基于仿真的复合冲击破岩流固热耦合场分析

为了揭示复合冲击载荷下全尺寸PDC钻头破岩机理,以温度为纽带,通过迭代算法建立复合冲击载荷下PDC钻头破岩流固热耦合仿真分析模型,同时以PDC钻头切削齿温度为评价指标验证仿真模型;从动态破岩过程、力学变化行为、温度演化规律和流场分布特征等4个方面完成复合冲击载荷下全尺寸PDC钻头破岩工作特性分析。分析结果表明:PDC钻头破岩流固热耦合仿真分析模型误差在10%以内,满足工程分析精度需求;PDC钻头破岩过程分为单齿破岩、平面破岩和深度破岩3个阶段,增加复合冲击载荷后PDC钻头最大扭矩增大66.3%,平均扭矩增大28.0%;PDC钻头的高温区域分布在钻头最底部切削齿表面,最高温度达到166.9℃;钻井液在PDC钻头刀翼外侧切削齿产生高压区域,最大压力达到107.9 kPa;钻井液在喷嘴出口处流速最大,达到6.1 m/s。研究结果可为揭示复合冲击破岩机理、开发高效PDC钻头提供理论指导和技术支持。

大采高回采巷道帮部片帮及支护技术研究

针对大采高工作面回采巷道帮部片帮严重的问题,采用理论分析的方法得到回采巷道片帮的主要影响因素,运用数值模拟的方法研究煤体强度、巷道高度对片帮的影响。模拟计算得出,随着巷道高度增大及煤壁自身强度降低,巷道帮部水平位移量增大,且巷道帮部浅部监测点变化量大于深部监测点变形量,巷道煤壁浅部变形受影响大于深部煤体,并到了1211(3)工作面回采巷道合理巷高为3.5 m,提出全断面全长锚固一次支护技术和超前应力集中区二次补强支护技术,有效减小回采巷道帮部片帮风险。

无人机高光谱岩性和矿物识别技术研究

无人机高光谱遥感技术以其高空间分辨率和高光谱分辨率的技术优势,在大比例尺区域地质填图领域可以发挥重要作用。利用无人机搭载全谱段高光谱成像仪(HD_SAVI)获取0.2 m高空间分辨率影像数据,采用经验线性法对所获取数据进行光谱重建,重建后无人机高光谱影像光谱曲线与地面实测光谱曲线谱形基本一致,典型特征吸收峰位置偏差均在1个像元以内。采集岩性样本构建岩性知识库,利用深度学习算法基于无人机高光谱影像数据开展岩性识别;岩性识别结果与大比例尺地质图对比,岩性空间分布基本一致,地质体边界准确且较清晰。参考典型矿物光谱库进行矿物识别。与同一地区CASI/SASI航空高光谱数据地质填图结果进行对比分析,结果表明:两者提取的矿物在空间分布上具有较高的一致性,但无人机低空高光谱影像空间分辨率较高,识别出的矿物种类更加丰富。无人机高光谱遥感技术可以满足无人区、交通不便地区地质勘查,以及重点区或矿区外围等地区大比例尺地质填图的需要。

三模式掘进机全断面岩层段TBM模式施工技术研究

为研究三模式掘进机使用TBM模式在全断面岩层中的施工技术,以广州地铁7号线二期萝岗站—水西站盾构区间工程为研究背景,分别从出渣方式、掘进参数控制、刀具管理和稳定器应用4个方面对三模式掘进机TBM模式施工技术进行总结。结果表明:1)本工程中三模式掘进机使用镶齿滚刀施工,相对光面滚刀的消耗更少,刀盘转矩更低;2)三模式掘进机TBM模式采用泥浆循环和螺旋输送机双通道出渣,可显著降低泥浆管堵塞的概率,提高出渣效率;3)三模式掘进机在前盾、中盾安装稳定器和撑靴,可保证全断面硬岩地层中掘进盾体不发生滚动,同时增强盾体稳定性;4)在全断面岩层中采用三模式掘进机TBM模式开挖隧道,刀盘转速为3.0 r/min,总推力约15000 k N,转矩可控制在1300 k N·m,推进速度为8~12 mm/min。

