断层影响下隧道喷锚支护效果的数值模拟

喷锚支护是以喷射混凝土、锚杆支护为主要手段,保证围岩稳定的隧道施工方法,其参数设计是维护隧道围岩结构稳定性的关键。结合大华岭隧道及F1断层的结构特点,根据隧址区断层实际走向、断层面产状与隧道轴线不同夹角,采用半经验半理论方法,设计F1断层段锚杆支护参数及混凝土喷射厚度,利用岩土与隧道分析软件MIDAS/GTS对断层影响下的隧道喷锚支护效果进行数值模拟,分析了特定施工段支护前后沉降对比及位移量,讨论了围岩和支护体系的结构状态及工程效果。结果表明,合理选择喷锚支护设计参数可以有效地限制围岩位移,维护围岩的稳定性。该方法可为同类隧道锚杆支护设计、施工和研究提供有益借鉴。     

巷道钢纤维硅粉混凝土喷浆支护试验与应用

为解决普通混凝土喷浆支护浆体开裂、巷道变形严重的问题,提出采用钢纤维硅粉混凝土对其进行湿喷支护。通过试验研究钢纤维掺量与形状、硅粉掺量和减水剂掺量对混凝土抗弯强度的影响规律,得出最佳的钢纤维硅粉混凝土配比,应用于某矿的回风斜井喷浆支护。结果表明：波浪型钢纤维对混凝土抗弯强度提高能力远大于平直型钢纤维,最佳的波浪型钢纤维掺入率为1.5%,最佳的硅粉掺量为替代水泥掺量的10%,最佳减水剂掺量为0.6%。通过喷层应力监测和围岩变形观测证明了钢纤维硅粉混凝土喷浆支护控制巷道围岩的可行性.     

软岩巷道围岩控制技术

为解决朱仙庄矿采用锚网喷+全封闭29U可缩支架支护巷道围岩变形量大、支护结构破坏严重的难题,提出了锚网喷+全封闭29U高强支架为核心的支护方案,并采用FLAC3D数值模拟软件对不同支护方式下的巷道围岩应力分布、位移和塑性区特征进行了对比分析。数值模拟结果显示锚网喷+全封闭29U高强支架支护巷道围岩应力集中区更靠近巷道中心,位移和塑性区范围均较小。工程实践表明,锚网初喷+全封闭29U高强支架支护巷道两帮收敛量和顶底板移近量的最大值分别为155 mm和270 mm,在矿压观测后期,巷道日变形量小于0.2 mm/d。     

巷道锚杆(索)分次支护技术研究与应用

分析了巷道围岩变形破坏类型,并根据地层压力效应,将围岩失稳的作用机理分为变形压力机理、松动压力机理和膨胀压力机理;阐明了巷道锚杆(索)分次支护技术的基本原理,并在陕西美鑫矿业有限公司冶坪煤矿1308运输顺槽掘进工作面布置2个对比试验段,对分次支护的支护效果进行评价,结果表明,采用分次支护技术的巷道顶板位移量稍大,但仍在合理范围内。分次支护技术可有效提高掘进效率,降低支护成本,具有极大的工程价值。     

钢纤维形状对混凝土力学性能的影响及湿喷支护应用研究

为详细研究不同形状和掺量钢纤维对混凝土的增强性能,以更好地应用于巷道湿喷支护,选取了平直型、波浪型和凹凸型钢纤维,通过试验分别研究了3种形状钢纤维在掺量为0、20、40、60、80、100 kg/m3时混凝土的抗拉和抗弯强度。将最佳形状和掺量的钢纤维应用于巷道湿喷支护,通过现场观测分析了钢纤维混凝土湿喷支护效果。结果显示:不同形状钢纤维增强混凝土抗拉强度和抗弯强度的排序为:凹凸型>波浪型>平直型;钢纤维增强混凝土抗拉强度和抗弯强度的最佳钢纤维掺量为60 kg/m3;钢纤维混凝土湿喷支护能够有效控制巷道围岩,比普通混凝土的喷浆支护效果好。     

