穿435 m落差断层大巷的地质保障及施工控制技术

 以穿过435 m落差、140 m宽度断层带的主运输大巷的安全开掘为工程背景,研究特大断层区巷道施工地质保障及围岩控制技术。在断层岩性组成、断层岩芯剪切滑动面擦痕特征、断层导水特性及现代活动性等研究的基础上,结合区域地质分析判定穿该断层区域巷道施工不会遭受到断层突水威胁,施工的关键在于巷道顶板安全控制,针对性地提出化学浆液预注浆控制迎头空顶区岩体垮冒技术。如何防止超大范围断层破碎带内松散泥质岩体渗水泥化则是成巷后的最大技术问题;高强预应力锚杆支护和滞后强化注浆技术相结合可有效防止泥化,实现巷道长期维护。针对顶板状况设计两种技术方案,采取分步实施的动态施工工艺,在围岩顶板空顶自稳时间很短时,采取超前预注浆和喷层、架棚、注浆、锚杆组合技术方案;在围岩空顶自稳期间允许施工锚杆时,采用锚杆、注浆和关键部位锚索加固方案,保证了巷道的施工安全和长期稳定。     

断层破碎带在渗流作用下应力特征及控制

采用瞬变电磁仪对回风巷穿越断层破碎带的现场水文情况进行探测,获取区域地下水在巷道两帮集聚导致低阻异常区存在的水文特征。建立了回风巷赋水断层三维流固耦合力学模型,模拟分析了断层破碎带在动压及渗流作用下的应力分布及变形特征。研究结果表明:孔隙水压力集中区和巷道两帮压应力集中区具有一致性,随着与断层距离的减小,双场集中区中区由两帮向顶角处转移;回风巷围岩变形失稳概括为3个阶段:即,两帮压密顶底板产生张拉裂隙阶段;地下水向巷道渗透及围岩软化阶段;围岩变形持续增大阶段。为控制回风巷进一步变形,提出了对两帮及底板进行注浆加固的方案。     

断层破碎带大断面巷道的安全监控与稳定性分析

断层破碎带岩性复杂,巷道压力显现规律多变。对巷道过断层破碎带的监控量测能够及时掌握断层破碎带围岩的变形与支护结构受力信息,评价各种支护所取得的效果及判断施工方案的合理性。淮南矿区顾北煤矿南翼回风大巷穿越断层破碎带,区域地质条件复杂,受构造运动影响,围岩内赋存高水平地应力,巷道处于深部大规模松软围岩内。为研究施工期和运行期巷道围岩的稳定性演化规律,对围岩表面位移、深部位移、锚杆和锚索锚固力及支架压力的变化和分布规律进行监控量测。监测结果显示:(1)由于受F92大断层的水平剪切和挤压作用,与顶拱和两肩相比,巷道两帮的水平位移较大,而锚杆受力较小,锚固作用得不到有效发挥,因此,在F92大断层附近增大了锚索和注浆的支护强度;(2)围岩表面位移和深部位移的监测结果均呈现"底臌变形大于两帮收敛大于拱顶下沉"的分布规律,显示出底板是巷道支护的薄弱环节,因而提出应用底角注浆锚管和帮脚锚杆抵抗底角应力集中区的剪切滑移,底板锚索和底板注浆增强加固底板,提高底板岩体抗剪强度的支护修改方案,底臌量得到有效控制;(3)U型钢支架压力的监测结果显示,围岩作用于U型钢支架上的压力仅为0～0.24MPa,远小于0.4MPa的支架设计承载能力,说明巷道稳定主要是依靠锚注支护来维护,而U型钢支架的作用主要是巷道施工过程中工作面的安全防护。通过对监测结果的分析,为巷道的信息化施工和设计方案的优化调整提供依据。其监测分析成果也可为类似复杂条件下巷道的开挖支护设计和施工提供参考。     

南十一采区巷道组过刘仙庄断层地应力分析及施工综合方法应用研究

本文以深井巷道组过特大型断层(落差大于100 m)破碎带为工程背景,分析了断层破碎带中巷道组围岩的力学特征以及相互影响;结合断层破碎带围岩的实际情况,建立了"早预报、超前探测、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤观测"的断层带施工技术和综合保障体系,形成超前物探、超前加固、微震开挖、分步动态支护等综合配套技术,保证了巷道的施工安全。     

