煤岩水力压裂过程中钻孔应变发展特征的试验研究

为研究水力压裂过程中钻孔应变发展的特征,在不同应力条件下开展了钻孔水力压裂试验,测试分析了钻孔压裂段孔壁变形的规律.结果表明:在水压作用下,压裂段孔壁应变较为明显,存在拉伸和压缩2种类型,根据与水压的对应关系,2种应变曲线可分为4个发展阶段,即压裂管路排气阶段(应变小幅波动)、水压上升阶段(应变快速增加)、起裂延伸阶段(应变缓慢变化)和闭合阶段(应变急剧降低),其中压裂管路排气阶段对压缩应变的影响较小;拉伸应变的残余变形明显大于压缩变形,但压缩应变曲线与水压变化存在较好的一致性;孔壁应变是孔壁在水压作用下裂缝形成和扩展过程的表现.     

断层带和底板注浆模拟及其防水分析

考虑回采过程断层与工作面底板沟通裂隙对工作面采场底板突水的影响,对矿井9603工作面底板及断层采取注浆防水措施.为了准确分析注浆技术的效果,运用弹塑性本构模型、Drucker-Prager准则和ANSYS数值软件,分析了9603工作面在注浆前后不同推进距离下沿工作面走向的应变区域分布.结果表明,岩层应变总体规律为随工作面推进应变范围逐渐扩大,断层与底板之间裂隙沟通程度加强,且分布于开挖煤层两侧及断层带.注浆前,底板斜交及垂直裂隙与断层先存裂隙初步沟通发生于工作面推进80 m的位置,完全沟通发生在工作面推进100 m的位置;注浆后,由于岩层在凝固浆液的影响下,弹性模量大大降低,抗张拉强度得到加强,底板斜交及垂直裂隙与断层先存裂隙的初步沟通和完全沟通分别延至工作面推进120 m的位置和150m的位置.     

定位注浆顶板的稳定性数值模拟

帷幕注浆技术能实现岩溶水矿山的安全开采,而注浆(即隔障带)厚度一般是利用经验公式计算所得,存在较大的误差。本文应用流固耦合理论,对矿体开采条件下顶板注浆隔障带的稳定性问题进行了分析。采用数值模拟的方法,定量地模拟了矿房开挖过程中围岩(即隔障带)应力场的分布、破坏场的发展及位移场的变化规律。模拟表明由于顶板发生破坏,经验公式计算的隔障带不能满足隔水的要求,应增大隔障带厚度保证安全开采。根据采动影响范围为大水矿床顶板注浆及矿房参数设计提供依据,对防治岩熔水矿山突水有一定的指导意义。     

大断面巷道中空预应力注浆锚杆的支护效果研究

针对金川矿区大断面巷道在强构造应力作用下围岩变形严重的情况,提出了中空预应力注浆锚杆的支护工艺。通过数值计算得出以下结论:相比传统的普通砂浆锚杆支护工艺,采用中空预应力注浆锚杆支护工艺能够主动加固围岩,提高支护刚度;巷道两帮的变形减小了约14.56%,最大、最小主应力分别降低了4.4%和7.2%,粘结层破坏范围也随之减小。通过对支护后巷道变形监测发现:两帮最终变形量减小了约36.6%;通过抗拔实验,中空预应力注浆锚杆的抗拔力达到140kN,远大于普通砂浆锚杆的40kN抗拔力,中空预应力注浆锚杆有更好的支护效果。     

基于流固耦合理论下不同开挖方式的位移影响分析——以阿嘎下隧道为例

针对富水区阿嘎下隧道穿越断裂活动带的工程地质和施工特点,采用有限元midas GTS NX,建立基于不同开挖方式下的阿嘎下隧道模型。对比考虑流固耦合作用下的围岩位移,研究表明:对于3种开挖方式,当开挖间距不变时,随着注浆圈从0.1d增至0.5d(d为隧道净宽),地表沉降量减小;当注浆圈不变时,随着开挖间距从1d增至5d,地表沉降量减小。考虑渗流作用对围岩地表沉降的影响,建议类似阿嘎下隧道工程采用环形开挖预留核心土法,开挖间距为3d、注浆圈为0.3d较合适;对比不同开挖方式下0.3d注浆圈和3d~4d开挖间距导致的沉降量,结果表明CRD开挖法引起的地表沉降量最小,环形开挖预留核心土法沉降量最大。     

复杂地层旁通道冻结施工过程的模拟与实测分析

采用FLAC3D模拟分析了在复杂地质条件下,采用冻结法修建上海地铁旁通道时,土体的冻胀和融沉的现象。将模拟得到的地表位移与现场实测值进行了对比,结果表明:(1)积极冻胀阶段:地表竖向位移主要发生在旁通道的正上方,随着向两边的延伸,距离隧道中心的距离越大,垂直冻胀量越小。(2)维持冻结阶段:测点因为开挖过程中的继续冻胀位移值随开挖步距先略有增加而后随着开挖量的增加沉降量随之逐步的增大,最终地表发生了明显的变形。(3)融沉阶段:施作完衬砌结构以后进行60天自然解冻过程中,实测位移和计算位移较为一致,研究表明建立的数值分析模型合理、结果可靠。     

