Analysis for interaction of supports and surrounding rock of gateways in longwall minging

Gateway supporting in long wall mining has been a problem that restricts the mine production and safety, the paper sets up an interaction model between support and surrounding rock (rock mass structure) and probes the elementary theory about ground pressure behaviors of gateway. Based on the analysis of supporting theories, some new viewpoints about gateways supporting and ground pressure controlling are put forward.

浅埋河谷段TBM施工应用与适宜性评价

TBM施工技术应用于隧洞开挖,技术上已经成熟,并广泛应用于深埋长大隧洞施工中。影响隧洞TBM施工的因素基本清楚,一般认为穿越浅埋河谷段隧洞采用TBM施工容易发生围岩塌方、涌水事故,不适宜采用TBM施工。为了研究浅埋河谷段TBM施工适宜性,通过两个典型的穿越浅埋河谷段隧洞TBM施工的工程实例,对比详细的工程地质条件,分析塌方的原因,进行TBM施工适宜性分析,结果表明,隧洞上覆弱风化岩体大于1倍洞径段进行适当的工程处理后,采用TBM施工是适宜性的。

敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法及应用

当TBM开挖隧洞遭遇不良地质条件下的围岩大变形地质灾害时,通常会造成卡机或侵限等风险。开展TBM开挖隧洞围岩变形安全评价工作对降低卡机或侵限等风险具有重要的现实意义。通过分析敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点,建立了敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法。该方法通过采用三维数值分析和围岩变形现场监测手段,可获得围岩在护盾区间以及出露护盾后的变形,从而实现敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全性判别。在滇中引水工程香炉山隧洞的工程应用表明,所提方法能够有效判别不同支护方案下的围岩变形安全性,从而为敞开式TBM开挖隧洞施工期支护方案实时调整提供依据。

地质突变条件下基于组合模型的围岩等级和TBM掘进参数预测

为了提高硬岩隧道掘进机(TBM)施工的安全性和智能化,基于TBM掘进数据,提出了一种将双向长短期记忆(BiLSTM)网络与支持向量机回归(SVR)算法相结合的可以同时进行围岩等级和TBM掘进参数预测的组合模型(BiLSTM-SVR模型)。实例验证结果表明:BiLSTM-SVR模型对围岩等级的预测准确度较高,均方根误差均小于0.0265、平均绝对百分比误差均小于0.95%;BiLSTM-SVR掘进参数预测中,推力和扭矩的预测准确度最高,净掘进速度和开挖比能的预测准确度最低;BiLSTM-SVR模型比BiLSTM模型和SVR模型的掘进参数预测准确度有较大的提高,因此进行单一模型的组合可以有效提高模型预测的准确度和鲁棒性。

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。

软岩中TBM停机状态下岩机相互作用规律研究

在软岩环境下使用TBM施工时,遇卡机等事故处理和设备检修更换常需TBM停机,预留变形量和停机时间是TBM安全运行的关键。依托白龙江引水工程六盘山泥岩隧洞,根据实际地质条件、隧道结构和TBM施工流程,采用数值计算的方法研究了TBM停机状态下围岩的变形特征及其与护盾的相互作用,并分析了合理的预留变形量和停机时间。结果表明:①该工程砂质泥岩为极软岩,流变性显著且服从Cvisc和Burgers模型,预留足够的变形量和快速掘进可保证TBM安全通过;②在停机期间,围岩变形具有显著时空效应,变形先快后慢,垂直位移大于水平位移,护盾后部围岩位移大于前部;③岩机相互作用的时空效应表现为,自下而上、由后至前,相继经历无接触-局部接触-完全接触-强烈挤压的过程;④预留变形为10 cm时的TBM安全停机时间不宜超过7 d。研究成果对认识软岩中TBM停机期间岩机相互作用具有理论参考意义。

Numerical simulation study on the relationship between mining heights and shield resistance in longwall panel

A numerical model based on a Continuum-based Distinct Element Method(CDEM) was used to carry out a dynamic simulation of the interaction between shield and rock strata movement in longwall mining. In Northern China, the Ordos coal field geological conditions and operational characteristics were used as a case example. The CDEM was constructed on Ordos coal field shield's operation characteristics and geological conditions. Numerical modelling was carried out to investigate the effects of different mining heights on the caving process, movement characteristics, equilibrium and stability conditions of overburden as the interaction between shield and surrounding rocks. With the numerical model, the internal factors for changes in shield resistance under different mining heights was found. The quantitative relationship between mining heights and shield resistance was also obtained by the numerical simulation.

