高水头下大型导流洞新型堵头-围岩相互作用规律与安全评价

水利水电工程导流隧洞围岩-堵头协同承载的稳定性对于电站蓄水发电和安全运行至关重要。乌东德水电站左、右岸导流隧洞采用柱形堵头取代传统的扩挖楔形堵头,这种新型堵头结构型式在所处围岩条件和高水头作用下的安全性是否满足工程要求是需要回答的重要问题。采用物探、试验等多种手段,并结合能够模拟围岩-堵头渐进失稳破坏过程的数值计算方法,分析了高水头作用下直柱形、曲柱形、楔形等不同结构型式堵头与围岩相互作用的力学响应规律及其安全性,获得的主要结果包括:(1)给出了不同型式堵头与围岩相互作用条件下的抗滑力计算公式,揭示了扩挖楔形堵头-围岩协同承载的"楔形夹持效应"和曲柱形堵头-围岩协同承载的"弯段效应"等力学机制;(2)获得的乌东德导流洞堵头段围岩与混凝土的接触状态显示,堵头段衬砌-喷层-围岩整体接触紧密、胶结良好,接触面未见软弱充填物及张开现象,同时建议了这些接触面抗剪切强度参数;(3)在高水头作用下,不同类型堵头?围岩相互作用的变形规律基本一致,堵头压缩变形传递影响范围约为堵头长度1/2,水压力引起的变形影响范围约为1倍洞跨,且堵头混凝土与围岩间抗剪作用未完全发挥,有效抗剪作用范围约为1倍洞跨;(4)当堵头与围岩之间接触面力学性状较差时,堵头安全裕度由高到低依次为楔形堵头、曲柱形堵头、直柱型;当堵头与围岩之间接触面性状较好时,采用柱形堵头可提供与传统楔形堵头基本相同的安全裕度。最后,对乌东德水电站导流洞施工期及运行期堵头?围岩相互作用的安全性进行了评价,表明柱形堵头结构可承受的安全荷载在3.1～7.4倍设计水头之间,大于所执行规范要求的安全系数,采用柱形结构型式是可行的,可为类似工程提供参考。     

西准噶尔白杨河铍铀矿床中铍与铀成生关系初探——来自围岩蚀变和矿石矿物接触关系的证据

与高硅富氟火成岩(流纹岩或花岗斑岩)有关的铍矿床中常伴有铀矿化,其成矿特色明显,是认识岩浆-岩浆热液-热液演化过程中铍与铀地球化学行为异同的理想对象,但其中铍与铀成矿的时空关系及成因关系尚不清楚。为了理解该类矿床中铍与铀的成生关系,并为区域内铍与铀的找矿勘查提供理论支撑,本文选取该类矿床的典型代表—西准噶尔白杨河铍铀矿床为研究对象,通过镜下观察、扫描电镜能谱和激光拉曼光谱分析,对矿区内单铍矿石、单铀矿石和铍铀矿石开展了系统的岩相和矿相学研究。结果显示,与铍矿化相关的围岩蚀变为钠长石化、电气石化、白云母化、萤石化、碳酸盐化和绿泥石化,与铀矿化相关的围岩蚀变为硅化、赤铁矿化、萤石化、伊利石化和锰矿化(含少量铅),且铍铀矿石中可见沥青铀矿切穿羟硅铍石的现象。结合铍与铀的地球化学行为和前人研究成果,认为白杨河铍铀矿床中铍矿化与铀矿化应是不同期热液作用的结果:铍矿化可能是花岗斑岩深部岩浆房分异的岩浆热液在不断演化过程中形成的,而铀矿化可能与后期流体(如幔源流体、加热循环的大气降水等)的淋滤作用有关。     

