复合地层中盾构施工掘进参数相关性及预测研究

在盾构掘进过程中,众多掘进参数交织在一起,规律错综复杂。科学地分析这些参数之间的规律与相关性,对于盾构的实时控制至关重要。依托济南地铁R2左线工程,基于机器学习方法对复合地层中盾构施工的掘进参数进行研究。首先,分析地层参数与盾构掘进参数之间的关系,通过相关性分析发现,6个掘进参数中,盾构的总推进力和刀盘扭矩与其他参数的相关性尤为显著。然后,利用支持向量机算法,对不同地层中盾构总推进力和刀盘扭矩进行预测。预测结果与实际监测结果基本一致,证明这种方法的有效性。最后,为进一步提高预测精度,采用PSO算法对盾构掘进参数预测模型进行优化。优化后的模型总推进力R2提升约3%,刀盘扭矩R2提升约10%,优化效果十分显著。该项研究可为复合地层中盾构施工参数选择提供重要参考。

切顶卸压留巷及矿压显现规律研究

传统的煤柱护巷开采模式下易造成应力集中致使巷道变形失稳,并且工作面接替紧张、煤炭资源回收率低。为维护巷道的稳定、解决采掘接替紧张的局面、提高煤矿的效益,在双鸭山矿区东荣二矿南二下-800 m 16煤层第3工作面实施切顶卸压留巷开采技术,对“切顶卸压留巷技术”在复合顶板条件下的工艺流程及关键参数进行设计,并总结工作面和巷道的矿压显现规律。结果表明:工作面周期来压步距为中部<头部<尾部,尾部因切顶卸压有效降低了周边的来压强度;在超前工作面0~45 m围岩进入支承压力明显影响范围,滞后工作面0~50 m为留巷边缘冒落带剧烈活动时期,巷道围岩结构约在滞后工作面150 m进入稳定状态;最大顶板下沉量为260 mm,顶板离层值为110 mm。切顶卸压效果良好,满足安全生产需要。

基于正交试验的复合地层盾构隧道下穿邻近管线敏感性因素研究

针对盾构隧道下穿对邻近管线的影响,目前还鲜有学者进行复合地层盾构隧道下穿邻近管线敏感性方面的研究。依托南昌地铁4号线区间隧道下穿某邻近管线工程实例,采用数值模拟方法,将管线模量、管线直径、管隧夹角和管隧垂直净距作为主要影响因素进行正交试验,以管线最大位移和内力为试验评价指标,分析各因素对盾构隧道下穿邻近管线影响程度。研究结果表明:管隧夹角和管线模量对于管线水平位移为主要敏感性因素;对于管线竖向位移,管隧夹角和净距为主要敏感性因素,管线模量为次要敏感因素;管线模量对于管线剪力为敏感性因素,其他因素均为不敏感因素;管线轴力对管线模量变化最为敏感,但净距和夹角也是不同程度的敏感性因素。试验建立的线性回归方程式可为类似工程提供预测和参考。

含煤地层植物胶冲洗液改性及机理研究

为改善植物胶资源日益枯竭对含煤地层等复杂地层冲洗液应用带来的不利影响,对瓜尔胶进行复配−交联改性研究。以黄原胶为复配增效剂,有机硼为交联改性剂,并辅以交联控制剂、无机处理剂,研发一种新型植物胶冲洗液(GXB),并对其进行一系列的性能评价。评价结果表明,GXB性能优良,能够满足含煤地层等复杂地层的钻进需求。采用红外光谱分析、黏度分析、核磁共振分析相结合的方法对其复配−交联改性机理进行分析。结果表明:(1)复配增效过程存在2种作用机制:首先瓜尔胶中无半乳糖分布的区域可与黄原胶分子产生氢键或范德华力嵌合形成三维网状结构以增黏;同时在瓜尔胶作用下黄原胶易发生自缔合以提升体系结构黏度。(2)有机硼中的硼酸根离子主要通过络合半乳糖上的羟基以发生交联反应,体系黏度得到进一步提升,其过程可分为起始期、过渡期、上升期、稳定期4个阶段,各阶段交联反应的快慢主要受有机配位体释放硼酸根离子的速度影响。研究成果为解决含煤地层垮塌难题提供新的解决方案,同时对植物胶冲洗液的改性研究具有一定的参考价值。

复合地层中土压平衡盾构渣土改良试验研究

依托滁宁城际铁路(滁州段)二期工程,对粉质粘土及泥质砂岩复合地层盾构渣土开展了改良试验和对比分析。结果表明:在不同含水量下,复合地层改良渣土坍落度随着泡沫比的增加,其总体增长较为缓慢,对泡沫比的变化敏感度较差。在含水量和泡沫比相同条件下,复合地层改良渣土坍落度要远小于泥质砂岩单一地层改良渣土,粉质粘土降低了渣土的流动性。本项目复合地层渣土改良最佳坍落度值取为12 cm,最优含水量范围为24%~26%,相应最佳泡沫比范围为20%~60%。

