大倾角压力管道斜井机械破岩钻进技术与工艺探讨

随着抽水蓄能电站装机容量增加,输水系统发电水头高度增加,长距离、大倾角和大直径压力管道斜井工程成为必然需求,然而,其施工难度大、风险高,成为制约抽水蓄能电站建设的关键技术问题之一。通过梳理目前抽水蓄能电站压力管道开挖方法,分析得出采用爬罐法开挖时,具有工作面通风条件差、人员职业伤害大、辅助作业时间长等缺点;而采用反井法钻进施工时,形成的压力管道直径较小,且反井钻进过程中无法对破碎地层进行有效的初期支护等缺点。鉴于此,以国家"十二五""863计划"项目研制的竖井掘进机为基础,通过设备改造、技术研究和工艺论证等一系列研究,并综合分析在现有专用定向钻机、反井钻机钻进技术和装备的基础上,提出了以定向钻机+反井钻机+井筒掘进机为基础装备的抽水蓄能电站压力管道斜井全断面机械钻进工艺,其简要工艺流程为:(1)采用定向导孔钻进技术钻进反井钻井超前导孔,钻孔偏斜率可控制在0.3%～0.5%,并采用反井钻机扩大导孔;(2)采用反井钻机进行扩孔钻进,形成2.0～2.5 m的导井;(3)采用竖井掘进机进行二次扩挖,并利用导井作为向下排渣通道。此项"三机分步"施工的技术与工艺,能够满足倾角为50°～90°、长度小于800 m、最大直径达5.8 m压力管道斜井的建设需求。机械破岩方式减少了对斜井围岩的扰动破坏,有利于保障围岩的稳定性,能够实现大倾角、长距离和大直径斜井高效机械破岩钻进成井,推动建井技术与装备的机械化、无人化、智能化的发展。     

采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比

物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段,将BOTDA,FBG与DIC光测方法相结合,建立“点-线-面”的试验测试系统以提高测试精度十分必要。基于光测原理,分析了BOTDA,FBG和DIC技术的应变测量,探究了应变局部化带对DIC检测应变的影响,BOTDA和FBG测试本质上是一种“线应变”,而DIC是“面应变”。统计已有的试验研究,得出了不同工况下物理模型试验BOTDA,FBG光纤应变监测数据范围。搭建3 m平面应力相似模型,模拟煤矿工作面开挖77次,推进240 cm。通过埋设在模型内部的1根BOTDA传感光纤以及3个FBG传感器对模型关键层内部变形状态进行监测,同时以DIC实时观测模型表面变形,研究这3种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果,进行对比分析覆岩变形破坏规律,得出3种不同的光测技术测试应变的量化关系,并分析他们对应变测试存在差异的原因。试验结果表明,BOTDA和FBG的测试应变量级相同,在均匀连续变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为15.52~16.70,在非均匀变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为27~133;在应变曲线峰前阶段,DIC与FBG测试应变一致性好,峰后阶段DIC更好地反映了上覆岩层的变形;尽管在测试结果上有量级的差异,但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开、闭合,3种光测方法均可以反映岩层内外部同步性的变形,其发展趋势基本一致,BOTDA,FBG和DIC应变曲线峰值位置偏差较小;对离层出现位置,FBG的偏差为1.13%,FBG测试结果更好;对关键层破断范围,DIC测试的破断范围偏差为1.62%,测试结果更好。     

海洋风化花岗岩崩解特性试验与离散元模拟研究

针对海上风电嵌岩桩基础的施工过程中风化花岗岩的浸水软化崩解对施工安全的影响问题,通过设计浸水崩解装置,开展海洋风化花岗岩的浸水崩解试验,分析风化程度及酸碱溶液对风化花岗岩浸水崩解的影响规律,探究海洋风化花岗岩浸水崩解的机理,并使用离散元模拟风化花岗岩浸水崩解的过程.研究结果表明：花岗岩的风化程度对其浸水崩解速率和程度影响显著,随着花岗岩风化程度的提高,其浸水崩解程度从无明显崩解逐渐发展到部分崩解及完全崩解;黏土矿物胶结作用的丧失是海洋风化花岗岩崩解的主要原因,风化花岗岩中的金属氧化物在酸性溶液中的反应会导致其崩解程度增大.基于平行黏结接触模型建立的离散元模型,可以模拟风化花岗岩的浸水崩解全过程.     