护盾式TBM抱盾现象的形成机制与预测

主要针对护盾式TBM法施工隧洞掘进过程中发生的“洞抱盾”问题进行研究,分析了围岩变形等因素造成TBM抱盾的成生机制,提出了预测方法与风险评估思路,用于前期勘察设计阶段的TBM抱盾卡机预测和评价。

水工隧洞TBM施工适宜性围岩分类研究

隧洞掘进机TBM已逐渐成为水工深埋长隧洞的常规施工方法,而现行规范的围岩分类主要以隧洞围岩稳定性和支护措施为判别因素,仅适用于钻爆法隧洞。为此,梳理国内外不同工程的围岩分类指标体系和TBM施工特点,在隧洞围岩基本分类的基础上,重点分析了TBM掘进效率和不良地质条件,构建了TBM施工适宜性围岩分类方法。总结大量工程案例,综合权衡超硬岩、岩爆、断层破碎带、大变形、突涌水(涌泥)和高外水压力六个关键因素对TBM施工的定量影响,提出了可量化围岩分类指标。工程应用表明,TBM施工适宜性围岩分类方法可依据工程地质资料快捷完成围岩分类,能有效指导TBM隧洞施工,且具有较好的通用性和易用性。

基于滇中引水的TBM数据预处理与特征参数分析

TBM(全断面岩石掘进机)在掘进过程中会采集大量数据,数据类型丰富,总量庞大。但由于PLC采集数据的机制,原始数据规模庞大且包含了大量冗杂信息。本文基于标准化数据预处理,通过阈值设定,标准差划分等技术手段,以掘进段为单位对原始数据进行了初步分割,在此基础上进行了降噪和滤波,对异常数据进行了分类,基于处理后的数据对特征参数现场贯入指标(FPI)和扭矩贯入指标(TPI)进行了分析,研究了特征参数与围岩地质情况的相关性。结果表明:数据预处理程序能够较好的进行掘进段划分,经过处理的数据得到的特征参数质量高,与围岩地质情况有较好的关联度。

基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的[BQ]值和TBM利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道TBM掘进过程中的工程数据,对TBM围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明:在岩体可掘性等级为Ⅰ级,地层TBM适应性等级为3级的条件下,TBM施工巷道平均月进尺可达到400 m;当TBM利用率不足20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法通过利用自动采集的TBM掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估TBM在不同围岩地质条件下的施工性能,并为TBM掘进控制参数设计提供了理论依据。

不同围岩与掘进参数下的TBM主梁振动特性

依托新疆某水利隧洞重大工程在掘全断面岩石隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM),开展不同工况下的TBM主梁振动现场试验。通过时域和频域全面分析了TBM在不同围岩不同掘进参数下的主梁振动特性。研究结果表明:主梁振动加速度的变化能够准确反应TBM的启动、稳定掘进、停止、换步工作循环过程;主梁振动随着激励振源距离的增大呈波动性衰减,但是轴向的振动波动较小,衰减幅度为36.68%,横向次之,竖向衰减程度最大,高达81.88%;破岩推进力引起的主梁竖向振动大于轴向和横向的振动,轴向加速度有效值波动范围为-5~5 m/s^(2),横向为-3~3 m/s^(2),竖向为-10~10 m/s^(2),地质条件(岩体完整性K v、单轴抗压强度UCS等)对主梁振动有较大影响;TBM的关键掘进参数刀盘转速(n)、贯入度(P)、推进力(F)与主梁振动具有显著的相关性;主梁的振动频率一般分布在150 Hz以下,不同工况下,3个方向上可能会在某些频率点同时出现峰值,表明不同方向上存在耦合振动。现场测试揭示了不同工况下TBM主梁振动的特性与规律,为TBM的主梁结构设计、掘进参数优化以及地质条件感知识别等提供了试验数据和理论依据。