超前注浆技术在复合地层盾构下穿房屋群的应用

随着城市地铁发展进程不断深化,盾构区间隧道难免穿越密集房屋群。盾构掘进过程中会遇到各类地质情况,保证隧道施工及地面房屋群安全是盾构穿越不良地质研究的重难点。结合广州地铁18号线盾构区间上软下硬复合地层掘进施工实践,运用超前注浆技术对软弱不良地层进行加固,有效解决了盾构掘进过程中开挖面失稳超方、地面塌陷等问题,为类似不良地质盾构施工提供了经验借鉴。

采场覆岩中复合关键层的形成条件与判别方法

在采场覆岩运动中起主要控制作用的岩层为关键层,而有时关键层是由2层或2层以上岩层形成的复合岩层所组成,我们称其为复合关键层.本文在深入揭示复合岩层形成机理的基础上,给出了形成复合岩层的力学条件与数学表达式,进而建立了采场覆岩中复合关键层的判别方法,并编写了复合关键层的判别程序.实例分析表明,复合关键层在岩层运动中是客观存在的,比同组岩层分开后的单一岩层的控制作用的线性叠加要大得多.本项研究是岩层控制的关键层理论研究的深入和发展,将有力促进岩层控制理论和技术的发展.

采动覆岩中复合关键层的断裂跨距计算

基于采动覆岩中的关键层理论，深入分析了相邻坚硬岩层所产生的复合效应。

采动覆岩中关键层的破断规律研究

介绍了采动覆岩中关键层上的载荷和支承压力分布随覆岩分层的几何和力学特性变化的规律，具体分析了关键层内的极限应力与软弱夹层厚度及坚硬岩层厚度的关系，并由关键层断裂的先后次序，说明了主关键层和亚关键层的辩证关系，并且揭示了坚硬岩层与坚硬岩层之间的复合效应．

复合顶板离层分析与预应力锚杆支护参数确定

为了解决复合顶板端头锚固预应力锚杆支护中其技术参数确定问题,通过理论分析,给出了锚杆长度、间距、排距、预紧力四个关键支护技术参数的确定过程及相应计算公式,通过现场工业试验收到了满意效果。研究表明:直接顶范围内岩层分层之间发生离层必须同时满足载荷、跨度、挠度三个条件;锚杆组合作用下组合梁内的岩层组合属于关键分层之间的组合;锚杆技术参数确定应遵循变形协调一致的原则。该研究对回采巷道顶板锚杆支护设计具有一定的指导意义和参考价值。

煤系高岭石有机夹层作用的实验研究

本文利用ＸＲＤ和ＩＲ研究了丙烯酰胺和脂肪酸盐与煤系高岭石的夹层作用及稳定性。通过极性有机化合物作夹带剂，成功地合成了高岭石－丙烯酰胺、高岭石－脂肪酸盐有机复合体。夹层作用完成后，层面间距从７．１８Ａ分别扩大到１１．２２Ａ和１１．３２Ａ。有机化合物能在高岭石层间形成稳定的夹层主要与夹层分子和高岭石内表面羟基形成氢键有关。

深井高地应力复合岩层巷道围岩控制技术研究

针对深部矿井高地应力巷道围岩整体变形量大、持续时间长、局部破坏严重的围岩控制难题,以深井大倾角、复合岩层巷道掘进为工程背景,在进行系统地质力学测试、围岩变形破坏特征分析、支护形式选取与现场试验的基础上,对深井超高地应力巷道围岩控制技术进行研究。通过优化锚杆支护参数、合理选择护表形式与构件,实现了深部高地应力复合岩层巷道围岩的一次主动支护,有效控制了深部高地应力巷道围岩的长期持续变形,改变了深部岩巷"前掘后修、反复维修"的局面,取得了良好的现场应用效果。

永陇矿区松软富水顶板灾变机理与防控研究

针对黄陇侏罗纪煤田采场出水压架灾害频发的现状,以永陇矿区4个综放工作面为工程背景,围绕松软富水地层覆岩破断与顶板来压特征、离层水致灾机理及灾害预警防控开展了现场跟班实测与理论研究。研究结果表明:覆岩关键层运移破断与采场矿压及离层水害存在因果关系。由于破断步距大、控制岩层组厚度大,复合关键层破断导致采场大周期来压显现异常强烈;所控岩层组断裂下沉后在洛河组含水层底部产生离层空间。受到离层水压和含水层持续补给等双重作用,离层积水越层下泄引发采场出水。基于以上认识,在实践中探索并完善了离层水害防控对策,构建了以"大周期来压、支架阻力高位预警、水位降速、宏观矿压显现异常"为主的出水压架预警机制;建立了以危险区域划分、采放工艺优化及工作面日常管控为主的防控体系。研究成果已成功指导了多个工作面的顶板水害防控,对类似地层条件的矿井具有良好的示范效应。

