Case study on the mechanics of NPR anchor cable compensation for large deformation tunnel in soft rock in the Transverse Mountain area,China

A study was conducted to analyze the deformation mechanism of strongly weathered quartz schist in the Daliangshan Tunnel,located in the western Transverse Mountain area.A large deformation problem was experienced during the tunnel construction.To mitigate this problem,a support system was designed incorporating negative Poisson ratio(NPR)anchor cables with negative Poisson ratio effect.Physical model experiments,field experiments,and numerical simulation experiments were conducted to investigate the compensation mechanical behavior of NPR anchor cables.The large deformations of soft rocks in the Daliangshan Tunnel are caused by a high ground stress,a high degree of joint fracture development,and a high degree of surrounding rock fragmentation.A compensation mechanics support system combining long and short NPR anchor cables was suggested to provide sufficient counter-support force(approximately 350 kN)for the surrounding rock inside the tunnel.Comparing the NPR anchor cable support system with the original support system used in the Daliangshan tunnel showed that an NPR anchor cable support system,combining cables of 6.3 m and 10.3 m in length,effectively prevented convergence of surrounding rock deformation,and the integrated settlement convergence value remained below 300 mm.This study provides an effective scientific basis for resolving large deformation problems in deeply buried soft rocks in western transverse mountain areas.

Numerical simulation of rockburst disaster and control strategy of constant resistance and large deformation anchor cable in Gaoloushan tunnel

The Gaoloushan Tunnel in Longnan City,Gansu Province,China,frequently experiences rockburst disasters due to high in-situ stress.Managing rockburst in deep-buried tunnels remains a challenging issue.This paper employs RFPA(Rock Failure Process Analysis)software to establish a calculation model of constant resistance and large deformation(CRLD)anchorages and analyzes the effects of different support methods and pre-stress levels on rockburst.We simulate the process of tunnel rockburst disasters and find that ordinary anchor support incurs rockburst on the right arch waist and arch top,forming a V-shaped explosion pit.CRLD anchor support has several advantages in rockburst control,such as more uniform stress distribution in the surrounding rock,a uniform distribution of plastic zones,less noticeable damage to the tunnel,and effective control of the arch top displacement.The effectiveness of the CRLD anchor support under varying pre-stress conditions shows that a higher prestress results in a smaller plastic zone of the surrounding rock and arch top displacement and a lower number of acoustic emission signals,which better explains the excavation compensation effect.Moreover,adding long anchorages in the deep surrounding rock area can better control rockburst and reduce surrounding rock deformation.Based on these findings,we propose a comprehensive control system that combines long and short anchorages and provides the optimal scheme based on calculations.Therefore,by using high-prestress CRLD anchor support and the combination of long and short anchorages at critical positions,we can enhance the integrity of the surrounding rock,effectively absorb the energy released by the surrounding rock deformation,and reduce the incidence of rockburst disasters.

Excavation compensation theory and supplementary technology system for large deformation disasters

Given the challenges in managing large deformation disasters in energy engineering,traffic tunnel engineering,and slope engineering,the excavation compensation theory has been proposed for large deformation disasters and the supplementary technology system is developed accordingly.This theory is based on the concept that“all destructive behaviors in tunnel engineering originate from excavation.”This paper summarizes the development of the excavation compensation theory in five aspects:the“theory,”“equipment,”“technology,”the design method with large deformation mechanics,and engineering applications.First,the calculation method for compensation force has been developed based on this theory,and a comprehensive large deformation disaster control theory system is formed.Second,a negative Poisson's ratio anchor cable with high preload,large deformation,and super energy absorption characteristics has been independently developed and applied to large deformation disaster control.An intelligent tunnel monitoring and early warning cloud platform system are established for remote monitoring and early warning system of Newton force in landslide geological hazards.Third,the double gradient advance grouting technology,the two-dimensional blasting technology,and the integrated Newton force monitoring--early warning--control technology are developed for different engineering environments.Finally,some applications of this theory in China's energy,traffic tunnels,landslide,and other field projects have been analyzed,which successfully demonstrates the capability of this theory in large deformation disaster control.

