基于突变理论的隔水岩体失稳分析及安全厚度计算

为了保障岩溶突水隧道施工和运营安全,基于弹性梁模型,应用突变理论建立岩溶突水顶板在动力扰动下失稳的双尖点突变模型;综合考虑围岩性质、静水压力、动力扰动等因素,分析岩溶突水隧道顶板的失稳机制和破坏条件,建立其失稳突变的判别方程,并采用Matlab软件编程,求解顶板的最小安全厚度;同时,为了避免当静水压力过大时,突变理论公式的不合理性,单独计算仅在静水压力的情况下的最小安全厚度,并取两者计算值中的更大值。结果表明:隔水岩体是否保持稳定是由岩体内外因素共同决定的;岩体跨度越长,岩体最小安全厚度越大;岩体弹性模量越大,岩体最小安全厚度越小。在振动频率一定时,爆破荷载越大,岩体最小安全厚度越大;在爆破荷载的大小一定时,爆破振动的频率越大,岩体最小安全厚度越小;静水压力越大,岩体最小安全厚度越大。该岩溶突水隧道顶板安全厚度计算方法具有可行性与较高的准确性。

水仓防隔水煤柱安全评价及注浆加固治理研究

某煤矿水仓的砌碹巷道在开采的扰动、防隔水煤柱宽度留设不足、砌碹壁后充填不密实等情况下,使得周边采空区水渗漏至水仓,极大影响了水仓的安全稳定。为进一步加强水仓煤柱的稳定性,运用地面钻孔及井下钻孔相结合的方法进行注浆加固。采用地面钻孔注浆充填井下硐室,硐室充填沙子245~328 m^(3)、水泥487~650 t,充填材料体积远远大于硐室体积220 m^(3),有效增加了煤柱厚度;利用井下钻孔在砌碹处进行水泥注浆与水化学注浆,使得砌碹裂缝处涌水量由15 m^(3)/h降至为零,砌碹壁后空隙充填效果良好。通过对煤柱及砌碹壁后空隙的注浆充填,有效提高了水仓防隔水煤柱的稳定性。

张家峁矿近水体煤层群隔水煤柱合理宽度确定

针对张家峁常家沟水库近水体煤层开采后覆岩裂隙扩展诱发透水的潜在风险,对煤层开采过程中的覆岩破坏特征及裂隙扩展规律进行了模型试验及数值模拟研究。为合理确定4^(-2)煤层的隔水煤柱宽度,基于矿山支承压力和静水压力对隔水煤柱的不同作用机理,将4^(-2)煤层隔水煤柱划分为矿压影响区和有效隔水区,分别构建了矿压影响区和有效隔水区的煤柱受力分析计算模型,推导了4^(-2)煤层矿压影响区和有效隔水区的理论宽度计算公式。在此基础上,考虑煤层开采边界角与水体下伏不同煤层矿压影响区宽度的关系,提出了“上覆煤柱宽度+矿压影响区”的水体下伏煤层群隔水煤柱宽度确定方法。结果表明:4^(-2)煤层工作面初次来压步距为45~56 m,周期来压步距为13.8~14.9 m,上覆岩层冒落带高度为12~13 m;地表最大下沉量为2.0~2.2 m,下沉系数为0.571~0.629,4^(-2)、4^(-3)、4^(-4)和5^(-2)煤层隔水煤柱的合理宽度分别为25,39,51和87 m。现场实测隔水效果验证了近水体煤柱理论留设宽度的合理性及其工程适用性,为张家峁近水体煤层群安全高效开采提供了技术保障。

