高地应力特厚煤层“蠕变型”冲击机理研究

多起“蠕变型”冲击事故分析表明：该类冲击属于典型的隐蔽性灾害,具有自发性和时滞性的特点,发生机理的不明导致其防治极具挑战,给深部特厚煤层的安全开采造成了严重威胁。“蠕变型”冲击与不稳定蠕变密切相关,通过建立蠕变模型和三维蠕变方程,得到高地应力与特厚煤层为不稳定蠕变的形成提供了有利的孕育条件;分析了巷道围岩不稳定蠕变破坏的过程,认为不稳定蠕变通过强度“腐蚀”和应力解除2方面实现启动冲击和减小阻抗,从而在受外部静态应力叠加影响的巷道薄弱区域形成“蠕变型”冲击,并提出了判别其发生可能性的评估公式。针对这类冲击的发生机理,提出了针对性的防治措施建议：合理布置巷道、加强主动支护、优化卸压参数和长期监测。     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究"动—静"应力效应诱发的("动"指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;"静"指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高)新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论:(1)突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。(2)煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了"蠕变"冲击发生的风险。(3)1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

基于“浆-土”界面应力耦合效应的劈裂注浆理论研究

浆液与土体的界面应力耦合效应对土体劈裂注浆过程具有重要影响,劈裂通道宽度由注浆孔向浆液扩散锋面处衰减。基于此,将劈裂注浆扩散过程简化为平面辐射圆,推导了劈裂通道内牛顿流体浆液的扩散运动方程,引入了半无限空间体均匀受力模型并获得劈裂通道宽度控制方程,最终得到劈裂通道宽度及浆液压力的空间分布方程。分析了劈裂通道宽度与注浆压力的空间衰减规律及浆液黏度、土体弹性模量对注浆扩散过程的影响。研究结果表明：注浆压力与劈裂通道宽度的空间衰减趋势具有一致性且均呈现出明显的非线性特征,在注浆孔附近及靠近浆液扩散锋面区域衰减较快;浆液扩散半径与浆液黏度、土体弹性模量负相关。最后通过工程实例对浆脉厚度理论计算值进行了验证,浆脉厚度计算值比现场揭露浆脉厚度实测值大30%左右,计算误差处于可接受范围内,验证了理论的合理性。     

巷道底板冲击地压诱发机理及影响因素

对巷道底板冲击地压诱发机理分析表明,水平应力是诱发底板冲击地压的最主要因素,并确定底板水平应力的计算方法。在对巷道底板岩层梁结构屈曲破断力学分析的基础上,建立了底板冲击地压诱发的判定准则。巷道有效宽度和底板岩层的分层厚度对底板岩层屈曲破断所需水平应力的影响较大,计算出最大水平应力作用下底板关键层以上各岩层屈曲破断的最大分层厚度。研究结果表明,巷道底板岩层层状特征较为明显且岩层分层厚度较小的区域易诱发底板冲击地压。     

放顶煤开采对控制冲击地压的认识

以实用采场矿压理论的成果为基础,着重分析了放顶煤开采条件下顶煤移动特征和支承压力分布规律。讨论了放顶煤开采的采场应力场的分布规律及其对冲击地压的控制作用。     

特厚煤层冲击地压重复发生的机理研究

以现场同一区域重复发生冲击地压为工程背景,通过理论分析、现场监测、数值模拟等方法研究冲击地压重复发生机理,得出如下结论:1特厚煤层重复冲击区域存在应力恢复现象,而力源作用下的特厚煤层的扩容是导致应力恢复的主要原因;2重复冲击是冲击体受到的冲击力与阻抗力多次搏弈的结果,煤体由完整状态向碎裂状态过渡过程中满足冲击力大于阻抗力的条件而发生多次冲击,直至煤体进入碎裂状态;3通过消除力源、阻止应力恢复可防止冲击地压重复发生。研究结果对防治特厚煤层冲击地压具有重要意义。     

