和开采方法及工序、扰动范围和时效性等)方面,岩爆和冲击地压均存在根本区别;在表观现象、限定对象、研究对象、赋存条件、行业领域、工程建设方法、工程建设目的、要求及支护性质、诱发机理、倾向性判据、划分类型、划分等级、等级评价方法等方面,岩爆和冲击地压也存在很大差异。综上,岩爆和冲击地压是并列的两类地质体动力破坏现象,两者之间不存在隶属关系。在综合参考前人研究的基础上,分别给出了岩爆和冲击地压各自的定义和内涵。岩爆的定义为发生在深埋隧道(隧洞)、深部矿山巷道及矿柱部位的硬岩弹射、爆裂或崩落现象,伴随不同程度声响;冲击地压定义为发生在深部煤矿中煤抛出现象,释放出不同程度的动能,严重时往往伴随震动、巨响、气浪或冲击波。从煤动力冲击破坏的现象与名称统一的角度考虑,建议用“煤冲击”代替“冲击地压”概念。在此基础上,详细阐述了岩爆和冲击地压研究中的7点认识。最后,从研究对象、受力条件和边界条件等3个方面讨论了岩爆和冲击地压的关键机理问题,即从静动(或动静)组合加载力学的角度研究岩爆和冲击地压,符合深部地质体破坏的全受力路径,同时要从能量守恒的角度研究从静态到动态的转换问题。在岩爆和冲击地压的机理分析、预测预报、监测报警、调控防治中,都要科学认识各影响因素之间的逻辑关系和辩证关系(注:本文因为无法找到与冲击地压契合的英文名称,在英文摘要中同时存在“coalburst”和“coalbump”两种表达)。

基于地下深部工程岩体特性的RMR系统修正

地下深部工程岩体具有典型的高地应力、高温、高地下水压场特性,地下水、岩石流变、地温和地应力的存在会造成岩体质量下降,因而在对深部工程岩体质量进行评价时,需要根据其特性对传统的浅部岩体质量评价方法即岩体等级(RMR)系统进行修正。通过引入岩体的水弱化修正系数Rw、热弱化修正系数Rθ和岩石流变弱化修正系数Rt对岩石的单轴抗压强度σc进行修正,同时增加地应力修正项P7,并对分类指标P1,P2,P3和P7进行连续性修正,获得符合深部岩体工程围岩质量评价实际状况的修正RMR系统。研究结果表明:随着岩石含水率、温度、荷载历时和地应力的增加,采用修正的RMR系统得到的岩体质量评分值比传统的RMR系统岩体质量评分值低,岩体质量等级略下降,所得结果与深部地下工程岩体状况更吻合。

矿山深部工程FLAC^(3D)初始地应力场生成的速度-应力边界法

初始地应力场是工程稳定性数值模拟分析的基础。已有较多的岩石地下工程稳定性模拟证明,在FLAC^(3D)模拟时常用的速度边界法和快速应力边界法可以生成与实际较为一致的初始地应力场;但对于矿山深部工程,利用这2种边界条件加载方法,则模拟结果分别存在"地应力与实际不符"、"边界条件施加困难和浅部区域地应力与实际不符"的问题。针对这些问题,综合前述2种边界条件加载方法的优点,提出了矿山深部工程FLAC^(3D)初始地应力场生成的"速度-应力边界法",探讨了模型速度边界条件与应力边界条件加载范围的确定方式,通过算例分析验证了"速度-应力边界法"生成初始地应力场的合理性。研究表明:采用"速度-应力边界法"构建的矿山深部工程数值计算模型,可以通过多次试计算的方式确定速度边界条件与应力边界条件的加载范围;生成的初始地应力场与矿山深部工程地应力实测数据基本一致;解决了前述2种边界条件加载方法存在的问题。研究成果可为矿山深部工程的数值模拟分析提供参考。

大屯矿区深部工程锚、网+锚索支护理论与实践

文章从区域构造应力场入手，分析了大屯矿区的地应力特点，通过引入三维RQD指标测定、岩石水解弱化分析来综合评价岩体整体裂隙的发育状况、强度指标。在深部围岩受力特点分析和数值模拟分析的基础上，解释了锚、网＋锚索支护围岩顶部集中应力区向帮部低应力区转移的现象，并由此提出了锚、网＋锚索耦合设计的理念。

