Post-test assessment of simulations for in situ heater tests in basalt—Part I. heater test description and rock mass properties

Thermomechanical simulations were undertaken both a priori and a posteriori for two full-scale heater tests in shallow tunnels at the Near Surface Test Facility (NSTF) at Hanford, Washington. The Basaltic rock mass was investigated by an extensive laboratory and field programme involving geological characterization, core drilling and borehole testing, a field thermal test and a large-scale in situ flat jack test isolating 8 m³ of columnar basalt. Rock mass thermal and mechanical properties were determined from these characterization data for input into thermomechanical simulations. The heater test systems are described along with the instrumentation, which consisted of numerous thermocouples, borehole extensometers, borehole deformation gauges and vibrating wire stressmeters. The determination of the rock mass thermal and mechanical properties from laboratory test data, geological characterization data and back-analysis of field property tests are detailed. The idealization of the basaltic rock mass was determined from interpretation of extensive geological characterization data; involving detailed field geologic mapping, borehole and core logging, rock mass classification schemes, impression packer tests, borehole geophysical tests, borehole jack deformation tests and laboratory and field experiments.     

基于钻孔超声波成像测试技术的岩体完整性分析

钻孔超声波成像测试技术能够提取工程勘察钻孔中岩层产状信息并提供钻孔岩层三维信息图。在某工业园区的工程勘察中,完成了多个钻孔的超声波成像测井,以其中的一个钻孔为例,研究分析了钻孔超声波成像测试获取的结构面倾角、倾向和节理方位频率图等。结果表明:钻孔超声波成像测试技术可以对钻孔所揭露的岩体完整性进行定量分析,为区域稳定分析、工程岩体质量分级及工程设计提供重要基础数据,对提高工程勘察质量具有重要意义。     

钻孔瓦斯动态涌出规律的实验研究

为深入探讨钻孔瓦斯动态涌出规律,设计了煤层模拟装置及钻进过程中钻孔瓦斯涌出速度测定装置,依照均匀设计方法确定了实验方案,运用动态测试技术进行了钻孔瓦斯涌出速度模拟测试。研究表明,动态测试技术可成功捕捉钻孔瓦斯涌出初始时刻的最大速度变化率,其出现在测试过程的前5 s,并且随煤层吸附瓦斯压力的增大而增大,该变化趋势反映了煤...     

焦家金矿破碎矿体采场进路的跨度优化研究

焦家金矿-390 m中段矿体赋存条件为缓倾斜,中厚破碎矿体,随着开采深度的增加,深部地应力 也随之增加,开采难度加大,岩体的节理、裂隙更为发育,出现更多破碎不稳定的岩体,在开采 过程中极易导致安全事故的发生,严重影响矿山的安全生产与经济效益。为此,综合运用3GSM、 钻孔摄像与声波测试等手段确定试验采场结构面分布情况,通过离散元数值模拟方法建立了离散 元模型,从变形、应力以及节理变形等多角度分析了试验采场在开挖过程中的基本力学行为规律 ,从而确定了焦家金矿上向水平进路充填法的采场最佳跨度是7.5 m,实现了矿山的安全经济开 采,得出的结论与现场实际施工情况相符,进而验证了研究结果的正确性,对于其他相似矿山具 有借鉴意义。     

Studies on hydraulic fracturing stress measurement assisted by water jet borehole slotting

This study offers feasibility for direct detection of the maximum principal stress by hydraulic fracturing test assisted by water jet borehole slotting. Investigation previously made by the authors, performance tests of the abrasive water jet system designed by them, laboratory hydraulic fracturing tests and numerical simulations carried out by them are described.     