禾二矿浅埋破碎顶板切顶成巷试验研究

针对浅埋薄煤层沿空留巷在工作面回采后垮落带内顶板不易垮落、沿空巷道动压显现剧烈的关键问题,通过关键理论分析、数值模拟、现场工程地质条件分析等手段,对浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件下的切顶成巷技术开展研究,并在该条件下的禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽进行现场应用。通过数值模拟,对比分析了切顶不充分和切顶充分时沿空巷道围岩应力分布及巷道围岩位移,结果表明:切顶充分时,采空区顶板对沿空巷道顶板动压影响大大减弱,巷道围岩变形较小,能够保证留巷效果。根据禾草沟二号煤矿浅埋、破碎顶板开采顶板运动模式和矿压显现特征,确定了切缝角度和恒阻锚索支护等关键参数,为浅埋、破碎顶板切顶卸压自动成巷的成功应用奠定基础,提出了切顶卸压自动成巷的预裂爆破参数设计、自动成巷支护技术;通过对禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽留巷的工程地质条件分析,运用切顶成巷技术原理进行了留巷设计,并应用到现场,取得较好的应用效果。     

浅埋特大采空区探测、稳定性分析及处置的实例研究

在现场勘查和空区三维激光扫描探测的基础上,采用FLAC3D数值模拟技术对首云矿埋深浅、顶板薄弱特大空区的稳定性进行模拟计算和分析。研究表明：采空区顶板两角隅处达到极限压碎破坏状态,并逐步延深扩大成拱;顶板中央拉应力分布明显,但不会造成拉伸破坏;周边围岩位移较大,但整体稳定。若在空区顶板合适位置形成一定尺寸的窗口,其顶板F53断层附近的围岩将达到极限剪切破坏状态;采用向空区顶板穿凿逐层抬高的扇形深孔(13层共132个深孔)毫秒微差爆破技术形成泄压天窗,使空区从南向北部逐步自行垮冒,空区被充填后形成下部无底柱分段崩落法的覆盖岩层,实现了特大空区的安全处理。     

逆断层附近非均匀应力场声发射测试与巷道稳定性数值分析

由于断层带附近应力集中和围岩破碎严重给巷道断面布设和维护带来巨大安全隐患,需及时掌握断层附近地应力分布和围岩破裂形式及其对周边巷道稳定性影响。选取淮南某矿逆断层上、下盘进行试验,利用MTS试验系统配合声发射测试初始地应力场和岩石破裂方式,经ANSYS对比分析不同应力条件下逆断层附近巷道稳定性。经岩石力学试验发现,砂岩破坏后尺度较小、AE事件数较多,泥岩破坏后尺度较大、AE事件数较少。由地应力实测可知,逆断层附近以构造应力为主,上盘岩层挤压使得下盘总体受力偏大。开挖后巷道周边次生应力在一定范围内出现了应力跌落区,跌落区范围和围岩裂隙发育范围接近。同时,伴随着应力跌落的范围扩大、初始应力减小,岩层开始移动剧烈和围岩破裂范围扩大。由围岩塑性分布和岩层移动可知,调整后主应力有助于提高巷道稳定性。以上研究结果,以期为复杂埋藏环境下矿山巷道的布设和支护问题,提供一定的施工技术依据。     

断层破碎带区隧道的开挖变形分析

断层破碎带是隧道施工中常见的不良地质体,在含有断层破碎带的隧道中进行施工建设极易诱发岩块掉落、突水突泥等地质灾害,研究断层破碎带区隧道的开挖变形可以有效预判工程风险,提高工程质量.本文采用数值模拟方法,结合枫树下隧道穿越断层破碎带工程背景,在考虑断层破碎带这个关键因素的基础上,对断层破碎带的数值本构模型进行了选取,并对...     