无压力注浆隔水地基处理施工技术研究

结合工程实际,介绍了一种通过无压力注浆进行基坑隔水的一种地基处理施工方法。通过孔位设计,无压力注浆隔水的方式,对施工场地进行地基处理,将地下水隔离,可实现地下工程无水施工;止水后经水压实验,基坑底部达到隔水层要求的,按照设计规范可以取消抗浮设计措施。在实际工作中,对无压力注浆在基坑隔水施工中的应用进行了尝试,通过注浆孔位置设计和注浆顺序,将水位较高的地下水区域从透水能力强的部位引至透水能力弱的部位,并形成隔水层达到降水的目的。并研究了基坑使用无压力注浆隔水降水的可行性。

防隔水煤柱切顶卸压定向爆破参数设计及工程应用

针对煤矿井下紧邻断层的防隔水煤柱稳定性保护问题,以鹤壁中泰矿业3309工作面防隔水煤柱为工程背景,对防隔水煤柱切顶卸压定向爆破参数设计及工程应用进行研究。通过对切顶卸压前后防隔水煤柱支撑压力分布进行对比分析,揭示了切顶卸压定向爆破作用机理,采空区顶板垮断时大悬臂结构被切断进而迅速垮落,防隔水煤柱上方侧向支撑压力缓慢上升然后延伸至深处缓慢下降到原岩应力。利用FLAC3D和ANSYS/LS-DYNA软件建立不同不耦合系数定向聚能爆破模型,数值模拟结果显示,切顶卸压后应力峰值降低了约27.8%,且峰值位置与3309工作面煤柱帮的距离明显增大,改善了3309工作面回风巷道附近区域应力环境;综合考虑切缝效果和炸药利用率,确定了不耦合系数1.7为正常段最优装药结构;根据数值分析结果和断层分布情况对3309工作面回风巷道进行系统性差异化爆破参数设计,现场应用表明切顶卸压定向爆破效果良好,对防隔水煤柱的保护起到了有效的作用。

三轴加载条件下隔水岩层渗透特性试验研究

隔水岩层采动影响下的渗透性能是评估水体下采煤安全与否的关键指标。为研究采动隔水岩层渗透性演化规律,通过进行三轴加载渗流试验,研究围压、水压对不同岩性隔水岩样承压破坏过程中渗透性演化的作用规律。结果表明:(1)隔水岩样三轴加载条件下渗透性演化规律与岩石内部裂隙、空隙压实程度及新生裂隙发育演化密切相关,岩石承载压缩过程中渗透性演化对应分为4个阶段;(2)围压、水压增大的降渗效果随轴压增大而减弱,围压、水压增大对岩石渗透系数的减弱呈现出非线性的特点;(3)岩石渗透性由大至小的顺序为中砂岩、细砂岩、砂质泥岩,岩性及矿物组成是影响围压、水压对岩石渗透系数的作用效果的主要因素。研究成果可为隔水岩层采动影响下隔水性能评价提供理论依据。

隔水导管承载简易平台在渤海边际油田开发中的应用探讨

为应对当前渤海边际油田井数越来越多的开发需求,并降低开发成本,考虑利用隔水导管替代传统钢桩,设计了一种基于隔水导管承载的简易平台型式,平台可满足12口井开发需求,且具有用钢量低、可一体化安装的特点。采用SACS软件对平台开展结构校核,探究平台应用于渤海边际油田的可行性,平台结构在静力和地震工况下满足安全要求。隔水导管承载简易平台为渤海边际油田开发提供了新的思路,对后续边际油田开发提供重要的参考借鉴。

浅水隔水导管动态响应及涡激振动疲劳损伤

介绍波浪海流作用下的隔水导管动力学模型,总结极限强度分析、稳定性校核和涡激振动Vortex Induced Vibration(VIV)疲劳损伤分析方法,并就某隔水导管实例分析动态响应和VIV疲劳损伤,得到隔水导管的极限强度结果、稳定性校核结果、VIV疲劳寿命满足钻井作业要求。所提出的隔水导管振动响应、VIV疲劳损伤及寿命分析方法为隔水导管的安全保障提供参考和技术支撑。

