Ground fissure development regularity and formation mechanism of shallow buried coal seam mining with Karst landform in Jiaozi coal mine: a case study

A comprehensive study was undertaken at Jiaozi coal mine to investigate the development regularity of ground fissures in shallow buried coal seam mining with Karst landform,shedding light on the development type,geographical distribution,dynamic development process,and failure mechanism of these ground fissures by employing field monitoring,numerical simulation,and theoretical analysis.The findings demonstrate that ground fissure development has an obvious feature of subregion,and its geographical distribution is significantly affected by topography.Tensile type,open type,and stepped type are three different categories of ground fissure.Ground fissures emerge dynamically as the panel advances,and they typically develop with a distance of less than periodic weighting step distance in advance of panel advancing position.Ground fissures present the dynamic development feature,temporary fissure has the ability of self-healing.The dynamic development process of ground fissure with closed-distance coal seam repeated mining is expounded,and the development scale is a dynamic development stage of“closure→expansion→stabilized”on the basis of the original development scale.From the perspective of topsoil deformation,the computation model considering two points movement vectors towards two directions of the gob and the ground surface is established,the development criterion considering the critical deformation value of topsoil is obtained.The mechanical model of hinged structure of inclined body is proposed to clarify the ground fissure development,and the interaction between slope activity and ground fissure development is expounded.These research results fulfill the gap of ground fissures about development regularity and formation mechanism,and can contribute to ground fissure prevention and treatment with Karst landform.

Analysis of mechanical behaviors of big pipe roof for shallow buried large-span tunnel

A series of researches on mechanical behaviors of big pipe roof for shallow large-span loess tunnel were carried out based on the Wenxiang tunnel in Zhengzhou—Xi'an Special Passenger Railway. The longitudinal deformations of the pipe roofs were monitored and the mechanical behaviors of the pipe roofs were analyzed at the test section. A new double-parameter elastic foundation beam model for pipe roof in shallow tunnels was put forward in Wenxiang tunnel. The measured values and the calculation results agreed well with each other,revealing the force-deformation law of big pipe roof in loess tunnel:At about 15 m in front of the excavating face,the pipe roof starts to bear the load;at about 15 m behind the excavating face,the force of the pipe roof tends to be stabilized;the longitudinal deformation of the whole pipe roofs is groove-shaped distribution,and the largest force of pipe roofs is at the excavating face. Simultaneously,the results also indicate that mechanical behaviors of pipe roof closely relate to the location of the excavation face,the footage of the tunnelling cycle and the mechanics parameters of pipe roof and rock. The conclusions can be reference for the design parameter optimization and the construction scheme selection of pipe roofs,and have been verified by the result of numerical analysis software FLAC3Dand deformation monitoring.

Test and damage assessment of shallow buried RC tunnel under explosion

As a major element of the transportation network,tunnels are unavoidably threatened by accidental loads such as vehicle bombs and tank truck explosions.The goal of this research is to explore the dynamic characteristics and damage assessment of tunnel structures under contact blast loads.First,three scaled-down reinforced concrete tunnel models were made,and the explosion test and static loading test were carried out successively to evaluate the axial residual bearing capacity,axial displacement and failure mechanism of the tunnel.Secondly,the finite element model is built by utilizing LS-DYNA,and the reliability of the finite element method is confirmed by comparing the data of the explosion test with the static loading test.At the same time,the calculation method for damage coefficient and the classification criteria for damage grade based on axial residual bearing capacity are presented.Then,based on the finite element method,the propagation process of the explosion shock wave in the tunnel and the damage mechanism of the tunnel are investigated.Finally,seven explosion scenarios are developed,the damage degree of these seven tunnels under the blast load is quantitatively analyzed,and further anti-blast design ideas are put forth.The study in this article may give an intended reference for the damage assessment,anti-explosion design and strengthening work of reinforced concrete tunnels.