定向精度分析对深部工程贯通的效果

利用误差传播定律,分析误差来源及性质,使地面和井下坐标测量系统联系起来,更好的从技术角度实施采矿工程、探矿工程,为矿山效益最大化服务。

矿山测量技术在清平磷矿深部延伸接替工程中的应用——兼论清平磷矿床成矿机理

随着矿产资源的日益稀缺,对于矿山的安全运作和高效开采变得尤为重要。该文以清平磷矿为研究对象,探讨矿山测量技术在清平磷矿深部延伸接替工程中的应用及其对安全运作的作用。同时,结合清平磷矿床的成矿机理,进一步分析矿床形成过程中的关键因素。通过对矿山测量技术在清平磷矿深部延伸接替工程中的重要作用分析,该文旨在为矿山工程管理人员和研究者提供有益的参考和启示。

深部重大工程灾害监测与防控技术研究现状及发展趋势

在系统整理国内外资料的基础上,分别从深部工程强突涌水、高强度岩爆、软岩大变形、巨石垮塌和煤矿冲击地压灾害等问题出发,探讨其灾变机理、监测预警方法及防控关键技术。研究结果表明:解决相关重大工程灾害防控难题需重点开展孕灾地质判别、灾变机理明晰和靶向精细调控等几方面研究,重点突破方向在于岩体信息高精度探查、灾变过程演化信息捕捉、监测模式设计、监测预警装备智能化与信息化等方面,为深部重大工程灾害预防与控制领域的研究提供参考。

深部的概念体系及工程评价指标

随着开采深度的增加,岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性动力学灾害现象日趋增多,严重影响了深部资源的安全高效开采。深部开采工程中产生的岩石力学问题成为目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点。针对深部工程所处的特殊地质力学环境,通过对深部工程岩体非线性力学特点的深入研究,建立了深部的概念体系,指出进入深部的工程岩体所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统,而是非线性力学系统,传统理论、方法与技术已经部分或绝大部分失效。以难度系数及危险指数作为深部工程围岩稳定性控制难易程度的评价指标,能够综合反映深部工程岩体的力学特性与工程特性。

深地科学与深地工程技术探索与思考

21世纪的深地科学进入了新的发展阶段,深地科学规律尚未探明,深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性,地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。因此首先从地球科学的视角定义了深地科学:以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象,旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度(深层和超深层)科学奥秘;理清了深地科学与地球科学的区别与联系:即深地科学是在已知地球科学知识体系上的延伸,是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向,包含于地球科学;定义了深部与深地工程科学的本质:即针对现有浅部工程的科学规律与技术无法适用于深部工程的难点,探索深部工程相关科学规律,突破深部工程关键基础科学问题,匹配人类在深部工程活动中的地灾防控需求,进而指导深部资源安全高效绿色开发、深部工程空间有效利用。提出深地工程技术定义,即指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备,为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。最后,进一步明确了深地科学的研究内容与规划,以及深地工程技术内涵与攻关方向(即深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深地隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维),以期促进深地科学领域的发展。

深部软岩工程大变形力学分析设计系统

采用飞箭软件公司的有限元程序自动生成系统作为软件开发平台,进行“深部软岩工程大变形力学分析设计系统”的合作开发工作。该软件系统具有如下特色:(1)以和分解有限变形力学分析模型为主体,包括极分解力学分析模型供用户进行对比分析;(2)强调非线性大变形力学设计特色:力学对策设计、过程设计和参数设计;(3)包括多种岩土材料本构模型和工程材料单元,可以进行边坡工程、地基工程、地下洞室工程等大变形力学分析;(4)具有我国自主知识产权。目前该软件的弹性、弹塑性大变形二维计算程序和界面已经开发完成。通过对典型算例的弹性数值分析,验证大变形程序的正确性。该软件系统的问世,可为深部软岩巷道等岩体大变形力学问题提供具有分析和设计功能的数值分析软件系统。

深部岩体工程围岩质量评价的IRMR法研究

通过采用连续性细化方法,考虑高压地下水和高地温对岩体力学性质的影响,分别引入地下水和地温弱化系数,对传统RMR法中的岩石单轴抗压强度、岩石质量指标和节理间距这3个评价指标的评分标准进行修正,获得3个评价指标和其对应分值之间的非线性连续回归方程;根据深部岩体工程中地应力与岩石强度特征值之间的关系,定义岩体损伤破坏危险度系数,且建立该系数和岩体质量评分修正值之间的对应关系,由此获得适用于深部岩体工程围岩质量评价实际的IRMR法,并用实例验证了该法评价结果的合理性和有效性。

