完全充填开采下地表变形特征分析及现状评价

地下金属矿山充填开采往往被认为是控制覆岩移动和保护地表的有效方法之一。为了对桃花嘴金矿10线以西-270~-570 m多中段8 a来完全胶结充填开采下上覆地表变形特征及现状做出合理的分析评价,建立采场安全现状AHP-Fuzzy评价模型和"采场→覆岩及地表"安全分析模式,按照8 a的历史回采顺序模拟分析区域采–充全过程,并将理论分析结果与矿山近2 a的地表沉降观测数据进行对比分析。结果表明:(1)完全胶结充填开采的25个采场中有22个安全现状属II级较好,11个评价因子中矿体赋存条件、采矿方法以及距离主副井位置对采场及区域安全现状影响相对最为显著;(2)充填开采岩移区域可分为"相对明显扰动区域"和"微扰动区域",覆岩中相对明显扰动区域会形成一定高度的"自然岩移拱",其三维空间形态为近似椭球体,当充填开采达到一定深度时该椭球体对上覆地表影响是微弱的,而微扰动区域则会形成"微沉降盆地",开采区域上覆地表由2014年前的未扰动状态逐渐转变为0.5~1 mm微扰动状态,充填开采时间效应对地表安全影响微小;(3)上覆地表布置的3个闭合环线中的各观测点沉降量整体分别沿着0,-3,-6 mm水平线上下稳定波动,观测过程中沉降量均未超过允许变形值。理论分析与实际观测结果基本一致,地表安全现状总体良好。分析成果对矿山安全生产具有指导意义,同时可为类似充填矿山岩移分析提供借鉴。     

矸石充填开采顶板裂隙分布及演化特征分析

为了分析矸石充填条件下采空区顶板的破裂特征和运动过程,针对唐山矿矸石充填工作面条件,采用倾斜钻孔探测方法,对采空区顶板进行长期多次定点探测,通过裂隙密度定量描述顶板采动裂隙的分布规律,并采用相似模型试验的方法进行辅助分析,揭示矸石充填开采顶板裂隙发育过程。研究表明：矸石充填开采条件下,顶板中的离层和错动等结构裂隙通常出现在岩层分界处,裂隙形式与所处层位相关;随工作面开采,煤层顶板活动具有裂隙孕育、裂隙超前发育、裂隙密集发育、裂隙稳态扩展、顶板稳定5个阶段特征;离层是顶板下沉的主要组成部分,占总下沉量的一半以上。研究结果可为充填开采支护设计、工作面支架选型等提供理论依据。     

高温三轴应力下裂隙后期充填花岗岩渗透特性试验研究EI北大核心CSCD

进行花岗岩母岩(I类花岗岩)、热液充填体(II类花岗岩)、A类裂隙后期充填花岗岩(母岩与充填体之间的胶结界面横向贯通试样,III类花岗岩)和B类裂隙后期充填花岗岩(母岩与充填体之间的胶结界面纵向贯通试样,IV类花岗岩)高温三轴应力下的渗透特性研究。得出I,II,III及IV类花岗岩渗透率随温度变化的阈值温度分别为300℃,200℃,300℃和250℃。低于阈值温度时,4类花岗岩渗透率变化不大;高于阈值温度时,4类花岗岩渗透率分别快速提高了1,3,2及3个量级,其中II,IV类花岗岩渗透率量级在450℃以上达到10-1 mD。利用显微光度计观测了裂隙后期充填花岗岩的细观结构及其在高温作用下热致裂缝数量的变化。发现300℃后长度大于200μm的大裂缝的贯通是导致I,III类花岗岩渗透率增加的原因;充填体因溶蚀作用所具有的较低的强度及劣化的力学性能是致使Ⅱ,IV类花岗岩渗透率大幅超过I,III类花岗岩的主要原因。通过水岩热对流模型分析可知,在裂隙后期充填花岗岩内进行储层建造将大幅缩减施工成本、增加储层水岩换热面积及提高热交换效率,为深层干热岩地热开采提供新的技术及理论思考。     