The Method for Inferring a Buried Fault from Resistivity Tomograms and Its Typical Electrical Features

Electrical resistivity tomography (ERT) has been used to experimentally detect shallow buried faults in urban areas in the past a few years, with some progress and experience obtained. According to the results from Olympic Park, Beijing, Shandong Province, Gansu Province and Shanxi Province, we have generalized the method and procedure for inferring the discontinuity of electrical structures (DES) indicating a buried fault in urban areas from resistivity tomograms and its typical electrical features. In general, the layered feature of the electrical structure is first analyzed to preliminarily define whether or not a DES exists in the target area. Resistivity contours in resistivity tomograms are then analyzed from the deep to the shallow. If they extend upward from the deep to the shallow and shape into an integral dislocation, sharp flexure (convergence) or gradient zone, it is inferred that the DES exists, indicating a buried fault. Finally, horizontal tracing is be carried out to define the trend of the DES. The DES can be divided into three types-type AB, ABA and AC. In the present paper, the Zhangdian-Renhe fault system in Zibo city is used as an example to illustrate how to use the method to infer the location and spatial extension of a target fault. Geologic drilling holes are placed based on our research results, and the drilling logs testify that our results are correct. However, the method of this paper is not exclusive and inflexible. It is expected to provide reference and assistance for inferring the shallow buried faults in urban areas from resistivity tomograms in the future.

浅埋滴灌下玉米秸秆不同还田年限土壤有机碳固存特征及其影响因素

外源有机物(秸秆)添加直接影响耕层土壤有机碳的周转,研究浅埋滴灌条件下玉米秸秆持续还田土壤有机碳固存及其影响因素对西辽河平原灌区玉米可持续生产与耕地地力提升具有重要意义。本文基于连续7年的田间定位试验,设置玉米连作秸秆连年全量还田0年(0a)、3年(3a)、5年(5a)和7年(7a)4个处理,探讨玉米秸秆不同还田年限对土壤结构、胞外酶活性、有机碳组分含量、碳储量、固碳量和碳库管理指数的影响。与0a处理相比,0~30 cm土层3a、5a和7a广义土壤结构指数分别增加1.65%、1.99%和3.33%,土壤三相结构距离分别降低5.55%、6.65%和12.7%;0~30 cm土层3a、5a和7a土壤β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和土壤β-葡萄糖苷酶活性分别提高4.34%、13.0%、15.9%和12.1%、16.3%、20.9%,土壤纤维素酶和土壤蔗糖酶活性分别提高5.86%、13.4%、19.2%和12.6%、21.3%、34.1%;不同处理间几何平均酶活性和总体酶活性差异显著,0~30 cm土层3a、5a和7a几何平均酶活性和总体酶活性较0a分别提高8.63%、15.90%、22.25%和9.12%、17.19%、25.09%。土壤有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳和微生物量碳含量及其储量均表现为3a、5a和7a显著高于0a,0~30 cm土层3a、5a和7a土壤有机碳和土壤易氧化有机碳含量较0a分别提高13.4%、32.7%、42.7%和17.5%、27.5%、42.5%,土壤水溶性有机碳和土壤微生物量碳含量较0a分别提高13.2%、18.5%、28.5%和33.9%、45.3%、56.1%;同时0~30 cm土层3a、5a和7a土壤有机碳和易氧化有机碳储量分别提高11.6%、29.5%、36.2%和14.9%、23.8%、35.5%,土壤水溶性有机碳和微生物量碳储量分别提高10.7%、15.2%、22.3%和31.0%、41.0%、48.5%。0~30 cm土层5a和7a土壤固碳量均显著高于3a;0~30 cm土层各处理碳库指数和碳库管理指数差异显著,5a和7a较3a分别提高17.0%、26.1%和7.00%、19.9%。土壤结构稳定性、胞外酶活性与土壤固碳量和碳库管理指数的相关分析和冗余分析结果表明,土壤β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性、液相体积分数、三相结构距离、纤维素酶活性和β-葡萄糖苷酶活性是影响玉米秸秆不同还田年限土壤有机碳固存的主要因素,其解释率分别为76.0%、4.10%、3.30%、1.70%和3.40%。浅埋滴灌下玉米秸秆连续还田7年改善了土壤结构的稳定性,提高了与土壤碳素相关的土壤胞外酶活性,进而提升了土壤有机碳固存和碳库指数。

