Load compensation research on twicetension for loop anchor cable of inner lining in Yellow River-crossing tunnel

The load compensation equipment for anchor cable named low retraction prestressed anchorage system with twice-tension(referred to as twice-tension anchorage system) is proposed in the paper. Calculation results of loop anchorage prestressing loss(PL) values of inner lining(IL)in Yellow River-crossing tunnel under two anchorage systems,including twice- tension anchorage system and HM(Chinese transliteration is huanmao)anchorage system,are introduced. The software ANSYS is selected to realize the three-dimensional(3D) finite element modeling to accomplish simulation and calculation works under the two anchorage systems,respectively. Stress processes of IL under the two working conditions,of which one is completed cable tensioning(CCT) and the other is water in the tunnel with the designed water pressure(DWP),are contrasted and analyzed. Impacts of prestressing forces of anchor cables on structural safety under the two anchorage systems are contrasted. The calculation results show that the twice-tension anchorage system can reduce PL effectively and then increase prestresses of wall concrete(WC). Meanwhile,the anchorage system has the advantages of improving security and stability of tunnel structure,reducing project costs and saving steel consumption. The research work is available to related design and construction of anchor cable,and is worthy of promotion and application.

HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

近距离煤层联采巷道交错布置及支护技术研究

为解决近距离煤层联合开采时采出率低、安全性差等问题,探究巷道交错布置方式及下煤层巷道支护技术在近距离煤层联合开采中的应用,以山西晋保煤矿12#、13#煤层地质条件为研究背景,采用理论分析与FLAC3D数值模拟的研究方法,研究了巷道采用交错布置时下煤层巷道的围岩变形与矿压变化,得到巷道交错式布置时上下煤层巷道的水平错距应大于7.98 m。通过数值模拟分析矿方原始支护方案与新支护方案下煤层巷道顶板的垂直位移变化规律,确定对下煤层巷道进行锚网索联合支护的分区支护方案。结合现场实测结果表明:下煤层巷道围岩变形处于可控范围内,交错式巷道布置方式以及巷道分区支护方案较为合理,能够保证工作面的安全生产,可以为类似地质条件下近距离煤层的开挖提供借鉴。

高温独头巷道压抽混合式通风参数对人工制冷降温效果的影响

为了改善独头掘进巷道高温环境,以大红山铜矿西矿段-20m中段北沿脉西侧高温独头掘进巷道为研究对象,利用Fluent进行数值模拟,开展了风筒高度、抽出式风筒滞后压入式风筒距离及抽压比对独头巷道人工制冷降温效果的影响研究。结果表明:压入式风筒高度对降温效果影响明显,最佳高度为1.0m;抽出式风筒与压入式风筒高度持平时,降温效果最好,最佳高度为1.0m;抽出式风筒滞后压入式风筒距离过大不利于降温,最佳距离为5.0m;抽压比过小或过大均不能使掘进巷道形成良好的风流循环,降温效果较差,最佳抽压比为2.0。研究成果可为高温矿井通风辅助人工制冷降温参数选取提供指导。

网格化磨料射流割缝辅助截齿破岩试验研究

针对煤矿岩巷掘进过程中截齿破岩能力不足、效率低、磨损快等问题,提出了网格化磨料射流割缝辅助截齿破岩方法,并进行了正交化物理模拟试验,研究了工况参数对破岩效果的影响。结果表明:(1)磨料射流对岩石预制割缝,能够显著提高截齿单位时间的破岩体积,且试验中网格尺寸和割缝深度取值越大,破岩效率越高。(2)当射流割缝辅助破岩时,截齿等效应力峰值和均值均显著降低,有效减少截齿磨损。(3)网格化磨料射流辅助截齿破岩参数的优选工况组合为:横向和纵向网格尺寸分别为44、30 mm,喷嘴进给速度为600 mm/min。研究成果为网格化磨料射流辅助机械截齿破岩技术推广应用提供了理论基础与数据支撑。