华蓥山隧道复合式衬砌的支护抗力评估

通过对隧道复合式衬砌的支护抗力分析 ,并利用结构承载力设计法分别计算了隧道围岩承载环、砂浆锚杆和混凝土喷层的承载能力 ,得出了公路隧道复合式衬砌结构承受的支护抗力大小。和现场实测的喷层应力值对比表明 ,两结果基本吻合。最后得出了具有一定工程意义的结论     

超欠挖状态下支护结构的力学特性研究

在传统的喷射混凝土支护结构设计中,通常假设支护结构层是一个薄壁等厚层。钻爆法开挖的隧道围岩表面由于受爆破的影响存在不同程度的超欠挖,导致初期支护喷射混凝土结构层厚度不均匀。充分考虑超欠挖情况下隧道围岩表面的不平整性,根据喷射混凝土支护厚度将支护后的隧道表面不规则形状依据实际喷层情况归结为未完全填充、局部填充和完全填充三类。基于弹性力学厚壁圆筒理论,建立了单一喷射混凝土支护结构和喷射混凝土+钢格栅联合支护结构的等效刚度与最大支护力的理论公式。基于上述原理,结合收敛-约束法对某隧道开挖工程的稳定性进行了分析,得到了隧道支护结构的安全系数。结果表明,所提出的方法对超欠挖隧道的稳定性分析具有较好的适用性,验证了该方法的可行性。     

华蓥山隧道复合式衬砌的支护抗力评估

通过对隧道复合式衬砌的支护抗力分析，并利用结构承载力设计法分别计算了隧道围岩承载环、砂浆锚杆和混凝土喷层的承载能力，得出了公路隧道复合式衬砌结构承受的支护抗力大小。和现场实测的喷层应力值对比表明，两结果基本吻合。最后得出了具有一定工程意义的结论。     

多喷层联合支护技术在修复软岩巷道中的应用

针对平煤四矿丁戊组石门大巷"大弧板段"受松软岩层及断层组结构影响的特点,在结合相关软岩支护理论及工程实践的基础上,分析了此段巷道变形破坏的原因,提出了围岩多喷层联合支护技术,采用多层锚网绳喷联合支护,并对围岩进行注浆加固,尤其是结合围岩卸压、顶底板同时治理等综合措施,从而有效地控制了围岩变形,取得了较好的支护效果。     

高韧性纤维混凝土在深部软岩巷道支护中的应用

为满足煤矿软岩巷道支护结构高强高韧的要求,改善素混凝土的脆性高韧性差问题,提出了将高韧性合成(粗)纤维与钢纤维混杂掺加到水泥基材料中形成复合水泥基材料,通过喷射工艺使这种复合材料在软岩巷道围岩表面形成一定厚度的喷层与锚杆、锚索等组成联合支护体,完成对软岩巷道支护的方法。通过实验室对选择的混杂合成(粗)纤维混凝土进行力学性能试验,混杂改性合成(粗)纤维增强增韧效果明显。同时对掺入的比例进行了优选。用FLAC有限差分程序计算的设计软件对初选的支护参数进行支护效果模拟验算和对支护参数进行了优化选择,经过3 a试验巷道的观测,素混凝土对比段已经出现开裂和脱落修护过一次,纤维混凝土试验段巷道依然完好,取得了很好的支护效果。     

深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析

针对深厚表土层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,对高强钢筋混凝土内壁的受力机理、设计优化方法、现场实测结果进行了分析研究。首先,采用相似理论设计出模型井壁并进行加载试验,实测得到高强钢筋混凝土内壁的应力、变形和承载力,研究了该种井壁结构的受力机理,结果表明深厚表土层冻结井筒内壁属于深埋于地下的厚壁圆筒结构物,由于内表面的圆形结构特征,在侧向压力作用下,井壁结构中混凝土由外缘的三向受压过渡到内缘的二向受压应力状态,其混凝土抗压强度提高了1.592～1.765倍,井壁承载能力得到显著提高。建立了混凝土抗压强度提高系数试验值的计算公式,获得了高强钢筋混凝土内壁的应力特性和强度特征。然后,基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求,根据模型试验结果和内壁受力机理,提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法,给出了混凝土抗压强度提高系数设计取值。并将设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结段内壁控制层位,井壁厚度由原设计的1 150 mm优化为900 mm,厚度减薄达21.74%。最后,通过潘三煤矿新西风井工程现场实测表明,优化设计后的井壁结构中环向钢筋应力值为-125.8～-136.9 MPa、竖向钢筋应力值为-39.5～-53.2 MPa,远小于钢筋强度设计值300 MPa,井壁中混凝土环向应变为-730×10~(-6)～-790×10~(-6)、竖向应变为-380×10~(-6)～-390×10~(-6),远小于C70混凝土的极限压应变值,说明设计优化后的井壁结构不但经济合理,而且安全可靠。     

