可缩式钢管混凝土支架力学性能及经济效益

建立了地下工程常用的U型钢支架、格栅钢架、空钢管支架与钢管混凝土支架的有限元模型,分析了各自的承载力、支护效应等力学性能及影响因素。通过研究材料用量和支护效应指标,对经济效益进行了对比分析。进行了钢管混凝土可缩性节点的设计及试验研究,分析了钢管混凝土节点的受力特性。研究表明：钢管混凝土支架支护性能与套箍系数密切相关。与传统支架相比,钢管混凝土支架承载力高,后期强度及延性大,规格多样,经济效益好。配以增阻可缩节点,可实现定量增阻,同时兼具让压功能。在优化分析组合效应的基础上,对钢管混凝土支架进行合理设计,可满足多种深部软岩及节理破碎岩体的支护要求。     

基于切削能密度的岩体强度-裂隙随钻识别方法（英文）

岩体强度与裂隙参数是反映工程岩体质量的基本参数,其准确获取是进行地下工程围岩分级与支护合理设计优化的前提。传统的岩体强度测试方法需要对现场围岩取芯并运至实验室测试,测试结果难以反映工程现场环境下的岩体力学性质,而对于岩体强度与裂隙参数的原位测试方法研究较少。本文基于能量守恒定律,建立了岩石切削能密度与随钻参数的关系式,构建了岩体等效强度随钻反演模型(ES-DP模型),系统开展了岩体数字钻进试验。结果表明,相对于传统测试方法,岩体等效强度随钻测试结果平均差异率为2.4%,验证了ES-DP模型对岩体等效强度测试的有效性。在此基础上,建立了岩体裂隙参数随钻识别模型,与实际测量结果相比,该模型测得的岩体裂隙位置与宽度平均精度分别为1.8和1.6 mm,测试精度较高。基于上述研究,本文提出了一种岩体强度-裂隙随钻识别方法,为实现地下工程围岩强度参数与结构特征的原位实时测试提供了新方法。     

数字钻探随钻参数与岩石单轴抗压强度关系

针对常规的现场岩石单轴抗压强度测试方法周期长、成本高的问题,提出一种基于数字钻探测试岩石单轴抗压强度的方法。根据岩石钻进过程中的受力特点,基于能量分析法,推导了岩石单位切削能与随钻参数的关系式。同时,基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了砂岩及不同强度砂浆试件等完整岩石的数字钻探试验,通过试验结果分析,建立了随钻参数与岩石单轴抗压强度的定量关系模型(DP-UCS模型),并对其进行了验证,结果表明:DP-UCS模型预测的单轴抗压强度与单轴压缩试验测定的单轴抗压强度的差异率平均值小于10%,证明了该模型的有效性。     

柔性均布压力加载装置的研制及试验分析

 为真实模拟应力边界条件,保证结果的准确性,岩土材料及地质力学模型试验均需进行柔性边界加载。研制一种新型柔性均布压力加载装置,该装置由液压油缸、刚性推力器、超柔性调整橡胶和柔性传力橡胶等组成。采用数值方法分析和验证柔性加载的效果及传力性能,并结合配比试验,研制出适合岩土试验的特种柔性橡胶。将该加载装置与刚性加载的加载效果进行试验对比,结果表明,柔性均布压力加载相对于刚性加载效果显著,对于表面不平整的模型,柔性橡胶能更好地传递均布压力,并且模型内应力场均匀程度随着橡胶传力垫块的邵氏硬度的降低以及加载压力和距表面深度的增大而提高。带有超柔性调整橡胶和柔性传力橡胶组合垫层的加载装置具有很好的空间转动和变形传力性能,可更好地满足对具有不平整及倾斜表面模型进行柔性加载的要求。研究表明,柔性均布压力加载装置能真实地模拟应力边界条件,有利于提高岩土试验结果的准确性。     

约束混凝土拱架力学特性与截面设计方法研究

随着地下工程逐渐向深部发展,传统支护体系难以满足复杂条件下的支护需求,约束混凝土拱架具有良好的承载特性,在地下工程中逐渐被广泛应用,但截面特性对约束混凝土拱架力学性能的影响机制尚未明确。对比分析常见的方钢约束混凝土(SQCC)、圆形约束混凝土(CCC)与U36全比尺拱架力学性能,研究各拱架的承载性能和变形破坏机制。对不同壁厚的SQCC,CCC和不同长宽比的矩形约束混凝土(RCC)拱架进行数值试验,研究截面形状、尺寸对约束混凝土拱架力学性能的影响机制。研究表明,在截面用钢量相同的情况下,拱架截面面积越大,承载能力越强,且SQCC,RCC拱架的力学性能优于CCC拱架。在此基础上,提出约束混凝土拱架截面设计方法。     