长壁采场动、静支承压力演化规律及应用研究

 采场支承压力分布特征是煤矿支护设计、冲击地压防治的重要依据。在列举采场矿压显现异常案例的基础上,基于采场应力演化及顶板岩层运动的观测结果,提出了长壁采场动、静支承压力的观点,阐述了该观点的工程意义,并根据形成特征建立了相应的计算模型。研究结果表明,长壁采场存在动态和静态等两个支承压力,动态支承压力形成和演化是采场顶板破裂带岩层运动的结果,以煤体屈服为主要特征,静态支承压力是破裂带上方岩层载荷转移的结果,以关键层载荷转移为主要特征,两者在形成根源、形成特征、形成时间、可监测性、影响距离等方面存在不同。最后,展望了长壁采场动、静支承压力学术观点在采矿工程设计及冲击地压防治等方面的应用前景。研究为解释采场矿压显现异常和解决该领域的工程问题提供了理论依据。     

冲击地压煤层局部保护层开采的减压机理研究

保护层开采是区域性防治冲击地压的有效方法,但当开采保护层不具有经济价值、不开采保护层又不能保证主采煤层防冲安全的条件下,提出了开采局部保护层的防冲方案并进行了防冲和防大变形灾害的机理研究。为了论证开采局部保护层防冲方案的安全性,通过建立局部保护层和被保护层的力学关系模型,推导了在局部保护层作用下岩体应力的计算公式,绘制了不同宽度局部保护层条件下引起冲击的垂直应力和剪应力分布云图,给出了发生冲击和大变形边界的应力判据,为设计被保护层巷道的安全位置提供了理论依据。结合河南某煤矿的实际情况,给出局部保护层减压效果的计算方法,计算结果在该煤矿强冲击危险工作面设计中得到了应用。     

非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机理初探

即使是非坚硬顶板条件，当开采强度加大时，也将发生冲击地压灾害。针对厚及特厚煤层综采放顶煤、大采高综采等高强度开采条件，立足于由顶板岩层-煤层-底板岩层所组成的力学系统，通过数值模拟研究，研究采动应力场的时空演化过程对采掘空间受力、变形及破坏的影响及远场应力与近场应力的相互影响及诱发冲击地压的条件，弄清煤岩层垮断、采动应力场的时空演化规律，揭示非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压及瓦斯灾害的机制。     

煤体振动方法防治冲击地压的机理研究

 研究了一种新的冲击地压控制方法, 即煤体振动方法的机理。在实验上, 采用分形几何方法, 研究了煤体在受振后裂隙的变化规律, 发现受振后煤体的分形维数增大, 表明煤体的裂隙增加, 且经过一定振动时间后, 分形维数趋于稳定; 研究了振动对煤体力学性质的影响, 发现受振后煤体的抗压强度、弹性模量和降模量降低, 且受振时间越长或初应力水平越高, 振动对煤体力学性质的影响越明显。应用采煤工作面和巷道冲击地压的分析结果, 从理论上证明了煤体受振后煤岩体的稳定性增加。     

影响锅盖效应因素的研究

锅盖效应是指非饱和土中由于上覆结构密闭导致水分不能排出而引起的浅层土体含水率增加的现象。分析认为初始含水率、边界低温以及土体中的密闭隔断层对锅盖效应有着重要影响,选取边界低温作用下由气态水迁移补水而产生的锅盖效应进行研究,建立数值模型开展大量数值试验,探究初始含水率、边界低温以及隔断层对锅盖效应的影响规律。研究发现:土体初始含水率处于塑限附近时,低温作用周期内浅层土体最大液态水含量达到峰值,峰值大小约在液限附近;当土体初始含水率处于液限附近时,浅层土体液态水增加现象消失,此时锅盖效应处于一个消失临界点;边界低温降低,因冻结锋面下移,浅层土体低温期可达最大液态水含量先升高后降低;铺设隔断层会使土体中产生双锅盖效应,将隔断层铺设在0℃附近(正温)的土层处,可有效减少锅盖效应引起的增水。     

关于《建筑边坡工程技术规范GB 50330—2013》的讨论

针对《建筑边坡工程技术计规范》(GB 50330—2013)中的一些问题进行了讨论。指出该规范的一些不足、不当及不对之处。指出关于锚杆的抗拉和从砂浆中的抗拔设计应当使用分项系数法,而不是安全系数法;在安全系数法设计中,抗力应使用极限抗力的标准值,而非设计值。该规范所列的一些主动土压力计算的半经验公式,主要是源于无限斜坡的朗肯土压力理论解,但主动土压力的方向不正确,会造成较大的误差。在饱和黏性土边坡的稳定分析中,使用饱和重度与固结不排水强度指标的水土合算是错误的,有害的。     