深部岩石工程力学特性及地应力测试研究综述

伴随中西部高山峡谷区水电及交通等工程的建设,与之相关的地下工程多呈现出超长、大埋深、高地应力、高外水压等特点,由此引发对深部岩石工程的岩石力学特性及地应力测试等科学问题的重视。简要综述了深部岩石试验技术、高应力复杂应力路径下的岩石力学特性、深部岩石的流变特征、深部围岩的质量分级与评价、地应力测试与分析等方面在过去10余年的进展,并对上述科学问题及后续研究重点进行了展望。

深部地下工程重大灾害案例网络平台建设与应用

为改变当前岩土工程专业课"填鸭式"教学模式,文章提出建设深部地下工程重大灾害案例网络辅助教学平台以实现案例式、研讨式教学模式。通过搜集与整理大量的案例素材,并根据教学要求对案例进行筛选与设计,构建工程灾害案例库。在此基础上,基于Web技术开发地下工程重大灾害案例库网络平台,实现案例资源信息的整合与共享,便于学生及时巩固所学知识。该网络平台已应用于中国矿业大学岩土工程专业课教学实践,效果良好,深受学生欢迎,其具有广泛的应用前景和推广价值。

深部岩体工程随机分析方法研究

提出基于径基函数网络、一次二阶矩法和数值分析方法的深部岩体工程随机分析新方法。用径基函数网络来逼近岩体工程极限状态函数及其偏导数,然后计算极限状态函数的统计矩,求解可靠度和风险失效概率。进行了某矿山矿柱随机可靠度分析,通过实例对比研究,说明了新方法的实用性。

深部地下工程重大灾害微课程视频建设思路探析

微课程是大规模网络开放课程(MOOC)的基本组成单元,是目前高校研究的热点。针对工科本科生专业课的微课程研究匮乏的现状,提出了土木工程专业深部地下工程重大灾害微课程视频建设思路,并详细介绍了具体实施方案。通过建设微视频,将以更为直观、形象的方式来讲解理论性比较强的土木工程专业问题和现场联系密切的工程实践问题,大大提高学生的学习积极性。本文提出的建设思路对于后续高校工科专业的微视频教学改革具有重要的参考价值。

深部采矿工程多功能相似模拟装置

以千米埋深为基本条件,根据相似模拟试验需求,研制了1种结构紧凑、一机多用的相似模拟试验装置。该装置由模型加载反力框架、模型加载装置及智能液压控制系统等组成,具有结构简单、操作方便、强度高、加载能力大、整体稳定性好、双向四面可调非均匀加载等明显优势。以淮南顾桥煤矿1115(1)工作面为研究背景,利用该试验装置进行深井大断面沿空留巷过程相似模拟试验研究,结果表明:利用该试验装置可以较好地实现沿空留巷过程这一复杂采矿活动相似模拟试验,且试验结果与现场实测相吻合,能较为准确地反映现场实际情况。

深部地下工程岩爆灾害模糊综合预测模型

为了合理预测深埋隧洞施工过程中岩爆灾害的发生,减少岩爆带来的危害,建立了基于岩石埋深H、岩石单轴抗压强度σ_(c)、岩石脆性系数σ_(c)/σ_(t)、岩石应力系数σ_(θ)/σ_(c)和岩石弹性变形能指数W_(et)共5个指标的评价体系。采用传统的层次分析法确定评价指标权重,模糊综合评价计算岩爆烈度结果,形成岩爆烈度预测模型。将该模型应用于大相岭隧道典型岩爆区段中,岩爆烈度评价结果与实际岩爆等级相符。

程潮铁矿深部接续工程采矿方案研究

目前程潮铁矿已回采至-447m水平,-465m水平采准工作也趋于尾声,根据勘探资料,-500m中段及以上水平保有期限已严重不足,因此提出了-500中段以下深部接续工程,通过方案及经济技术指标的对比,确定最优采矿方法,即采用由上而下的开采顺序,先开采-570m中段,-570m中段采用无底柱分段崩落法开采完毕后,再开采-675m中段。-675m中段保安矿柱外矿体采用无底柱分段崩落法回采完毕后,根据生产实际情况,采用上向分层充填法对-675m中段保安矿柱进行回收。-500 m中段以下深部接续工程保证了矿山的可持续发展,解决了采掘失衡的矛盾,而且还创造了可观的经济效益。