井筒采动损坏评价方法

目前国内外对井筒的采动损坏缺乏定量的评价方法,井筒的采动设计与保护容易产生安全隐患。为此,通过总结井筒采动变形、破坏的形式和特点,并根据井壁破坏与围岩变形的关系,主要针对混凝土、钢筋混凝土井壁,建立了科学可行的井筒采动损坏评价方法和指标：以井壁与围岩的竖向变形关系为主要评价指标,分别建立了表土、基岩段井壁竖向压缩（拉伸）变形破坏的计算公式。通过井筒采动损坏实例分析,印证了该评价方法和指标的可靠性。研究成果解决了井筒采动损坏的安全性评价问题,为井筒煤柱开采的安全设计提供了可靠的技术保障。     

Evaluating the use of mineral pumice in falling zones of internal pressure tunnels (Case study: Water transfer tunnel of Sardasht dam power plant)

Internal pressure tunnels and wells that are mainly used to transfer water from dam reservoirs to electrical power plants in rivers downstream are considered among the power plant’s permanent facilities. In order to design reinforced concrete structures in these tunnels, recognizing the concrete lining behavior and interaction between rock mass and concrete and also the effect of internal pressure on the concrete shell and rock mass is of great significance. One of the important and effective issues in inner lining forces is their filler type. In this paper, using the finite difference method by the FLAC software, the analysis of Sardasht dam water tunnel which has been filled with mineral pumice in falling zones has been carried out. Results indicate that by increasing the falling zone thickness while the lining is porous or non-porous, the inner forces are decreased.     

钢筋混凝土井壁与深厚围岩（土）耦合机理的研究

在钢筋混凝土井壁结构破裂的弹塑性理论基础上,利用大型通用结构分析软件ANSYS进行了深厚表土中井壁结构的弹塑性数值模拟计算,得到井壁破裂的过程、井壁内部应力应变的动态变化规律,探讨了井壁结构与深厚围岩（土）耦合作用机理,为深厚表土层中井壁破裂的防治提供了理论依据。     

冲击荷载作用下的井壁混凝土能量与损伤特性

针对深部矿井井壁混凝土产生类似"岩爆"现象的问题,从典型种类混凝土动力学性能角度出发,采用直径为75 mm的分离式霍普金森杆(SHPB)和超声检测装置对普通高强混凝土(NHSC)、钢纤维混凝土(SFRC)和免蒸养活性粉末混凝土(NSC-RPC)进行动力学试验。研究单次和多次冲击荷载作用下,不同种类混凝土的应力、应变行为,能量输入与耗散特征以及损伤程度。分析子弹的冲击速度、混凝土内部能量和损伤程度3者之间的相关关系,探明不同种类混凝土的失效特征与机理。结果表明:3种典型种类混凝土的应力应变、能量和损伤值皆与冲击速度呈正相关性。NSC-RPC的能量承受和耗散能力是NHSC和SFRC的两倍左右,同时NSC-RPC要产生可测损伤值所需要的临界冲击速度亦高于另外两者。多次冲击荷载导致混凝土应力峰值降低,应变增大,材料的承载能力弱化,但多次的冲击行为对NSC-RPC的劣化程度最小,且在多次较低速的冲击荷载下,NSC-RPC仍未出现可测损伤值。在3种典型种类混凝土中,NSC-RPC具有最为优异的抗冲击能力,将NSC-RPC应用为深部地下工程井壁以及关键结构部位材料更具有优势。本工作从应力应变、能量与损伤等多方位因素,揭示深竖井井壁结构在服役期限内的损伤、失效机理,提出深部井筒支护材料的改善措施,为超深井井壁混凝土材料的选择提供可靠的理论依据。     

