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。

隧道松散破碎软弱围岩管锚与注浆联合支护技术

在管锚与注浆联合支护对松散、破碎等软弱围岩加固作用分析的基础上,建立管锚与注浆联合支护的力学模型,通过管锚与注浆联合支护与一般喷锚支护塑性区范围大小的对比分析,揭示管锚与注浆联合支护的机理。理论分析及工程实践表明:管锚与注浆联合支护对提高松散、破碎软弱围岩完整性、强度,控制围岩变形有十分明显的作用,是一种特别适宜于松散、破碎软弱围岩洞室支护的方法。此外,还对管锚与注浆联合支护的设计、施工要点、施工加固效果评价方法进行分析和论述。

破碎软弱围岩巷道二次高强锚网支护技术方案

为解决某煤矿二三新大巷掘出后不久便出现两帮内移明显、顶板下沉量大等强烈矿压显现难题,根据二三新大巷围岩岩性、现有支护状况及变形破坏特征分析,认为巷道围岩岩性差、原有支护设计缺乏合理性、203工作面回采后支承压力是二三新大巷失稳破坏的主要影响因素。为提高巷道围岩承载结构的承载能力和结构稳定性,提高二三新大巷长期支护效果,提出了二次高强锚网支护技术方案,现场试验结果表明:二次高强锚网支护技术方案可有效控制二三新大巷的围岩变形,巷道顶底板移近量控制在96 mm左右,两帮移近量控制在120 mm左右,对于类似矿山巷道掘进支护有一定的参考价值。

破碎软弱围岩环境下煤层开采的几个问题

本文主要阐述了破碎软弱围岩条件下综合机械化采煤、普通机械化采煤、防止片帮冒顶的其他技术措施等问题。

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。

软弱破碎围岩地铁隧道施工工法数值仿真

针对青岛某软弱破碎围岩地铁隧道工程,根据其地质勘察和相关设计资料,隧道断面拟设计为单洞单线与双线马蹄形两种结构方案。采用Midas-GTS有限元分析软件建立了单洞单线和双线隧道断面的数值模型,并基于Mohr-Coulomb本构模型全过程模拟了上下台阶法和交叉中隔壁法(CRD)的施工流程,验证了该隧道衬砌设计的合理性及开挖方法的适用性。相应数值模拟结果对于类似软弱破碎围岩地铁隧道暗挖施工具有重要的参考价值。

软弱破碎围岩隧道开挖支护中CD法与环形开挖留核心土法对比分析

针对Ⅴ级围岩隧道岩体破碎,开挖中易发生松动变形、掌子面挤出、拱顶坍塌及地表沉降过大等病害的问题,基于FLAC 3D有限差分软件,对采用环形开挖留核心土法及中隔壁法(CD法)施工过程中围岩应力、位移和塑性区范围发展情况进行对比,分析不同开挖支护方法对围岩稳定性的影响。结果表明,相较于环形开挖留核心土法,CD法具有施工扰动小、初期支护封闭早、围岩位移及塑性区面积较小的优点,更适合于Ⅴ级围岩隧道的开挖支护。

软弱破碎围岩隧道钢拱架锁定施工技术研究

某高速公路隧道左洞长度为2102 m,右洞长度为2066 m,该隧道为双向四车道,该隧道净宽10.3 m,净高5 m,衬砌形式为钢拱架复合式衬砌。该隧道围岩状况极其复杂,存在着几处断层破碎带及其他的不良地质,由于受到围岩等级的影响,该隧道施工进度比较缓慢。为加快施工进度,减小隧道变形,进行了一系列的技术研究,重点是如何通过厚度较大的断层破碎带,因此,对于初期支护结构的变形控制提出了很高的要求。

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。

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。

软弱破碎巷道围岩深浅承载结构力学分析及数值模拟

巷道围岩-支护相互作用体系中围岩承载区是围岩应力的主要承载体,控制围岩承载区域的稳定对巷道围岩的稳定具有积极作用。针对软弱破碎巷道围岩工程地质特性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法对巷道围岩承载结构进行研究。考虑巷道开挖后岩体强度、应力和变形特征,建立了软弱破碎围岩巷道的理论计算模型,得到了围岩的应力场、位移场和塑性破坏区范围的解析解;考虑岩石峰后强度软化、剪胀扩容效应、原岩应力和支护阻力等因素的影响,在空间上将巷道围岩承载结构划分为"浅支撑层"和"深支撑层",同时在深支撑层内,存在一个高应力区域,承担了围岩的大部分荷载,对深支撑层的承载能力与稳定起着关键作用,称其为"关键支撑层"。通过算例分析了围岩残余强度和支护作用对深浅支撑层结构演化特征和巷道变形的影响。采用FLAC3D程序对深浅支撑层结构演化特征及巷道变形进行了数值模拟。研究结果表明:围岩的残余强度越大,深浅支撑层结构在空间上表现的越明显;剪胀扩容效应发生在深支撑层中的软化区内,但其最终导致浅支撑层发生变形;随着原岩应力的增大,巷道围岩深浅支撑层的厚度均不同程度的扩大。