深部金属矿山巷道TBM掘进技术应用现状及研究进展

未来10年,我国将有30%以上金属矿山开采深度达到或超过千米。深部金属矿山开采面临高地应力、高地温、地层多变、采掘强扰动等复杂地质环境,给巷道掘进带来严峻挑战。传统钻爆法巷道掘进非连续作业、效率低、灾害频发,难以满足建设需求,采用隧道掘进机(TBM)进行机械化连续掘进是深部金属矿山巷道建设的未来发展方向。然而,因深部金属矿山独有工程地质特点和巷道掘进需求,TBM技术在深部金属矿山巷道掘进中仍存在一些技术难题和挑战。本文首先总结了TBM技术在深部金属矿山巷道掘进中的三个应用难点:1)缺乏适用于深部金属矿山巷道的TBM适应性选型设计理论;2)缺乏适用于深部金属矿山巷道的TBM高效掘进技术;3)缺乏适用于深部金属矿山巷道的TBM掘进灾害监测预警与防控技术。然后,从六个方面介绍了深部金属矿山巷道TBM掘进技术应用的研究进展:适应性选型与设计技术、刀盘刀具高效破岩理论、掘进性能精准预测与评价方法、小半径转弯和倾斜巷道掘进技术、掘进灾害智能预警与防控技术、智能决策和辅助驾驶技术。上述研究成果为推动TBM掘进技术在深部金属矿山巷道中的广泛应用,实现深部金属矿山巷道快速掘进指明了发展方向。

竖井巷道掘进超前地质探测研究进展与展望

以掘进机为代表的机械破岩是未来竖井巷道掘进技术发展的方向,为保障竖井巷道快速机械智能化掘进的安全,超前地质探测是不可或缺的工序。从探测范围、适用条件以及优势不足等方面对常规超前地质探测技术和随掘超前探测技术的发展现状与特点进行了分类总结,常规超前探测技术各有一定的适用范围,在钻爆法施工环境中得到了较好地应用。在面对掘进机复杂的施工环境时,常规超前探测技术难以适用。而随掘超前探测可以实现掘进与超前地质探测同步进行,实时预测工作面前方的不良地质,是井巷机械智能化掘进超前地质探测技术研究的重点。其中,竖井全断面掘进机是综合机械化凿井的发展方向和趋势,但其施工环境非常复杂,基于掘进机破岩震源地震波的超前地质探测是有效的预测方法。针对全断面竖井掘进机破岩震源超前探测方法的难点,即施工环境和破岩震源地震波场的双重复杂性,从多个方面提出了解决思路:针对震源先导信号,采用多种方法联合去噪,压制破岩震源干扰波;对于地震记录信号,采用以互相关为核心的地震记录重构方法恢复有效波场;开展竖井全空间三维立体探测和高精度成像的研究等。此外,开展多种随掘物探方法联合反演能够提高地质判识的可靠性和解释精度。研发竖井掘进机的掘探一体化装备是未来深入研究的方向。

深部特厚煤层综放沿空掘巷煤柱优化及巷道支护

为研究深部大采高综放工作面窄煤柱沿空掘巷巷道矿压控制问题,以国能宁煤集团枣泉煤矿2^(-2)特厚煤层130203大采高综放工作面回风巷道为背景,基于实用矿山压力理论,建立了巷道围岩内、外应力场动态结构力学模型,运用理论计算和数值计算针对不同尺寸煤柱煤体应力对比分析,将原留设15 m护巷煤柱缩小至5 m进行了煤柱优化。结果表明:在稳定的内应力场掘巷有利于巷道的稳定性,避免了顶板事故及冲击地压相关灾害的发生,现场5 m小煤柱护巷工程应用中,130203回风巷道小煤柱侧变形量为1050 mm,实体煤帮变形量为400 mm,两帮呈现不对称性变形,底板局部底鼓量为1400 mm;深部特厚煤层综放开采沿空掘巷采用5 m小煤柱护巷方案设计正确,极大改善了巷道围岩的应力环境,整体设计满足生产要求,现场应用良好。130203工作面小煤柱沿空掘巷技术成功应用,为矿井开采提供了可靠的科学依据。