OYO-4149型钻孔弹模仪在软质岩石中的应用

孔内弹模测试作为一种原位测试手段 ,在深层软质岩石场地中往往因试验压力不够大而导致失败。在杭州市钱江四桥软质基岩工程勘察中 ,使用日本OYO公司的 4 14 9型钻孔弹模仪 ,取得了很好的效果     

微型圆柱状岩样钻进参数室内试验研究

针对钻孔局部壁面应力全解除法地应力测量时,需要在钻孔侧壁上钻切出直径为30mm、长度不小于40mm的微型"悬臂梁"状圆柱形岩样的要求,设计了一套钻切微型圆柱状岩样的室内试验平台。分别以单位时间的钻进深度、钻压、钻头转速作为钻进控制模式,研究了在红砂岩、大理岩、花岗岩3种长方体岩块上钻切微型圆柱状岩样的钻进效果,结果表明,以钻头转速作为钻进控制模式比较理想。定量给出了用于钻孔局部壁面应力全解除岩样切割钻进时的钻头转速、钻压、以及马达功率参数的建议选用范围,从而为开发基于钻孔局部壁面应力解除法的侧壁岩样切割工具提供了参考。     

钻孔声波测试波速层析成像技术探讨

本文介绍了利用钻孔声波测试数据，对岩体进行较精确的速度分层的一种数据处理方法，并通过理论模型及实际声波测试资料对层析技术进行了分析论证。     

仿岩孔条件下顺层钻孔瓦斯压力测定技术研究

在利用煤孔测定本煤层瓦斯压力的过程中,为从根本上封堵煤层钻孔周围的裂隙,解决煤层钻孔易变形、塌孔的问题,提出了仿岩孔瓦斯压力测定方法。钻孔失稳破坏的力学分析表明,钻孔破碎带半径与围岩的岩性有关,提高围岩内摩擦角和内聚力是增大围岩强度的有效途径。通过分析煤层固化成孔的机理和数值模拟发现,高压注浆加固煤体可以增大孔壁围岩强度。现场对比试验表明:仿岩孔测压技术与岩孔测压差值为0.02 MPa,相对误差仅为3.85%,仿岩孔测压技术具有较好的可行性。     

煤矿突水行为研究系列试验装置研发及应用

随着煤矿开采深度和强度的不断提高,矿井面临底板突水、顶板突水和构造突水等多方面的挑战,针对不同类型突水机理及灾变模式利用现场监测等手段难以进行研究,因此采用实验室物理模拟试验手段成为解决研究此类复杂问题的关键。针对该问题,山东科技大学自主研发了采动煤层底板突水相似模拟试验系统、采动顶板涌水溃砂模拟试验系统、岩石应力渗流耦合真三轴试验系统等一系列试验设备,建立了突水行为研究实验室,利用物理试验实现了对矿井突水问题的探讨。系统实现了模拟高水压和高应力作用下的底板岩体破裂演化过程,获得了底板突水致灾演化规律和内在机制;实现了对水岩耦合作用下采动顶板突水溃砂灾变特征分析,透过试验机清晰地展现了煤层开挖后上覆岩层空间形成的结构形态和水砂突涌通道的分布形态;为模拟提供了深部高应力、高水压的加载环境以及独立伺服控制的三维应力,实现了全数字化的数据采集过程,获得了岩体裂隙扩展演化规律和破裂过程的声发射行为。     

基于漏失量测定的采空区覆岩裂隙带高度探测技术

煤矿井下采空区的形成导致采场周围岩体的应力重新分布,覆岩在垂向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带3个不同变形特征的分带,裂隙带高度是瓦斯抽采、矿井防治水等工作的重要参数。分析了煤矿井下采空区覆岩破坏理论和裂隙带高度确定方法研究现状,研究了基于井下钻孔岩层漏失量测定的采空区覆岩裂隙带高度探测技术与方法,研制了水压膨胀式封隔器和双通道式测试管柱等测试设备,水压膨胀式封隔器膨胀系数大,与钻孔壁贴合紧密,实现钻孔分段严密封堵,且体积小、耐磨;双通道式测试管柱,一路用于膨胀孔内封隔器,另一路用于注水测定岩层漏失量,解决了以往采用橡胶软管耐压差、易损坏、软管与钻杆缠绕导致输送困难等问题。黄陵某矿现场应用表明,采用水压膨胀式封隔器和双通道式测试管柱等测试设备、基于漏失量测定的煤矿采空区覆岩裂隙带高度探测技术,可方便、快速、准确地测定采空区覆岩裂隙带高度,为矿井高位孔瓦斯抽采及顶板防治水提供技术依据。     

