高水压高应力岩石声波时域传播特性试验研究

地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中,水压力和地应力共同控制着岩石的物理力学特性,研究高水压和高应力对岩石声波传播的影响特性,有利于揭示深部岩体工程开挖时围岩损伤演化、动态力学响应以及水压力和地应力的反演。基于自主研发的高水压高应力岩石声波测试系统,设置多组水压力和轴向静应力等级用于模拟地下水压力和地应力环境,对红砂岩和石灰岩进行声波传播试验。选取岩石声波首波波形,研究岩石声波波速、首波幅值和能量随水压力和轴向静应力的变化关系,构建岩石声学参数的演化经验模型。研究结果表明,当承受的轴向静应力确定时,红砂岩声波波速随水压力的增大呈先上升后下降的变化趋势,2者呈良好高斯函数关系,石灰岩声波波速随水压力的增加先快速升高后缓慢降低。当承受的水压力确定时,2种岩石声波波速随轴向静应力的增大均呈先增加后减小的变化趋势,红砂岩声波波速与轴向静应力呈高斯函数关系,且红砂岩声波波速变化显著,石灰岩变化较小。确定轴向静应力工况下,红砂岩首波幅值和能量随水压力的增加先平缓发展后快速降低,首波幅值与水压力呈指数函数的变化关系;石灰岩首波幅值和能量随水压力的增加先快速增加后平稳发展或略有降低。确定水压力工况下,红砂岩首波幅值和能量随轴向静应力的增加先升高后下降;石灰岩首波幅值和能量随轴向静应力的增大先快速上升后急剧减小。研究成果对深部高水压环境下岩体工程开挖围岩赋存状态表征、应力波传播以及邻近结构的稳定性分析提供理论基础。

基于DEW模型的地球深部流体组成与水岩相互作用计算方法综述

水岩相互作用会导致流体中元素的价态、赋存形式等发生改变,进而对元素的富集成矿、循环通量等产生影响。由于地球深部样品与实验数据有限,建立和使用地球深部流体模型可以有效地增加人们对深部流体及水岩相互作用的认知。Deep Earth Water(DEW)模型是一种描述地球深部流体热力学性质的数据库,其可以与矿物热力学数据库联用,实现对地球深部水岩相互作用过程的模拟研究。本文阐释了使用DEW模型描述深部流体的必要性,叙述了应用DEW模型进行深部流体物种和水岩相互作用计算的基本原理,介绍了一种基于DEW模型计算流体物种的软件——FluidsLab,列举了地球深部流体以及水岩相互作用的应用案例与研究现状,最后对DEW模型后续的应用与发展方向进行展望。

富水破碎软岩巷道破坏机理及支护技术研究

随着浅部矿产资源的枯竭,矿井逐渐向深部发展,面对深部富水破碎软岩巷道支护时,巷道底鼓变形尤为突出。为确保顺利通过富水破碎软岩区域,针对某矿-570 m水平巷道支护难题,分析围岩破坏力学特征,建立底鼓力学模型,综合分析富水破碎软岩巷道围岩破碎机理,提出了反底拱与砌碹联合支护技术。现场检测结果表明,采用反底拱与砌碹联合支护技术,有效降低了淋水量,减少了积水渗入底板,改善了底板围岩条件,有效降低了巷道底鼓量,最大底鼓量不大于50 mm,确保了该巷道围岩稳定与支护安全。

矿山建设中现代破岩方法综述

随着我国资源开发逐步进入深部开采阶段,深部高硬度岩(矿)石对目前地下工程中岩石破碎提出了新的挑战,各类新型破岩手段应运而生。高压水射流破岩、微波破岩以及液氮低温破岩作为三种热门新型破岩方法已被广泛研究,三种破岩方法的发展历程、工作原理以及适用场景各不相同,但是均具有广阔发展前景。在未来深部坚硬岩石地层环境中,相关研究成果以及理论方法可以为安全、高效、经济及绿色的资源开发提供一定理论基础与技术支撑。