并行双洞公路隧道平导巷道式通风方案优化研究

依托四川省凉山彝族自治州大凉山1号隧道,采用流体力学Fluent软件对平导巷道式通风方案进行数值模拟和流场研究,并对原方案进行优化和验证。研究结果表明:原方案存在污浊风循环现象,提出了在人行横通道上设置风门或射流风机,或在平导内更改风门的位置或增设射流风机群等优化方案;通过对优化方案进行数值模拟发现,平导增设射流风机群能解决污浊风循环问题,且建议采用SSF-6.3射流风机;并对平导增设射流风机群方案进行了验证,隧道内CO最大含量低于0.0024%,CH4最大含量低于0.25%,均满足施工通风要求。相关研究结论可为类似隧道通风方案优化提供参考。

曹家滩煤矿掘锚一体化施工工艺优化研究

针对曹家滩煤矿大断面煤巷智能快速掘锚成套装备与掘进工艺不匹配、无法实现完全平行作业等问题,为了提高掘锚一体化平行作业率,以现有技术设备为基础,开展了现场调研、跟班实测、理论分析及数值模拟,在实测掘进工作面工艺流程、人员配置、各工艺时间的基础上进行定量化与理论化研究,对截割、临时支护、永久支护等方面进行了优化。同时结合理论分析和数值模拟研究了锚杆密度、长度对巷道围岩变形的影响规律,在保证安全支护的前提下,提出锚杆减密加长的支护方案,即:在保证原有支护强度的前提下,通过增加锚杆长度和增大锚杆间距来缩短支护时间,提高支护效率,实现掘锚同步的平行作业。

基于随机森林算法的隧(巷)道光面爆破参数选择模型研究

为解决隧(巷)道光面爆破中参数选择困难的问题,构建了基于随机森林算法的隧(巷)道光面爆破参数选择模型。模型以围岩质量分级BQ、隧(巷)道断面面积、炮眼直径为输入参数,以最小抵抗线长度、炮眼间距、炮眼深度为输出参数。使用了24个训练样本、7个测试样本进行模型训练及测试,结果表明,炮眼间距、最小抵抗线长度、炮眼深度3个输出参数值与测试样本对应参数值之间的平均相对误差分别为17%、8.8%、22%,可见模型对于最小抵抗线长度的选择效果较好,对炮眼间距、炮眼深度的选择效果欠佳。

转龙湾矿浅埋薄基岩厚煤层双巷掘进巷间煤柱合理尺寸研究

鄂尔多斯矿区浅埋薄基岩厚煤层工作面双巷掘进普遍采用19~30 m大煤柱护巷,煤炭资源损失严重。为确定转龙湾矿厚煤层23205工作面双巷掘进巷间煤柱合理尺寸,通过极限平衡理论分析得出合理最小煤柱宽度为11.38~20.94 m;采用FLAC^(3D)数值模拟分析了不同巷间煤柱宽度双巷掘进围岩应力、塑性区及位移分布演化规律。研究表明,转龙湾矿23205工作面巷间煤柱宽度最小合理尺寸为14 m左右,实际采用13.8 m巷间煤柱,实践表明巷道维护效果良好。

