基于Mogi-Coulomb强度准则的井壁稳定性力学分析新方法*

传统井壁坍塌失稳分析模型是基于M-C破坏准则而建立的，该方法忽略了中间主应力对岩石强度的影响，常使得预测的钻井液密度过于保守。为此，引入考虑中间主应力的Mg-C破坏准则建立任意井眼的井壁稳定性评价新模型，通过数值模拟法分析了不同地应力状态下的井斜角和方位角对井壁稳定性的影响。研究结果表明: Mg-C准则克服了M-C准则忽略中间主应力低估岩石强度的影响，其计算结果略低于M-C准则的计算结果，有助于提高钻速，降低钻井成本；正断层地应力状态时，沿最小水平主应力方向钻进时，井壁稳定性最好；走滑断层地应力状态时，沿最大与最小水平主应力之间的某一临界角钻进时井壁最稳定；逆断层地应力状态时，沿最大水平主应力方向钻进时井壁最稳定；该模型有助于指导现场钻井井眼轨迹的优化设计及安全施工。     

空心包体在郓城煤矿中地应力测试的应用

简述了空心包体地应力测试方法测试原理和计算方法,在山东郓城煤矿一采区轨道下山和辅助石门等4个位置进行了地应力实测。测试位置埋深-815～-845 m。测试结果表明,最大主应力为水平地应力,方向为NE81.65°～97.68°,水平应力与竖直应力比为1.32～1.37,最大水平应力达到30.28～38.21 MPa,表明郓城煤矿一采区处于高应力地区。采区巷道布置应沿着NE方向水平布置,能够有效地回避水平构造应力的影响。在巷道支护设计中应主要考虑水平应力。通过地应力实测,为郓城煤矿提供了一采区地应力分布规律,为一采区巷道布置和巷道支护设计提供了基础地质资料。     

阜新盆地地形对地应力场的影响研究

为了探讨隆起地形对阜新盆地内地应力场的影响,利用半无限平面边界上受分布荷载作用的弹性力学模型计算了阜新盆地两侧的闾山山脉和松岭山脉对盆地内地应力场的影响。结果表明,隆起地形导致阜新盆地内部水平应力增加,在地表至-100 m深度,地形引起的水平应力随深度增加而急剧减小,在近地表处达到了2.81 MPa,在-100 m深度约为1.73 MPa;在-100~-300 m,水平应力随深度增加变化不大,总体维持在1.65~1.73 MPa;随着深度的进一步增加,水平应力又有逐步减小的趋势,在-300~-800 m,水平应力逐步从1.65 MPa逐步减小至1.43 MPa。隆起地形的水平应力效应使盆地内部最大主应力增加,最大主应力与最小主应力之差更为显著,从而造成煤岩体受强烈的构造应力和差异应力作用,增强了煤岩动力灾害的地质动力环境。     

喀喇昆仑公路深埋隧道岩爆特征及影响因素分析

为研究板块碰撞区高地应力条件下隧道开挖过程岩爆的致灾特征,确保施工安全,以喀喇昆仑公路2号隧道为工程依托,通过对隧道施工期间1 110次岩爆记录深入研究,分析总结出岩爆的运动类型、发生位置、坑口性状、岩体散落等方面的基本特征,以及岩爆次数与埋深、开挖暴露时间、掌子面距离关系等岩爆特征规律.根据岩爆特征,并结合室内岩体物理力学性质试验成果和区域地质环境条件,综合分析认为2号隧道岩爆的发生是受区域挤压构造应力场、片麻岩脆性指数高、最大水平主应力方向与隧道轴线大角度相交、高山峡谷谷底应力集中、岩爆段干燥无水、隧道断面形状及开挖方式等因素影响,其中区域挤压构造应力场对岩爆的发生起控制作用.并在此基础上,提出了对围岩实施喷水软化、调整爆破参数、在掌子面钻超前卸压孔等有效的岩爆预防措施,在一定程度上降低了岩爆的发生概率.研究结论为今后在高地应力环境下建设地下工程避险岩爆灾害提供了一些认识和理解.     