建下煤体充填开采数值模拟分析研究

结合FLAC3D数值模拟软件,对杨庄煤矿3642采面Ⅲ64采区充填开采过程进行模拟分析,得出充填开采中充填体起到了支撑覆岩和为煤柱提供侧限的保护作用,从而很大程度上减小因煤层开采对地面建筑物的影响。     

地铁施工诱发地表最大沉降量估算及规律分析EI北大核心CSCD

本文系统综述5大类地铁施工诱发地表最大沉降量S_(max)的预测公式及其适用性,并以大量的国内地铁实测沉降资料为依据,总结地铁在不同覆跨比H/D、不同地层条件和不同施工方法下的S_(max)、沉降槽宽系数k、地层损失率V_l及间隙参数g的变化规律及其经验关系。结果表明:(1)经验法需要归纳大量监测成果来预测S_(max);解析方法多适用于地层条件相对单一的施工期不排水条件下沉降估算;半经验公式存在较大的地区性差异;(2)S_(max)主要与地铁所处的一般性地层条件(为了保护临近重要建(构)筑物而采取辅助施工措施来超前加固地层的特殊情况除外)、覆跨比H/D、施工方法等因素有关,其中S_(max)与H/D呈反相关,不同地层条件下盾构法(土压、泥水)施工所诱发的S_(max)平均值为-11.5^-31.3 mm,浅埋暗挖法下S_(max)离散性较大,其平均为-13.0^-41.6 mm,表明在控制地表沉降方面盾构法较优于浅埋暗挖法;(3)不同地层和H/D条件下S_(max)=(-0.28^-0.71)g,S_(max)/g和H/D关系可采用修正Atkinson公式(α=0.15~0.28)及Clough公式(β=-0.55^-1.11)来描述。通过本文系统的总结分析,可相对全面地了解城市地铁施工诱发S_(max)的预测方法及其各自的适用性,为后期类似地铁工程施工诱发地表沉降的准确预测提供科学参考。     

地铁施工诱发地表最大沉降量估算及规律分析EI北大核心CSCD

本文系统综述5大类地铁施工诱发地表最大沉降量S_(max)的预测公式及其适用性,并以大量的国内地铁实测沉降资料为依据,总结地铁在不同覆跨比H/D、不同地层条件和不同施工方法下的S_(max)、沉降槽宽系数k、地层损失率V_l及间隙参数g的变化规律及其经验关系。结果表明:(1)经验法需要归纳大量监测成果来预测S_(max);解析方法多适用于地层条件相对单一的施工期不排水条件下沉降估算;半经验公式存在较大的地区性差异;(2)S_(max)主要与地铁所处的一般性地层条件(为了保护临近重要建(构)筑物而采取辅助施工措施来超前加固地层的特殊情况除外)、覆跨比H/D、施工方法等因素有关,其中S_(max)与H/D呈反相关,不同地层条件下盾构法(土压、泥水)施工所诱发的S_(max)平均值为-11.5^-31.3 mm,浅埋暗挖法下S_(max)离散性较大,其平均为-13.0^-41.6 mm,表明在控制地表沉降方面盾构法较优于浅埋暗挖法;(3)不同地层和H/D条件下S_(max)=(-0.28^-0.71)g,S_(max)/g和H/D关系可采用修正Atkinson公式(α=0.15~0.28)及Clough公式(β=-0.55^-1.11)来描述。通过本文系统的总结分析,可相对全面地了解城市地铁施工诱发S_(max)的预测方法及其各自的适用性,为后期类似地铁工程施工诱发地表沉降的准确预测提供科学参考。     

