泥质石灰岩地层高速铁路隧道底鼓原因分析

针对泥质石灰岩地层高速铁路隧道底鼓现象,为底鼓整治措施提供理论依据和数据支撑,依托西成高铁ZJY隧道,通过分析隧道监控量测、仰拱填充及轨道板结构变形、底部围岩变形和仰拱结构受力数据,研究隧道底部荷载分布特征及对结构的影响。采用分析隧道初始应力场和开挖应力场的方法,结合岩体物质成分及微观结构鉴定、膨胀性和蠕变试验,以应力场为纽带,提出隧道周边岩层的物理力学分区,建立隧道分层差异蠕变模型。研究结果表明:1)隧道底鼓是岩体蠕变造成的。2)隧道开挖后底部应力重分布影响区中靠近仰拱的15 m范围内微晶结构方解石发生大量持续蠕变造成底鼓变形。3)模型显示,隧道开挖前地层岩性差异形成不均匀的初始应力场,隧道开挖后在仰拱下方不同深度将形成多个承载区,深浅承载区内岩性差异的岩体同时发生蠕变变形。4)隧道开挖前地层中存在蠕变现象,同一岩性地层内水平差应力中位数较最大值降低超25%。5)隧道开挖后泥灰岩地层蠕变成分最高达80%左右,发生蠕变的差应力门槛,约5 MPa(下限)。6)蠕变试验显示,在隧道等效圆仰拱下方0.5 m左右,可能存在蠕变的差应力峰值,约15 MPa(上限),推测仰拱接触应力的峰值可能在1 MPa左右。

基于TRIZ理论的许疃矿南翼探水巷底鼓控制技术研究

针对许疃煤矿33采区南翼探水巷底鼓治理工程实际问题,基于TRIZ理论,采用功能组件分析、因果轴分析,揭示了底鼓现象的原因,采用物-场分析和技术矛盾分析,完成了底鼓控制措施的概念性设计和优化,最终提出了“隔水层+反拱衬砌+锚杆+聚丙烯纤维混凝土地坪”的综合底鼓治理方案。在试验巷道完成反拱衬砌施工和现场监测,结果表明:施工完成后60 d的底板最大隆起量小于60 mm,底鼓控制效果显著。TRIZ理论作为一种高度有效的创新方法,扩展了巷道支护工程优化设计思路,为类似工程设计提供了有益参考借鉴。

李雅庄煤矿巷道底鼓机理探讨

以李雅庄煤矿2-6182回风顺槽巷道大变形且发生明显底鼓为工程背景,通过顶底板岩石物理力学参数测试和巷道底鼓机理分析,采用工程实践的方法对该弱胶结底板岩层的底鼓机理和巷道大变形模型进行研究,最终确定采用“反底拱+底板锚索”辅以锚杆锚索联合支护的模式可以获得较好的支护效果。在2-6182回风顺槽进行了工程参数验证,监测结果显示巷道两帮最大移近量仅为50 mm,达到巷道使用要求。

反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性诸方面之比较

反拱水垫塘是一种新型消能防冲结构,拟在我国溪洛渡等高拱坝中采用。在高水头、大流量作用下反拱水垫塘能否安全运用其稳定性是关键技术之一。分析了平底水垫塘和反拱水垫塘的稳定性原理,论证了反拱水垫塘底板具有超载能力强、稳定性高的优点,是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择。

基于刚体极限平衡法的反拱底板稳定性研究

基于两个反拱水垫塘工程实例模型试验研究,在运用刚体极限平衡法定量研究拱座稳定性的基础上,结合有限元分析方法定量研究反拱底板局部稳定性,相对于以往假定拱端推力进而研究反拱底板局部稳定性更加合理,并得出以下结论:在相同运行工况下反拱底板极限抗力大于平底板的1.7～3.3倍;系数β(弦长和反拱半径的比值)越大,边缘板块抗力减小,中间板块抗力增大。在相同或相近β的情况下,极限抗力随板块数增多有增大的趋势。