采空区积水腐蚀下对防隔水煤柱留设的影响

为揭示采空区积水对防隔水煤稳定性的影响,在唐安煤矿3号煤层对煤样和积水进行了实地取样,并对煤样受浸泡影响程度做了40d的观测研究。试验结果发现,当采空区积水pH值越低时,对煤柱稳定性的影响也就越大,因此引入抗拉应力软化系数的概念,对煤柱的留设进行了重新计算,为煤炭资源的安全、高效开采提供了技术保障。

东峡煤矿南汭河防隔水煤(岩)柱设计方案浅析

东峡煤矿井田北部发育的常年性河流南汭水河自西北向东南流经该井田,在靠近水体采煤的时候,需要严格控制采动影响,南汭河属于常年性流水河流,不允许导水裂缝带高度到达水体。设计方案计算了垮落带、导水裂缝带的最大高度,确定了防水隔水煤(岩)柱高度及煤柱下限标高,然后按照岩层裂缝角,确定了河流防隔水煤(岩)柱宽度。同时,为了有效防范由于地面塌陷进而导致河流河堤下沉的问题,设计方案按照经验留设了地表河流保护煤柱,并在河流堤岸建立了地表移动变形观测站。

锤入式隔水导管变形处理关键技术研究

我国海上开采油气资源受多方面影响,大多采用导管架部丛式井集中开采,其中浅水区域丛式井隔水导管采用锤入方式下入。目前海上钻井期间出现锤入式隔水导管变形,由于隔水导管起着隔离海水、抗冰、防腐、导入钻具和套管、承载井口装置及下层套管重量等关键作用[],并且对于海上平台每个槽口都非常宝贵,而隔水导管变形导致井槽报废、井口偏斜次生临井防碰问题,所以针对隔水导管变形形成一套经济、高效、安全的处理技术尤为关键。本文介绍了针对隔水导管变形影响因素,针对性处理技术对比,包括多种尺寸磨鞋磨铣、隔水管重入、隔水管开窗侧钻;结合前期技术分析及5口井成功作业经验,总结出一套较完备的隔水导管变形处理关键技术,具有极佳的推广应用价值。

群桩效应对多井隔水导管锤入阻力的影响

群桩效应使多井隔水导管的锤入阻力增加、从而导致拒锤等复杂事故,严重影响隔水导管安装作业效率。针对群桩效应影响多井隔水导管锤入阻力的问题,通过单根隔水导管锤入模拟实验,探索了隔水导管锤入对周围土体的影响情况;通过多根隔水导管锤入模拟实验,研究了群桩效应对多根隔水导管锤入阻力的影响规律。结果表明,随着单桩隔水导管锤入深度的增加,隔水导管周围径向应力呈现先增大后减小的趋势;锤入完成后,随着静置时间的增加径向应力持续上升,静置24 h后径向应力逐渐趋于稳定。在粉土层中,随着多井隔水导管水平距离的增加,径向应力增量呈现减小趋势;当水平距离小于3.0 m(4.9倍桩径)时径向应力增量较大,群桩效应显著,而水平距离大于3.0 m时径向应力增量较小,群桩效应对锤入阻力的影响可忽略。对比不同位置隔水导管锤击数发现,中心桩隔水导管的锤入阻力为单桩的2.47倍,边桩和角桩的锤击数分别为单桩的1.66倍和1.69倍,多井隔水导管的锤入顺序设计时应将中心桩位置的隔水导管先锤入,避免中心桩在群桩效应的影响下锤入阻力过大而导致的拒锤等情况。

