加卸载下含水率对含瓦斯煤岩损伤变形的影响分析

采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服控制渗流试验装置对不同含水状态煤样进行了加卸载下三轴变形与渗流特性的试验研究。研究结果表明:含水率越高,煤样的三轴强度越低,失去抵抗外部载荷所产生破坏的能力越快,且塑性变形增强,脆性破坏减弱,瓦斯流量增加越小;含水率的增加能够使得煤岩破坏时积聚的弹性能减少,并且释放速率更加缓慢,更多的消耗于塑性变形中,这有助于预防煤岩破坏时由于弹性能的突然释放而导致的大型煤与瓦斯突出事故的发生;基于Logistic方程和能量耗散理论,建立了煤岩损伤演化数学模型,通过对试验数据的拟合分析,两者吻合程度较高,能够为煤岩损伤破坏提供预测。研究结果对于具有煤与瓦斯突出危险性的煤层进行注水消突具有理论指导意义。     

粒状煤和块状煤等温吸附CH4试验研

为探究不同尺寸煤样吸附瓦斯特性的差异,以漳村矿3#煤为研究对象,利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展粒状煤和块状煤的等温吸附试验,测定不同吸附压力下的吸附量和变形量。试验结果表明:在相同的吸附平衡压力下,吸附量随煤样粒径的增大而减小;粒状煤吸附瓦斯的能力大于块状煤,原因是粒状煤的有效比表面比块状煤大,增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。块状煤的变形量随吸附平衡压力而增大,但增加量逐渐减小。经讨论分析可知:煤体吸附膨胀变形是煤基质吸附膨胀和气体压力压缩共同作用的结果;粒状煤测定的吸附常数应用到煤层数值模拟中会引起一定的误差。     

高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析

高水巷旁充填材料在煤矿沿空留巷工程中得到了广泛应用,水灰比对其力学性质关系密切。首先通过扫描电镜分析了高水材料的微细观形貌,其次通过 RMT-301伺服试验机对1.3~2.5∶1等6种水灰比的高水材料试样进行了单轴压缩试验,得到了各水灰比试样的全应力-应变曲线,分析了试样的变形特征、强度及破坏特征、能耗特征随水灰比变化的规律。结果表明,高水材料的微观结构为固、液、气构成的多孔海绵状结构;高水材料的变形特征与岩样相似,也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段,弹性模量、割线模量和峰值强度等随水灰比提高多呈指数函数关系下降;随着水灰比增大,试样由脆性破坏逐渐过渡到延性破坏;随着水灰比增大,试样吸收的总应变能与可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降,而耗散能变化幅度不大。     

多角度辨识压裂套管变形的失效影响因素

页岩气开发具有施工压力大、排量大、改造规模大的特点,使得压裂套管处于复杂力学环境中。挤压、剪切和弯曲等载荷共同作用,易引发套管挤毁变形,进而导致后续作业时井下工具下入遇阻。但目前研究多针对压裂套管的单一失效原因,难以保障其完整可靠性。鉴于此,针对页岩气大规模压裂作业特点,从不同薄弱位置（如垂直段、造斜段、水平段）、不同自身规格（如钢级、外径、壁厚）和不同约束条件（如内压、孔径、螺距）等多角度,系统辨识套管变形的失效影响因素。通过建立压裂套管三维模拟的有限元模型,分析套管内压变化引起套管应力、位移的变化规律及形态,明确套管变形的大小以及与载荷变化的关系,并揭示套管变形的位置及影响因素的临界值。结果表明:压裂套管的造斜段最大变形、水平段应力集中现象较为严重,属于危险脆弱点;且套管最大应力、最大位移随内压的增加而近似成线性降低关系。     

降雨作用下三峡库区秭归谭家湾滑坡监测预警研究

三峡库区秭归谭家湾滑坡是一座典型的具有“阶跃型”位移特征的降雨诱发型堆积层滑坡,它的变形破坏严重威胁着公路行车和周围居民的生命及财产安全。为研究谭家湾滑坡位移-降雨间的响应关系,首先利用皮尔逊相关分析法,探讨了谭家湾滑坡累计位移与累计降雨量之间的相关性,得到滑坡中前缘区域累计位移与累计降雨量的相关性最强,滑坡中后缘及左侧冲沟附近累计位移与累计降雨量的相关性次之;然后,定义了非相似度用于研究滑坡变形各个监测点与G11监测点位移序列间的相似性,从空间上将滑坡变形划分为3个主要变形区,并依据滑坡所处的变形状态,从时间上将2020年滑坡变形过程划分为3个变形时段;最后根据滑坡变形特征和各个变形区域的差异,确定降雨诱发型滑坡进入加速变形阶段的前期降雨量与当次降雨量阈值,得到了滑坡不同变形区域各个演化阶段的位移速率阈值,并结合现场巡查的滑坡宏观变形建立了基于滑坡位移-降雨响应的4级综合动态预警模型,再利用2021年谭家湾滑坡变形监测数据对该模型进行了验证。     

深基坑施工邻近建筑物风险评估研究

针对深基坑施工过程中邻近建筑物面临的安全问题，提出基于云模型理论的基坑邻近建筑物的安全风险感知模型。根据风险等级划分产生影响因素的基本云模型，结合监测数据的隶属度，实现定性概念与定量数值的转换，进而有效地融合地层条件、现场监测数据与专家判断信息。同时，基于工程经验与现场施工情况，建立由8个影响因子构成的邻近建筑物风险安全评价指标。应用云模型理论的基坑邻近建筑物的安全风险感知模型分析评估广州轨道交通十号线某深基坑附近的2栋邻近建筑物。评估结果显示，2栋建筑物均处于安全状态，与工程的实际情况一致。评估结果为深基坑施工邻近建筑物的安全提供了管理决策依据。     

