高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

山东龙郓煤业10·20冲击地压事故区域应力背景与防控研究

矿山巷道、交通隧道等地下硐室围岩稳定与岩体所处区域地应力环境息息相关。分析区域深部地应力与地下硐室走向、形状等因素的关系,有助于提前规避硐室开挖风险。文章以山东龙郓煤业10·20冲击地压事故为背景,通过地应力测量与监测工作,初步揭示了山东西部地壳浅表层现今地应力环境,结合龙郓煤业矿区附近现今地应力场特征,探讨此次冲击地压事故产生的区域应力背景,并从地应力角度提出相应的防控建议。研究结果表明:测量深度范围内主应力大小总体上与深度成正比线性关系,最大水平主应力值为3.48~20.76 MPa,随深度增加梯度为0.0182 MPa/m;最小水平主应力值为3.44~14.95 MPa,随深度增加梯度为0.0130 MPa/m;区内最大水平主应力方位为北东43°~89°,平均方位为北东75°;地壳浅表层构造作用以水平构造作用为主,但随着深度的增加,逐渐向垂直构造作用转变;龙郓煤业10·20冲击地压事故的诱发机制主要是垂向应力大于水平主应力,现今处于拉张应力环境,尤其是巷道走向平行于最大水平主应力方向;建议龙郓煤业巷道轴线与最大水平主应力方向的夹角为60°~90°,同时巷道顶板可以采用拱形顶板,确保巷道岩体稳定。

基于MLR–ANN算法的地应力场反演与裂缝预测

中国页岩气储层埋藏深,受构造运动影响,地应力分布规律复杂,传统方法很难准确反演区域地应力大小和方向。提出多元线性回归和人工神经网络的耦合算法,对川南长宁—建武区块的页岩气储层及周边地应力场进行反演,并采用综合破裂系数法,对储层裂缝进行预测,划分裂缝发育区域。研究表明,基于多元回归和神经网络的耦合算法能准确反演区域的地应力场分布规律。研究区的地应力以挤压应力为主,方向在NE115°左右。受构造运动产生的断层周边应力较为集中,易发育剪切裂缝,裂缝以发育和较发育程度为主。研究区在邻近龙马溪组底部的五峰组上段和构造大断层部位裂缝发育程度较高。研究成果对该区块完善页岩气开采的井网布置、压裂优化设计和套管损坏防治等有一定的参考价值。

西南山区铁路客运专线隧道底鼓病害变形监测研究

西南山区铁路客运专线具有高桥隧比、沿线地质条件复杂恶劣等特征,在建设和运营过程中易出现各类工程病害。文章基于某隧道底鼓变形病害,设计并开展包含围岩变形、仰拱受力和道床板沉降变形3个监测指标的隧道变形监测方案。通过对监测数据进行分析,获取隧道和围岩受力变形的演化规律,据此提出后续加密轨道几何形位静态、动态检测和衬砌结构贯通裂缝观测、实施列车降速运行等处理措施。相关研究可为该客运专线的安全运营提供有力保障,同时为类似工程隧道病害的监测和整治工作提供有益参考。

高地应力缓斜半煤岩巷道断面形状优化研究

为了优化高地应力缓斜半煤岩巷道的断面形状,以东欢坨矿3018工作面运道为工程背景展开研究。通过复变函数理论推导得出了倾斜煤层中不同断面形状的应力解析解,然后运用FLAC3D数值模拟求解了不同断面形状巷道的应力集中和塑性区情况,并以此为基础确定了巷道最优断面形状,最后结合现场工业性试验对研究结果的可靠性进行了验证。研究结果表明:高地应力作用下缓斜半煤岩巷道破坏呈现非对称形式;不管断面形状如何,巷道均在左、右两底角处呈现高应力集中,且应力集中程度矩形>梯形>直墙拱形;直墙拱形巷道稳定性最佳,梯形巷道次之,矩形稳定性最差,确定直墙拱形为最终巷道断面形状;现场巷道表面位移量监测结果表明,直墙拱形巷道更能满足现场安全生产要求。