浅埋暗挖交叉相贯隧道施工力学行为试验研究

为完善浅埋暗挖交叉相贯隧道在施工过程中的受力形式及变形特征,依托青岛某地铁工程,根据所选地铁车站的地质条件及衬砌结构特点浇筑衬砌模型并配制围岩相似材料,利用模型试验对采用全断面法在Ⅴ级围岩环境下进行的风道和车站主体开挖过程的力学行为展开研究,并从隧道衬砌结构变形及地层内部位移变化规律两方面分析了浅埋暗挖交叉相贯隧道全断面开挖施工的力学行为。结果表明:对于交叉相贯位置处的隧道结构,已有隧道结构将改变后续施工隧道衬砌结构应变最大值及其出现位置;位于交叉相贯隧道结构附近不同象限内的围岩分别处于水平变形累加区和往复区;地表竖向变形最大点位于后续施工的车站上方且与交叉相贯位置存在一定距离,而在交叉相贯位置处的地表竖向变形值稍小;模型试验明确了交叉相贯隧道在施工过程中围岩及衬砌结构的变形特征,给出了隧道结构地表最大变形与施工步序间的时空关系;研究结果可为相关交叉相贯隧道结构的施工及设计提供依据。

压缩空气储能电站浅埋人工储气洞库设计基本理念和方法

抽水蓄能和新型储能是实现碳达峰碳中和,支撑以新能源为主体新型电力系统的重要技术和基础装备。压缩空气储能(compressed air energy storage, CAES)是一种利用压缩空气作为介质来储存能量和发电的技术,是目前除抽水蓄能以外规模最大的物理储能方式,而硬岩浅埋型人工储气洞库选址灵活,具有规模化、商业化的发展潜力。面对我国大中型压缩空气储能电站开发建设形势和要求,结合国内外相关研究和工程实践经验,本文提出了硬岩条件下浅埋人工储气洞库整体稳定、局部稳定、循环稳定和密封层稳定的工程设计基本理念,总结提炼了洞库选址及地质勘探要求、埋深设计、储气库布置、结构设计、密封系统设计等方法,为压缩空气储能电站浅埋人工储气洞库设计提供借鉴和参考。

砂卵石地层浅埋地铁车站暗挖施工关键技术

研究目的:针对富水砂卵石地层地铁车站明挖法施工面临的道路交通问题,本文依托成都富水砂卵石地层首次采用暗挖法施工地铁车站的成功案例,对暗挖法施工关键工艺开展研究,指明了暗挖导洞设置及其开挖时序、地层超前预加固方式、初期支护类型、永临结合钢管柱以及拱形盖板扣拱等关键工艺,明确了富水砂卵石地层浅埋大跨地铁车站首次采用暗挖法施工的可行性。研究结论:(1)基于“化整为零”的思路,借助大刚度管幕超前支护,明确了导洞设置原则,采用多导洞法实施钢立柱与盖板(顶板)后,可按盖挖法理念完成超浅覆土下的地铁车站暗挖施工;(2)浅覆土管幕打设精度与地层扰动控制是富水砂卵石地层沉降控制的关键,应遵循“精准定位、及时纠偏,欠土顶进、严控超挖,先低速后匀速”的基本原则;(3)基于初期支护主要以被动承载为主,格栅钢架经济性好、施工方便,喷混后抗弯刚度增幅将近8倍,且大于工字钢喷混后等效抗弯刚度,宜采用格栅钢架;(4)顶部预埋倒L形钢板的“蛇形”中立柱,可实现两侧衬砌结构的有效连接与水平向有效传力,液压反循环钻机可满足小净空条件下高精度永临结合钢管柱施作需要;(5)本研究结论可为类似地层暗挖法车站施工提供借鉴与参考。