基于应力与位移分析的地表沉陷区圈定

地表沉陷区是判定地表建(构)筑物稳定性的重要依据，一般认为沉陷区内地表的下沉值较大，不利于建(构)筑物稳定。充分采动时通常在垂直和平行矿体走向的主断面上，从采空区边界按照查手册确定的地表移动角向地表绘出矿体两侧的地表临界变形点，再连接这些临界变形点形成地表移动区。不充分采动或充填法采矿时还没有地表移动区的圈定方法，只能沿用充分采动的圈定方法，导致圈定的范围过大或评价结论不可靠。基于房柱式留矿法对地表滑坡影响的理论分析和数值模拟，得出不充分采动时绘制地表移动区的启示，并结合充填采矿的地压规律研究，探讨了充填采矿的地表移动区绘制方法。结果表明：充填采矿时应根据主断面开采的应力与位移分析确定地表沉陷区绘制的参考面及地表移动角；附近几乎受拉或地压与原岩应力区别很大的位移等值线与水平面所成的角应为地表移动角，否则，根据附近不受拉或处于原岩应力状态的位移等值线确定的移动角偏小，圈定的地表沉陷区过大；主断面内位移变化明显的平面应为参考面，如矿柱稠密或充填法采矿时最顶部采场的顶板。     

隧道开挖地层位移计算方法及工程应用∗

经验方法是计算隧道开挖引起地层位移的重要方法，尤其是当地层的非线性塑性变形显著时，经验方法可更为合理地描述地层的位移分布规律，但是可实现地层竖向位移和水平位移统一计算的方法尚未建立。基于隧道上方土体单元的运动特征，提出了隧道开挖引起的地层位移的经验计算模型，建立了地层水平位移和竖向位移之间的关系。通过分析 25 组现场工程数据，优化了隧道上方地层最大沉降 S_v，max（z）的公式，结合已有的沉降槽宽度系数 i（z）的公式，发展了 Peck‐Mair 公式，实现了隧道上方地层竖向位移场的合理计算。根据地层水平位移和竖向位移之间的关系，基于发展的 Peck‐Mair 公式，推导了地层水平位移的计算公式，实现了地层竖向位移和水平位移的统一计算。在地层水平位移计算公式中，变量 H（z）表示土体运动定向点位置随深度的变化规律，基于工程实测结果提出了一个对数函数实现了 H（z）的定量描述。利用伦敦 HEX 隧道工程中实测的 2 组地层位移数据，验证了所提地层位移计算方法的合理性。最后，将提出的地层位移计算方法应用在北京地铁 12 号线安‐安区间渡线段隧道开挖工程，实现了该工程中隧道开挖引起的地层位移场的反演。     

重复采动顺层岩质斜坡变形破坏动态演化规律研究

在顺层岩质斜坡下覆岩层中进行采煤活动极易诱发滑坡、崩塌等地质灾害，严重威胁人民群众的生命和财产安全。运用UDEC离散元数值模拟方法，研究了近距离煤层群重复开采对其上覆顺层岩质斜坡变形破坏的动态演化规律。结果表明：1)重复开采导致斜坡的滑移范围扩大，坡面附近的下沉位移明显增加，且超过采高，同时坡肩附近的水平位移加剧，超过单层开采时的2倍；2)采动斜坡裂缝具有明显的动态阶段性发育特征，单层采动时坡面中下部临时性裂缝发育过程为“积累—产生—扩展—缩小闭合”,坡面上部及坡顶未贯通至滑面的裂缝发育过程为“积累—产生—扩展—稳定”;3)在重复采动影响下，部分临时性裂缝和未贯通裂缝均开始活化，其发育过程为“活化—扩展—稳定”,最终转化为永久性裂缝，同时坡体内出现离层，横向裂缝显著增多，坡表产生更多细小开口的裂缝群；4)重复采动不仅会导致新裂缝的产生，也会加剧横向裂缝的产生和扩展，使得坡体更加破碎，稳定性逐步降低。研究成果为采动顺层岩质斜坡变形破坏机理研究奠定基础，为采动顺层岩质斜坡稳定性分析提供参考。     

上覆富水砂层地铁隧道掌子面变形特征数值试验研究∗

为研究地铁隧道在上覆富水砂层下的变形特征，以典型上覆富水砂层隧道—青岛地铁 2 号线啤—苗区间为工程研究背景，采用 FLAC 3D 数值模拟软件对不同富水砂层厚度与隔水层厚度工况下隧道掌子面位移、塑性区变化特征进行了研究分析。研究结果表明：隔水层厚度是影响掌子面是否发生涌水涌砂的主控因素，在开挖过程中应时刻注意富水砂层距离隧道顶板的安全距离，临界隔水层的厚度为 3 m。同时，当隔水层厚度越大、富水砂层厚度越小时，掌子面变形就会越小。以临界工况为研究对象，通过分析开挖过程中隧道拱顶—拱腰—掌子面应力和位移变形规律，引入了位移释放系数和应力释放率两参数来揭示围岩与掌子面在隧道开挖过程中的影响关系。通过进一步拟合掌子面失稳破坏预测方程，得到了掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前的重要结论，因此在实际隧道开挖过程中应将掌子面的变形作为首选敏感监测指标。研究结果可为该不良地质条件下隧道掌子面稳定性和预加固时机选择提供一定的理论指导。