对《“矢量和法”抗滑稳定计算模型的力学概念错误》一文的回应

<正>论文《“矢量和法”抗滑稳定计算模型的力学概念错误》^[1](以下简称《质疑》)中,质疑矢量和法计算模型的力学概念问题,认为矢量和法计算模型力学概念错误。作为参与矢量和法研究的研究者,笔者对《质疑》做以下回应。     

桩承式路堤“土拱结构”形成演化规律离散元分析

“土拱结构”作为桩承式路堤中的主要荷载传递媒介,对路堤荷载传递和路堤填料位移有显著影响。基于室内模型试验,采用颗粒流软件PFC^2D建立桩承式路堤离散元（DEM）数值分析模型,基于应力主方向、接触力链及路堤填料沉降分布规律对路堤中“土拱结构”形态及其演化规律进行深入分析。研究结果表明：路堤中“土拱结构”随桩土相对位移的增加而逐渐发展并最终趋于稳定,最终的“土拱结构”形态呈0.8倍桩净间距高的抛物线形;路堤填筑高度对“土拱结构”形态、演化规律以及荷载传递效率有显著影响;路堤填料粗糙度、桩净间距及桩梁宽度对路堤荷载传递效率有显著影响,但对“土拱结构”最终形态几乎无影响。     

紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固措施大型振动台模型试验研究

紫坪铺水库面板堆石坝坝顶区下游干砌石护坡在汶川地震中遭到了较严重的震损破坏,是大坝震后抗震加固处理的重点环节。综合考虑已有高土石坝坝坡抗震加固措施在大坝震后加固中的适用性,并参考浆砌石护坡在强震中表现出的良好抗震性能,浆砌石护坡成为了紫坪铺大坝下游坝坡震后抗震加固的重要选择。针对紫坪铺大坝坝坡震后抗震加固工程,进行堆石坝坝顶区坝坡抗震加固措施(干砌石护坡和浆砌石护坡)大型振动台模型试验,研究砌石护坡的抗震加固机理并验证其抗震加固效果;同时,结合大坝地震动力反应计算和大坝振动台模型试验的研究成果,确定了大坝坝顶区浆砌石护坡的加固范围。研究表明:浆砌石护坡在强震中具有良好的整体性,干砌石护坡在强震中的局部碎、块石滑移导致护坡整体渐进破坏,浆砌石护坡对堆石坝坡的保护作用明显优于干砌石护坡;紫坪铺大坝下游坝坡震后浆砌石护坡加固范围取为3/4坝高以上坝顶区坝坡较为合理。     

非饱和土水气迁移与相变：两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现

结合非饱和土水气迁移的物理过程和内在机理,将“锅盖效应”分为两种情形。第一类“锅盖效应”定义为非饱和土水气的冷凝过程,而第二类“锅盖效应”定义为水气迁移成冰过程。相较于前者,第二类“锅盖效应”会造成覆盖层下土体含水率大幅度提高,且现有非饱和土水热气迁移理论无法给出合理解释。综合考虑水分的蒸发、冷凝和冻结3个相变过程,建立了非饱和冻土水热气耦合迁移的数学模型,并通过数值模拟求解,再现了第二类“锅盖效应”的形成过程。另外计算结果表明：温度梯度下的气态水迁移并成冰会造成覆盖层下土体接近饱和含水率;一定表层深度范围内,土体含水率增加存在两个陡升段。由于现行工程设计很少考虑防气隔气,在寒旱地区进行工程建设需对第二类“锅盖效应”引起足够重视。     

Nitrogen elimination by rapid alternation of aerobic/“anoxic” conditions in “orbal” activated sludge plants

Methods of operation for obtaining maximum nitrogen elimination in the “Orbal” endless channel extended aeration plant are compared. The most efficient method required balancing of sludge concentration, organic load and oxygen input against one another in such a way that a rapid alternation of aerobic/anoxic conditions was brought about between aeration points in each channel. This resulted in minimal amounts of ammonia and nitrate remaining in the effluent. Automated control of oxygen input and of sludge concentration is considered necessary for consistent maximum nitrogen removal.     