浅埋偏压黄土隧道地表旋喷桩加固工艺参数研究

在黄土隧道修建过程中,其洞口段因浅埋偏压、围岩软弱破碎等通常需要进行加固处理。地表旋喷桩法具有适用范围广、加固效果好等优点,被广泛应用于隧道浅埋偏压段软弱围岩地表加固工程。以浅埋偏压黄土隧道进口段初期支护侵限为研究背景,介绍了现场地表旋喷桩加固的施工过程;建立了侵限段三维加固模型并分析了地表旋喷桩加固前后的变形控制效果,说明了处治措施的合理性;对比分析了现场监控量测结果,验证了数值模拟的准确性;开展了地表旋喷桩的工艺设计参数优化分析。结果表明:由于偏压作用,地表最大沉降值偏离隧道中心线,且拱顶中心线处沉降>右拱肩处沉降>左拱肩处沉降;施加地表旋喷桩对于减小地表沉降十分有效,地表最大沉降值减小了45.5%;采用地表旋喷桩加固处理后,拱顶处加固效果最为显著,较加固前沉降减小了57.9%,同时加固后左、右拱肩沉降差值减小了17.4%;建议隧道浅埋偏压段地表旋喷桩加固工艺设计参数:桩直径为0.4~0.6 m、桩间距为1.2 m、横向加固范围为1.5~2倍洞径、竖向加固范围为洞身两侧旋喷桩与隧道拱底平齐。

城市浅埋隧道自然排烟竖井临界间距研究

竖井间距会改变竖井内外压差,当竖井内外压差为0时,隧道火灾烟气将无法排出,此时竖井对应位置为竖井临界间距。由竖井内外口压差理论分析,给出竖井临界间距理论模型,再采用FDS模拟进行仿真验证。结果表明:设置竖井可明显降低隧道温度,竖井间距为临界间距时,温度下降幅度接近150℃,人员疏散路径温度低于60℃,竖井排烟效率在55%~80%,可有效进行竖井排烟;当竖井间距大于竖井临界间距时,隧道内烟气压强小于竖井出口处风压,竖井排烟效率低于50%。

降雨入渗对防军隧道浅埋小净距段围岩稳定性的影响

为控制降雨入渗对浅埋小净距隧道围岩稳定性的影响,以义东高速公路防军隧道为依托,基于流固耦合理论和水土特征曲线,采用MIDAS GTS NX有限元软件建立浅埋小净距隧道数值模型,对雨季施工时的土体孔隙水压力、围岩变形特征和边仰坡安全系数展开分析。结果表明:随着降雨入渗的持续,围岩及边仰坡土体基质吸力逐渐减小,其土体抗剪强度也随之降低,稳定性变差。经过7 d累积降雨,孔隙水压力增大趋势逐渐放缓,围岩变形达到最大值,工况1的拱顶沉降增大了21.48%,且边仰坡安全系数小于1,处于失稳状态。洞口段采取加固和排水措施来控制围岩的稳定性,边仰坡的安全系数较加固前提升了17.27%,取得了良好的效果,保证了隧道后期的安全施工。

浅埋偏压隧道围岩稳定性分析方法的研究与展望

近年来,我国公路和铁路迅速发展,其在穿越山岭地段时易形成浅埋偏压隧道,浅埋偏压隧道的围岩受力特性复杂,导致洞口处易发生围岩坍塌现象。针对浅埋偏压隧道的围岩稳定性问题,文中总结了常用的理论分析和规范计算方法,探讨了围岩压力计算及破坏模式分析的重要性,并进一步展望了未来的研究方向。