高水压对岩石动态能量耗散和破坏特性的影响

地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中,极易引发涌突水等事故,严重影响地下工程的安全稳定性。为研究水压力与地应力对岩石能量耗散和破坏特性的影响,笔者利用自主研发的高水压高地应力岩石动力学试验系统,设置多组水压力和轴向静应力用于模拟地下水压力和地应力环境,对岩石进行冲击试验。基于试验得到的入射波、反射波与透射波计算岩石的耗散能,研究岩石能量耗散率与水压力与轴向静应力的关系。对冲击后的岩石试件进行筛分,计算其质量分形维数,用于表征岩石试件的破坏程度,研究水压力和轴向静应力对岩石分形维数的影响规律。改进孔隙裂纹扩展模型,研究岩石微裂纹扩展的变化规律,探索水压力与轴向静应力对岩石破坏特性的影响机理。结果表明,岩石能量耗散率随水压力的增大呈现先上升后下降的变化趋势,表明水压力对岩石能量吸收起到先促进后抑制的作用。能量耗散率随轴向静应力的增大持续增加,表明轴向静应力有利于增强岩石的能量利用率。相同轴向静应力工况下,岩石的质量分形维数随水压力的增加逐渐减小,即其破坏程度不断降低;相同水压力情况下,质量分形维数随轴向静应力的增加逐渐增大,即其破坏程度逐渐提高。改进的孔隙裂纹扩展模型可以直观表征水压力对微裂纹扩展的影响;水压力的增加抑制岩石动态微裂纹的扩展,降低岩石的宏观破坏程度。

引孔植桩工艺在深水裸岩码头灌注桩施工中的应用

针对深水裸岩码头灌注桩的施工,无覆盖层导致水上施工平台的辅助钢管桩与灌注桩钢护筒着床困难,以某高桩码头工程为例,进行施工工艺实践研究,提出采用引孔植桩的解决方案。研究结果表明:1)针对水上施工平台搭建难题,可采用平台上冲孔引孔、水上船舶旋挖引孔等新工艺,提前对辅助钢管桩桩位进行引孔施工再植桩,并分析各自工艺的特点、适用性、功效及经济性。2)针对钢护筒埋设问题,可采用平台上旋挖引孔后植入的工艺。较好地解决了桩基入土深度问题,确保了灌注桩质量,可为类似工程提供参考。

贵德盆地高氟地下水稀土元素特征及其指示意义

高氟地下水是我国乃至国际社会面临的最严重的环境地质问题之一。尽管众多的研究学者已对高氟地下水形成机理开展了广泛的研究,但高氟地下水中稀土元素的分异特征和迁移规律能否指示地下水中氟的富集过程尚不完全清楚。本研究聚焦高氟地下水广泛分布的贵德盆地,通过野外调查取样、室内测试和综合分析以及水文地球化学模拟相结合的技术手段,探究了含水层中氟和稀土元素的分布特征和迁移规律。研究发现贵德盆地地下水中氟的平均浓度为2.67 mg·L^(-1),75%的地下水样品中氟浓度高于1.5 mg·L^(-1),且沿地下水流程呈现出上升趋势。PHREEQC计算结果表明,地下水中氟主要以自由态F-的形式存在(浓度99.5%)。XRD和SEM-EDS的结果表明含水层沉积物中的主要矿物为石英(含量52.9%~56.5%)和斜长石(含量19.8%~21.8%),且斜长石已发生化学风化作用。贵德盆地地下水中稀土元素浓度较低(0.052~0.267μg·L^(-1)),且主要以LnCO^(+)_(3)和Ln(CO_(3))^(-)_(2)的无机络合形态存在(含量>99%,Ln代表稀土元素)。地下水稀土元素北美页岩归一化模式表现为轻稀土元素相对于重稀土元素富集,且具有轻微的Ce负异常和显著的Eu正异常特征。地下水中氟和稀土元素的迁移均受到含水层中铁氧化物矿物的还原性溶解和长石类矿物的非全等水解过程的影响,且地下水中稀土元素的富集过程在一定程度上可以指示地下水中氟的富集过程。研究成果拓展了稀土元素在高氟地下水研究中的应用,可以为识别和揭示高氟地下水的分布和富集机理提供依据。