不同温度养护后胶结充填体三轴卸围压力学特性试验研究EI北大核心CSCD

为研究胶结充填体在煤矿深部的高地温环境下发生卸荷的力学特性,采用RTX–4000型岩石动态三轴仪,对不同温度(20℃,35℃和50℃)养护后的胶结充填体进行不同初始卸荷围压下的常规三轴卸围压试验,得到胶结充填体三轴卸荷全过程的偏应力–应变曲线,分析其变形、破坏特征及强度准则。研究结果表明:50℃养护后的胶结充填体内部产生的有害热应力易使胶结充填体卸荷的应力–应变曲线在峰后阶段出现微破裂现象,进而使得变形模量在随围压卸载的过程中也出现突降和逆向增长。胶结充填体卸荷破坏形式主要为局部张拉裂纹、剪切裂纹以及由热损伤和力学损伤共同造成的错位裂纹。Mogi-Coulomb强度准则能更好地表征胶结充填体在增轴压卸围压条件下的卸荷破坏强度特征;随养护温度的升高,胶结充填体的黏聚力先减小后增大,内摩擦角先增大后减小,黏聚力的变化同卸荷峰值强度的变化规律一致,黏聚力越大,卸荷峰值强度越高,表明黏聚力为影响胶结充填体卸荷峰值强度的主要因素。     

上海软土地区小宽深比基坑变形实测研究EI北大核心CSCD

为了探究小宽深比基坑的变形特性,结合上海虹桥地区23个小宽深比基坑实测资料,在与普通基坑变形对比分析的基础上,对不同形状、不同支护形式的小宽深比基坑变形规律进行研究。结果表明:(1)小宽深比基坑围护结构最大侧移值(δ_(hm))的平均值为0.16%H_e(H_e为基坑开挖深度),明显小于普通基坑的δ_(hm);(2)小宽深比基坑围护结构最大侧移点埋深(Hd)范围为(H_e-6,H_e+6);(3)小宽深比基坑墙后最大地表沉降值(δ_(vm))的平均值为0.15%H_e,小于普通基坑的δ_(vm);(4)小宽深比基坑中井形基坑的δ_(hm)和δ_(vm)均小于狭长形基坑,表现出较强的变形控制能力;(5)小宽深比基坑的δ_(hm)和δ_(vm)与支护形式有关,钢板桩、SMW工法桩、钻孔灌注桩对应的变形依次减小;(6)小宽深比基坑墙后地表沉降呈梯形分布,其沉降影响范围小于普通基坑;小宽深比基坑中狭长形基坑墙后地表沉降影响范围大于井形基坑;(7)小宽深比基坑δ_(vm)/δ_(hm)的平均值为0.96,主要与土层性质有关。     

厚松散层重复开采地表移动变形特征比较与分析

根据某矿厚松散层、大采深、长工作面、机械化采煤条件下2个初采和1个重复开采工作面观测站实测资料,通过移动变形计算和规律分析,获取了基于概率积分法的地表移动变形预计参数,从地表移动持续时间、下沉状态、地表移动盆地特征、概率积分法参数等方面总结了重复开采与初采时地表移动变形规律的差异,为类似地质采矿条件下的重复开采地表移动变形规律分析提供参考。     

厚覆盖岩层条件下地下采矿的地表及围岩变形破坏特性模型试验研究

以某矿山为原型,通过地质力学模型试验,深入分析了厚覆盖层岩层条件下地下采矿引起的地表变形陷落特征和采空区围岩的变形和破坏特征,同时分析了地表变形陷落和围岩变形时间效应特征以及采空区围岩破坏机理。与相应的各种数值模拟结果(二维弹塑性有限元、三维弹塑性有限元、二维离散元等)进行了对比分析,发现物理模拟试验结果比各种数值模拟计算结果更接近于工程现场原位监测结果,试验得到了许多数值模拟无法得到的颇具启发性的全新认识。试验所得出的最优起采深度和一些新认识被有关方面所接受和采用。对工程实际具有重要的指导作用。     

充填法开采引起地表移动、变形和破坏的过程分析与机理研究

基于地表GPS监测及地下围岩变形破坏的调查取证等大量数据资料,以金川二矿区为例,针对由充填法开采引起的地表移动、变形和破坏的现状,分别对其进行了滞后于开采的分析、对矿山井巷工程安全影响的后效性分析及空间发展过程分析。指出导致金川二矿采用充填法开采引起地表移动、变形和破坏的滞后期长、后效性强烈的原因,如充填支护作用与间断面的摩擦作用等等,并指出矿体采出至充填体充入期间围岩发生的移动、变形和破坏与整个矿山的地表岩移、变形和破坏的关系,所得的结论与现场基本一致,对今后的生产具有一定的指导意义。     