基于BIM技术的浅埋隧道无限元法数值研究

近年来,BIM技术在交通运输基础工程领域的应用日益广泛,如地铁、高铁、公路、隧道等项目全生命周期的管理都有BIM技术的参与。本研究通过BIM软件–Revit建立浅埋隧道的信息模型,基于BIM信息模型,导入ABAQUS有限元分析软件,对越秀公园站浅埋暗挖多孔隧道进行有限元与无限元耦合模拟,验证了无限元在隧道数值模拟中的可行性。其次通过设置不同的工况,验证了无限元与有限元耦合模拟的准确性,并且研究了隧道的开挖对不同工况下,地表沉降和衬砌内力的影响,得出最优的开挖工序,为后续浅埋隧道的力学行为的研究提供借鉴。

浅埋偏压隧道不对称围岩压力数值迭代方法

文中根据围岩压力与衬砌节点支护反力的等效原理,提出一种浅埋偏压隧道不对称围岩压力数值迭代方法.该方法以隧道一侧竖向围岩压力作为求解目标,通过对传统二分法进行改进,使用FLAC3D内置的强度折减法,实现围岩压力反算过程全自动化,包括围岩稳定状态的自动判断、求解目标上下限的自动搜索、求解目标的自动迭代、以及围岩压力分布的自动换算,极大简化了分析流程,提高了分析的效率.此外,该方法不需要假定滑动面和破裂角,减少了确定围岩压力所需的条件,并降低了相关误差.通过一个算例解释了围岩压力的迭代过程,并将迭代结果与实测结果和规范计算结果进行对比.结果表明:数值迭代方法得到的围岩压力分布与实测结果较为吻合,可用于二次衬砌的内力计算、结构设计和服役状态评价.对围岩压力的影响因素进行敏感性分析,为降低偏压对衬砌的不利影响,应降低坡面角度,并适当提高隧道洞周土体强度.

非线性破坏准则下浅埋隧道的稳定性分析

隧道围岩压力值是浅埋隧道设计计算的重要参数。为进一步提高围岩压力计算结果的可靠性,以传统浅埋隧道坍塌模型为基础,提出了圆弧滑移面破坏模式,同时基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,运用极限分析上限法推导了地震力作用下浅埋隧道围岩压力的计算公式,验证了计算结果的可靠性,并对影响因素进行了探讨。与实际工程和已有成果的对比分析证明了理论公式具有较高的可靠性和准确度。研究还发现:围岩压力受非线性系数和初始粘聚力的影响较为显著,非线性系数越大、初始粘聚力越小,围岩压力越大;随着待定参数K(水平围岩压力与竖向围岩压力的比值)的减小,水平围岩压力减小,竖向围岩压力增大;地震力对围岩压力的影响不容忽视,竖向地震力单独作用对围岩压力的影响最大,水平和竖向地震力共同作用的影响次之,而仅有水平地震力作用的影响最小。随着水平与竖向地震力系数的增大,围岩压力也在增大。分析结果对于大部分的隧道,尤其是易受地震影响的浅埋隧道研究具有较高的参考价值。

浅埋深中厚煤层预掘回撤通道支护技术研究与应用

为进一步提高综采工作面末采回撤速度、确保设备回撤空间,采用理论计算、现场试验相结合的方法对浅埋深中厚煤层预掘回撤通道支护技术进行初步研究,建立了工作面残余煤柱承载力学模型,理论分析得知残余煤柱宽度对煤柱承载性能的时空演化规律具有重要影响,末采期间残余窄煤柱出现区域性脆性破坏失稳状态是导致超前采动应力、顶板岩层断裂线前移的主要原因。现场试验末采段残余煤柱宽度约5 m时,整条窄煤柱在多重载荷作用下发生屈服,进而呈现大面积失稳破碎状态,巷内支护体承载受力急剧增加,锚索最大受力约为225 kN,最大顶底板移近量出现在通道中部靠工作面侧,约为100 mm,结果表明,采用高预应力强力锚杆(索)联合支护结构配合垛式支架外部支撑,可有效控制末采期间预掘回撤通道顶底板之间的闭合位移,为类似条件下预掘回撤通道支护提供工程借鉴。