软弱破碎围岩运输巷道变形机理及修复支护

为解决井下软弱破碎围岩巷道的支护问题,以巴鲁巴铜矿580 m水平运输巷道为研究对象,对巷道稳定性进行监测,分析巷道的变形特征及其影响因素,认为应力集中、围岩软弱破碎、支护强度低以及水的影响是巷道变形的主要影响因素。对巷道变形机理进行研究,建立巷道力学模型,在此基础上结合现场实际提出"钢拱架+长锚索"联合支护方案。使用FLAC3D对修复前后巷道稳定性进行模拟分析。研究结果表明:修复后巷道应力集中区域远离巷道表面,巷道围岩塑性区域面积下降40%。对巷道进行修复并对其稳定性进行监测,60 d内巷道两帮最大收敛变形量为39 mm、顶板最大下沉量为50 mm,没有明显的底鼓发生,巷道变形得到有效控制。

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。

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。

深埋软弱破碎围岩初期支护荷载承担比重研究

为了研究软弱破碎围岩隧道联合支护各构件的作用效果,以四川省宝兴水电站引水隧洞工程为背景,采用有限差分数值计算软件对隧道围岩注浆加固圈、喷射混凝土和型钢支撑3种支护措施的围岩荷载承担比重进行了研究。通过采用固定支座等效代替某种支护的方式,设计了3种支护方案,每个方案仅采用2种支护方式,计算至平衡,提取支护反力并转化成应力,从而得到该支护结构的荷载分担比。研究表明:型钢支撑起到及时强支护作用,可有效控制围岩变形;随着时间推移,当喷射混凝土达到一定的强度后,发展为主要承载结构,喷射混凝土面层承担更大比率释放荷载,喷射混凝土承载荷载比重最大,注浆加固圈次之。计算得出宝兴水电站引水隧道型钢支撑、注浆加固圈和喷射混凝土3种支护荷载承担比重为1∶1.25∶1.6。

基于非接触监测深埋软弱破碎围岩隧洞破坏试验研究

本文以软弱破碎围岩隧洞开展物理模型试验,应用红外成像仪器及高精度位移监测系统两种非接触监测方法,观察分析试验过程中温度场及位移场演化规律及模型破坏机理。通过红外热成像,开挖损伤区伴随全断面开挖的贯通以低温异常区显现。观察损伤区内外测点温度曲线,不同位置随破坏过程的温度变化规律得以显现。通过非接触位移监测提供的位移云图及位移矢量图确定了顶板垮落裂隙的产生机理。裂隙形成并发展至开挖损伤区形成贯通,造成顶板垮落。两种监测手段的结合,合理地分析了模型的破坏机理。

软弱破碎围岩隧道二衬施作的合理时机判别研究

为了合理判别软弱破碎围岩隧道的二衬施作时机,结合工程实践,通过洞室拱顶沉降和边墙变形收敛的现场监控量测,提出了利用围岩-初支系统变形实测数据判别软弱破碎围岩隧道二衬施作合理时机的考虑支护是否保守的五级速率比值法并研发了相应的软件,并通过工程实例进行了成功验证。研究表明:1研制的软件操作具有界面简洁、友好,以及操作简单易用的特点,具有测点围岩-初支系统位移和收敛的现场监测数据的录入、储存、修改和管理等功能,能方便地进行软弱破碎围岩隧道的二衬合理时机判别;2通过工程实例验证分析表明,提出的方法是可行的,与现行的二衬时机选择的方法本质上是相同的,但更加具有可操作性,研究成果可以为同类型隧道的二衬时机选择提供可资借鉴的方法。

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。

软弱破碎顶板巷道围岩变形机理及控制技术

针对软弱破碎顶板巷道支护困难的问题,通过现场调查和钻孔探测发现软弱破碎顶板巷道围岩具有自稳平衡拱结构,但极不稳定,在扰动作用下表现为局部到整体的连锁失稳特征。现场取样进行试验,发现顶板破碎岩块强度低,帮部煤块裂隙发育、底板泥岩软弱是造成巷道全断面变形失稳的主要原因。原支护棚架架型不合理、接顶效果差、支护缺乏整体性以及支护系统不能协调变形是导致巷道失稳的直接原因。进一步试验表明,该巷道的软弱破碎岩样在侧限约束条件下压实后具有较高的承载能力,在无侧限约束条件下则难以自稳。掺入一定水泥进行胶结后形成的弱胶结岩体,其稳定性和承载能力有明显提高。结合普氏自然平衡拱理论和"类双曲线"模型,构建了软弱破碎顶板巷道围岩"抛物线-半双曲线"破碎边界扩张模型,发现软弱破碎顶板载荷呈指数形式增长,当帮部煤体不稳定时顶板载荷急剧增加,而底鼓是造成帮部失稳的重要因素。因此,提出了强力控制软弱破碎顶板,强化约束帮部煤体,加强隔水预防巷道底鼓的控制原理和"控顶先固帮,固帮先护底"的支护原则。针对州景煤矿5305工作面的实际情况提出了"双层金属网+喷射混凝土+预支撑囧形棚架+可缩性纵向连接器"的组合控制技术,经初步的现场工程实践,取得了较好的支护效果。

软弱破碎围岩隧道初期支护受力特征测试分析

以某长大公路隧道为工程背景,采用现场测试方法,对软弱破碎围岩条件下,隧道初期支护的受力特征进行了具体分析。重点探讨了工字钢支撑、喷射混凝土的受力及围岩压力的变化规律和分布大小,为类似条件下隧道支护设计和安全施工提供科学依据和技术指导。