基于大变形升阻锚索深埋巷道围岩稳定性控制研究

研发了一种新型大变形升阻锚索支护结构,通过串联6个壁厚5 mm含环形V槽的直管型钢结构实现锚索吸能让压,吸能率为44.55 J/g。拉拔试验结果表明新型锚索极限变形量(221.58 mm)与普通传统锚索相比增加了4.87倍,具有大变形、增阻及高吸能等优良性能。通过离散元UDEC程序的二次开发,模拟了新型大变形增阻锚索支护阻力−变形曲线的双弹性阶段。采用新型锚索对深埋巷道围岩支护效果数值模拟结果表明,与无支护及传统锚索支护相比,顶板下沉量分别减小了88.33%与74.64%,稳定状态下最大主应力峰值分别减小了23.15%与18.34%,塑性区厚度分别减小了37.50%与62.50%。最后将新型大变形增阻锚索成功应用于真实巷道,两帮最大收敛变形量约为300 mm,实现了较好的支护效果。

大埋深沿空掘巷非对称支护技术的数值模拟研究

针对充填开采沿空巷道支护过程中的非对称性大变形难题,以邢东矿11216运料巷为实例,运用数值模拟确定不同支护方案下的预应力场分布特征。模拟结果表明,综合考虑支护效果和成本,顶锚索呈“3-3-3”排布、实体煤帮锚索为双排排布、煤柱帮锚索为单排排布的支护方案最好。现场围岩形变观测结果表明,支护方案能够有效控制巷道形变。

110采煤工法的技术原理及其先进性探究

110采煤工法是以机械化、自动化、信息化和智能化为基本特征的新型煤矿开采方法,可提高煤炭资源回收率,最大限度满足现代化煤矿生产需要。对110采煤工法(即厚煤层切顶卸压沿空自动成巷无煤柱开采技术)进行了分析和研究,阐述了110采煤工法的基本原理和主要技术特点。该工法包括恒阻锚索支护和超前聚能爆破切顶等一系列关键技术。结合传统采煤方式对110采煤工法的工艺、技术先进性进行了分析,得出该工法具有自成巷道稳固、掘进量小、资源利用率高等优势,建议在全行业范围内进一步广泛推广。

破碎复合型顶板巷道支护参数优化与围岩控制方法

针对工作面复合型顶板巷道破碎围岩的变形问题,采取理论分析、数值模拟以及现场监测的综合方法,在优化现有巷道支护参数的基础上,提出了一种“高强度螺纹钢锚杆+预应力锚索+恒阻大变形锚索+钢筋梯子梁”的综合支护方法。数值模拟结果表明,该方法可以在巷道支护区域形成一定范围的卸压区,显著减少围岩的变形量,以确保巷道的稳定性。工程实践表明,基于该方法设计的余吾煤业N1103胶带顺槽支护方案,巷道顶底板最大移近量78 mm,两帮最大移近量限102 mm,有效地控制了巷道围岩变形。该方法为工作面在类似条件下实现安全和高效的回采提供了可能,也为类似条件下的矿山巷道围岩控制提供了有价值的参考和指导。

中厚煤层综采工作面切顶卸压沿空留巷应用研究

针对杜儿坪煤矿中厚煤层综采工作面回采率低、掘进成本高、采掘接续紧张等相关问题,以62709工作面回采巷道为工程背景,结合理论分析和现场工业试验,采用爆破切顶卸压和沿空留巷技术,通过中厚煤层综采工作面切顶卸压控制技术的关键参数优化,确定“切顶卸压+恒阻大变形锚索联合支护”协同控制方案。切顶高度为8 m、切顶角度为15°的情况下,具有最佳的切顶卸压效果。现场试验结果表明,在回采过程中,巷道爆破切顶段顶板动量较未切顶段下降约40%,巷道两侧变形量较未切顶段下降约50%。该技术对提高煤炭的回收利用率,缓解生产接续紧张的压力,推动煤炭企业可持续发展有重要作用。

基于主动支护的木寨岭隧道高地应力软岩大变形预应力锚索支护设计实践

为解决在建木寨岭特长公路隧道薄层极软岩在高地应力下发生的挤压性大变形问题,结合现场展开的工程地质分析、设计变更、监控量测工作,提出一种预应力长短锚索+W型钢带+柔性纤维网组合的基于主动支护的设计方案。该方案采用“先锚后支”的施工工艺,采用数值分析和试验段施工对设计方案进行验证。结果表明,预应力长短锚索组合的主动支护能够充分发挥锚索的锚固和悬吊作用加固围岩,提高围岩的抗剪能力,控制围岩形变能的释放态势,有效控制围岩变形,将初期支护变形控制在20 cm以内,减小约50%。在实际施工过程中对锚索防腐、锚索支护参数及锚索施工设备选型等进行优化调整,确保了隧道施工的顺利进行。