地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟研究

隧道围岩受地震荷载作用影响产生开裂变形,给交通、安全与经济带来极大影响,为提升隧道安全稳定性能,以某市隧道为对象,研究地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟。综合考虑地震动作用与地震波扩散特性,利用FLAC软件构建三维动力模型;通过边界设置解决地震波反射问题,基于物理力学参数与地震荷载条件,通过相对变形法研究地震条件下深埋隧道围岩变形特性、能量聚集特性与安全性能。研究结果显示:深埋隧道围岩受地震荷载作用影响,形成挤让、椭圆化的变形走向;变形达到最高值时,应变能量密度高于2350 J/m^3的区域集中在隧道Ⅰ洞左侧围岩边墙和中夹岩柱上;各监测点安全系数呈非对称性,隧道右侧下角区域安全系数低于国家相关标准,计算结果与实际测量结果一致。     

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。      

基于广义张-朱强度准则的深埋隧道围岩塑性分析及应用探讨

深埋隧道是交通建设中关键性和控制性的工程,近几年得到了迅速和蓬勃的发展。目前,深埋隧道围岩塑性分析,多采用Hoek-Brown强度准则,该准则只考虑了最大、最小主应力对围岩屈服的影响,与深埋隧道围岩三向受力的特征不符。根据Lee和Pietruszczak提出的递推计算方法,对围岩服从广义张-朱（generalized Zhang-Zhu strength criterion,简称GZZ）强度准则时的变形及周边应力分布进行了研究。发现当采用GZZ强度准则时,深埋隧洞洞壁位移、塑性半径明显减小,塑性区径向应力、环向应力均增大;中主应力系数增大,隧洞周边应力进一步提高。上述解法与引入面外应力解法相比,洞壁位移减小了26.6%,但塑性半径相差不大。应用GZZ强度准则计算了建平隧道围岩变形控制值,解决对深埋隧道围岩变形控制值认识模糊和无法有效判定的问题;继而改进开挖方案,有效提高了Ⅳ、Ⅴ围岩的掘进速度,实现了建平隧道安全快速的施工,获得了良好的工程效果。     

大倾角煤层分层综采再生顶板破断规律研究

针对大倾角厚软煤层下分层安全综采问题,结合淮南矿区潘北煤矿1212（3）大倾角厚软煤层分层综采下分层工作面地质与工程条件,综合运用基于数字散斑、声发射监测与分布式光纤传感技术的物理模拟试验、基于煤系地层赋存禀赋建模技术的数值模拟试验相结合的研究手段,开展了下分层开采再生顶板破断倾向分区演化、再生岩体变形声发射能量与光纤应变响应规律及应力分布特征研究。结果表明：再生顶板破断由其破断岩块滑移、低中位悬臂梁和高位铰接岩梁断裂组成,双梁破断是引起下分层支架失稳的关键所在。下分层中上部双梁破断声发射能量呈高度聚集且持续时间短,光纤感知低位悬臂梁破断且中上部光纤应变峰值高,下分层中上部是支架与再生顶板稳定性控制的重点区域。下分层下部再生顶板破断岩块充填密实且粒径小,是架间与架前岩块漏冒多发区域。下分层再生顶板中形成高应力组成的应力拱,距采空区高度约30 m,双梁破断主要发生在拱内,拱中岩体破断对支架具有一定的冲垮作用。     

煤巷弱胶结顶板稳定性分析与变形控制技术

煤层顶板为弱胶结岩体时稳定性差,常在煤炭回采过程中或巷道掘进时发生大变形或失稳等现象,维护难度较大。针对煤巷弱胶结粉砂岩顶板力学特征与变形控制等问题,以广西林场煤矿煤巷弱胶结粉砂岩顶板支护工程为工程背景,采用现场调研、实验室试验、理论分析等方法进行研究。通过现场调研,发现研究巷道有顶板岩层自承能力差、受水环境影响、支护结构失效率高、底板受水影响底鼓量大、受采动影响等特征;顶板岩石点荷载试验表明,其单轴抗压强度仅为1.9～ 2.3 MPa,采用电镜扫描发现,弱胶结粉砂岩以粗粒矿物为骨架;在普氏理论的基础上,推导了巷道顶板和两帮承压极限表达式,提出了提高巷道围岩整体强度和承载能力、确定合理的锚杆支护参数、顶板设计锚索加强支护等弱胶结巷道围岩控制要点。依据试验分析与理论研究成果,提出了以注浆加固为基础,锚杆和锚索联合支护的控制方案,并在林场煤矿进行了工业性试验。现场监测数据表明,设计的支护方案可以有效地控制煤巷弱胶结粉砂岩顶板变形。     