U型约束混凝土补强机制研究及应用

U型约束混凝土拱架支护可有效解决传统拱架支护后期承载力不足的问题,但灌注口的存在会降低其承载力,它是整个拱架的关键部位之一,需进行局部补强加固。为研究U型约束混凝土拱架补强机制,取留设灌注口U型约束混凝土短柱为研究对象,通过强度指标α和经济指标β对3种不同补强方式及不同补强板厚度在轴压作用下受力机制进行研究。结果表明:沿口竖向补强、沿口横向补强、沿口周全包3种局部补强方式可将短柱的轴压承载力分别提高至补强前的115.6%,105.8%,103.8%;补强钢板厚度在14~22 mm范围时竖向补强方式的经济指标β值增长率最大。将竖向补强方式在全比尺试验验证后应用于工程实际,取得了良好的效果。     

超大断面隧道软弱围岩控制机制及应用

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展交叉中隔墙(center cross diagram, CRD)法和双侧壁导洞开挖方法下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩、不同开挖方法在无支护、锚杆支护、H型钢拱架支护和H型钢拱架+锚杆支护四种支护方式下隧道围岩变形、支护构件受力变化规律,并研究超大断面隧道软弱围岩控制机制。同时对H型钢+锚网喷联合支护方式在超大断面破碎围岩隧道进行了CRD和双侧壁导洞两种开挖方法下的现场试验,拱顶沉降分别稳定在27.2 mm和18.7 mm,很好地控制了围岩变形、保证了现场初期支护安全。     

深部煤巷高强让压型锚索箱梁支护系统研究

对现阶段煤巷支护现状,尤其是对让压支护理论及技术进行了总结分析.对“先控后让再抗”支护理念的必要性和工程意义进行了研究.以该理念为指导,针对深部高地应力煤巷支护需要,研制了高强让压型锚索箱梁支护系统,分析了系统的高强让压性能,研究了箱型支护梁及锚索让压环等组成构件的功能和力学特性.通过与槽钢、工字钢的对比分析结果可知箱型支护梁强度高、刚度大、护表效果好、传力性能佳、经济性高;单轴压缩试验结果表明该锚索让压环具有独特的二阶式让压性能,且让压点较高、让压距离大、让压稳定性好.该支护系统组合方式多样、适用范围广.根据赵楼煤矿3320运输平巷地质情况设计了高强让压型锚索箱梁支护系统相应方案,并与原支护方案进行了数值模拟对比,结果显示该方案明显优于原支护方案.新型支护方案用在平巷的试验段中,达到了良好的支护效果.     

基于地质预报的煤巷顶板事故防治研究

对煤巷顸板事故原因和机理进行了总结分析,指出现有煤巷掘进支护过程中顸板事故多发的主要原因是迎头地质情况调查不明、地质条件突变时缺少相应的预警机制和合理的应对措施.经过探讨指出利用煤巷超前地质预报技术预防顶板事故是可行的.通过对巨野矿区某矿煤巷多次冒顶事故教训的总结,指出建立合理的冒顶事故预警机制并设计相应支护预案的必要性,在此基础上提出了基于超前地质预报的煤巷顶板事故支护预案防治方法.以“地质先行、物探紧跟、钻探核实、预案配套、监控反馈”为指导方针,注重各预报环节的反复推演与相互修正.利用该方法成功预防了多起冒顶事故的发生,并对其中一起案例进行了深入分析,显示该方法具有较理想的预报效果,以锚索梁为主的支护预案可以有效控制断层区巷道变形,防止冒顶事故发生,并具有很好的经济性指标.     

煤层开采过程中上覆岩层裂隙演化规律研究

以淮南煤矿典型工作面为例,采用离散元数值软件UDEC(universal distinct element code)对工作面回采过程中上下煤岩体内应力场的变化及直接顶冒落过程进行了模拟,分析了上覆煤岩体裂隙产生、发展的形成过程,得到了上覆煤岩裂隙演化规律。研究结果表明,倾向方向工作面回采后,上覆煤岩体内产生冒落、裂隙带和离层带,在工作面内上角位置产生O型圈裂隙带,裂隙发育最大高度为45m。煤层走向回采方向得到了初期来压步距约50m,周期来压步距约20m,上覆煤岩体裂隙在采空区上方约呈45°角发展,并随工作面的前进由下向上、由后往前依次演变。该结果对于煤与瓦斯共采中瓦斯抽放钻孔方位的布置具有工程指导意义。