基于能量理论的冲击地压细观过程研究

为了解冲击地压细观发生过程,从而分析冲击地压不同阶段特点,从能量消耗角度对该过程进行了研究。认为冲击地压是岩体系统由于外界扰动引起的能量释放过程,总释放能量理论上等于岩体形成期间残余弹性势能。由于该弹性势能和岩体形成后裂隙发育的不同,导致岩体受开采扰动后经历的能量释放形式有所不同。大体上能量释放形式可分弹性变形、可产生裂隙的大变形、岩体破碎飞石、广义变形集中区岩体失稳和伴随裂隙产生的机械振动5种。过程可分三部分:初期变形和裂隙、中期飞石-变形-破碎-飞石的循环破坏过程(岩爆)、末期广义应变失稳破坏。使用颗粒流理论的PFC3D对上述过程进行了模拟,结果表明:-120 m、-220 m、-320 m时开采面岩体只发生变形和裂隙;-420 m、-520 m、-620 m岩体先经历变形和裂隙,然后发生岩爆;-720 m和-820 m岩体经历变形和裂隙、岩爆和广义应变区失稳坍塌。     

高流态封孔注浆材料力学性能及水化机制

为提高深部矿井煤层气抽采效率,针对目前常见的封孔注浆材料存在的高分子封孔材料价格昂贵易燃、普通水泥材料渗透性差、粉煤灰等膏体材料强度不足等问题,采用超细水泥为基料研发一种高流态封孔注浆材料。通过对高流态封孔注浆材料开展力学性能试验研究、结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等一系列试验的结果,揭示新型高流态封孔注浆材料水化机制。结果表明：高流态封孔注浆材料在水化初期就生成大量的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)晶体;随着水化反应的持续,水化产物的凝胶粒子充填材料中的孔隙。与普通水泥封孔注浆材料相比,材料的水化反应更迅速、更充分、整体结构致密,比普通水泥封孔注浆材料抗压强度提高3.68%,更有利于保持瓦斯抽采钻孔的稳定性,提高瓦斯抽采效率。     

地面爆炸载荷下埋地管道动力响应分析

为研究地面爆炸载荷作用下埋地管道的动力响应问题,建立了爆炸载荷下的埋地管道数值计算模型,对地面爆炸后埋地管道的应力、变形过程进行了仿真,并研究了炸药量、管道壁厚和管顶覆土厚度对管道应力应变的影响规律。结果表明:地面爆炸发生后,管道应力和变形在短时间内迅速增大,较短作用时间后开始稳定,随后主要往轴向扩展,高应力区和塑性应变区出现在管道上半部分,管道回弹前高应力区局部出现应力衰减;越靠近迎爆点,管道应力波动越大;炸药量越大、管顶覆土厚度越小,埋地管道截面的应力波动越大;炸药量越大、管道壁厚和管顶覆土厚度越小,埋地管道变形越大。     

循环载荷下煤裂隙演化试验研究

为了研究循环载荷下的煤体裂隙演化特征,在不同应力水平和不同频率条件下分别进行煤样破坏力学及声发射试验。结果表明:应力-应变曲线呈疏-密-疏的变化特征,对应的振铃数柱状图呈U型;上限应力点的应变值、累积能量、撞击计数均随循环次数增加而上升,曲线呈倒S型;煤裂隙演化经历了原始裂隙闭合、新生裂隙稳定发育和裂纹贯穿破坏等3个不同阶段;循环载荷的应力水平和加载频率对煤体疲劳寿命的影响具有差异性,对煤体裂隙演化和破坏模式均有明显影响。     

超细水泥浆液在微裂隙岩体中的注浆试验研究

矿井井筒开拓安全通过巨厚洛河组砂岩含水层是一个普遍的难题,普通水泥注浆法无法形成有效的止水帷幕。为了给地面预注浆或帷幕注浆法过洛河组砂岩含水层提供依据,通过改变注浆材料,开展了超细水泥浆液在洛河组砂岩中的注浆试验研究。通过试验研究,较好地掌握了超细水泥对洛河组砂岩注浆性能,获得了相关的注浆经验。结果表明,超细水泥浆液无法对洛河组砂岩实现可注,并从微观结构上分析了不可注的原因。研究成果对类似地层的注浆改造和井巷工程的安全施工具有一定的借鉴与指导意义,避免了注浆经验导致工程实践的失败与资源浪费。     