基于粗糙集和加权灰色关联分析的岩爆预测

本文选取影响岩爆发生的五项指标作为岩爆预测的关键影响因素:最大主应力、单轴抗压强度、岩石点荷载强度、岩体完整性系数和弹性变形指数。通过采用粗糙集理论确定岩爆预测影响因素的权重,利用加权灰色关联分析对某工程的岩爆发生情况进行了预测。预测的结果与现场实际状况相吻合,说明运用该方法预测岩爆是合理的。     

平顶山东部矿区地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

为了研究平顶山东部矿区地应力场特征,以及地应力对煤与瓦斯突出的影响,利用地应力实测资料,运用理论分析和数理统计计算相结合的方法,系统研究了东部矿区地应力的分布规律;并且进行了地应力区块划分,揭示了东部矿区地应力在突出中的作用。结果表明:1)东部矿区地应力场以水平构造应力为主,最大主应力方向为NEE-SWW向,最大水平主应力百米梯度为5.4 MPa左右,该区域内集聚了较高的水平构造应力,应力场类型为大地动力场;2)依据最大水平主应力随埋深增加而增大的应力梯度线,将东部矿区划分为应力升高区和应力梯度区;3)应力升高区由于地应力集中,提供了突出的动力,构造煤的发育则减少了突出阻力,造成了该区域频繁发生突出事故,突出的主导因素为地应力。     

硬岩竖井爆破损伤区探测及衬砌荷载*

为研究硬岩竖井受爆破开挖扰动的影响,依托米仓山公路隧道竖井工程,采用RSM-RCT（B）测试系统探测竖井爆破损伤区范围为1.1~1.4 m,并利用残余地质强度指标标定损伤区力学参数,将其纳入收敛约束法和数值分析中,以评估损伤区对竖井围岩及衬砌荷载的影响。研究结果表明,在硬岩竖井中开挖爆破是造成岩体损伤区的关键因素,地应力方向和大小对硬岩损伤区分布基本无影响。分析结果表明,爆破损伤区导致围岩变形增大,从而使得衬砌荷载增加,最大剪应力出现在损伤区与未破坏岩体之间的交界处,大小为16 MPa,同时靠近该位置的衬砌荷载也会变大,较深竖井可采用分区段支护,降低投资成本。研究结果可为硬岩竖井开挖荷载计算及设计优化提供一定参考。     

同忻井田地应力测量与回采巷道稳定性研究

为保证同忻煤矿安全、高效开采,采用应力解除法对大同矿区同忻井田3-5#煤层的地应力场进行了测量,结合理论分析、数值模拟与现场监测,分析了在该类型应力场中不同巷道布置方向与巷道围岩稳定性之间的关系。测得同忻井田最大主应力为20.42 MPa,方位角为245.18°,确定了同忻井田地应力场属于σHv型。理论计算和数值模拟的结果表明,有利于回采巷道稳定性的布置方向为与最大水平主应力方向成30°,并采用巷道顶板离层监测仪对其进行了验证。     

岩爆危险性预测的神经网络模型及应用研究

岩爆是高地应力区岩质隧道开挖施工过程中发生的主要施工地质灾害之一 ,它的发生对隧道施工企业的安全生产构成很大的威胁 ,对岩爆发生可能性及其程度的预测是这类隧道设计、施工及安全生产所面临的重大问题。依据隧道岩爆发生的条件 ,基于国内外隧道工程岩爆实例 ,应用人工神经网络方法 ,建立了岩爆危险性预测的评价模型并应用于实践。     