基于微震监测的浅埋8 m超大采高综采面矿压规律现场监测研究

以陕北矿区某矿2203浅埋超大采高综采面为工程背景,采用微震监测技术,对浅埋超大采高综采面矿压规律进行了研究。结果表明:单日微震事件数达到峰值后,综采面继续回采8.25~11 m内,能量大于103J的事件增多,微震事件能量及支架压力达到峰值,随后顶板出现垮落现象。综采面初次来压前,微震总能量为6.40×10^(3)J,矿压显现期间为1.07×10^(4)J,总能量增长67%;由于综采面矿压显现与微震最大能量峰值出现一致,通过2次最大能量峰值时综采面位置可以确定综采面周期来压步距。2203综采面初次来压步距为24.75 m,周期来压步距为27~35.25 m,由此确定,顺槽超前支护距离为36 m,实践表明,2203综采面采用ZCZY10300/31/55D型超前液压支架满足巷道超前支护的要求。微震监测是矿压显现规律分析的有效手段,采用液压支架压力变化与微震能量协同分析的方法研究超大采高综采面的矿压规律是可行的。

播种量对浅埋滴灌宽幅匀播春小麦农艺性状及产量的影响

为研究筛选甘肃河西地区浅埋滴灌条件下春小麦最佳播种量,以宁春4号为试材,研究了不同播种量对浅埋滴灌条件下春小麦产量构成、农艺性状及产量的影响。结果表明,在浅埋滴灌宽幅匀播栽培条件下,随着播种量的增加春小麦的株高也随之逐渐提高,穗长和穗粒数随播种量增加均呈先增后降趋势。春小麦播种量为675万粒/hm^(2)时,穗长最长,为8.02 cm;穗粒数最多,为38.05粒;千粒重也较高,为39.4 g;折合产量最高,为8175.0 kg/hm^(2),且均显著或极显著高于其余处理。建议在甘肃河西地区春小麦浅埋滴灌宽幅匀播栽培中播种量以675万粒/hm^(2)为宜。

浅埋河谷段TBM施工应用与适宜性评价

TBM施工技术应用于隧洞开挖,技术上已经成熟,并广泛应用于深埋长大隧洞施工中。影响隧洞TBM施工的因素基本清楚,一般认为穿越浅埋河谷段隧洞采用TBM施工容易发生围岩塌方、涌水事故,不适宜采用TBM施工。为了研究浅埋河谷段TBM施工适宜性,通过两个典型的穿越浅埋河谷段隧洞TBM施工的工程实例,对比详细的工程地质条件,分析塌方的原因,进行TBM施工适宜性分析,结果表明,隧洞上覆弱风化岩体大于1倍洞径段进行适当的工程处理后,采用TBM施工是适宜性的。

浅埋隧道双侧壁导坑法施工数值模拟研究

为准确评价浅埋隧道施工过程的围岩稳定性,利用ANSYS有限元数值分析软件,对沈阳地铁10号线区间浅埋隧道双侧壁导坑法施工进行数值模拟,研究了浅埋隧道施工过程的力学特性及变形规律。结果表明:开挖中上导洞后,围岩位移、应力和支护结构内力显著增大,占整个导洞开挖的50%,且最大位移、应力和支护结构弯矩集中在拱顶、初期支护连接的薄弱处;地表沉降量随时间变化增长趋缓,开挖90 d后趋于稳定,且离开挖面越近,沉降量越大,最大沉降点出现在最先开挖的中上导洞位置;隧道开挖10 d内拱顶下沉较快,随开挖掌子面远离监测点,拱顶沉降速率逐渐减小,开挖顺序对拱顶沉降影响较大,往往先开挖的位置拱顶沉降最大。现场监测结果表明:数值计算与现场监测结果比较吻合,验证了数值分析的合理性。研究成果对浅埋隧道的安全、经济施工具有借鉴意义。