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。     

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。     

弱胶结软岩巷道高分子改性树脂注浆加固技术研究*

为解决弱胶结软岩胶结性差、力学强度低、遇水易软化带来的巷道围岩变形量大的问题,以王洼二矿为例,结合试验巷道围岩条件和注浆加固支护技术特点,提出高分子改性树脂注浆加固方案;并采用室内注浆加固体力学性能试验验证方案的可行性。结果表明:现场围岩单轴抗压强度平均值22.74 MPa、抗拉强度平均值0.674 MPa,高分子改性树脂注浆材料对围岩加固体单轴抗压强度影响不大,但加固体抗拉强度平均值3.07 MPa,相比原岩抗拉强度提高355.5%;现场试验顶板、两帮围岩变形量由之前的大变形逐渐控制在100 mm以内,注浆后30 d基本趋于稳定。研究结果对软岩巷道支护设计和施工具有一定的实际指导意义。     

小净距偏压隧道在特殊素填土施工顺序研究

在较特殊素填土中,为能更好地确定在相同的施工方法下,不同的施工顺序对改善隧道围岩变形和衬砌内力的影响,文章重点以重庆曾家岩浅埋暗挖隧道为依托,运用二维数值模拟分析,研究在特殊回填土下,隧道不同施工顺序引起的围岩变形、衬砌内力变化、塑性区分布规律。从数值模拟结果可以看出,不同施工顺序下,围岩变形、衬砌内力、塑性区分布存在一些不同,对于重庆曾家岩偏压隧道,采用先较浅埋一侧开挖方法对总体围岩扰动较小、能较好改善隧道偏压,并使衬砌受力安全稳定。     

铁路隧道衬砌裂缝整治及衬砌补强加固设计研究

通过对某铁路隧道衬砌裂缝的现场调查和研究,把衬砌质量缺陷按照裂缝宽度和长度的不同分为AA、A1、B和C四个等级,并采取不同的加固措施。重点对W钢带补强和骑缝锚杆注浆两种整治措施进行了研究,采用ABAQUS软件对整治前后衬砌的进行数值计算,得到整治前后衬砌的内力,最后计算得出整治前后衬砌的安全系数。结果表明:缺陷整治后衬砌缺陷范围内衬砌的刚度提高,并有效地提高了衬砌的安全系数,达到了整治的预期效果。该研究为隧道衬砌裂缝病害的分类提供了借鉴,同时也为隧道衬砌裂缝病害的整治与加固提供了新的方法和思路。     

残采区多形态废巷注浆综合治理技术

针对海天煤业井田范围内存在大量废巷问题,通过现场调研、钻孔窥视、理论分析等方法研究了废巷的存在形式,依据废巷的特点将其归纳为完整型与冒落型两种形式。基于此研究了治理方案,提出针对完整型废巷的地面建站注浆充填工艺与针对冒落型废巷的井下移动式注浆加固工艺,并分别提出与之相适应的注浆材料,即粉煤灰基材料与新型双液材料。工程实践表明:地面建站充填工艺治理完整型废巷效果较好,系统制浆能力可达60 m3/h,并能够实现自动化控制。井下移动式治理工艺对于冒落型废巷具有较强的适应性,可以解决冒落区的成孔难与漏浆问题。通过对以上两种类型废巷注浆治理后,工作面推进均较为顺利,没有出现影响工作面正常生产的顶板、瓦斯问题。     

超深竖井掘进岩爆特征及防治措施

由于会泽矿3#超深竖井（施工深度达1 526 m）的工程地质条件,在竖井开挖到一定深度后有不同程度的岩爆现象显现,其中两次比较严重的岩爆发生的位置埋深较深,井筒深度达到1 400 m以上。为此建立了井壁地应力监测系统,对岩爆的发生进行预测。根据井壁周边不同深度布置的4个点处的应力变化曲线分析,总结了地应力分布规律,4#位置（东偏南70°）井壁受测压力最大,最大水平主应力可以达到120 MPa以上,其方位与最大主应力方向相符。结合3#竖井工程岩爆现象的分析,以及岩爆发生的特征,给出了预防岩爆所采取的工程措施,为此类工程施工制定岩爆防治措施提供了科学依据。     

多功能矿井风流调控设施的研究与应用

为了解决因行人、运输较频繁或易受爆破冲击波影响等而导致传统风流调控设施使用受制约的难题,通过分别对单、多机阻隔、增阻、引射型矿用空气幕模型进行理论推导与分析,提出应用多功能的空气幕来替代传统风流调控设施。针对某矿山通风系统存在的风流短路、有效风量率低、冬季井筒结冰等问题,拟采用多功能空气幕来建立柔性风门、风窗,并应用矿井通风系统优化软件中风机选型功能,将初步选定的空气幕经数字化处理后,优选出使用效果最佳空气幕型号、布置方式、安装位置,从而有效、可靠的对井下风流进行调控。应用结果表明:井筒结冰与风流短路等现象得到了有效、稳定的控制,通风效果得到了明显的提高,为可持续化安全生产提供了保障。