TBM巷道破碎围岩控制方法确定及应用

为探究TBM在掘进过程中遇破碎围岩时应采取何种应对措施,现以某矿井为工程背景,通过理论分析以及实际应用的研究手段,确定了该矿井的破碎围岩处理方法。研究结果表明:TBM在前进过程中主要是通过撑靴和围岩相互作用,当达到平衡状态时即可保证TBM的正常前进;在遇到破碎围岩时,无论是围岩表面还是围岩自身的稳定性均不能满足前进要求;采用层次分析法对6种破碎围岩的处理方法在安全、效果、经济、效率四方面进行了权重分析,确定了地锚法所占总权重最大,应是处理破碎围岩的首选方法;结合矿井的实际情况,分析了采用地锚法、浇砼法、传力棚法3种处理方法的掘进效率以及消耗费用,地锚法均以明显的优势领先。研究成果可对矿井采用TBM掘进中处理破碎围岩方法提供参考,有利于推动TBM在煤矿中的应用。

基于数字孪生技术的煤矿掘进机自动截割方法研究

为了解决目前掘进工作面设备自动化控制存在的缺乏可视化人机交互控制、缺乏掘进工作面数字孪生动态建模、缺乏巷道模型与掘进机定位导航系统融合的问题,提出一种基于三维数字孪生技术的煤矿掘进机自动截割方法;该方法利用三维数字孪生技术的巷道模型生成截割模板,实现掘进机对预设截割断面的自动化截割,可达到人工远距离、可视化控制掘进机安全自动作业的目的。介绍了数字化巷道和掘进机模型的构建方法以及数据驱动逻辑,并对掘进机自动截割控制方法进行了详细阐述。结果表明,该方法避免了粉尘等对掘进机自动化截割的影响,降低了人员现场作业风险和劳动强度,解决了掘进机远程截割精确度低、巷道断面成型质量差等问题。

高瓦斯大断面煤巷智能快掘条件下围岩控制研究

针对高河煤矿高瓦斯大断面煤巷智能快掘条件下的围岩控制问题,根据悬吊理论、普氏理论对E2312进风顺槽锚杆、锚索支护参数进行理论计算,初步确定了部分参数,采用数值模拟方法对智能快掘巷道围岩控制效果进行模拟分析,揭示锚杆、锚索协同锚固效应及其双层锚固平衡拱结构形成机理,并确定快掘条件下的最终支护参数。通过对不同支护参数和掘进速度分别制定了多组数值模拟方案,对比分析巷道围岩锚固效应、塑性区发育范围以及顶板下沉量和两帮移近量变化曲线,结合现场工程应用综合分析得出,在一定范围内提高掘进速度的同时,结合对支护参数的优化,更加有利于巷道的围岩稳定控制。

煤矿岩巷TBM掘进随掘地震信号特征及其应用

随掘地震超前探测技术可实现探掘平行,为巷道快速智能掘进场景下实时、精准地质保障提供了可能。随掘震源产生的是复杂、变频、连续信号,信号特征认知直接影响数据处理与成像精度,而目前针对岩巷全断面掘进机(TBM)随掘地震信号特征的认知仍不清晰,且暂时还没有针对性开展过信号处理与成像研究工作。针对上述问题,以谢桥煤矿瓦斯治理巷TBM随掘地震超前探测试验为例,分析了刀盘先导信号与岩壁接收信号的时间域、频率域及时频域特征:岩巷TBM随掘地震信号中不同振幅能量成分比例呈现金字塔形,但分布随机,不对称程度较高;机械运转信号能量较大,刀盘先导信号强度是岩壁接收信号的200倍左右;频率域变频特征明显;机械运转信号基础频率较低,刀盘先导信号频率成分主要集中在10~80 Hz与150~200 Hz,主频为36.99 Hz,岩壁接收信号频率成分主要集中在50~200 Hz,主频为137.97 Hz;刀盘先导信号较岩壁接收信号时频域能量团分布更为规则,多次震源激发现象明显,能量团之间的差异性特征表明了多次震源激发时振幅能量与持续时间的随机性。利用脉冲化算法与绕射叠加偏移成像方法对岩巷TBM随掘地震信号进行数据处理与成像试验,结果表明:(1)脉冲化等效单炮记录与利用常规震源得到的超前探测单炮记录特征一致性较强,同相轴清晰且连续性较好,可满足现场探测分析需要。(2)对探测范围内岩体情况的超前预报结果与实际揭露情况一致,说明岩巷TBM随掘地震超前探测可提供有效地质保障。