上保护层煤柱引发被保护层冲击机理研究

长城一矿和峻德煤矿所发生的由保护层煤柱引发冲击的案例表明,保护层煤柱影响范围内仍属高应力区,且工作面上方都存在坚硬的顶板。通过分析两起事故中被保护层煤体的赋存条件,探究发生此类冲击的影响因素。研究表明,典型的保护层煤柱诱发冲击主要有以下两种情况:(1)大采深小层间距下,以"高静应力为主,低动应力诱发"型冲击;(2)中等采深大层间距下,以"高动应力为主、低静应力诱发"型冲击。静力系由煤柱传递的应力和层间岩体的自重应力以及保护层采空区的残余支承压力组成,动力系主要是本煤层已开采工作面形成的侧向支承压力。建立了判断发生冲击地压的评估方法,为此类矿井的开采提供理论依据。并提出了工作面位置设计、合理布置巷道、预前卸压、加强监测的防治措施。     

The stabilization of “dissolved” iron in freshwaters

Laboratory experiments have been conducted to see what substances are capable of holding iron at a concentration of about 1 ppm in a “dissolved” form (i.e. will pass through a 0.45 μm pore size filter) in oxygenated water. The results show that reagents capable of doing this include humic and tannic acids, surfactants such as sodium dodecyl sulphate and sodium dodecylbenzene sulphonate, and the inorganic ions silicate and phosphate. In contrast, the synthetic polymer polyvinylpyrrollidone and the simple ions Cl⁻, HCO₃⁻, SO₄⁻ and NO₃⁻ showed no ability to stabilise iron. The efficiency of phosphate at keeping iron in the “dissolved” state was found to decrease in the presence of cations, particularly divalent ones, but increased with rise in water pH in the range 6–11.It seems unlikely that much of the stabilization observed for any of the reagents tested is due to their forming complexes with the iron. A much more likely explanation is that the substances for which positive results were obtained are able to stabilize fine colloidal iron particles and inhibit them from forming larger aggregates.     

The crayfish as a “biological indicator” of aquatic contamination by heavy metals

Cu, Cd. Mg, Mn and Ni concentrations in whole Cambarus bartoni, trapped from Nepahwin Lake, Joe Lake and Wizard Lake, lying at distances of 10, 30 and 150 km, respectively, from the Sudbury smelters in Northeastern Ontario, showed an inverse relationship with the distance of the habitat from the emission site. Highest concentrations of Cu were observed in the hepatopancreas, Cd in the hepatopancreas and the gut, Fe and Mn in the gut, and Mg in the exoskeleton. Tissue concentrations of Ni and Zn were highly variable. Differences between males and females at each sampling site were not significant at the 5% level. The general relationship between crayfish tissue metal concentrations at the three sites was Cu > Mg > Mn > Zn > Ni > Cd. This observed relationship, except for Mg and Mn, agreed with the concentration relationship of these metals in the water and the sediments (top 10–20 cm) in the three lakes. In laboratory studies, Cu concentrations in the hepatopancreas, gills, exoskeleton and the viscera increased significantly over the control during the 4-weeks exposure to 125,250 and 500 μg Cu 1⁻¹. Hepatopancreas, in general, had the highest Cu concentration, and the exoskeleton, the lowest. Relationship between Ni exposure and the tissue Ni concentrations in the four treatments was 800 μg Ni l⁻¹ > 400 μg Ni l⁻¹ = 200 μg Ni l⁻¹ > control, while between the exposure periods and the tissue Ni concentrations was week 4 > week 1 > week 3 = week 2. Highest Ni concentrations at the end of the 4-week exposure to Ni were observed in the gut, gills and the hepatopancreas, and the lowest in the viscera. The present study suggests that Cambarus bartoni is a reliable indicator of the presence of class B and borderline elements with specific gravity > 5 in the aquatic environment. However, their value as biomonitors of variations in Cu and Ni concentrations in freshwater ecosystems is debatable.