不同含水率及黏土含量下松软煤体力学特征试验研究EI北大核心CSCD

运用自行研制的型煤制样设备,借助RMT–150B岩石力学试验系统对不同含水率及黏土含量下松软煤体的力学特征开展试验研究。结果表明:(1)在试验含水率(1.59%~6.50%)范围内,相同黏土含量下的松软煤体均存在一个临界含水率,在该含水率水平时,煤体的抗压强度最高、弹性模量最大;(2)黏土含量由4.00%增加到19.36%过程中,各含水率下的松软煤体抗压强度和弹性模量均呈先增后减的变化趋势,极高点黏土含量皆在11.68%左右;(3)其他条件相同时,随含水率的增大、黏土含量的增多,松软煤体脆性降低而延性增加,泊松比逐渐增大;(4)松软煤体颗粒间液桥力随含水率的变化是煤体宏观力学行为演化的主要原因,适量的黏土颗粒能够作为胶结物进一步强化煤体。研究成果对松软煤层的安全高效开采具有重要的理论意义和工程应用价值。     

崩落法上覆厚大岩层崩落及破裂特性综合研究EI北大核心CSCD

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。     

基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向非线性变形研究EI北大核心CSCD

目前预测基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向变形的简化计算方法大多采用弹性地基模型考虑隧道–地基的相互作用,无法进一步反映土体非线性变形特征。通过引入非线性Pasternak地基模型考虑隧道–地基的非线性相互作用,推导得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形控制微分方程。通过有限差分法将隧道纵向变形控制微分方程转化为矩阵–向量形式,利用牛顿迭代法求解得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形的数值解答。通过与三维有限元算例和2个工程案例进行对比分析,验证所提方法的合理性和适用性。研究表明:当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起量较小时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法与所提方法均能较好地预测隧道纵向隆起位移量;而当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起位移较大时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法明显低估盾构隧道的隆起量,而采用非线性Pasternak地基模型预测计算方法则提供更加可靠的预测结果。     

中等蚀变结构面剪切变形破坏特性及统计损伤模型EI北大核心CSCD

岩体蚀变往往导致其物理力学性能的显著劣化,蚀变沿结构面的伴生分布是蚀变岩地层常见的地质现象,对地下工程围岩稳定性将产生重要影响。针对河北丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩普遍存在的蚀变结构面,选取蚀变程度、充填厚度及岩壁粗糙度基本一致的天然蚀变结构面,通过开展结构面剪切特性试验、声发射(AE)监测等研究工作,分析天然中等蚀变结构面剪切变形和强度特征、破坏模式、AE能量演化规律等,构建基于天然结构面声发射能量规律的剪切统计损伤模型,并分析模型参数对结构面剪切变形和强度的影响规律。结果表明:(1)剪切应力对法向和切向变形均有影响,在剪切后期试样即将破坏前会有剪胀效应;结构面破坏模式主要表现为沿着蚀变充填物破坏,伴随块状颗粒裂解、破碎,最终沿结构面剪切滑移破坏;(2)剪切全过程均伴随AE能量释放,AE信号在应力变化时突增并在应力平衡后趋于平静,在试样剪切破坏前突然活跃,可将整个试验过程分为压密阶段、裂解阶段、破碎阶段及滑移阶段;(3)基于天然结构面剪切过程AE能量定义了损伤变量,假设结构面微元强度服从Weibull分布,推导天然结构面的剪切统计损伤模型,由试验结果验证了所建立模型的合理性和适应性。     