高应力破碎围岩支护—注浆协同控制技术研究与应用

为解决高应力环境下松软破碎围岩巷道掘进和维护期间变形大、矿压显现强烈的问题,以王坡煤矿3211孤岛面回采巷道为研究背景,对巷道现场地质力学参数和围岩变形状况进行现场调研,分析了该区域巷道变形破坏的原因,结合现场围岩状况提出“长短全锚索支护+深浅孔注浆”的协同控制技术,并在3211回顺绕道延伸段进行工业性试验。在现场进行工业性试验后,对注浆加固后的巷道围岩进行钻孔窥视和持续围岩监测。结果表明,采用长、短锚索分层联合支护可有效控制该区域围岩变形,采用的深浅孔注浆加固能使浆液充分填补裂隙形成稳定结构,有效改善围岩的完整性;协同控制后围岩的移近量较注浆前减小79%,提高了巷道围岩的稳定性。

水岩和冻融作用下岩石的脆性评价

在总结目前已有的部分岩石脆性评价方法,并论述各评价方法优缺点的基础上,考虑岩石应力-应变曲线和能量演化规律,提出一种新的岩石脆性评价的计算方法,结合红层软岩在天然工况和水岩作用下,以及砂岩在天然工况和冻融作用下的三轴试验结果验证其有效性。结果表明,无论是天然工况还是水岩作用下,红层软岩脆性指数都随围压的增加而减少;各围压红层软岩在水岩作用下的脆性较天然工况下更弱,平均减少约44%。无论是天然工况还是冻融作用下,砂岩的脆性都随围压的增加而减少;各围压砂岩在冻融作用下的脆性低于天然工况,平均减小为13%。

全断面硬岩地层土压/TBM双模盾构滚刀性能评价

为了提高土压(EPB)/隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)双模盾构掘进效率,减少滚刀磨损,以深大城际铁路机场东站—黄麻布站区间为依托,以该隧道左线里程ZDK8+583.0~ZDK8+359.8全断面硬岩掘进段为研究对象,对区间所采用的EPB/TBM双模盾构滚刀性能展开研究。首先,根据滚刀功能和类型的不同,对该区段的滚刀更换情况以及磨损状况进行统计分析,并获得最优性能的滚刀;然后,为更好地指导开仓换刀,以最优性能滚刀为例对滚刀使用寿命进行评估;最后,根据现场实际情况建立刀具信息管理系统。研究结果表明:中铁装备宽刀更适合该类地层的掘进,所搭建的刀具管理系统能很好地实现刀具信息化管理,确保现场施工更经济、高效。

高强预应力锚杆力学性能实验与支护研究

高强预应力锚杆支护是传统锚杆支护技术的进一步优化发展。由于深部巷道具有围岩破碎、高应力等复杂地质特征,更多的高强预应力锚杆替代传统锚杆应用于其中。本文通过理论分析,预应力转化试验,左右旋锚杆拉拔试验以及锚固力试验,对比分析高强预应力锚杆的力学性能,揭示了新型左旋高强预应力锚杆加固围岩的支护机理。研究结果表明:(1)理论分析锚杆在围岩中的作用机理,阐明了预应力锚杆对围岩的加固作用;(2)滚丝锚杆扭矩转化成预紧力的效率约为等强全螺纹锚杆1.7~1.9倍;不同直径的左旋滚丝锚杆力学性能均优于右旋全螺纹锚杆,左旋螺纹钢锚杆锚固力大于右旋螺纹钢锚杆;(3)分析新型左旋高强预应力锚杆的结构,其具有预应力高、锚固力高、有效断面大等优势。本研究为深部巷道围岩支护技术的优化与创新提供了有益的参考和借鉴。

深部高应力软岩巷道围岩破坏机理及全锚索支护技术研究

传统锚网索支护无法有效控制深部高应力软岩巷道围岩大变形破坏。本文以古汉山矿1606底抽巷回风巷强矿压显现为工程背景,建立了深部高应力软岩巷道围岩破坏数值模型,探究了深部高应力软岩巷道围岩破坏机理,提出了深部高应力软岩巷道围岩控制对策,提出深部软岩巷道“短锚索固帮+长锚索强顶”的全锚索加固技术。现场工程实践表明,该技术可明显提高支护刚度与强度,改善锚固范围内的破碎围岩力学性质,有效控制了深部软岩巷道围岩大变形。

软岩巷道全断面锚注支护技术应力分布特征研究

针对软岩巷道分析其失稳变形破坏过程,提出全断面锚注支护技术,采用数值模拟方法研究赵固一矿在原支护方案和全断面锚注支护方案下的塑性区分布及垂直应力情况。结果表明:在原支护方案下,底板塑性区破坏深达4 m,两帮处的集中应力分布明显,最大集中应力系数为1.48。当采用全断面锚注支护方案后,巷道围岩形成统一整体,底板塑性区范围减小至1 m以内,两帮处的集中应力基本消失。结合现场监测发现,顶板离层在支护后期基本趋于稳定,巷道日均表面变形量约为2 mm/d,巷道围岩状态整体稳定,支护效果明显。