软岩大变形隧道预应力锚索一体化施工设备与机械化配套工艺研究——以木寨岭公路隧道为例

为提高软岩大变形隧道预应力锚索的施工质量与施工速度,推进软岩大变形隧道机械化施工进程,依托木寨岭公路隧道,基于预应力锚索机械化施工关键技术研发,以实现预应力锚索钻、装、锚、拉一体化施工为突破口,通过悬臂掘进机、多功能锚索台车等大型关键设备构建软岩大变形隧道全机械化施工方法,于武都右线方向开展试验段研究。得出主要结论:1)预应力锚索机械化施工关键技术的研发与集成,实现了软弱破碎围岩预应力锚索高效、稳定施工,锚索施工质量显著提升,锚索有效预应力提高近100 k N;2)软岩大变形隧道全机械化施工方法转变了传统依靠人力的施工模式,施工质量、施工速度得以大幅提升,初期支护施工人员减少1/5,单个初期支护施工循环时间缩短近2 h,洞周收敛减小值最大达48.6%。

大断面煤巷变形破坏规律及稳定支护

为研究大断面煤巷围岩变形破坏规律与有效控制问题,以麻家梁矿14211带式输送机运输顺槽地质条件为背景,采用现场监测、理论分析、数值模拟等方法,对该类煤巷围岩失稳原因及稳定控制进行研究。研究结果表明:大断面煤巷变形破坏以顶板下沉为主,同时伴随两帮局部移近,巷道围岩属Ⅳ类不稳定围岩,提出了采用超长锚索加强支护及强化巷道顶底角支护对策,充分发挥锚杆索与变形围岩的耦合作用,改善了围岩受力环境,提高围岩整体稳定性。现场应用表明,采用该支护体系,巷道顶底板移近86 mm,两帮移近70 mm,耦合支护方案可有效控制大断面煤巷变形破坏。

基于塑性区演化的煤柱宽度留设及柔性锚索支护技术研究

沿空掘巷可有效提高煤炭资源回收率,改善采掘接替关系,但存在施工维护难度大的难题。为了提高沿空巷道围岩稳定性并减少煤炭损失量,以布尔台煤矿42108辅运巷为研究背景,通过理论分析确定了巷道塑性区发育特征,建立数值模型综合确定了合理煤柱宽度并进行了工业性实践。研究结果表明:42108辅运巷掘出后在采动影响下具有帮部大变形特征,辅运巷塑性区呈非对称蝶形分布的形态,塑性区发育范围为1.8~2.7 m;结合极限平衡理论及数值模拟认为,煤柱宽度大于30 m时其内部出现明显的应力降低区,有利于巷道维护,同时考虑煤炭资源回收率,确定合理煤柱宽度为30 m;揭示了多次补强支护仍无法有效控制巷道变形量的原因为锚索易拉伸破断,在此基础上提出了柔性锚索支护方案,同时将帮部锚杆间排距减小至750 mm×750 mm,经现场实践后30 d内两帮最大变形量160 mm,围岩控制效果显著。

厚煤层大采高工作面双巷一次自成巷支护技术研究

无煤柱自成巷技术对于缓解采掘衔接紧张、减少煤炭资源浪费具有重要作用,然而目前无煤柱自成巷多用于薄及中厚煤层且一般为单留巷,为此,开展了厚煤层大采高工作面双巷一次自成巷支护技术研究,结果表明:在厚煤层无煤柱自成巷中,切顶深度达到3倍采高以上,能够显著改善巷道侧位移和应力;厚煤层大采高工作面无煤柱自成巷临时补强支护采用单元支架较采用单体液压支柱巷道顶底板移近量降低47.8%,两帮移近量降低53.8%;厚煤层大采高双巷一次自成巷主体支护采用切顶卸压结合恒阻大变形锚索,自成巷滞后采空区不同区段补强支护采用单体液压支柱和单元支架,能够有效控制留巷变形,取得了良好的效果。