基于DFOS的采场围岩变形破坏监测研究进展与展望

原生地质体在煤岩层采掘条件下将发生变形破坏,相关物理属性(应变场、渗流场、化学场、温度场、地球物理场)随之改变,为了对变形破坏机理进行精细化分析需对场源特征进行重构反演,因此,亟需一种高灵敏度、性能稳定且分布式的监测系统对上述场源信息进行实时动态监测。基于光纤传感测试技术自身的优点(分布式、稳定性高、抗电磁干扰等),可以弥补常规电阻式和振弦式传感器的不足,能够对采场围岩变形进行动态监测,获得的海量数据体为围岩变形场、应力场的恢复和重构提供支撑。详细介绍了布拉格光纤光栅(FBG)、光时域反射技术(OTDR)、布里渊光时域反射技术(BOTDR)、布里渊光时域分析技术(BOTDA)、布里渊光频域分析技术(BOFDA)的工作原理、优缺点及适用条件,阐述了其在顶底板变形破坏、支承压力、断层活化监测、煤柱稳定性监测及破碎岩体注浆加固稳定性监测等方面的研究进展。分析了分布式光纤传感测试技术在当前研究中存在的问题、研究的热点,指出了后期研究的发展趋势,提出建立井上下一体化多参量信息融合监控预警平台,构建多相多场融合判别技术体系,为透明化智慧矿山建设提供数据支撑。     

薄互层条件下围岩变化对煤层反射波的影响研究

为研究薄互层条件下围岩变化对煤层反射波的影响,以地震勘探中λ/4薄层范围内含煤地层为研究对象,建立围岩岩性、厚度与结构变化三类模型,基于薄层反射系数谱理论中Brekhovskikh方程,计算并总结围岩变化对煤层AVO曲线、属性及道集的影响。研究结果表明:λ/4范围内围岩岩性变化会对煤层AVO响应产生显著影响,其中顶板为砂岩会使得煤层AVO截距和梯度属性明显增大,顶板为泥岩会使得煤层AVO截距和梯度属性增大,且顶板岩性不同,对应的煤层AVO道集特征也会发生变化;λ/4范围内围岩互层结构和厚度变化会对煤层AVO响应产生一定影响,但是影响较小,其中围岩互层结构的变化会使得煤层AVO道集特征产生变化,围岩厚度的变化会使得煤层AVO截距属性产生变化;基于界面型的Zoeppritz方程不适用于薄互层含煤地层的正演模拟,应选取更适用于薄互层的Brekhovskikh正演方程或者其他模拟方法。      

基于理想点-可拓云模型的隧道围岩稳定性评价

为了对隧道围岩稳定性进行准确评价并解决研究过程中存在的模糊性和随机性以及评价指标不相容的问题,减少单一的主客观赋权法所带来的误差,将云模型引入可拓理论中,利用可拓理论能够实现矛盾问题向相容问题转化的特点和云模型具有处理事物双重不确定性的优势并结合理想点组合赋权法对隧道围岩进行稳定性评价研究。通过文献调研、数据统计的方式,选取具有代表性的6个指标组成隧道围岩评价指标体系,用理想点法赋予评价指标组合权重,并构建可拓云模型对隧道围岩稳定性进行综合评价。通过将此方法应用于工程实例并与其他方法对比,结果表明:基于理想点-可拓云模型的隧道围岩稳定性评价方法能够减少评价过程中存在的不确定性问题,克服单一赋权方法的不足,具有良好的适用性,可以应用于实际工程中。