深井井底车场高地应力硐室群稳定性分析

针对淮南朱集煤矿井底车场中央水泵房这一深埋大断面大规模高地应力松软围岩硐室群的长期稳定性问题,通过数值模拟研究了水泵房开挖、支护后围岩变形和应力场分布特征,采用振弦式混凝土应变计、钢筋应力计、压力盒监测水泵房二次衬砌,获取了二次衬砌混凝土应变、钢筋应力、二次衬砌所受压力的演化规律,分析评价了水泵房围岩稳定性和钢筋混凝土二次衬砌受力状态及其稳定性。数值模拟结果与现场监测结果吻合较好,研究结果表明：一次支护和二次衬砌支护后,泵房围岩变形收敛稳定,二次衬砌受力状态良好,所受最大围岩压力为62．5MPa,安全可靠,钢筋应力值、混凝土应变均未超过强度值。     

常村煤矿N3采区永久避难硐室构建研究与试验

通过声波测试试验,确定常村煤矿避难硐室松动圈深度为1.8~2.0 m,采用锚杆,锚索及锚网喷联合支护方式;根据N3采区最多作业人数、人员及设备体积和围岩坚固系数,确定硐室规模为100人,硐室总有效面积为136 m2,有效长度为39 m、有效宽度为3.5 m,半圆拱形断面掘进宽度为4.7 m,直墙高度为1.3 m,仰拱深度为0.85 m;根据数值模拟分析结果,确定硐室底板受力大于顶板和侧帮,验证了联合支护方式能够有效减小硐室垂直和水平方向的应力和位移,证实了仰拱设计的必要性;通过压力强度计算和围岩安全性分析,确定防护墙厚度为1 m,硐室安全防护结构由密闭缓冲层和混凝土砌碹层组成;通过正压气密实验,测定避难区最大正压值可达2 000 Pa,气密性良好。     

深厚冲积层井筒修复内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁研究及应用

针对板集煤矿副井井筒修复的复杂工程条件,提出采用内套内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁结构。首先,对该种新型井壁结构力学特性进行了模型试验研究,结果表明:在井壁结构中高强钢纤维混凝土的极限压应变可达(-3 710~-3 750)με,显著提高了井壁结构的延性特征;由于内层钢板的约束作用,井壁内缘钢纤维混凝土也处于三向受压状态,钢纤维混凝土抗压强度提高了1.822~1.974倍,从而显著提高了该种复合井壁的承载能力;在板集煤矿副井井筒修复工程中首次应用了内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁,并通过现场实测结果表明,2个监测水平钢纤维混凝土应变分别为-290με和-359με,远小于试验实测的极限压应变值,说明目前该种新型井壁结构混凝土变形小,井壁结构安全可靠。     

高强度钢纤维混凝土的力学特征及在高应力软岩巷道中的应用

为了满足高应力软岩巷道对于支护材料高强度、高韧性的要求,本研究提出在素混凝土中掺入适量高性能钢纤维的方法来改善混凝土的整体力学性能。通过室内试验,对3类高强度钢纤维混凝土及素混凝土试块进行力学性能对比试验,得出在钢纤维体积掺率为1.01%下B型钢纤维具有更好的抗变形和抗冲击性能。以围压恢复加固理论为指导,研究提出了浇灌钢纤维混凝土、全长锚固预应力树脂锚杆被动和主动联合支护结构,配合壁后接顶充填和浇注底梁等关键技术,建立形成了一整套适用于高应力软岩巷道的支护体系。历经两年多的现场应用、监测,实现了对高应力软岩巷道的围岩变形的有效控制,为矿山企业安全作业奠定基础。     

高水压下围岩与竖井井壁相互作用的数值分析

 以研究孔隙型含水岩层为条件,基于流固耦合原理,采用Comsol软件地球模块,建立了考虑一定围岩范围和深埋高水压岩层的平面应变井筒井壁力学分析数值模型,首先就基本数值模型的应力场和位移场与“包神公式”的解析分析公式进行了对比和相互的正确性验证;然后进一步研究了井壁外侧的水压力、井壁混凝土与围岩的剪切刚度比、开挖和支护的时间效应、锚杆等因素对围岩与井壁的力学特性的影响,图形化直观揭示了它们之间相互作用变化的真实规律,为高水压基岩段井壁设计提供参考。