MATLAB在复杂地质区域地应力反演中的应用

地应力场反演工作是深部矿井安全有序、高效生产的重要基础工作之一。为了提升复杂地质区域地应力场的建模和反演速度,利用MATLAB特性将其"胶水式"地应用于地应力场反演过程,减少手动干预的影响,主要开展了以下工作:(1)利用MATLAB编制了模型搜索程序,快速找寻到与工程现场实测测点对应的数值模型中ZONE单元编号及位置;(2)根据主应力、正-剪应力的相互关系,编写了基于MATLAB的二者转换模块,实现了由主应力向正-剪应力的快速变换;(3)利用MATLAB中的regress模块,建立了地应力反演的多元线性回归模型,求解得到的判定系数达到88.26%(1为最大),从而实现了对初始地应力场的重构,为矿井后期的开采设计、安全分析提供依据。结果表明,MATLAB的应用使整个反演与重构过程实现了无缝衔接,大大减少了人工工作量,杜绝了大量数据人工处理带来的误差,提高了工作效率。     

深井厚煤层大巷孤立煤体冲击危险性评价研究*

为了探究大采深条件下厚煤层大巷孤立煤体频繁发生冲击地压的原因,以梁宝寺煤矿35000采区为工程背景,采取现场实践、数值模拟等方法分析不同采深、煤厚、大巷间距等因素对大巷孤立煤体冲击地压的影响,提出深井厚煤层大巷孤立煤体冲击地压的危险性评价方法。研究结果表明:大巷孤立煤体的采深与垂直应力峰值呈正相关,采深1 200 m时煤体的垂直应力峰值是采深500 m时的3倍左右;大巷孤立煤体随着煤层厚度的增加,其应力集中程度不断升高,且应力峰值向煤体弹性承载区转移;大巷间距越小,孤立煤体弹性承载区应力越集中,发生冲击地压可能性越高;包含开采影响因素和煤层冲击倾向性的大巷孤立煤体冲击危险性评价方法符合现场实际情况,可为大巷孤立煤体冲击危险性评价提供1种思路。     

采动影响下断层滑移失稳研究

为研究采动影响下活动断层的滑移情况,以抚顺矿区老虎台矿为背景,建立了采动条件下覆岩运动的突变力学模型,确定了断层发生滑动的必要条件;运用UDEC数值模拟软件对工作面开采条件下断层活动进行分析,现场工业性试验对断层活动进行监测和验证。结果表明,断层失稳的必要条件为刚度值k≤1,刚度比随着开采深度的增加而逐渐降低;当弹性段采出厚度大于85 m时,F25断层具备了发生滑动的必要条件,易发生冲击地压。83003工作面开采后,F25断层下盘位移基本不变,上盘位移活动幅度较大,最大位移达到了5~7m;锚索测力计的应力变化与断层活动具有较大的相关性,当锚索测力计数值突变时,表明断层已经活动,锚索测力计数值突变越大,预示冲击地压和矿震能量越大。     

大跨度偏压隧道受火损伤分析

为探明火灾对大跨度偏压隧道造成的不利影响，依托贵州省某公路隧道工程，基于ANSYS有限元软件分析不同埋深及偏压条件下大跨度隧道结构的最大损伤和相对温度损伤变化规律，并对其温度场分布和应力分布规律进行总结。结果表明:衬砌高温损伤约60 mm，温度影响深度约300 mm，内部温升过程逐渐由曲线变化转变为直线变化；最大损伤深度随偏压角度增加近似呈指数增长变化，而相对温度损伤略有减小，当偏压角度较大时，火灾将成为隧道破坏的诱导因素而非直接因素；最大损伤深度与偏压隧道埋深近似呈抛物线变化，火灾对偏压隧道影响显著，必须采取有效预防措施；随着受火时间的增加，临火侧衬砌混凝土在热膨胀及围岩约束作用下，压应力快速增加，存在较大的压溃风险。     