特高土石坝超长距离变形监测技术研究

为研究适用于特高土石坝坝体内部的超长距离变形监测技术手段,分析了现有200 m级高混凝土面板堆石坝变形监测技术存在的问题,研究了水管式沉降仪、杆式位移计、管道机器人、柔性测斜仪等内部变形监测仪器的改进发展方向与应用实践。结果表明:所研究的监测技术可以适应特高土石坝超长距离变形监测需求。研究成果为250 m级至300 m级特高混凝土面板堆石坝的安全监测研究和改进方向提供技术参考。

CSAMT法在变质岩地下热水勘查中的应用研究——以太原盆地北部为例

基于太原盆地北部振兴农村经济、开发新能源的需求,政府拟在本区开发地下热水。但当地奥陶系、寒武系地层裸露或埋深小于100 m,已失去地下热水的储集条件。由于深部变质岩富水性差,因此,本区一直是地下热水开发的风险区与空白区。勘查研究人员针对新能源开发需求,立足地质构造可以改变变质岩无地下热水条件的技术路线,在充分调查研究地震地质与地质构造资料的基础上,应用地球物理方法在地质构造有利地段开展了对深大断裂的勘查研究。根据地形条件及勘查研究目的,选用了可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio Magnetotelluric,CSAMT);为了分辨深部地层含水构造裂隙,加密了数据采集频率;之后,采用放射性测氡法,佐证了电阻率断面异常;得出CSAMT电阻率断面与视电阻率、相位曲线均有深大断裂反映。综合地球物理勘查资料特征,确定了变质岩断裂带,带宽约100 m,发育深度大于2000 m。在断裂带上布置了井位。经钻探,盆地北部第一眼地热深井成功。结果表明,在地质构造调查的基础上,充分研究地球物理方法的每一参数特征,找到深大断裂带,就找到了变质岩的储水与储热层。本项目结束了太原盆地北部变质岩区无地下热水的历史,对同类地区的地下热水勘查研究具有参考意义。

三维高静载频繁动态扰动时岩石损伤特性及本构模型

采用改进的SHPB试验装置,进行深部岩石的三维高静载频繁动态扰动试验,分析动态应力-应变曲线的一般特征,可将其细分为微裂纹稳定发展、微裂纹非稳定发展、疲劳损伤、疲劳破坏4个阶段进行描述,其中峰值后的2个阶段处于动态应力卸载过程。基于连续因子、应变等效原理及统计损伤理论定义岩石的损伤变量并推演损伤演化方程,采用组合模型法建立岩石的本构模型。结合试验数据,验证岩石的损伤演化规律及建立的本构模型,结果表明:利用推演的损伤演化方程计算出损伤变量,其与动态应变的关系曲线符合试验中岩样的损伤规律;建立本构方程的拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性,说明建立的本构模型可以用来预测深部岩石处于三维高静载频繁动态扰动时的动力学特性。

圆梁山特长隧道施工地质灾害问题预测

深埋隧道的地质灾害问题对隧道修建的可行性及隧道施工具有重大影响。该文简要分析了目前国内外深埋隧道的主要地质灾害问题 ;在此基础上 ,结合渝怀铁路圆梁山特长隧道初步勘测的成果 ,对这一特长隧道在施工过程中可能遇到的地质灾害问题进行了较为系统的分析 ;对各类地质灾害的发生程度及其对隧道施工的影响作出了初步评价 ,提出了相应的处理措施。