敞开式TBM掘进施工中围岩坍塌防治技术

矿井建设随着科学技术的不断进步与发展,在机械化、自动化、智能化施工方面不断创新发展。面对我国劳动力市场日益紧张的严峻形势和应对复杂地质环境的不安全因素,全断面岩石隧道掘进机(TBM)施工技术成为矿井巷道施工的引领者和未来发展的主要方向。但TBM施工面对破碎、软弱、高温、高压等复杂的地质赋存环境,亟需对TBM设备进行革新改良,以更好地适应施工环境,创造安全高效的施工条件。对山东新巨龙煤矿采用TBM法施工的实际应用中存在的问题进行总结分析,通过处理软弱岩帮,确保TBM撑靴处围岩稳定,保证撑靴支撑力,保持TBM推进力,并同时对回风大巷顶板支护进行了研讨。论文的研究对于TBM全断面掘进机施工在煤矿领域的施工具有一定参考价值。

基于围岩分类HC评分的双护盾TBM施工速度预测模型

针对双护盾TBM施工速度预测问题,以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,采用现场实测数据统计分析的方法,基于《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)的围岩分类HC评分值,研究了TBM净掘进速度、TBM利用率与围岩分类HC评分值的相关性,进而建立了双护盾TBM施工速度预测模型。结果表明:①TBM净掘进速度与HC值呈二次函数关系,相关性系数为0.84,随着HC值的降低,TBM净掘进速度呈现增加的趋势;②TBM利用率与围岩HC值呈二次函数关系,相关性系数为0.82,TBM利用率随着HC值的增加有先增大后减少的趋势;③围岩的HC值为41~46时,TBM的施工速度达到最高,日进尺可达到45 m以上,当HC值<41时,TBM施工速度随着HC值的降低而降低,当HC值>46时,TBM施工速度随着HC值的增加而降低;④预测施工速度与实际施工速度吻合较好,平均误差为5.2%,最大误差<10%,说明预测模型可靠,可用于双护盾TBM施工速度预测。

某深埋TBM引水隧洞不同围岩条件下岩爆破坏特征及支护方案研究

不同围岩条件下,深埋硬岩隧洞同一等级岩爆破坏特征有显著区别。以某深埋TBM引水隧洞工程为研究背景,分析了不同围岩中等岩爆破坏特征,基于声波测试、数值计算建立了不同围岩条件下深埋隧洞中等岩爆区防控方案。研究结果表明:该TBM隧洞以中等岩爆为主,Ⅲb类围岩中等岩爆平均深度为0.58 m,Ⅲa类围岩中等岩爆平均深度为0.45 m,Ⅱ类围岩中等岩爆深度为0.32 m。数值模拟与现场声波测试结果进一步表明,从Ⅱ类至Ⅲb类围岩,损伤区深度逐渐增大,最大主应力逐渐减小,但应力集中区距边墙距离及范围更大。建立的不同类别围岩中等岩爆区防控方案得到成功应用,现场安全通过岩爆区,且Ⅱ类、Ⅲa类和Ⅲb类围岩中等岩爆段平均日进尺分别提高了19.8%、18.8%和30.6%,施工效率大大提高。研究成果可为相同或相近TBM隧洞工程提供参考依据。

双护盾TBM破碎带施工地表沉降规律分析

为了探究双护盾TBM在破碎带地层掘进对地表沉降及周围环境的影响,确保TBM的安全顺利施工,降低发生地面塌陷等灾害的风险,依托青岛地铁4号线某双护盾TBM区间,采用FLAC3D软件建立了破碎带地层开挖模型,并结合现场实测地表沉降数据,分析了双护盾TBM穿越断层破碎带不同稳定状态围岩段的地表变形。研究表明:断层破碎带围岩稳定区段的实测沉降数据与模拟结果基本一致,沉降槽近似呈正态高斯分布,沉降影响范围为4倍洞径;围岩失稳区段的实测沉降值与沉降速率远大于模拟值,沉降影响范围为5倍洞径;洞周失稳区段的沉降主要发生在管片拼装完成且未进行豆砾石回填注浆阶段;掌子面失稳造成的出渣量超限致使地面沉降增大,出渣量越大则地面沉降越大。