近距离煤层采空区下巷道支护研究

为了解决近距离煤层采空区下巷道支护技术难题,在充分分析地质条件的基础上,采用数值模拟分析工作面位于不同位置时对下部巷道的影响。根据模拟结果,提出了以恒阻大变形锚索支护和注浆锚索支护为主的补强支护技术。经现场实际监测,加强支护后的3条巷道顶板下沉量最大为78mm,两帮收敛量最大为116mm,两帮收敛量和顶底板移近量得到明显控制,满足安全生产需要。

切顶卸压沿空留巷技术在综采工作面的应用

为了提高煤炭资源的回收率,针对神达望田煤业有限公司11215工作面的地质情况,采用一次采全高切顶卸压沿空留巷技术对煤层进行开采。为了确保留设巷道围岩的稳定性,决定采用“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”为主的技术方案。实践表明:该方案减少了保护煤柱的留设宽度,提高了煤炭资源的回收率,能够满足安全生产的需要,取得了较好的支护效果和经济效益。

高吸能比大变形锚索让压结构优化研究

为了提高巷道锚索吸能让压结构的吸能效率及其变形稳定性,采用力学测试和有限元数值仿真两种方法对粗腰鼓形、直管、楔形槽、长槽以及直管V形槽5种不同吸能让压结构进行研究。研究表明形状及结构特征决定了峰值抗压强度、极限变形量、吸能效率以及结构整体稳定性。5 mm壁厚直管吸能结构虽然相对于粗腰鼓形、楔形槽及长槽结构吸能效率分别提高48%、66%和56%,但受压过程中容易发生局部应力集中,进而偏压诱发变形不均匀和结构失稳。内侧设有变形诱导V形槽的直管结构吸能效率为45.29 kJ/g,相对于直管吸能让压结构吸能效率仅仅降低6%,受到V形槽的变形诱导作用,避免了局部应力集中导致的偏压问题,比直管吸能让压结构变形更加稳定,将V形槽吸能让压结构应用于现场锚索,巷道变形得到了有效控制。

基于地应力测试的高地应力巷道破坏机理及控制

基于高地应力巷道理论研究和现场实践,针对平山煤业轨道大巷高地应力条件下巷道变形破坏严重问题,提出了应用声发射Kaiser效应测试原理,通过探究该煤矿轨道大巷地应力分布情况,结合实验室岩石物理力学性质测试及现场窥视,得出轨道大巷围岩大变形的主要原因:(1)巷道处于高应力区,且大巷与最大水平主应力夹角大;(2)大巷两侧采空,属于跨采巷道,导致大巷应力集中;(3)巷道围岩岩石强度低,且围岩裂隙较发育;(4)巷道上部工作面多次采动影响,采动应力集中。研究发现,与无支护相比,采用注浆锚索支护后,巷道顶板下沉量减小了82.5%,巷道底鼓量减小了63.6%,两帮移近量减小了79.2%,说明通过锚注喷支护,改善了围岩条件,极大地减小了围岩位移量。

大变形隧道中鸟笼锚索系统的开发与应用研究

为适应软岩大变形隧道的支护构造对及时主动性和耐久性的要求,提出并研究“树脂端锚+水泥浆全长锚固”的鸟笼锚索系统。通过介绍鸟笼锚索系统的结构组成及施工工艺,并在软岩隧道中开展现场试验研究,为地下工程新型锚索结构的开发与应用提供参考和借鉴。

李村煤矿轨道大巷过断层破碎带围岩控制技术研究

针对山西潞安集团慈林山煤业有限公司李村煤矿轨道大巷过断层破碎带时巷道围岩变形大、支护工程失效、不能保证巷道整体稳定的问题,提出了“锚架+注浆锚索+钢筋网”支护方案,并通过数值模拟验证了该支护方案的可行性。现场实践结果得出,采用“锚架+注浆锚索+钢筋网”支护方案有效控制了试验段巷道围岩的变形,成功解决了过断层破碎带围岩长期稳定的问题。

110工法在陕北榆横矿区的应用

为进一步提高陕北榆横矿区煤炭资源回收率以及生产安全性,以朱家峁煤矿1310工作面作为110工法的推广试验巷道。围绕110工法的顶板预裂、双向聚能拉伸爆破破岩及恒阻大变形锚索支护等关键技术开展深入研究,掌握了厚层砂岩顶板无煤柱自成巷的关键技术,并在1310工作面成功应用,效果明显,为陕北榆横矿区类似矿井推广110工法积累了宝贵经验。