基于数字钻探的岩石c-φ参数测试方法

岩石黏聚力c和内摩擦角φ(以下简称c-φ参数)的准确测试是进行地下工程支护设计优化及信息化施工的基础。传统的岩石室内试验方法测试步骤繁琐,周期长、成本高,无法进行原位测定。数字钻探技术为现场准确测定岩石力学参数提供了新的途径,实现该技术的关键在于建立随钻参数与岩石c-φ参数间的定量关系。基于此,本文根据岩石切削破碎特征,建立了一种不预设破坏面的岩石切削力学模型,弥补了现有岩石切削力学模型将破坏面假设为平面,从而与岩石受切削时实际的破坏面特征存在差异的不足。基于滑移线理论推导了岩石极限切削力,得到了随钻参数DP(Drilling Parameters)与岩石c-φ参数关系式(DP-cφ关系式)。将利用自主研发的岩体数字钻探测试系统开展室内试验所得到的随钻参数与理论计算得到的结果进行对比分析,两者平均差异率为8.44%,验证了所建立的岩石切削力学模型和DP-cφ关系式的合理性和正确性。在此基础上,提出了岩石c-φ参数数字钻探测定方法,并通过室内试验进行了该方法与传统三轴试验方法测定结果的对比分析,结果表明:两种方法得到的岩石黏聚力和内摩擦角平均差异率均小于10%,证明了本文所提出的数字钻探测定方法的有效性和可行性。该方法实施方便、快捷,可实现现场工程岩体c-φ参数的原位测定。     

Empirical and theoretical methods for designing soft semi-impermeable protective barriers

The paper briefly presents three Hungarian methods of simulating the onset of mine water inrushes through a protective barrier, based on an empirical approach, hydrofracturing technique and hybrid method. The empirical and hybrid methods are based on the empirical distributions of the threshold hydraulic gradients of the protective barriers and can be successfully used for forecasting mine water inflows and for designing water barrier pillars. However they do not necessarily agree with the hydrofracturing phenomenon actually observed in practice. The hydrofracturing approach of protective barrier design was based on (some) laboratory experiments. The paper presents hydrofracturing test results and rock stress analyses in the area of a mine opening. These results have demonstrated that the necessary conditions for hydrofracture exists in an area 20–40 m immediately surrounding a mine opening owing to the increased minimum normal principal stress component. The true value of the traditional analytical model and the empirically determined threshold values can also be determined on the basis of the hydrofracturing approach. This new model for the design of protective barriers offers the following advantages: The necessary thickness of the protective barriers can be based on direct measurements instead of the use of mine water inrush experiences of ‘analogous’ mines. Water barrier pillars can be better designed and new preventive measures selected based on the knowledge of local rock stress conditions.     

利用声发射法和变形率变化法联合测定地应力

针对葡萄牙南部Neves Corvo，SA(Somincor)矿区一垂直钻孔钻取的岩芯，利用声发射法（AE法）和变形率变化法（DRA法）联合测定该区域垂直向地应力。试验表明：矿区垂直向地应力呈现随深度增加而增加的趋势，但由于受褶皱、断裂等多种地质因素的影响，随深度的增加，由AE法和DRA法测得的地应力值差别也越大；通过AE和DRA试验曲线确定地应力在较大程度上依赖于对试验曲线中拐点的判断，而这种判断必须结合曲线本身的特点进行。在同一个试样上同时利用AE法和DRA法测定其地应力不仅是可行的，二者还可相互印证，确保了试验数据的可靠性。     

填塞长度对单孔爆破轴向损伤分布影响研究

为研究在爆破过程中填塞长度对圆柱岩样爆破效果的影响,通过数值模拟方法建立了分区域圆柱岩样单孔装药的三维模型。通过改变填塞长度,对爆破过程中填塞物及圆柱岩样的损伤情况、位移变化和裂纹扩展进行了对比分析。结果表明：模拟结果与圆柱岩样实验室爆破裂纹扩展与损伤情况相一致,验证爆破模型可有效模拟岩石爆破过程。在填塞长度为炮孔长度的23.7%内,填塞长度的增加可显著抑制填塞物冲出炮孔程度,而超过此区间后,单位抑制效应微弱。填塞长度从炮孔长度的7.9%到39.5%,岩柱表面裂纹网络复杂程度逐渐降低,但裂隙宽度显著增加。在炸药引爆后岩柱中部区域的损伤值最高,在填塞长度为炮孔长度的23.7%时取得最高值为0.75。在岩柱上部区域,损伤随填塞长度呈现凹形变化,差值在0.0543;而五种填塞长度在岩柱中部区域的损伤差值最大,为0.0679;对岩柱下部区域的损伤影响较小,变动幅度为0.0099。填塞长度的合理选取为实现精确区域爆破和提高爆破效果提供了新的途径。     