穿越多种典型地层的跨海超大直径泥水盾构选型及针对性设计——以青岛胶州湾第二海底隧道为例

为缓解海底隧道盾构段施工中存在的关键问题,以青岛胶州湾第二海底隧道TJ-06标段为实际工程背景,针对“深蓝号”超大直径泥水平衡式盾构长距离、高水压穿越上软下硬土岩复合地层、全断面凝灰岩、断层破碎带、全断面花岗岩时的刀盘刀具磨损、刀具破岩能力不足、泥水舱滞排、刀盘泥饼堵塞和盾尾密封失效与主驱动密封失效等关键问题与难点进行针对性设计与研究,采取减小刀间距、优化刀具布置与形式、采用大直径短螺旋后接颚式破碎机排渣模式、加强并优化刀盘与泥水舱的冲刷等设计方案,实现了降低能耗、减少刀具损坏、缓解泥水舱滞排、提高施工效率,并极大地确保了施工安全的实施效果。

矿山硬岩巷道掘进技术现状与展望

钻爆法和截齿破岩技术被用于解决硬岩截割的难题,但2种方法都存在诸多不足,难以适用于矿山硬岩巷道安全高效掘进。根据破岩方式的不同,对当前前沿的矿山硬岩巷道掘进技术进行了总结和探索研究。首先,阐述了不同硬岩截割方式的破岩机理,结合巷道成形方式介绍了国内外先进的硬岩巷道掘进装备,分析了相关装备的优缺点,指出了其适用范围。最后,分析了目前前沿的硬岩巷道掘进技术的局限性,指出了各种硬岩巷道掘进技术的未来发展趋势,高灵活性及各种破岩方式复合技术是实现矿山硬岩巷道安全高效掘进的发展方向。

全断面硬岩地层盾构刀具使用寿命延长研究

针对长距离全断面硬岩地层掘进工况下,盾构刀具易发生磨损失效,缩短刀具工作寿命的问题,结合穗莞深城际铁路机场站-固戍工作区间,分析9 m级泥水盾构机掘进过程中,刀具磨损的基本规律以及磨损失效的原因。为延长盾构刀具的使用寿命,基于硬岩地层下刀具磨损的基本规律,从刀具更换标准、刀具防松装置、刀具零部件替换以及刀具耐磨工艺等多方面加以改进,提出一系列减少刀具磨损的有效措施。

水利工程下穿高速全断面破岩顶管施工技术研究

随着我国高速公路建设的快速发展,水利工程常需下穿高速公路。顶管施工技术因具备施工简便、对环境影响小等优势,被广泛应用于此类工程。文章以某防洪引水工程为例,分析了全断面破岩顶管施工技术,包括施工作业准备、洞口封门、工作井施工、管节接口处理等内容,旨在探讨科学合理的顶管施工方案,为水利工程项目施工提供借鉴。

回采巷道过断层影响区围岩支护技术研究

为解决断层影响区回采巷道围岩变形量大的问题,以山西省A煤矿2605运输巷过F_(23)断层影响区为研究背景,分析了运输巷原锚网索支护条件下围岩变形特征及锚杆失效原因,并针对性提出采用全锚索支护方式控制围岩变形。现场应用后,2605运输巷过F_(23)断层影响区时围岩变形严重、顶板下沉量大等问题得以较好解决,顶板、两帮最大变形量分别控制在66、180 mm,锚索未出现失效情况,实现了对断层影响区回采巷道围岩变形的有效控制。

面向深层干热岩体的全波形速度反演建模方法

随着勘探深度增加,地震信号衰减严重,常规速度建模方法精度较低,无法满足深层干热岩体高精度勘探的需求。为提高速度建模的精度,采用全波形反演方法,但受局部优化算法的限制,其应用存在收敛速度慢、反演深度浅以及容易陷入局部极值等问题。为此,对梯度应用预条件处理和平滑处理,并使用共轭梯度优化算法,以解决地下照明不均匀问题,提高反演深度、精度和收敛速度。同时,为缓解局部极小值问题,引入局部相似性全波形反演方法来更新初始模型,并对构建的干热岩模型进行数值测试。结果表明:即使在初始模型极不准确的情况下,该方法仍能避免周波跳跃的不利影响,实现稳健的迭代更新;该方法能够显著增加反演深度和精度,并且对高速岩体有较好的刻画,最终能获得浅、中、深全层系高精度速度模型;提出的全波形反演方法为深层高温花岗岩体的勘探提供了一个切实可行的建模流程。