高瓦斯矿井掘进工作面遇煤厚变化带瓦斯防治技术

龙王庄煤矿1206皮带顺槽采用综掘方式掘进,掘进区域内存在二1煤层厚度变化带,导致巷道掘进面临较大的瓦斯防治压力。结合1206皮带顺槽现场情况,为防止皮带顺槽在煤厚变化带掘进期间瓦斯超限及其他瓦斯事故的发生,通过采用区域预测、深孔抽采、连续区域验证、浅孔抽采等多措并举的方式综合防治瓦斯,保证掘进工作面安全施工。现场应用后,1206皮带顺槽掘进巷道保持安全高效掘进,其间未出现瓦斯异常涌出、瓦斯突出等征兆,取得了较好的瓦斯防治效果。

高应力卸压槽深度对隧道围岩卸压效果的离散元ABAQUS数值模拟

为探究高应力环境下隧道开挖卸压槽的卸压效果及其参数优化问题,本研究借助离散元数值模拟软件ABAQUS,对隧道围岩开挖不同卸压槽深度条件下的卸压效果进行全面分析。结果表明,当开挖卸压槽深度较浅(即不超过隧道宽度的5%)时,对隧道围岩应力分布影响有限,开槽点附近位移程度较小,开槽侧隧道底角岩体呈现弹性特征,塑性变化不明显,底板和开槽点位移变化小,但拱腰、仰拱和拱顶位移随开槽深度增加而增大,导致局部应力增大,在开槽点附近区域尤其明显,该区域应力水平提升了约13.29%,对隧道围岩的稳定性不利。随着卸压槽深度增加,应力集中区域向槽端迁移并缩小,弹性状态逐渐过渡到塑性状态,导致永久变形。当开挖卸压槽至隧道宽度的15%时,应力集中区域接近极限,应力卸压幅度接近最大值(卸压应力降幅为97%),并且位移量的增幅还在上升,卸压槽底部部位弹性能量积聚,影响隧道稳定性。侧压系数增加导致应力分布不均,引发应力集中,严重影响结构的稳定性。当侧压系数为2.0时,位移变化和弹性能变化幅度均显著大于侧压系数为1.0时的情况。

深部矿井TBM掘进巷道通风及降温耦合模拟分析

目的针对TBM(tunnel boring machine)掘进巷道所面临的深井巷道高温问题,方法基于k-ε湍流方程和流体传热方程构建非等温流动耦合理论,对巷道风速和温度演化过程进行模拟,研究不同风筒出口风速、不同风筒出口温度和不同风筒位置等因素对巷道内通风和降温过程的影响。结果结果表明:巷道平均风速与风筒出口风速基本呈线性关系,风筒布置在巷道顶部通风降温效果最佳;风筒出口风速与巷道温度呈负指数相关关系,增加风速可以降低巷道温度;风筒出口温度与巷道截面平均温度基本呈线性关系,巷道内温度随着风筒出口温度升高而升高;掘进工作面达到26℃及以下时风筒出口风速和风筒出口温度之间的多项式关系得到了确定。结论研究结果可为解决TBM掘进深井巷道的高温问题提供参考。

上社煤矿双巷掘进巷道布置及支护设计研究

以上社煤矿9217双巷掘进工作面为研究对象,采用UDEC数值模型分析了双巷掘进阶段及首工作面回采过程中不同煤柱尺寸下裂隙扩展演化及围岩变形特征。确定了合理的煤柱宽度为12 m,并设计了9217回风顺槽锚索支护参数。将方案成功应用于上社煤矿的工程实践中,取得了理想的围岩控制效果,显著提高了开采效率,同时缓解了开采接替紧张的问题。