岩溶发育石灰石矿山逐孔起爆技术试验研究

岩溶会导致爆破能量的泄漏,严重影响岩石的破碎和爆破效果,而相邻炮孔炸药可能因殉爆引起大面积的拒爆事故;采用逐孔起爆时,每个炮孔有3个及以上的自由面,有利于岩石抛掷,相邻两个药包不同时起爆,避免了应力降低区的出现;逐孔起爆技术的关键是高精度导爆管起爆系统、确定合理的孔间和排间微差时间,以及起爆网络的正确设计;在岩溶发育石灰石矿山进行的逐孔起爆试验结果表明,逐孔起爆技术能改善爆破效果,显著降低爆破震动效应,降低矿山生产综合成本,并有效预防大面积拒爆,提高矿山安全作业水平。     

基于SURPAC构建罗卜岭铜钼矿岩体基本质量的空间分布

矿山无岩体揭露工程时,由于无法直接测得与岩体基本质量相关的参数,从而不能判定岩体的稳定性级别。本文以钻孔岩芯为研究对象,对岩芯进行了点荷载强度的测定和岩石质量指标RQD的统计。基于岩石点荷载强度和单轴抗压强度之间的关系,以及岩石质量指标RQD和岩体完整性指数之间的关系,得到了每个钻孔在空间上连续分布的岩体基本质量。将获得的岩体基本质量作为数据源,借助SURPAC块体模型并采用距离幂次反比法估值了整个矿体的岩体基本质量,构建了矿体的岩体基本质量空间分布。研究结果为确定岩体基本质量以及判定岩体稳定性级别提供了方法,为采矿方法的选择以及开拓、采准工程布置提供了依据。     

高压压水试验渗透系数的求取

从紊流非达西流角度出发,利用压水孔水压、压水段长度、观测孔水压和流量等参水,推导出高水压条件下岩体渗透系数计算公式。结合某矿下组煤底板压水试验成果,分析了不同水流状态下计算的渗透系数的差异性,得出水流状态对岩体渗透系数计算的结果影响巨大,水压的变化引起岩体渗透性的剧烈变化。本文建议的渗透系数计算公式为裂隙岩体紊流状态下的非达西流渗透系数的计算提供了一种有效的方法。     

高地温矿井巷道围岩调热圈温度分布规律试验研究

矿井热害给井下作业人员健康和安全生产带来威胁。为了掌握高地温矿井巷道围岩调热圈温度分布规律，提出了巷道围岩测温钻孔及感温光缆的布置方式，通过分布式光纤测温系统的工业性试验，得出以下结论:随巷道围岩钻孔的延深，温度增长率不断减小，先上升后趋于平稳；通过加权平均与数据拟合方法，确定了巷道围岩温度和孔深的定量关系，测出1号、2号、3号钻孔的调热半径分别为30.95，30.25，30.75 m，实测巷道围岩调热圈半径最大为33 m；通过巷道围岩调热圈计算软件，验证了预测值与围岩钻孔实测结果基本一致。研究结论对矿井热害科学防治、保障职工身体健康和提高矿井热害防治技术水平具有重大的现实意义。     

地下工程裂隙岩体渗透张量计算分析

选取甘肃某花岗岩体中一深500 m、直径92 mm的垂直钻孔为研究对象,运用传统的岩芯编录与现代化的钻孔成像技术相结合的方法,对钻孔岩体节理进行了详细的调查统计。并对该钻孔进行了高压压水试验,在此基础上运用Fortran语言编制了裂隙岩体渗透张量的计算程序,方便快捷地计算出渗透张量各个分量大小、渗透主值及渗透主方向。