碎石桩复合地基非等应变非线性固结特性分析

现有碎石桩复合地基固结理论通常基于等应变假设,与工程实际情况有出入。基于分段线性差分法,建立了一种考虑非等应变刺入修正和任意桩土非线性本构关系的碎石桩复合地基非线性固结模型。该模型可以考虑桩土自重、涂抹区、井阻效应和变荷载,可以计算碎石桩向垫层或下卧层的刺入并对等应变假设进行修正,可以分析桩土附加应力沿深度方向的衰减,以及任意的非线性压缩性及渗透性关系。与工程实测数据对比发现,考虑非等应变修正的模型计算值与工程实测值基本吻合。结合算例分析,进一步研究了垫层及下卧层模量、桩土竖向应力衰减和应力路径对碎石桩复合地基土体固结特性的影响,结果表明:碎石桩向垫层或下卧层刺入使复合地基桩土应力比减小、沉降量增大、固结速率减缓;忽略桩土竖向应力衰减虽对固结速率影响不大,但会高估复合地基沉降变形;不同应力路径对碎石桩复合地基固结特性影响显著,简化的土层压缩性关系将对分析结果带来较大误差。

千米深井沿空巷道合理煤柱宽度与支护技术研究

针对千米深井沿空巷道围岩大变形难题,以朱集西矿11502工作面运输巷为工程背景,分析了沿空巷道变形失稳原因与特点,通过理论分析和数值模拟确定了煤柱合理宽度,并结合现场试验研究了巷道围岩控制技术。结果表明:随煤柱宽度增加,掘进期间煤柱中部稳定承载区范围逐渐增大,回采期间巷道顶板下沉及实体煤帮移进量减小,底鼓量逐渐增大,综合考虑得出,8 m煤柱宽度可以保证锚杆可靠锚固;提高锚杆初次预紧力矩并进行二次预紧,能充分发挥锚杆支护性能,超张拉措施则可以使锚索快速实现高阻支护;伞状弹片结构可以提高锚杆锚固可靠性,锚索锚具防滑移自锁装置则能有效降低锚具滑移和破断钢绞线弹射可能性;井下试验表明,合理的煤柱宽度配合高强锚杆索高预应力支护,能有效控制沿空巷道围岩变形,保证巷道正常服务能力。

埋地燃气PE管道在地面沉降作用下的应力分析

为了研究在地面沉降作用下PE燃气管道的受力特性及失效原因,借助ANSYS软件,探究了在地面沉降作用下PE100、管径DN110、e=10的燃气PE管道的应力-应变响应情况,分析了管道失效影响因素以及失效原因,并得出管道的失效危险点、管道极限沉降位移及极限截面变化率。结果表明:在地面沉降作用下管道的失效危险点出现在沉降区与非沉降区交接处的管道内表面;且在地面沉降作用下,管道产生的压缩变形是导致管道失效的主要原因,管道弯曲变形的存在会使管道的压缩变形更加严重。这为防治埋地燃气聚乙烯管道在地面沉降作用下的管道安全评估提供理论参考。

深埋高地应力TBM隧道岩爆发生机理研究

为分析高地应力隧道岩爆发生机理,以西南山区某新建TBM隧道为工程背景,通过室内岩石力学试验分析围岩基本力学特性,然后基于弹性力学理论建立板裂屈曲岩爆的力学失稳模型,最后通过离散元UDEC软件对隧道岩爆演化过程进行分析。结果表明:①隧道围岩满足发生岩爆的岩性条件,岩爆倾向性为中等~强烈;②拱顶板裂屈曲岩爆可视为围岩板裂结构在水平切向应力作用下断裂失稳所导致,劈裂岩体厚度为岩爆主要影响因素;③隧道开挖卸荷后洞壁围岩开裂剥离弹射破坏主要是张拉破坏造成。为保障隧道施工安全提供理论依据。