岩体巷道冒落高度的构造迹线推测模型

根据巷道冒落体构成的最基本要素,讨论了构造迹线与开挖迹线的相交状态和冒落体的关系,建立了巷道冒落高度的概率空间,分析了构造迹线与开挖迹线各相交状态下的条件概率,结合结构面的分布函数推出了冒落高度的概率计算公式。在工程应用中不仅求出了冒落高度的分布概率,而且分析了冒落高度的敏感因子,为巷道的支护设计,尤其是巷道顶板锚杆长度的确定提供了科学依据;为巷道顶板的宏观安全管理和选择冒落高度最小、冒落概率最低的巷道走向提供决策依据。     

断层破碎带深部区域地表预注浆加固应用与分析

为提高巷道穿越断层破碎带区域围岩强度,解决巷道坍塌失稳问题,并为后期巷道锚固支护提供基础,利用地表预注浆对顾北煤矿巷道穿越F104断层破碎带深部区域局部岩体进行加固。注浆前期表现出泄压特征,注浆压力无法上升;采用分段-间断-重复注浆策略,可使前期注入浆液固化充填大开度的吸浆通道,防止浆液过度扩散,并为浆液注入较小裂隙创造了条件,实现对目标区域充填密实度的最大化。注浆后断层破碎带中心段浆液结石体呈丝络状分布,偶见水泥结石体粗脉;两侧边缘岩芯的浆液结石体呈脉络状分布。注浆增加了围岩完整性,加强了破碎岩体的相互镶嵌作用,提高了巷道掌子面稳定性;地表注浆对区域围岩裂隙进行充填胶结,减少了裂隙自由面空间,泥岩渐近泥化得到有效遏制,间接提高围岩强度;极破碎围岩注浆后浆-岩结石体表现出类混凝土状特征。地表预注浆使巷道稳定性得到有效保证,极大提高了岩体的自身承载能力及抗变形能力,开挖成型巷道表面收敛位移及收敛速率显著减少。     

崩落法上覆厚大岩层崩落及破裂特性综合研究

 大红山铁矿采用无底柱分段崩落法开采,形成了规模巨大的采动区域,上覆岩层厚度达627～750 m。为了掌握上覆岩层中崩落、开裂与高应力集中区的范围及发展趋势,防止突发性的大规模动力地压灾害的发生,矿山采取多通道微震监测技术、巷道观测和钻孔探测相结合的方法,对上覆岩层进行全面监测和研究。通过多通道微震监测技术对上覆岩体中高应力集中区破裂源进行高精度定位,确定高应力集中区及其变化过程,并据此推断开裂带的外边界;同时基于双力偶点源理论,分析得到震源破裂类型为以体积增加的张拉型为主、压剪切破坏与混合破坏为辅。在专门的巷道中,通过人工直接观察,确定崩落边界、开裂带的内、外边界;地表深钻孔探测作为辅助性手段,用来确定(验证)开裂带的外边界。将这3种技术手段结合起来对2011～2013年间上覆岩层不同时期的崩落带、开裂带与高应力集中区进行综合监测,得到不同时期高应力区、开裂带和崩落带的发展过程。研究表明,上覆岩层中崩落与开裂发展过程是一个缓慢渐进的过程,不会产生大规模的突变型崩塌冲击地压灾害。本文研究成果对矿山的安全生产具有重要的指导作用。     

急倾斜三软厚煤层留小煤柱沿空护巷技术

在急倾斜三软厚煤层走向长壁俯伪斜采煤条件下实施留小煤柱沿空护巷十分困难,煤柱稳定性和巷道围岩变形极难控制。针对这一难题,提出了包含煤柱小角度锚固法和十字护顶方法的留小煤柱沿空护巷技术,有效解决了煤柱易沿顶底板剪切破坏并向巷内搓动的问题,降低了巷道软弱围岩的破碎程度和变形量。现场试验结果显示,留设小煤柱的完整性保持较好,其中相较于原支护方式顶底板移近量减少了40%,两帮收敛量则减少了42%,巷道围岩变形得到了有效控制。与此同时,还得到工作面前后方回采巷道的矿压显现呈现明显的6个分区,分别为工作面前方无影响区、工作面前方矿压显现影响区、工作面前方矿压显现强烈区、工作面后方顶板激烈活动区、工作面后方顶板活动减缓区和工作面后方基本稳定区。其中,工作面前方矿压显现强烈区和工作面后方顶板活动激烈区的范围明显大于缓斜近水平煤层,这为分区制定围岩控制措施提供了有利依据。所得研究成果可为我国急倾斜走向长壁俯伪斜工作面沿空护巷技术研究提供一定的补充。     

