隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

华丰井田4煤层顶板砾岩水突出影响因素分析

在分析砾岩分布特征及其水文地质特征的基础上,以矿山压力控制理论为指导,运用岩层沉降理论推断了华丰矿1409工作面在采厚为6.5m的情况下,导水裂隙带发育高度为96.2m,揭示了导水裂隙能够导致顶板砾岩水突出.结合矿山压力观测资料和顶板突水量资料,阐述了矿山压力和顶板砾岩突水突出之间的因果影响关系.根据2407工作面冲击地压监测资料,阐明冲击地压对顶板突水的促进作用.建立了顶板水沿工作面下平巷突出运移的模型,阐明了斑裂线是导致砾岩水大量突出的主要导水通道.     

诱导顶板崩落时变力学模型的建立与应用

运用时变力学理论，针对大厂铜坑矿顶板诱导崩落试验采场的地质特征，建立有限元基本方程和时变力学模型，采用多步骤开挖的准时变力学有限元方法，模拟不同顶板诱导失稳崩落模式下的塑性区发展、东西预裂硐室与崩顶硐室的安全系数，对比研究确定顶板诱导可控失稳崩落的诱导模式，即先预裂爆破后切顶诱导崩落，其塑性区主要控制在东西两条预裂缝之间，垂直向达到顶板上方58m处，最小安全系数为1．1。采用数字式全景钻孔摄像技术，对铜坑矿顶板诱导崩落实验采场的顶板围岩诱导效果进行可视化监测。发现生成20-40mm宽的预裂缝，在顶板围岩中出现大量“X”型次生裂隙。实践结果表明，该模式可以有效地实施顶板的诱导可控失稳崩落。     

巨厚煤层顶板离层水致灾机理研究

为探讨巨厚煤层顶板离层水的致灾机理,以陕西焦坪矿区某矿1418工作面为研究对象,分析其突水特征及突水地质条件,并基于"拱梁平衡理论",对可致灾离层发育层位进行了判别,对离层水发育的周期进行了计算,采用UDEC数值模拟软件,对覆岩离层及导水裂缝带的发育过程进行了模拟。结果表明:可致灾的"空腔型"离层发育在直罗组泥岩和宜君组粗砾岩之间,主关键层破断周期间隔距离为190 m;导水裂缝带发育高度约245 m,导通至洛河组下段砂岩裂隙潜水含水层;顶板离层突水具有动态周期性特点,当"空腔型"离层形成稳定"储水体"后,随着顶板覆岩破坏程度的增加以及主关键层的破断,稳定"储水体"被打破,沿导水裂缝带涌入矿井,造成突水事故;随顶板覆岩的周期性破断,离层突水周期性发生。     

城市浅部双层不规则老采空区岩层稳定性试验

为研究某城市地下双层不规则老采空区岩层的承载能力,采用三维相似模型方法对其进行了试验评估.根据相似模拟理论,选用河砂类相似材料,采用砌筑法建立了相似模型.对岩层进行逐级竖向加载试验,监测了岩层位移、矿柱和顶板应变的变化,同时采用内窥镜拍摄了顶板和矿柱的破坏演变过程.结果表明:随着岩层表面荷载的增加,上层采空区顶板经历了稳定变形阶段、不均匀变形阶段,最终进入局部破坏阶段.根据影像记录:该区域上层采空区顶板先于矿柱出现受拉开裂破坏,然后矿柱出现剪切破坏现象.下层采空区由于开采规模较小,对该区域岩层稳定性影响甚微.因此,要从防止顶板拉裂的角度来控制岩层的稳定性,并建议地表荷载不超过0.7 MPa.     