唐山矿0291工作面断层活化判别方法及稳定性评价

断层构造的存在破坏附近煤岩体的完整性,使得工作面在回采过程中较寻常地质回采时应力特征发生变化。为保障唐山矿0291工作面安全通过断层,考虑地应力大小与方向、断层面产状和断层力学参数等综合因素,构建了断层稳定性的判据方程,获得判据值f;当f小于0时,断层相对稳定,当f接近于0值时,该断层为临界不稳定状态。通过FLAC3D数值模拟软件建立0291工作面回采的数值模型,模拟结果表明:受采动影响,工作面超前5~30 m间应力集中现象明显,对工作面范围内断层的影响较大,应力峰值出现在工作面超前10 m位置。建立监测测点,提取工作面范围内的地应力数据,按照文中理论计算了唐山矿0291工作面内12条断层的f值,结果表明,该工作面内断层的f值均小于0,进而确定0291工作面内相对稳定,在回采过程中的活化可能较小。

地应力对地下厂房围岩稳定性影响的三维有限元分析

地下工程的稳定性与岩体的初始地应力状态紧密相关,为保证抽水蓄能电站大型地下洞室群开挖稳定,在工程施工前进行初始地应力场反演以及围岩的稳定性分析十分必要。分别以实测地应力和地应力反演结果为边界条件,基于有限元法综合评价初始地应力对兴城地下洞室群围岩稳定的影响,重点关注边墙、顶拱等重要部位岩体结构的安全稳定问题,可为合理选择地下厂房洞室支护方式和支护参数等提供依据。

高地应力软岩隧道初支侵限诱因及控制措施研究

高地应力软弱围岩隧道施工易发生软岩大变形不良地质灾害,进一步引发掌子面失稳塌方、初支结构破坏、钢拱架弯折、初支结构侵限等不良现象,严重影响施工安全,阻碍工期。依托九绵高速白马隧道工程,结合工程特点,从围岩自身力学特性及高地应力软岩变形特征方面深入分析了白马隧道初支侵限机理,并针对此特点,提出了一套适用于软岩大变形初支结构侵限专项施工方案。研究结果表明,由于地下水的侵蚀,炭质千枚岩发生软化,岩体力学性质变差,自承能力降低,在高地应力持续作用下,围岩发生挤压大变形,进一步诱导初支侵限。变更支护方案后,6 m锚杆结合小导管注浆加固对围岩变形有一定控制作用,但6 m锚杆无法将松动区岩块锚固在稳定母体中,不能充分发挥锚杆悬吊能力,对围岩变形控制效果有限,无法满足现场围岩变形需求,建议采用8 m长锚杆。初支拆换过程中应实时监测围岩变化情况,明确围岩变化方向、速率、累计值等,并根据现场实时监测数据反馈施工,实时调整支护参数,确保施工质量。

高地应力下双江口地下厂房围岩破坏特征及影响因素分析

双江口水电站作为大渡河流域水电梯级开发的上游控制性重点水库工程,受深山峡谷地域条件影响,地下厂房存在埋深大且地应力高的工程特点。以主厂房为研究对象,统计归纳了爆破开挖中现场围岩变形及破坏特征,并阐释了高地应力条件下岩体破坏机制及影响因素。研究结果表明,双江口水电站地下厂房爆破开挖过程中围岩主要发生板裂、板片状破裂、V型破裂以及应力与结构协同作用破坏四种主要类型。其中,板状破裂主要发育在边墙、顶拱及掌子面;板片状破裂和V型破裂主要发育在拱肩部位,破裂深度一般大于40 cm;应力与结构协同破坏围绕断层或节理聚集区,破坏规模不等且可预见性较差。

余吾矿煤/岩层组合类型划分及压裂措施

为了划分煤/岩层水力压裂组合类型,以潞安矿区余吾矿3#煤层为研究对象,通过测井解释及力学测试得出顶板岩性及力学特征;采用取心井与测井相结合识别出煤层段的煤体结构;根据水力压裂计算地应力方法结合密度测井得出了地应力状态;由此划分出水力压裂煤/岩层组合类型,并提出了不同组合类型下的水力压裂措施建议。结果表明:研究区水力压裂煤/岩层组合类型可以划分为硬岩硬煤、软岩硬煤、硬岩软煤、软岩软煤组合的过渡型和拉张型等7种类型;硬岩硬煤组合类型时,采用大排量、多液量、低/中砂比、逐级加砂方式能营造出较长裂缝并能有效支撑;软岩硬煤组合时,应避射部分煤层,防止水力压裂裂缝进入煤层与软岩交界面,影响压裂效果;硬岩软煤拉张组合时,建议采用顶板水力压裂;进行硬岩软煤过渡型水力压裂时,根据水平应力与垂直应力的差值优化压裂参数;软岩软煤组合时,不建议采用水力压裂方式进行改造。