深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力分析

针对强震区深厚覆盖层上高土石坝的特点,在三维真非线性有效应力地震反应分析基础上,提出了一套深厚覆盖层上高土石坝极限抗震能力的研究方法。从稳定、变形、防渗体安全等方面,对建在深厚覆盖层上的长河坝高心墙堆石坝的极限抗震能力进行了研究和分析。根据坝坡稳定性、地震残余变形、液化可能性、单元抗震安全性、防渗心墙及坝基防渗墙安全等多角度的评价结果,初步认为,长河坝的极限抗震能力为0.50～0.55g。

深部巷道底板岩体渗透性高压压水试验研究

岩体渗透性是反映岩体水力学特征的重要参数,为探究深部岩体的渗透性,采用钻孔高压压水试验手段,对东滩煤矿深部巷道底板四段岩体进行了现场原位压水试验,获得了大量实测数据。试验和数据分析结果表明:岩体在压水过程中经历了"隔水–导渗–稳渗"的过程,随着压水的进行,岩体的渗透性不断增强。东滩煤矿深部底板的厚层泥岩具有低阻弱渗的特点,厚层砂岩和互层具有高阻弱渗的特点,四段岩体原始状态下渗透性均较差。注水压力与流量关系曲线具有很好的指数关系,除厚层砂岩外,厚层泥岩和互层的注水压力–流量关系具有明显的分段性。岩体等效裂隙宽度随着注水压力的增大具有较好的指数关系且具有明显的分段性,即可分为突变点前的稳定阶段和突变点后的突增阶段。可通过裂隙宽度变化量?b是否大于0来判断岩体内是否发生明显渗流。研究结果有助于加强对深部岩体在水压作用渗透性变化的认识,为深部煤层的安全开采提供重要的参考依据。

我国土石坝渗流控制理论发展现状

近年来,我国高土石坝迅速发展,水布垭面板堆石坝高233 m,为世界之最,防渗和排渗相结合反滤层保护渗流出口的渗流控制原理得以充分展现,对大坝的经济性和安全性都有重要意义。我国土石坝渗流控制理论的现代水平主要体现在四个方面:①心墙裂缝纳入渗流控制范畴;②面板坝的渗流控制更加完善;③反滤层的作用更显明确;④排水体的作用进一步发挥。

高承压水上底板采动岩体裂隙演化规律研究

为深入研究深部高应力、高水压和强开采扰动复杂环境下的岩体破裂问题,按裂隙产生的位置和机理,将深部底板采动岩体裂隙分为剪切裂隙、层向裂隙和竖向张裂隙,利用力学知识分别演算获得了三种类型岩体裂隙的起裂准则。借助"钻孔双端封堵侧漏装置"对赵各庄煤矿1237工作面进行的底板破坏实测结果,研究了深部底板采动岩体的裂隙演化实测规律。结果表明:煤层采深越大,底板采动破坏深度越大;煤层开采过程中深部底板采动岩体的原生裂隙呈现先闭合后张开再闭合,新生裂隙起裂发育后逐渐闭合的演化规律;底板岩体破坏的初始位置和裂隙发育程度与岩层的岩性、受力等因素有关,验证了深部底板采动岩体裂隙起裂准则分析的准确性。

井下增压超高压射流钻井技术研究进展

随着浅层油气资源勘探开发程度越来越高,深层油气资源成为中国油气资源战略接替的重要领域。而深井、超深井钻井勘探过程面临钻速慢,成本高等亟待解决的问题。应用超高压喷射钻井技术来提高深井超深井钻井速度是一种行之有效的方法,而实现超高压射流最主要的工具是井下增压器。通过国内外文献调研,主要介绍了国内外井下增压器工艺和增压机理以及超高压射流辅助破岩机理的研究进展,指出了前人研究的不足或尚未完善之处,在此基础上指出了井下增压器及其超高压射流辅助钻井破岩机理的研究方向。