高应力软岩巷道大变形机理及返修支护技术研究

针对高应力软岩巷道围岩破坏及持续变形,已发生大变形巷道如何科学合理返修支护等问题,以白皎煤矿+300水平4号石门运输大巷为例,根据巷道围岩钻孔窥视、围岩力学状况及支护技术综合分析了巷道围岩变形破坏特征,指出构造应力突出、巷道围岩岩性软弱、巷道集中布置、巷道围岩支护强度低、支护材料不匹配、施工质量不达标等是导致巷道持续变形的原因。指出对于已发生离层、破坏的巷道破碎围岩,仅采用锚杆、锚索补强支护时,围岩中不连续变形的存在会导致巷道围岩结构整体稳定性不足,无法有效抵抗应力的持续挤压作用,巷道易发生持续变形,需进行注浆加固将围岩中不连续变形产生的裂隙进行充填,进而通过锚杆、锚索进行支护。在此基础上,提出了"高压注浆+高强高预应力锚杆、锚索联合支护+喷浆"的巷道返修支护方案,即首先通过注浆加固将围岩裂隙及不连续结构面进行及时加固,进而通过强力锚杆、锚索支护对围岩进行支护,在围岩中形成承载结构,通过表面喷浆封闭围岩,阻止围岩风化,提高表面围岩稳定性。数值模拟和现场试验结果表明,采用"高压注浆+高强高预应力锚杆、锚索联合支护+喷浆"后,顶底板最大移近量为109mm,两帮最大移近量为212mm,能有效控制巷道围岩变形。     

综放仰采工作面覆岩移动规律及支架工作阻力确定

综放仰采工作面覆岩运移规律与水平开采工作面有较大差别,顶板垮落频繁,为工作面支架的稳定带来了极大的考验。现有对综放仰采工作面安全开采的研究主要集中在仰采角度变化对覆岩运移规律的影响上,对顶底板受力特征缺乏系统的研究。针对以上问题,以瑞隆矿8102综放仰采工作面为背景,采用UDEC数值模拟软件分析了综放仰采工作面不同推进距离下覆岩运移规律及顶板破断特征:在仰斜开采中,受倾角和开采方式的影响,底煤应力最为集中,工作面具有明显的初次来压和周期来压特征,与近水平煤层综放工作面相比,周期来压步距明显减小,上覆岩层峰值强度相对较低,顶板不易形成结构,来压较频繁,矿压显现较剧烈;8102工作面直接顶初次垮落步距为25m,基本顶初次来压步距为40m,周期来压步距为10～15m。利用顶板-支架力学关系确定支架工作阻力的计算方法较为繁琐,很多方法应用于工程现场不具有实用性,对比了目前几种常用支架工作阻力计算方法的优缺点及实用性,并根据8102工作面实际工况确定了动载荷计算法为最适合的支架工作阻力计算方法,具有计算结果精确且参数容易选取的特点,确定了该工作面的支架最大工作阻力为6 359kN/架,工作阻力大于7 066kN的支架即可满足该工作面支撑要求。工程应用结果证明了利用动载荷计算法计算8102工作面支架工作阻力的正确性。     

弱胶结软岩采场矿压显现规律及支架适应性评价

为保证弱胶结软岩条件下综采工作面安全生产,采用现场实测、理论分析相结合的方法,分析总结红庆梁煤矿11302工作面矿压显现规律及支架适应性。结果表明:11302工作面直接顶初次垮落步距、基本顶初次和周期来压步距分别为9～10 m、43.3～53.3 m及14.27 m。基于工作面液压支架受力进行直接顶及基本顶厚度反演,得到直接顶和基本顶厚度分别为12.1 m和14.6 m,由此确定支架合理工作阻力为13 000 kN,所选支架较为合理。