厚土层区煤层开采红土隔水稳定性评价

为评价薄基岩厚土层地质结构下煤层开采后红土层隔水稳定性,以某综采工作面为研究对象,通过钻探法和物理相似模拟研究了导水裂隙带高度,采用孔组抽水和水化学分析法评价了上覆红土层隔水稳定性。结果表明,综采放顶煤采煤条件下采厚9.57 m时,实测导水裂隙带高度为92.01~101.17 m,裂采比9.61~10.57,与临近矿区实测值相比,明显偏小。物理相似模拟预测结果为136.61 m,导水裂隙带高度位于红土层顶界,与实测值相比结果偏大。抽水试验和水质评价表明,采空区第四系松散含水层和直罗组风化基岩之间水力联系较弱,煤层开采对红土层的隔水稳定性影响较小。红土层对导水裂隙发育存在抑制作用,是薄基岩区保水开采的重要保障。

隔水煤柱采动渗流耦合失效特征及其合理宽度

采空区遗留隔水煤柱水浸软化及采动影响下的耦合失效,是诱发同层回采工作面突水事故的常见原因之一,探究采空区积水隔水煤柱失效特征及其合理宽度,对于矿井水害防治具有重要意义。以甘肃华亭砚北煤矿250209工作面同层上覆关闭采空区隔水煤柱安全宽度为研究对象,通过理论分析及FLAC_(3D)数值仿真研究,分析了浸水侧煤体局部失效、坍塌及总宽度不足时隔水煤柱整体失稳灾变过程,揭示了水浸弱化、采动、渗流复杂影响下隔水煤柱内应力场、塑性区、渗流场耦合特征,掌握了不同煤柱宽度条件下隔水煤柱阻水能力及稳定性演化规律,提出了“渗水区+弹性压密阻水区+塑性区”3区联合型隔水煤柱宽度确定方法。结果表明:(1)隔水煤柱在覆岩载荷及采空区积水水压叠加作用下浸水侧下部煤体率先剪切塑性破坏,随着积水侵蚀渗透范围的扩张及不同程度浸泡弱化,诱发该区域煤体承载能力劣化及坍塌,最终导致隔水煤柱偏心压缩不均衡承载的倾倒失稳。(2) 3个阶段中隔水煤柱上部、中部、下部塑性区发育宽度不同,均呈现出沿煤柱高度方向自上而下逐步增加的现象,即隔水煤柱浸水侧下部塑性区扩展范围相对中部及上部更大,表明隔水煤柱底部区域更易形成导水通道,与理论分析相一致。(3)隔水煤柱中塑性区体积占据了渗水区总体积83%以上,是隔水煤柱导水的主要区域,弹性区体积占据了渗水区总体积的17%,尽管其占比较小,但其决定了渗水区范围的最大扩展边界,且弹性渗水区呈现出“高应力低渗透小范围”和“低应力高渗透大范围”应力渗透耦合特征。(4)隔水煤柱阻水能力取决于浸水侧渗水区与采动侧塑性区范围及其连通特性,隔水煤柱宽度为110和120 m时,渗水区与塑性区完全连通;隔水煤柱宽度为130、140和150 m时,渗水区与塑性区不连通,两者之间弹性压密阻水区宽度分别为5.5、11.5和23.5 m。基于此,将渗水区与采动塑性区相连通作为矿井水突破隔水煤柱的临界条件,提出了弹性压密阻水区宽度不小于20 m的“渗水区+弹性压密阻水区+塑性区”3区联合型隔水煤柱宽度确定方法,指出了合理宽度不宜仅将弹性核区占比大于31%、塑性区不连通等常规支撑型煤柱稳定性指标作为隔水煤柱稳定判别方法,还应考虑隔水煤柱的阻水性能。

受矿坑充水影响工作面防隔水煤柱留设分析

利用数学模型对山西沁和能源集团九鑫煤业有限公司矿坑充水情况进行模拟分析,预测矿坑充水量,确定防隔水煤柱留设宽度。根据矿坑面积及断层实际情况,在矿坑内沿已控制的地质断层上盘边界线上设置防隔水煤柱点位,通过点位连接确定防隔水煤柱边界线,以此完成防隔水煤柱设计。为验证设计的有效性,进行对比实验,证明了设计方案矿坑工作面导水量小于传统设计方案矿坑工作面导水量。