松散承压含水层载荷传递机理的实验研究

利用专门设计的实验模拟装置,首次就松散承压含水层的载荷传递机理进行了实验研究.通过实验结果的对比分析,得出由于承压水的流动性和补给作用,松散承压含水层对载荷的传递起很大作用.有松散承压含水层时,上覆表土层的载荷通过松散承压含水层均匀地作用于下部基岩上,开挖过程中,基岩顶界面上的载荷基本保持恒定;无松散承压含水层时,基岩顶界面上的表土层载荷随煤层开挖而显著降低.结果表明,有松散承压含水层时两关键层复合破断,无松散承压含水层时,两关键层由下而上分步破断.

煤系高岭石有机夹层作用及在剥片中的应用

本文利用XRD和IR研究了DMSO．水合联胺及丙稀酰胶与高岭石的夹层作用及稳定性。有机化合物能在高岭石层间形成夹层，主要与夹层分子和高岭石内表面羟基形成氢键有关。剥片实验研究显示，具有不稳定结构的高岭石─有机化合物夹层复合体用于高岭石的功率超声剥片，可明显提高─2μm部分的产率。

复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究

孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,受开采和地质等因素的影响在开采过程中面临冲击地压、煤与瓦斯突出、自燃发火以及采空区突水等复合动力灾害。留设合理宽度的区段煤柱是确保工作面安全开采的关键,以陕西某矿特厚煤层孤岛工作面开采为工程案例,通过分析工作面覆岩空间结构,理论计算了工作面应力分布;采用应力动态监测等方法确定了该工作采空区侧向覆岩运动,并综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素,确定了该工作面区段煤柱的合理宽度为5~7 m。

深井倾斜岩层回采巷道复合支护技术研究

随着开采深度的不断增加 ,巷道的支护问题日趋严重 ,单一的支护形式难于控制巷道的稳定 ,必须采用各种复合支护方式来控制深井巷道的稳定。对于倾斜岩层 ,巷道的底板一般呈坡状鼓起 ,上帮底的底鼓量较大 ,下帮底的底鼓量较小。采用帮底锚杆并在巷道上帮底角孔底爆破卸压的复合支护 ,可以有效地控制巷道的底鼓 ,达到巷道围岩的稳定。

加锚异质岩层压剪脱黏破坏及锚固失效机理分析

针对异质岩层锚固失效,基于锚杆双线性强化本构模型,考虑黏结层拉压刚度劣化,构建了异质岩层-黏结层-锚杆锚固系统的三维精细化数值计算模型,分析了花岗岩-花岗岩、花岗岩-砂岩、砂岩-花岗岩、砂岩-砂岩4类不同岩性组合下锚杆应力传递规律以及锚固系统的变形破坏特征,揭示了不同岩性组合对加锚复合岩层剪切力学特性的影响规律。结果表明:压剪状态下穿层锚杆层理面局部区域为抗剪主体,层理面附近存在最大切应力;锚杆正应力的峰值与锚杆的穿层顺序有关;在同一边界条件下,锚杆限制同质硬岩的剪切移动效果最好;层理面附近锚固系统易发生脱黏破坏,黏结层刚度折减率大的位置总位于软岩部分。

基于复合含水层系统的工作面防治水技术研究

麦垛山煤矿130602工作面顶板赋存有2煤顶板含水层、2-4煤间含水层和4-6煤间含水层,为了确定130602工作面受到煤层顶板复合含水层威胁程度的大小和工作面的充水因素,从而有针对性地采取防治水措施,采用关键层理论分析、数值模拟和相似材料模拟3种方法预测130602工作面导水裂缝带发育高度,确定工作面在回采过程中的主要充水含水层,在此基础之上计算工作面涌水量以及制定相应的防治水措施。

宁夏固原硝口岩盐矿钻探施工技术

盐岩矿钻探遇到的较软的水敏性和水溶性地层时,普遍存在着孔壁膨胀缩径、坍塌掉块、地层溶解等现象,严重制约钻探施工效率的提高。从钻孔结构设计、钻进工艺技术调整、钻井液配制等方面着手,首先在设计时预留了Φ130 mm口径作为备用口径,在钻具使用时,将常规的Ф77 mm口径钻头外径增加到Ф81 mm,从而使钻孔环状间隙增大,改善了环空流态,大大降低工作泵压,为提高钻进效率、应对事故的发生创造了必要条件;同时在钻进过程中,根据不同孔段,采用了不同的钻进工艺参数;引进了多功能复合剂(MBM)配制饱和盐水钻井液钻进盐岩段地层,进行护壁防塌钻进,预防孔内事故。各项措施的采取,使ZK辅-1孔的钻月效率提高了214.79 m,取得良好的经济效益。