基于塑性铰理论的导水裂隙带发育高度预判

为更客观和准确地对导水裂隙带发育高度进行预判提供理论支撑。以塑性铰理论为基础结合关键层对岩层移动的控制作用,从理论上阐述了导水裂隙带的形成本质是岩层竖向破断裂隙导气导水能力的形成,并通过数值模拟和工程算例对覆岩结构对导水裂隙带发育的影响进行了分析和验证。研究结果表明:覆岩结构对导水裂隙带的形成和发育有较大影响,处于垮落带范围的关键层破断后若能形成稳定的承载结构,则能有效阻止垮落带向上发展,此时应以关键层所在层位作为垮落带的发育高度;同时,由于导水裂隙带上部岩层下沉空间有限,处于导水裂隙带中上部的关键层在弯曲下沉过程中往往不会发生弯曲破断,从而形成塑性铰结构。此时,可采用塑性铰理论对其竖向贯通裂隙进行分析,确定其导气导水能力,从而对其是否为导水裂隙带的上边界进行判断,进而确定导水裂隙带的发育范围。     

Behaviors of overlying strata in extra-thick coal seams using top-coal caving method

Accidents such as support failure and excessive deformation of roadways due to drastic changes in strata behaviors are frequently reported when mining the extra-thick coal seams Nos.3e5 in Datong coal mine with top-coal caving method,which significantly hampers the mine's normal production.To understand the mechanism of strata failure,this paper presented a structure evolution model with respect to strata behaviors.Then the behaviors of strata overlying the extra-thick coal seams were studied with the combined method of theoretical analysis,physical simulation,and field measurement.The results show that the key strata,which are usually thick-hard strata,play an important role in overlying movement and may influence the mining-induced strata behaviors in the working face using top-coal caving method.The structural model of far-field key strata presents a "masonry beam" type structure when"horizontal O-X" breakage type happens.The rotational motion of the block imposed radial compressive stress on the surrounding rock mass of the roadway.This can induce excessive deformation of roadway near the goaf.Besides,this paper proposed a pre-control technology for the hard roof based on fracture holes and underground roof pre-splitting.It could effectively reduce stress concentration and release the accumulated energy of the strata,when mining underground coal resources with top-coal caving method.     

正断层错动诱发单桩破坏及避让距离研究

历次地震实例表明基岩断层错动诱发建筑桩基破坏,针对桩基础的近断层破坏机理认识不足。采用土工离心机试验,研究正断层错动引起上覆砂土中单桩基础的破坏。试验详细量测单桩及土体变形,监测桩身轴力及弯矩随基岩错动量的变化规律。试验数据表明,当错动量为0.4 m时,单桩与桩周土体协同变形,桩顶出现显著位移。随着错动量增加,上覆土体变形集中于破裂带,使得桩顶位移显著减少。该破裂带在基岩和土体的交界面上偏离基岩错动方向,与水平面呈80°方向发展至地表,并在单桩靠近断层上盘一侧地表出露。上覆砂土变形可分为静止区、剪切区和刚体位移区。当单桩位于剪切区附近,桩身受弯变形使得桩顶向上盘一侧倾斜。针对正断层错动,单桩在下盘一侧和上盘一侧离开基岩断层线的安全避让距离分别为15 m和10 m。     

走滑断层错动下山岭隧道关键断面变形及损伤演化

山岭隧道受选线制约大多要穿越活动断裂带,而活动断裂带的运动会对与之相交的隧道结构的安全产生影响。为此,对穿越走滑断层的隧道在地震中所遭受的破坏展开调研具有现实意义。以滇中引水工程香炉山隧洞为背景,建立隧道-断层三维有限元分析模型,研究走滑断层错动下隧道关键断面的变形特征。基于所建立的有限元模型,采用相对位移法对断层错动量、断层破碎带宽度和穿越角度的影响进行参数分析。研究结果表明：穿越角度为45°时,截面的变形模式为水平椭圆,而穿越角度为135°时,截面的变形模式为直立椭圆;随着断层破碎带宽度的增加,位于断层中间位置处的隧道截面的变形程度减小;走滑断层错动下,隧道截面变形最为严重的区域出现在拱顶和拱底,在进行山岭隧道的设计时需要重点关注。