软岩回采巷道底臌破坏机制与支护技术

软岩巷道底臌治理一直是软岩支护中重点攻关的难题之一,作为受采动压力影响的软岩回采巷道来说,巷道的底臌问题尤为突出。针对山东能源临矿集团上海庙矿区软岩大变形技术难题,首先从巷道底臌变形的力学机制入手,根据巷道围岩本构关系及应力作用模式,在结合朗肯压力理论的基础上建立了剪切错动型巷道底臌力学模型,导出了巷道底臌力源P0的计算方程。计算分析知,当底臌压力P0大于底板岩体的强度极限时,巷道底板岩体将发生剪切和扩容变形挤入巷道空间,随时间效应的加大最终导致巷道底臌;其次,结合建立的底臌力学模型,提出了一种与剪切错动型巷道底臌力学机理相适应的新型反底拱底臌控制技术,对反底拱伸出段、底板预应力锚杆和反底拱主体段3部分在底臌控制过程中的作用进行理论分析,揭示了其“控底-助帮”的底臌控制机理,并综合数值计算和正交实验的方法对新型反底拱结构的3个主要参数进行试验优化,模拟显示影响巷道底臌量指标的主要因素为底板超挖深度和反底拱伸出段长度,影响巷道两帮移近量指标的主要因素为反底拱伸出段长度;最后,通过对榆树井矿13803工作面回风巷原始支护条件下底板压力的验算,确定了底板围岩压力与矿井水的耦合作用是造成该巷道底臌的主要原因,并根据优化后的底板治理方案在榆树井煤矿13803工作面回风巷返修段进行工业性试验。工程实践表明,该项新技术控制软岩回采巷道底臌及两帮变形效果较好,有效保证了工作面回采期间巷道的稳定性。

软岩硐室稳定性的复合结构柔性反底拱控制时效分析

地下工程的围岩为软岩或因赋存深度的增加而呈现软岩特征时,其稳定性控制问题趋于突出,而对软岩硐室底臌的有效控制是决定硐室整体稳定性、保障其服务年限的关键。设计应用于软岩硐室底臌控制的复合结构柔性反底拱,探讨其作用机理,其控制底臌的时间效应包括成拱初期的负底臌效应、吸收变形能为主要特征的柔性支护阶段和后期延长服务年限为目的的刚性支护阶段,其中柔性支护作用保证了相对较长而且稳定的软岩硐室服务年限。经实践证明,试验条件下的负底臌效应历时63 d,柔性结构控制底臌的作用时间为158 d,反底拱刚性结构对底臌的控制可以延长巷道的服务年限140 d,即巷道在1 a内无需底板修复。复合结构柔性反底拱的底臌控制效果明显,但是硐室整体稳定性并非单一依赖于对底臌的控制,支护体系在边界上存在相对薄弱的环节等因素,依然可转化为软岩硐室整体破坏的主要原因。

直墙半圆拱U型钢封闭支架控底力学模型及应用

针对深部巷道底臌治理难题,建立了直墙半圆拱整体支架的力学模型,运用极限载荷法推导了高应力条件下的支架承载能力和反拱临界失稳载荷,将反拱拱高与半径的比值定义为反拱控底影响因子ζ,研究了ζ在0-0.7范围内不同巷道宽度的反拱支架受力特征及稳定性。计算表明：对于净宽为5 m的巷道,反拱矢跨比宜取值在0.2-0.3,反拱控底影响因子和反拱半径的最佳取值分别为0.2和4 m,在淮南矿业集团丁集矿西11-2开拓巷道50 m试验段工程实践表明该支架对底臌具有良好的控制能力,2 a期的巷道底臌小于50 mm,且不需要卧底返修。

软岩反底拱优化加固技术及应用——以上海庙矿区为例

在西部软岩矿区,巷道底臌是一种常见的巷道破坏形式,由底臌所引起的围岩变形已成为阻碍矿井高效生产的主要难题,也是目前西部矿区亟待解决的关键问题。目前广泛使用的底臌控制方案为浇筑混凝土材料配合反底拱与锚杆支护技术联合控制巷道底臌。然而,分析现场破坏结果,浇筑反底拱的普通C20混凝土材料存在强度低、密实度差等明显缺陷,并不能有效控制底臌,巷道现场底角与两帮呈现大面积破坏。据此提出一种优化浇筑材料方案,提高其初凝时间和强度。优化混凝土浇筑材料治理方案是将生石灰按照不同配制比例掺入混凝土浆液中,制备试件;在不同龄期下测试不同生石灰掺入量的试件强度,进而选出最优配比方案;利用扫描电镜对浇筑材料的结构进行观察分析,确定优化后的浇筑材料满足反底拱结构中浇筑材料的性能要求。结果表明:在养护龄期内,材料最大单轴抗压强度为30.15 MPa,是普通C20混凝土材料强度的1.39倍,抗拉强度为1.75 MPa,是未掺入生石灰试件强度的1.41倍。利用扫描电镜观测分析,在生石灰掺量为10%时,试件结构致密,浆体中的Ca(OH)_(2),AFt和孔隙数量明显减少,浇筑材料的力学性能有效提高。工程实践表明,采用优化后的浇筑材料进行反底拱设计,在50 d监测期内,最大底臌量仅为101 mm,巷道底臌量减少为原支护方案的34%,底臌控制效果明显。