深部煤系软岩大巷全断面锚注修复技术研究

为解决深部煤系软岩大巷变形剧烈、持续时间长且支护困难的问题,以王洼煤矿8煤层南深部集中运输大巷为工程背景,采用现场勘查、矿物组分分析、围岩应力测试、数值模拟分析等方式,揭示了造成深部煤系软岩大巷产生强烈变形的主要原因,得出加强深部煤系软岩大巷支护的控制思路,并在此基础上根据煤系软岩的劣化程度和支护失效特征,提出了基于全断面高强锚索支护+喷浆+全断面注浆锚索锚注支护+钢棚支护的主被动联合补强修复支护方案,并建立了修复支护的“三个阶段、四个步骤”工艺体系。研究结果表明:8煤层南深部集中运输大巷围岩成分复杂、质地软弱、遇水易膨胀崩解,且处于高地应力环境,应力集中系数达到1.46,总体表现出变形速率快、持续时间长、变形量大的特点;原支护设计存在支护强度不足、未针对软岩特性采取有效措施的缺陷,导致顶板、巷帮部分锚杆锚索破断失效;进行全断面锚注修复支护后,形成高强度、范围大、连续性强的预应力场,预应力场有效影响深度增大至原支护的1.5倍。现场试验监测显示:补强修复支护后,大巷巷帮及顶底板变形趋于稳定,表明全断面锚注修复支护工艺对深部煤系软岩大巷的稳定性控制效果显著。

输电线路单群锚基础抗拔特征差异的现场足尺试验

为研究输电线路单锚与群锚基础抗拔承载特征差异,采用理论分析和现场试验相结合的研究方法,首先根据结构特点,从受力与变形2方面分析了单锚与群锚的承载机制;然后以输电线路基础工程中常用的全长黏结型锚杆为研究对象,选取位于福建泉州地区的花岗岩地基作为试验场地,分别开展了3组单锚、4组群锚的现场足尺拉拔试验,采用位移传感器测试基础与地基变形、采用光频域反射光纤传感技术测试锚杆应变,分析得到试验基础的荷载位移曲线以及锚杆界面内力分布;最后对受力过程中2类锚杆基础的变形破坏机制进行对比分析。结果表明:单锚与群锚荷载位移曲线特征存在差异,群锚反映出的塑性变形特征较单锚明显;加载前半段,锚杆体系位移以锚筋拉伸为主,加载后半段,以锚岩界面滑移为主;锚杆截面轴向应力沿深度方向逐渐减小,且最终在2~3 m深度处趋于0;拉拔荷载作用下的单锚破坏模式与基岩饱和单轴抗压强度有关,而群锚的破坏模式与组成的单锚数量有关;工程中建议以群锚基础试验获得锚岩界面黏结强度为设计依据。研究成果可为输电线路岩石锚杆基础的选型与设计提供参考。

复合顶板巷道支护技术研究

某矿91105回风巷掘进区域顶板为松软复合顶板,巷道在地应力、围岩强度低以及采掘扰动等多因素影响下出现变形量大问题,原有的锚杆锚网支护方式难以满足围岩控制需要。因此,结合91105回风巷现场地质条件,提出采用全断面高预紧力锚索方式支护围岩,充分发挥锚索悬吊能力提升围岩自身稳定性,并具体给出围岩支护参数。现场应用后,91105回风巷围岩变形量大问题得以较好解决,巷道在使用期间基本不需要修整,现场取得较好围岩支护效果。

全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究

刀盘刀具系统作为全断面竖井掘进机的关键组成部分,不同刀盘锥度及刀间距对滚刀破岩起决定性的作用。运用ABAQUS软件建立滚刀动态破岩模型,分析不同刀盘锥度和不同刀间距对滚刀破岩的影响,并获取了滚刀在破岩过程中的受力情况及破岩效率。结果表明:滚刀破岩效率随着刀盘锥度的增大而减小,滚刀破岩效率随着滚刀安装半径的增大而减小,综合滚刀受力、破岩效率和实际工况,得到刀盘锥度为120°、滚刀刀间距为40 mm时,滚刀破岩效率最高。为竖井掘进机锥形刀盘设计提供了理论依据,有效提高了竖井掘进机破岩效率和整机研制水平。