南李庄铁矿富含水段施工技术研究

大水基建矿山的井筒掘砌是一项艰巨的工程,尤其富含水且岩层松软破碎段更给施工带来了很多危险和不确定因素。怎样保证工程顺利进行,成为基建矿山面临的一个主要问题。国控矿业南李庄铁矿下掘至岩层破碎富含水段时,采用长探长注及超前小导管注浆的施工技术顺利通过此段。此施工技术确定了探注孔数及其布置,探注深度和下掘深度,注浆参数的控制,注浆过程控制,超前小导管施工的各项参数,小导管的加固方法等。通过长探长注及小导管的施工保证了下掘工作的顺利进行。     

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。     

海基硬岩矿床的安全开采技术研究

给出海基硬岩矿床开采的概念,分析海基硬岩矿床开采与一般陆地矿床开采的不同之处;综述世界范围内海基硬岩矿床开采所使用的开拓方法与采矿方法,通过对海基矿床上覆岩层的完整性掌握、矿床埋深、防水岩柱厚度的分析研究了海基硬岩矿床开采的可行性。结合我国三山岛海底金矿的开采经验,研究开采过程中的工程灾害及灾害的产生机理;提出要通过加强海底矿床上覆岩层的地质勘察、合理留设防水岩柱、加强岩层移动监控、渗水点的定时监测、作好充填接顶等措施来防止海水溃井,同时也对井内防治水害、长距离矿井通风等问题给出了治理措施。     

立井揭煤前测定煤层瓦斯压力的方法与实践

为了解决复杂环境下立井揭煤前煤层瓦斯压力的可靠测定,基于揭煤井筒瓦斯地质特征、煤岩体物理力学性质,应用COMSOL软件模拟揭煤工作面在接近目标煤层时,井筒周围煤岩的地应力分布特征,直观展现了目标煤层中的应力分布结果。模拟结果表明,立井工作面距煤层的垂直距离为7 m时,煤层中会形成一个近似于环形的卸压圈,卸压半径为16 m,因此煤层瓦斯压力测试孔的终孔位置应布置在井筒中心线16 m以外的原始地应力区,以保证测压点瓦斯压力不受揭煤井筒卸压区的影响,令测压结果准确可靠,从而更好地预测煤与瓦斯突出区域的危险性。同时,结合立井揭煤工作面的水文地质特征和井筒严重淋水情况,自主研发并应用了瓦斯测压孔"两堵一注"封孔材料及特定的封孔工艺,进一步保障了封孔质量和瓦斯压力测试结果的可靠性。最后,依据测压结束时测压管内的实际水压情况,对测压结果进行修正,并依据实测瓦斯含量,采用间接法对所测得的瓦斯压力进行验证,实测值在反算得到的瓦斯压力值域内,表明此方法有效可行。     

基于微地震监测的华丰煤矿深孔爆破防冲技术

为提高深孔爆破措施对防治华丰煤矿冲击地压的有效性,采用微地震监测技术连续监测其1410工作面围岩破裂情况。根据采场附近岩层"破裂-应力"对应关系,得到工作面前方、侧向及垂直方向上的支承压力峰值区,由此确定深孔爆破卸压的具体参数。结果表明:卸压孔深40 m(倾向投影为4倍采高)时,爆破对煤岩的整体性破坏明显,煤岩体中积聚的弹性能得到释放。监测期间共释放能量9.47 MJ,高应力区向煤岩深部转移,采场附近形成一定的卸载区域,减弱或消除了煤岩体的冲击危险性。     

基于防冲的孤岛工作面分类及应用研究

针对目前煤矿孤岛工作面冲击地压类型复杂且治理缺乏针对性的问题，提出了“分类防治”的思路，围绕导致孤岛工作面冲击的高应力这一本质原因，并综合考虑覆岩运动、地质构造、开采、空间等因素，基于防冲对孤岛工作面进行分类；将孤岛工作面分为充分采动、非充分采动、充分-非充分采动、立体、“隐性”和复合型6种类型；将该分类方法应用于孤岛工作面采前冲击危险性评估，并根据评估结果对孤岛工作面冲击地压实施分类防治。研究结果表明:该分类方法可有效控制孤岛工作面冲击地压灾害。