反拱水垫塘与平底水垫塘底板稳定性的比较

反拱水垫塘是一种新型消能防冲结构,拟在我国溪洛渡等高拱坝中采用,其稳定性是其在高水头、大流量的作用下能否安全运用的关键技术之一。分析了平底水垫塘和反拱水垫塘底板稳定性原理,论证了反拱水垫塘底板具有超载能力强和稳定性高的优点,是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择。

浅埋深矿井回采巷道底鼓治理技术研究

为解决补连塔煤矿综采工作面巷道底鼓严重的问题,在底板软岩、采动压力大的条件下分别应用了反底拱法、混凝土预制块法、隔离煤柱法等底鼓治理技术,结果表明:采用反底拱法时巷道两帮最大移近量400 mm,顶底板最大移近量890 mm;采用混凝土预制块法时两帮最大移近量400 mm,顶底板最大移近量990 mm,采用隔离煤柱法时两帮最大移近量400 mm,顶底板最大移近量900 mm,应用反底拱法、混凝土预制块法、隔离煤柱法等底鼓治理技术取得的效果基本一致,但从经济效益方面考虑应选用混凝土预制块法。

基于FLAC仿真计算的巷道底鼓预控技术"

采用FLAC模拟分析的方法,对某矿红土层中巷道采用底拱和反底拱2种不同支护方式下围岩力学行为进行了研究,系统分析了不同支护方式下围岩应力、位移及塑性区的变化情况。研究结果表明:采用反底拱进行硐室支护后,硐室底鼓量为50 mm,顶板监测点下沉量为50 mm,均为采用底拱支护技术的1/9左右;底板的垂直流变速度为8.64 mm/d,为采用底拱支护技术的1/3;最大应力明显降低。反底拱支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了软岩巷道的底板变形膨胀。

深井巷道挠曲褶皱性底臌机理与控制技术

为研究巷道底臌的破坏机理,提高底板岩层的长期稳定和控制,保证矿井的运输生产正常,采用理论推导的方法,分析了巷道底板滑移线场、极限载荷和速度的运移演化特征,对大屯矿区千米深井层状岩体挠曲褶皱性巷道的底臌机理和控制手段进行了探讨。结果表明:巷道宽度和底板岩层内摩擦角是影响巷道底板应力区分布特征的主要因素,给合推导出的反底拱锚固梁力学模型可以对底板支护强度和锚固参数进行设计,可有效控制底臌。特别对于深井层状岩体巷道底板支护强度应达到0.4 MPa时,底板岩层可达到长时稳定,孔庄煤矿2 a期巷道底臌量小于10 mm,表明研究成果具有较强的可行性与实用性。

水垫塘反拱底板极限荷载非线性有限元计算

为分析水垫塘反拱底板的极限荷载及失稳模式,以某大型水电站在建拱坝为例,通过ANSYS软件,采用非线性有限元方法考虑不同拱块之间的摩擦接触效应及水荷载的随机性,分析不同位置若干拱块同时受径向荷载情况时的敏感性。计算发现单个拱块受径向荷载时中间拱块的极限荷载最大,向两边逐渐减小。中间拱块受径向荷载时底板的失稳模式相似,受力拱块沿径向拔出并带动两侧相邻拱块旋转,而边缘拱块受径向荷载时,边缘拱块自身会绕着一侧的拱块旋转;多个拱块受径向荷载时,受力拱块相邻的组合比拱块间隔的组合危险,若受径向荷载的拱块中有边缘拱块,边缘拱块会最先失稳。研究结果表明,中间部位拱块的极限荷载大于两边拱块的极限荷载,且由于反拱底板跨度较大,拱效应不明显,受力拱块位移破坏不会波及整个底板,只会影响到受力拱块相邻的拱块。研究成果可为工程实践提供参考。

