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。

非高斯波浪作用下深水高墩的非线性随机振动

首先,建立非高斯波浪作用下深水高墩的随机动力学模型,采用泊松白噪声激励模拟非高斯随机波浪过程,利用达朗贝尔原理和伽辽金方法推导深水高墩的运动方程。然后,通过径向基神经网络法求解广义FPK方程,获得系统的瞬态响应概率密度函数。最后,考察不同结构参数对系统响应的影响,并采用蒙特卡罗模拟(MCS)验证理论解。结果表明:理论解与模拟结果吻合良好;浸入比和质量比增加均会放大高墩的响应;采用高斯模型会使结构设计偏于保守。

利民煤矿Ⅰ030902工作面高水材料墩柱围岩控制技术研究

在工作面通过老空巷道时,工作面与老空巷道间煤柱逐渐变窄,导致空巷围岩严重变形,围岩失稳和支架压死等问题。通过理论计算、数值模拟和现场实验,确定了工作面超前支承应力范围和煤柱临界宽度以及超前加固时机。提出了高水材料墩柱支护技术对老空巷道进行围岩控制,通过建立数值模型进行模拟计算,反演高水材料墩柱支护效果,模拟得出2.5 m间距高水材料墩柱支护围岩控制效果最佳,并确定了最佳支护参数。现场监测结果显示,采用高水材料墩柱支护技术有效地控制了围岩变形,取得了良好的支护效果。

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。

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。

注浆充填技术在采煤工作面废弃空巷加固中的应用

高阳煤矿3507综采工作面为大采高综采工作面,目前回采的5号煤层顶板坚硬,采面正常回采期间矿压显现明显。由于3507综采工作面回采范围内存在有空巷,空巷围岩在采动影响下容易出现失稳现象,给采面正常回采带来影响。依据现场情况,提出采用注浆方式加固空巷与采面间煤柱、高水材料充填墩柱支撑空巷顶板,确保采面过空巷期间煤柱及空巷顶板稳定,通过采面调斜方式减少采面一次揭露空巷范围,同时通过让压、等压避免过空巷期间出现周期来压。现场应用后,2 d期间未有顶板冒落、煤壁片帮等征兆,现场应用取得较好效果。

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。

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。

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。

引流渗透控制注浆技术及涌水治理应用研究

为解决煤矿浅层松散破碎高压涌水围岩的注浆堵水技术难题,提出了引流渗透控制注浆技术,通过试验分别对C-GT浆液性能,注浆压力对围岩的破坏性,注浆管内浆液的流通性,涌水与治理区域的连通性和引流孔关闭后的影响等进行研究。结果表明：在深部引流条件下,采用下列参数封堵浅层松散破碎围岩内高压涌水是安全有效的,常温下选用P.O42.5R水泥,水泥浆液密度1.50 g/cm^3（水灰比1∶1）左右,GT浆液密度为1.20-1.50 g/cm^3,体积比控制在1∶1-3∶1,在井下高温环境中要适量添加缓凝剂;C-GT浆液初凝时间应比示踪剂连通时间长5 s左右,注浆压力控制在2.5MPa以下。当溢流孔总面积与注浆管内径面积相近时浆液流通性最好,应为注浆时控制的最高速率。

深水高桩嵌岩桥墩抗撞能力分析

以2007年6月15日广东九江大桥船撞倒塌事故中被撞深水高桩嵌岩桥墩为研究对象,采用更新拉格朗日列式考虑结构几何非线性,Hognestad模型和Mander模型分别模拟无约束和受约束混凝土,理想弹塑性模型模拟钢筋作用;考虑桩基和周围介质的非线性作用,采用P-Y、T-Z和Q-Z弹簧模拟计算了单个高桩桥墩的抗撞能力,揭示了桩顶与承台结合处截面为深水高桩桥墩的薄弱环节。在此基础上,分析了桩基直径、河床冲刷与淤积程度、桩基倾斜角度、桩身配筋率、水下砂土内摩擦角对深水高桩桥墩抗撞能力的影响。

引汉济渭秦岭输水隧洞4~#支洞微震监测系统及工程应用

引汉济渭工程秦岭特长输水隧洞岩性复杂、水平地应力高,开挖过程中岩爆灾害频发。为确保人员与设备安全,在"亚洲第一长斜井"4#支洞斜4+179. 2—斜4+346. 4范围安装微震监测系统,进行岩爆风险分析与预测。根据现场实时监测数据,进行信号滤波分析,确定有效岩体破裂信息。分析花岗岩中微震事件的时序特征,以及时空演化分布特征,结合现场实际岩爆特点,对比分析岩爆发生等级及破坏特征。结果显示:隧洞岩体微震时序类型主要为2类,即主震-后震型、前震-主震-余震型;岩爆等级以中等岩爆为主,呈现片状拉伸破坏为主与剪切破坏形成塌腔的组合破坏特征。发生中等岩爆临界值为当日累计微震事件30次以上。结果表明,该微震监测系统的设计和实施满足支洞深部岩体稳定性分析的监测要求,能够为岩爆风险监测提供一个有效的分析工具。研究成果为隧洞施工中岩体稳定性分析提供有价值的参考依据。

深埋特长雪峰山公路隧道工程地质勘察技术研究

雪峰山隧道为深埋特长隧道。在该隧道的勘察过程中运用了大量高新技术,并开展了科研工作,对隧道围岩特性、地质构造、地应力场及岩爆、涌水量、围岩稳定性等与隧道设计、施工密切相关的问题均作出了准确的判断和预测。本文论述了一些新的勘察技术及科研成果,这些勘探与评价技术对其它深埋特长隧道有较好的借鉴作用。