流固耦合下隔水帷幕对深基坑的变形特性研究

本文以某软土区止水帷幕深基坑监测为背景,使用COMSOL Multiphysics对基坑分层建模并建立二维渗流-固结耦合模型,研究流固耦合模型在软土地区基坑数值模拟的可行性,基坑渗流模型的建模方法,并分析不同隔水帷幕建模方法对基坑水平位移及坑外地表沉降的影响.研究表明:COMSOL Multiphysics模拟基坑变形数值与实际监测数值较吻合,降水渗流作用对基坑变形具有很大影响.止水帷幕对于减少坑外水位下降和控制地表沉降有显著作用.设置隔水帷幕后,地面沉降量减小,而缺点是导致围护结构变形增大.最后模拟了不同深度隔水帷幕对坑外地表沉降的影响,认为隔水帷幕对坑外沉降改变量有先增大后减小的规律,深度过小或者过大对沉降量的控制效果不好.弱透水层交界处有沉降改变量的极大值,弱透水层处沉降量改变量有明显骤减.

FX24断层防隔水煤(岩)柱安全评价及工程实践

通过含水或导水断层防隔水煤(岩)柱的经验公式、“下四带”理论的分析计算,确定了FX24断层防隔水煤岩柱的尺寸,同时通过物探和钻探手段对5302工作面水文地质环境进行验证分析。5302工作面的安全顺利回采证明,该论证方法科学合理,具有很强的指导意义。

利用隔水导管提高平台承载力的方法

针对渤海老平台桩基承载力不足的问题,提出一种利用隔水导管的剩余承载力提高导管架平台承载力的方法。为验证隔水导管作为导管架平台的持力结构的有效性和安全性,以渤海某平台修井机升级改造项目为例,通过改变导管架和组块与隔水导管的连接方式,按照第一水平层刚性连接、工作甲板斜撑连接及组合方法分别进行计算分析,计算结果表明,连接后荷载传递有效,传递效率最大可以达到26.06%;单根隔水导管附加荷载不超过960 kN,可以满足自身强度和稳性要求;平台桩腿受力减小,连接部位杆件受力增大,需要进行结构加强;导管架和隔水导管顶部水平位移均有减小,最大可降低9.56%和24.52%;不同组块连接方式中,荷载传递效率受到连接结构的刚度影响,连接结构刚度增大,荷载传递效率提高,隔水导管在满足井口稳定的基础上,可以起到承担平台荷载,提高平台承载力的作用。

利用土壤隔水聚凝剂处理盐渍土的试验研究

兰州新区变电站场坪普遍存在膨胀问题,导致邻近的混凝土道路开裂,影响变电站的正常运行。在详细分析当地土壤性质的基础上,采用新型土壤隔水聚凝剂处理土体,对比空白组,测试处理后土体的吸水率、吸水膨胀率、无侧限抗压强度及软化系数。研究表明,土壤隔水聚凝剂的掺加能够显著提高土体的气干无侧限抗压强度、浸水24 h的无侧限抗压强度和软化系数,降低吸水率及吸水膨胀率,从而提高了土体的耐水性,应用于工程可有效降低水分的渗入,降低该类工程中膨胀问题的发生率。

涠洲某油田隔水导管腐蚀检测及强度评估技术研究

海上固定式导管架结构生产平台隔水导管位于海水飞溅区和潮差段的部分由于常年受到海水冲刷、温度及应力变化等作用,普遍出现锈蚀、孔洞或裂缝变形等损害,结构和强度受到损坏。根据涠洲某油田隔水导管的实际情况制定了腐蚀检测方案,并建模对其结构强度及使用寿命进行了模拟核算和评估,研究表明该平台隔水导管普遍存在麻坑腐蚀及孔洞腐蚀现象,该方法对海上油气田开发平台的隔水导管检测和再利用具有很好的参考价值。