联排反底拱-底板桩底鼓控制技术数值分析

为解决深部软岩巷道的底鼓控制问题,以兴安矿四水平南18层轨道巷为工程背景,提出了1种新型底鼓控制技术——联排反底拱-底板桩;运用ABAQUS软件对联排反底拱-底板桩进行数值分析,研究了其承载能力和变形情况;运用FLAC^(3D)软件对联排反底拱-底板桩的底鼓控制效果进行分析,探讨了联排反底拱-底板桩的底鼓控制机理,揭示了矢跨比对联排反底拱-底板桩底鼓控制效果影响的规律。结果表明:在均布载荷作用下,联排反底拱应该适当增加跨中部位的连杆数量和强度;联排底板桩应该适当增加嵌固端的长度和强度;联排反底拱-底板桩中底脚套管十分关键,应该适当增强底脚套管的强度;联排反底拱-底板桩矢跨比的合理范围为0.225~0.250。

膨胀性围岩时高速铁路隧道仰拱的底鼓机理及破坏模式

为确定膨胀性围岩时高速铁路隧道仰拱的底鼓机理及破坏模式,从围岩膨胀机理出发,分析膨胀性围岩遇水膨胀后引起的隧道仰拱底鼓破坏模式及过程,推导仰拱各截面弯矩及轴力的计算公式;基于室内模型试验及扩展有限元模拟对膨胀性围岩时仰拱底鼓的基本破坏模式进行研究。结果表明:膨胀性围岩吸水膨胀后产生的膨胀力同时作用于仰拱和围岩,迫使未膨胀围岩裂隙扩展,并提供水分迁移路径,导致未膨胀围岩膨胀;围岩膨胀过程中产生的膨胀力作用于仰拱上,迫使仰拱产生向上的隆起变形;仰拱底鼓属于受弯破坏,中心位置首先出现拉裂缝,随后逐步沿纵向和竖向贯通;最大弯矩出现在仰拱中心位置;仰拱2侧拱脚位置受上部衬砌的限制而隆起变形有限,仰拱中心位置基本处于无约束状态而隆起变形较大,导致仰拱形成W形的隆起破坏模式,故中心位置为仰拱的易损位置,在进行高速铁路隧道仰拱设计时,应重点考虑中心位置的仰拱。

基于塑性极限分析法的巷道反底拱支护效应研究

针对现有研究对反底拱控制深井软岩巷道底臌的力学效应多采用模型试验和数值分析方法而缺乏解析方法的问题,基于塑性极限分析法研究了巷道在高竖直应力为主的地应力作用下开挖反拱后巷道底板的应力场特征,揭示了开挖反拱后巷道底臌的机理,并分析了反底拱的支护效应对控制巷道底臌的作用。结果表明:开挖反拱会影响巷道整体的稳定性,但铺设适宜半径的反底拱能大大提高底板的极限承载力;反底拱半径越小,其抑制底臌的效果越明显。结合反底拱力学模型从理论的角度给出了锚拉反底拱支护参数的解析解,为传统支护设计提供参考。最后将提出的方法应用于龙口矿区梁家煤矿一采区运输巷道的支护设计,并进行了现场支护试验,现场监测结果表明,经支护优化设计的试验段巷道变形得到了有效控制。

反拱水垫塘底板块上举力变化规律的试验研究

结合溪洛渡拱坝,模型试验研究了拱坝坝身泄量最大时,在反拱圈横缝止水设施破坏、动水压强贯入底板缝隙、基岩锚固力失效的极端情况下,反拱水垫塘底板块上举力的分布规律及脉动上举力谱密度特性等。该成果对反拱水垫塘的设计、运用及稳定性研究具有理论和实际意义。

盘区巷道底鼓发生机理与控制技术研究

针对黄陵某煤矿盘区大巷底鼓的实际情况,综合运用室内试验、理论分析、数值模拟及工业性试验对该煤矿盘区巷道底鼓影响机理与控制技术进行了研究,得出了盘区巷道底鼓机理。

深部大倾角煤巷底鼓控制技术研究

针对西北矿区侏罗系煤巷底鼓量大且变形速度快的问题,以靖远煤电公司王家山煤矿中二401回风平巷为研究对象,采用理论分析、FLAC 3D数值模拟、松动圈现场测试、现场监测等技术方法,对其巷道围岩的地质特点及底鼓原因进行了研究,提出采用反底拱配合锚注加固的底鼓控制方法。研究结果表明:401回风平巷底板岩层为典型的侏罗系偏软岩层,岩层承载能力低且其开掘位置处于侧上方47407综放工作面采空区残余侧向支承应力峰值范围内,受高应力影响明显;401回风平巷底鼓类型以应力型底鼓为主,膨胀型底鼓为辅;将巷道反底拱处理配合亲泥性注浆材料锚注加固的控制方法应用于现场试验后,该巷道底板岩体承载能力及稳定性显著提高,巷道底鼓量显著减小且巷道处于稳定状态。