皖北任楼煤矿深层地下水稀土元素地球化学特征

为深入理解深层地下水稀土元素特征及水岩相互作用机制,对皖北任楼煤矿深部3个含水层(四含、煤系和太灰水)的稀土元素组成进行了测试,结果表明:任楼煤矿3个含水层均以轻稀土亏损、重稀土富集为特征,且均具有明显的Eu正异常以及普遍的负Ce异常,但三者在稀土分异、Eu和Ce异常程度上存在区别。其中,Ce异常主要与氧化还原程度有关,正Eu异常除与测试中BaO的干扰有关外,还原环境下Eu2+和Sr2+之间的交换、氧化状态下Eu3+的存在形态可能分别对太灰水和四含水存在影响,但煤系水中最高的正Eu异常可能主要与斜长石的溶解有关。除围岩成分、温度及酸碱度之外,稀土元素无机形态可能对地下水稀土分异程度存在重要影响。含水层之间稀土元素特征的差异为水源识别提供了可行性,但仍需进一步的研究以待证实。

高压富水地层超深埋特长隧道施工技术研究

研究目的:我国修建的锦屏隧道全长17.5km,具有洞身埋深大(2375m),断层、褶皱、可溶岩发育,独头掘进无轨运输距离长(9800m),施工工期紧(50个月)等特点。迫切需要解决出现高压涌水及跨岩爆地质灾害、威胁隧道施工安全的问题。研究结果:通过流体力学模拟试验,采取择机封堵、超前帷幕注浆、径向封堵灌浆、摸袋和索囊封堵灌浆等技术,有效封堵了高压大流量地下水;通过离散单元法数值模拟试验,采取超前应力解除、控制爆破及水胀式锚杆、挂网、钢筋拱肋、喷超细沸石粉添加剂混凝土等岩爆预防措施,有效防治了岩爆灾害;通过气体力学模拟试验,研究了大功率射流风机及射流巷道式通风技术,解决了独头掘进超长距离的无轨运输施工通风技术难题,创造了独头掘进9800m无轨运输的世界记录;通过综合超前地质预报、岩爆与富水段喷射混凝土、特长隧道快速施工及监测等技术的深入研究,提高了超前地质预报的准确率(85%以上)及施工效果。锦屏隧道的成功修建,总结了一套高压富水地层深埋特长隧道综合施工技术及工艺,推进了我国隧道施工技术的发展。

软岩与水相互作用研究综述

软岩是一类松散、破碎、软弱及风化膨胀性的强度较低的岩石,在水环境作用下软岩易产生大变形失稳破坏。大多数岩土工程事故都涉及到软岩与水的相互作用,研究软岩与水相互作用对于分析某些由软岩失稳引起的工程事故具有重要的理论和现实意义。针对软岩与水相互作用这一问题,从软岩与水相互作用的分类、软岩吸水特性的影响因素及其软岩吸水失稳机理等方面,对国内外具有代表性的研究成果进行了梳理。结果表明:软岩与水相互作用可分为力学作用、物理作用和化学作用。在各种影响软岩吸水特性的因素中,主要因素是黏土矿物的含量和种类、孔隙结构,其他影响因素有水压变化、软岩的干湿循环次数、软岩的块体尺度(尺度效应)和吸水时间等。软岩吸水失稳的根本原因是吸水后黏土矿物微观结构发生变化,而是否含蒙脱石等吸水性极强的黏土矿物并非直接原因;后者只是对软岩吸水过程起到促进作用。

非标大水眼高强度钻杆水力破岩技术

塔里木盆地新生界及中生界地层发育,埋深5 000 m以内,砂泥岩巨厚,但成岩年代较晚,压实程度较低,地层可钻性相对较好,是水力破岩的重点井段。研究出非标大水眼高强度钻杆,以此降低沿程水力消耗,在相同施工泵压下提高钻头水功率及喷射速度,提高水力破岩效果。现场应用表明,该钻具具有良好的提速效果,钻井周期较设计缩短20.54 d,周期缩短率38.76%,机械钻速提高2.63 m/h,提高率43.62%,在超深井上部井段实现了优快钻进。