深部灰岩单轴蠕变特性试验研究

采用MTS815液压伺服岩石试验系统和DISP-2声发射监测系统,对重庆市某煤矿深部灰岩进行了单轴蠕变压缩实验,对单轴蠕变实验过程中伴随的声发射特征进行了研究,认为岩石的声发射特征能很好的表征岩石整个蠕变变形过程,包括岩石微观结构如晶格缺陷的扩散、孔隙裂隙的张合、粒间协调变形及微观破裂的产生、扩散贯通等岩石蠕变特征。同时对实验曲线进行了不同的模型参数的反演,认为用对数函数型及指数函数型模型均能很好的表征该类灰岩蠕变变形性能,且二类模型中对数模型为最佳模型。     

急倾斜近距离下保护层开采岩层移动相似模拟

针对豫西某矿急倾斜近距离下保护层开采设计,以矿井现场工程概况为基础,通过相似模拟试验及现场考察,对保护层开采过程中岩层移动变形及裂隙发育进行研究,据此分析该矿急倾斜近距离下保护层开采的可行性及预期卸压效果。结果表明:保护层开采过后,顶板以缓慢下沉为主,未出现大规模垮落,岩层移动量最大位置位于倾斜中部略偏上;相似模拟所得倾斜下部卸压角为73°,现场考察倾斜下部卸压角为72°,《防治煤与瓦斯突出规定》中在煤层倾角为50°情况下倾斜下部卸压角参考值为70°,三者高度吻合;岩层移动以及裂隙发育使被保护层得以卸压,也可为卸压瓦斯运移和瓦斯抽采提供通道;被保护层开采条件不会破坏,该矿此类型保护层开采安全可行,可以达到预期防突效果。     

基于不同预裂长度防控顶板型冲击地压风险：机理与效果研究（英文）

顶板预裂是控制潜在顶板型冲击风险的有效方法。本文采用不同预裂长度的细砂岩试样开展了三点弯曲加载试验,利用数字散斑方法(DSCM)和声发射技术(AE)对裂纹扩展全过程进行了监测,分析了预制裂隙对岩梁断裂的影响规律,揭示了岩梁断裂过程的力学机理,提出了顶板预裂设计方法,在济宁二号煤矿10303工作面进行了工程实践。研究结果表明：预裂岩梁的加载曲线表现出明显峰后特征;与完整岩梁相比,35 mm预裂岩梁的抗拉强度和最大拉应变分别降低了32.4%和33.1%,声发射b值增大了30.2%;10303工作面预裂施工后的最大微震能量和平均微震能量分别降低了25.6%和6.4%,厚层坚硬顶板预裂效果良好。     

带压开采工作面底板突水规律相似模拟试验

为研究带压开采工作面底板破坏规律和突水形成机制,以焦作矿区赵固一矿首采工作面底板为研究对象,使用自主设计的底板突水机理物理模拟试验系统进行相似模拟试验。通过对回采过程中底板突水过程以及突水前后岩层的视电阻率进行模拟和观测,研究了承压含水层威胁下底板破坏和发生突水的一般规律,揭示了矿山压力引发的破裂构造是导致底板突水的重要因素,并得出底板破坏深度。研究结果可为评价赵固一矿带压开采提供理论基础,为揭示带压开采底板突水的力学机制提供参考。     

冻融焦煤力学行为特征及微观结构响应规律试验研究（英文）

为深入研究煤岩在冻融与载荷作用下的力学行为特征和细观结构响应规律,开展了冻融焦煤单轴压缩试验,试验全程采用声发射和DIC系统监测,采用扫描电镜及显微镜观测了不同冻融次数焦煤细观结构及断裂面形貌。结果表明,随着冻融次数增加,煤样质量持续增长,孔隙裂隙结构显著发育,单轴抗压强度及弹性模量逐渐降低。冻融次数增加,压缩煤样声发射活动逐渐增强,且压密阶段AE事件分布密度及强度显著增加;煤样压缩全程内部拉伸微裂纹占比较大(除冻融30次外);声发射b呈“V”型变化,揭示冻融焦煤裂纹扩展速度先增后减,加载过程中b值平稳降低特征逐渐显著,微裂纹尺度不断增大。冻融次数增加,压缩煤样耗散能占比逐渐增大,弹性能占比对应减少;冻融0～20次煤样多呈劈裂拉伸破坏,冻融30次后转为剪切破坏,煤样破坏时最大主应变由17.42%降至4.65%,断面形貌由粗糙逐渐趋于光滑。建立了冻融及单轴载荷作用下冻融焦煤单轴压缩损伤本构模型,所得理论曲线与试验结果吻合度较高。研究发现,自由水冻结造成孔隙裂隙空间扩展延伸、不断强化的水岩作用以及矿物颗粒间的相互作用是造成焦煤冻融损伤的主因。