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。

复杂地质条件下隧道聚能爆破施工技术研究

在百和隧道项目中,根据围岩级别、地质特征、隧道埋深及其地应力和岩爆情况,基于地应力场三维有限差分反演结果,利用聚能水压光面爆破基本原理,通过聚能水压光面爆破聚能管制作工艺,得到其爆破参数。分析断裂破碎带及高地应力围岩爆破效果,对沿线围岩应力和岩爆分别进行评价与预测,确定使用聚能水压爆破方法开挖断层破碎带以及高应力围岩段。聚能水压光面爆破在断层破碎带和高地应力围岩段的炮眼利用率达87%以上,周边眼痕率达90%以上。相比于常规光面爆破,其每循环进尺提升显著,炸药消耗量和最大超挖量降低明显,对中等以上岩爆控制效果良好。

巨龙铜矿地应力对大断面巷道稳定性与岩爆倾向性数值模拟

分析矿山深部巷道稳定性及岩爆倾向性对于矿山安全建设具有重要意义。以巨龙铜矿大断面深埋长巷道为研究对象,利用数值模拟手段探究了青藏高原地应力影响下环形排水巷稳定性,分析了巷道掘进后岩爆倾向性。结果表明,环形排水巷道围岩内应力以水平应力为主,最大主应力为32 MPa,在16段排水巷道中,应力主要集中于巷道DE、EF、DG段。巷道围岩水平位移大于垂直位移,环形排水巷道最大位移以M点为中心向四周扩散。GM段、HL段、KN段巷道围岩均发生了较大变形,对于该区域巷道应加强支护。巷道DE、EF、DG段最大弹性应变达到1.01×10^(5) J/m^(3),呈现出岩爆倾向,可通过减小开挖进尺削弱岩体局部应力集中。现场监测表明模拟结果可靠。该研究结果为巨龙铜矿环形排水巷施工及地压灾害防控提供了理论参考。

地应力作用下隧道爆破周边孔参数优化研究

为探究在地应力作用下隧道爆破时周边孔最优参数,以白竹山隧道为工程背景,通过数值模拟方法研究当隧道地应力为5 MPa时的情况,将周边孔不耦合装药系数和空气间隔装药段数进行调整,确定合理的爆破参数指导现场施工。研究表明,在相同药量情况下,当不耦合系数为1.4时,粉碎区范围适中,岩体破碎充分,炮孔之间形成良好贯通;周边孔采用空气间隔装药时,孔底空气长度为0.6 m,每节药卷为0.3 m的4段间隔装药结构较为合适,能将平均超欠挖厚度控制在20 cm内,爆破效果较好。

中国西部深埋隧洞地应力研究与实践

深埋隧洞高地应力岩爆、大变形灾害已经成为制约地下工程施工的重要影响因素,对地应力的研究了解深部岩体破坏机理及相应的防治对深埋隧洞的设计和施工具有实际意义。依托西安市引蓝济李引水工程高地应力测试成果结合施工期深部岩体的破坏形式进行分析研究,并提出相应的防治处理措施,可为类似工程的勘察设计施工提供经验与指导。

谢家河沟煤矿水压致裂法地应力测试应用

针对谢家河沟煤矿地质力学参数匮乏问题,本文采用水压致裂法对谢家河沟煤矿1345西翼底抽巷展开地应力测试,确定了该矿围岩的应力状态。实测该矿的主应力大小分布规律为sH>sv>sh,最大水平主应力与垂直应力比值sH/sv,结果介于1.16~1.31,表明该区域最大水平主应力与垂直应力差异不大。相较于六盘水矿区的构造应力场,谢家河沟煤矿的地应力属于中等应力区。这些研究成果将为未来矿井支护设计的优化提供重要参考。