抽蓄工程特殊地段、不良地质及围岩大变形TBM施工技术

随着我国抽水蓄能项目的高能快速发展,全断面硬岩隧道掘进机(简称TBM)被广泛应用于抽蓄工程,TBM施工具有快速、高效、安全等优点,但施工断面小、地质条件复杂多变、涌水量大、多断层破碎带、高地应力及岩爆、围岩大变形等也成为TBM施工的重难点,结合永嘉抽蓄工程对TBM施工地质条件复杂多变、涌水量大、多断层破碎带、高地应力及岩爆、围岩大变形等技术难点进行深入研究,形成一套抽蓄工程特殊地段、不良地质、围岩大变形TBM施工技术,旨在日后为类似工程提供技术指导。

深部软岩巷道围岩与锚喷U型钢支护结构相互作用研究

收敛-约束法(特性曲线法)是将理论解析、现场实测、工程经验相结合的一种地下工程结构设计方法,是目前分析围岩-支护相互作用关系及开展支护优化设计的常用方法。基于收敛-约束法的基本原理,总结给出了经典的支护特征与支护结构变形方程,理论计算获得了喷射混凝土、锚杆(索)、U型钢支架等支护结构的支护特征曲线,分析了支护结构的几何尺寸(直径、长度)、间排距、材料强度等参数对支护压力的影响特征;随着喷射混凝土厚度及强度等级的增加,喷射混凝土提供的支护刚度和支护压力逐渐增大;随着锚杆(索)直径、长度、杆体材料强度的增加及间排距的减小,锚杆的支护压力显著增加;U型钢支架的排距越小及材料强度越大,其提供的支护压力越大。采用FLAC^(3D)内嵌的莫尔库伦应变软化本构模型,建立了考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的深部软岩巷道数值分析模型,计算获得了不同应力状态下巷道纵剖面变形曲线、围岩特征曲线,分析了锚喷、锚杆(索)喷、锚喷U型钢等3种联合支护技术对深部巷道围岩大变形控制的适用性,验证了锚喷U型钢联合支护技术应用于深部巷道支护工程的可行性。考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的应变软化本构模型和经典的莫尔库伦本构模型的数值模拟结果相差较大,采用莫尔库伦本构模型的数值模拟结果保守,支护结构提供的支护压力无法满足深部巷道稳定性控制要求,支护后巷道围岩变形较大甚至会发生冒顶、片帮等安全事故。

基于模糊综合评判的护盾式TBM施工围岩稳定性分类

针对传统分类方法难以对围岩稳定性进行评价的问题,以护盾式全断面隧掘进机(TBM)施工隧洞的围岩稳定性评价为目标,在研究护盾式TBM施工特点的基础上,参照国内、外常用的围岩分类方法,选择了岩石的回弹值、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量、地下水渗流量和最大主应力与洞轴线的夹角作为围岩稳定性评判因素。采用模糊综合评判方法,建立围岩稳定性多因素评判模型,通过确定评判因素的权重向量选取隶属函数,进而对围岩稳定性进行定量评判,并将之应用到某工程双护盾TBM施工的围岩稳定性评判中。结果表明:序号1、2、3和4洞段对应的较稳定、较稳定、局部稳定性差和不稳定的最大隶属度分别为0.494、0.403、0.388、0.442,分别对应Ⅱ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类围岩;模糊综合评判方法合理,评判结果较为可靠。研究成果对护盾式TBM施工的围岩稳定性评价、围岩分类及支护方式选择等具有参考价值。

引洮工程红层软岩隧洞TBM施工预留变形量分析

引洮工程属大型跨流域自流引水工程。工程区广泛分布新近系红层软岩,工程地质条件复杂,存在红层软岩隧洞大变形和TBM卡机等工程地质问题。依托引洮工程7#试验洞,采用原位剪切试验、现场变形试验室内流变试验等方法,获取了新近系红层软岩的物理力学参数。采用理论计算和数值计算方法(Burgers mode),对不同埋深条件下红层软岩隧洞的变形特征和最大变形值进行分析。重点研究了TBM掘进预留变形量的问题,提出引洮工程7#红层软岩隧洞TBM掘进预留变形量建议值为9～13cm。研究成果直接服务于引洮工程,为优化设计提供直接的地质支持,也可为同类工程提供借鉴。