类矩形盾构壳体与土相互作用下周边地层变形模式EI北大核心CSCD

为从地层变形控制能力评价新型类矩形盾构工法的推广价值,依托国内首例类矩形盾构隧道工点试验线,通过有限元模拟判定盾构壳体与土相互作用过程下周边地层的变形规律,并建立了测试项目较为齐全的现场原位试验段,最终构建了类矩形盾构壳体与土相互作用下周边地层变形模式。研究结果表明:垂直于类矩形盾构掘进方向的地层变形可划分为挤土外扩和回弹收缩两阶段,而沿着盾构掘进方向的地层变形受类矩形盾构扁平状壳体背土的影响显著。     

高低层复杂高层建筑厚筏基础反力及变形试验研究EI北大核心CSCD

基于上部结构、基础与地基共同工作的理论,通过高低层复杂高层建筑大型模型试验,找出不同高层和低层在结构刚度和荷载差异下基础沉降、深层土变形和基底反力分布规律及它们之间的相互影响,进一步明确复杂高层建筑的变形控制条件。试验结果表明:单体之间的基础反力和基础沉降的影响范围在3跨以内;高层建筑地基主要压缩层厚度为基础宽度的0.6倍;高层基础整体挠度主要由其本身的刚度和荷载决定;高层两侧差异荷载增加将引起高层本身倾斜线性增长,变形控制中应重点考虑差异荷载对高层倾斜的影响。     

碳纤维布约束下水泥砂浆动态力学及能量特征EI北大核心CSCD

为研究碳纤维复合材料(CFRP)对水泥砂浆的加固效果,针对普通水泥砂浆和CFRP布端面约束水泥砂浆,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)分别进行恒定气压(0.3 MPa)和递增气压(0.2、0.3、0.4、0.5 MPa)循环冲击压缩试验,分析了试件的应力-应变曲线、破坏形态和能量特征.结果表明:与普通水泥砂浆试件相比,CFRP布端面约束水泥砂浆试件的循环冲击次数、峰值应力和峰值应变均有显著提高,且其峰值应力随着应变率的提高而增大;CFRP布的断裂部位主要发生在碳纤维横向连接处,CFRP布减缓了试件内部裂缝的产生,提高了试件的延性,表现出更好的抗冲击能力,试件的残余强度增加;端面粘贴CFRP布可以提高水泥砂浆的能量吸收能力,在相同冲击气压作用下,CFRP布端面约束水泥砂浆产生裂纹所需的能量高于普通水泥砂浆.     

隧道及地下工程注浆效果模糊评价方法的研究与应用EI北大核心CSCD

为进行隧道及地下工程地质灾害注浆治理的效果评价,降低开挖风险,提出一种注浆效果综合评价方法,基于注浆量分析法、检查孔分析法、P-Q-t曲线法以及地球物理探测法,分析并确定注浆效果的主要影响因素,采用层次分析法,建立注浆效果评价指标体系层次结构模型并量化各评价因子,运用模糊综合评价法对二级和一级指标因素进行评价,通过分析评价结果,建立了优、良、中、差4个反映注浆效果的评价等级标准。采用该评价体系及等级标准对江西永莲隧道F2断层破碎带帷幕注浆的治理效果进行评价,隧道实际开挖情况与评价结果基本吻合,初步实现了注浆效果评价从定性、经验性向科学化和半定量化的转变,研究成果可在今后类似工程中推广应用。     

重大水利工程下矿产开采对其安全影响评价及加固措施研究

针对我国矿产资源开发给相关重大水利工程的安全带来隐患这个严重的现实问题,结合实际工程,首先根据相邻矿区开采沉陷现场监测曲线,运用数值模拟方法对杨村矿区岩土体力学参数进行反演分析;然后利用数值模拟软件中的弹塑性模型和流变模型及概率积分法开展煤层开采对西淝河左大堤安全的影响评价。根据现行国家相关规程和我国40多年堤下开采实践经验,初步提出西淝河左大堤受采动影响的抗变形控制指标和折减指标。在上述研究成果的基础上,最后推荐方案3（距堤600 m）为正式开采方案及提出综合防护措施,为解决类似工程,如南四湖、南水北调工程中线总干渠压煤开采等提供一定的借鉴。