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废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的基础问题探索

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煤炭学报 2021年第10期46卷 3308-3318页

作者：卞正富周跃进曾春林黄赳浦海 AXEL Preusse 张保生 HABIL Christoph Bruecker 白海波孟庆彬陈宁中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 RWTH Aachen University Institute for Mine Surveying Aachen 52062 中国矿业大学电气与动力工程学院江苏徐州221116 City University of London Dept. Mechanical Engineering and Aeronautics London EC1V0HB

废弃矿井抽水蓄能地下水库的构建既可有效利用废弃煤矿地下空间,又可实现风能、光能等可再生能源的大规模利用,还可防止废弃矿井地质灾害的发生。全面阐述了废弃矿井抽水蓄能地下水库的概念与构建技术,根据地下水库所处的工程与应力环境... 详细信息

废弃矿井抽水蓄能地下水库的构建既可有效利用废弃煤矿地下空间,又可实现风能、光能等可再生能源的大规模利用,还可防止废弃矿井地质灾害的发生。全面阐述了废弃矿井抽水蓄能地下水库的概念与构建技术,根据地下水库所处的工程与应力环境,指出了构建废弃矿井抽水蓄能地下水库至少有2个科学问题需要解决:一是水文地质、水化学特征与地下水循环过程对选址的影响;二是围岩体-支护结构的稳定性和密闭性对建设和运行的影响,并全面综述了废弃矿井抽水蓄能地下水库技术框架及研究现状。针对上述问题,结合废弃矿井抽水蓄能地下水库建设的矿井地下空间利用途径、岩体稳定性及地下水库库容、巷道围岩长期变形及支护的时效性与水循环对水源及水质的保障等方面的研究现状,分别从地下水库库容、地下水循环、围岩稳定性与水质因素等4个方面进行研究,揭示了废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的关键因素,即准确计算地下水库特征库容,掌握地下空间有效库容的变化规律;良好的水循环既可保证地下水库合理的库容,又能保证水动力过程不影响工程的安全;明确矿井水文地质特征及水库密闭性、地下空间围岩稳定性及应对措施,保证地下水库合理库容及工程安全;实时全空间矿井水品监测、水污染预测与防治,保障地下水水质安全及抽水蓄能设备安全使用的需要。最后以江苏权台煤矿为例,指出在原有矿井基础上改建为矿井抽水蓄能电站需要采取的措施,论证了废弃矿井地下空间作为抽水蓄能的地下水库利用的可行性,为废弃矿井地下水库构建基础问题进行了有益的探索。

关键词：废弃矿井抽水蓄能地下水库水库库容围岩稳定性水质因素

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哈尔滨城市地铁大断面隧道施工稳定性分析

吉林大学学报（工学版） 2020年第4期50卷 1419-1427页

作者：姜封国白丽丽宋敏王路曈谭小婷黑龙江科技大学建筑工程学院哈尔滨150027 哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院哈尔滨150001 中国21世纪议程管理中心北京100038

以哈尔滨城市地铁隧道施工为工程背景,基于区域地质条件,构建了有限元数值模型,分析双侧壁导坑法和交叉中隔墙法(CRD法)施工过程围岩变形和受力变化规律,结合现场监测手段,分析大断面隧道的施工方法及其稳定性。结果表明:弱围岩区域隧... 详细信息

以哈尔滨城市地铁隧道施工为工程背景,基于区域地质条件,构建了有限元数值模型,分析双侧壁导坑法和交叉中隔墙法(CRD法)施工过程围岩变形和受力变化规律,结合现场监测手段,分析大断面隧道的施工方法及其稳定性。结果表明:弱围岩区域隧道施工,无论是隧道变形总量还是施工引起的地表沉降,双侧壁导坑法均比CRD法有优势,且应力变化、最大应力值均较小,围岩主应力分布也较均匀,而CRD法仅在隧道变形收敛有优势;通过分析现场监测数据可知,施工的先后顺序会影响变形,后开挖的断面会影响先开挖的,使用双侧壁导坑法也能够很好的满足施工的变形控制标准。

关键词：工程结构双侧壁导坑法 CRD法围岩稳定性数值分析

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基于离散元的大型地下阀室围岩稳定性分析

地下空间与工程学报 2022年第S02期18卷 752-759页

作者：俞晓东贾琳刘继平秦天戈吴立浙江省隧道工程集团有限公司杭州310030 中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074

与地下洞室相交的控制性断层改变了洞室围岩的应力分布,而随机发育的节理裂隙加剧应力的不连续现象,进而影响围岩的变形破坏。以宁波拟建的大型地下阀室为依托,基于随机结构面网络模拟原理,针对3条控制性断层和3组优势节理,以离散元3DE... 详细信息

与地下洞室相交的控制性断层改变了洞室围岩的应力分布,而随机发育的节理裂隙加剧应力的不连续现象,进而影响围岩的变形破坏。以宁波拟建的大型地下阀室为依托,基于随机结构面网络模拟原理,针对3条控制性断层和3组优势节理,以离散元3DEC软件为平台,开展地下阀室开挖过程三维模拟,研究了围岩应力重分布、变形发展规律和塑性区演化及其与断层和随机节理的关系。结果表明:在断层或随机节理与阀室围岩相交处,应力存在明显突变现象;阀室边墙的变形程度受阀室高度控制,拱顶的变形量与洞室跨度相关;阀室围岩塑性区通常沿断层带或长大节理面呈条带状分布。最后,通过对比支护前/后的变形特征和塑性区分布验证整体加固的效果,并针对断层带或节理密集区提出局部加固方案,可为类似地下工程的稳定性评价和支护设计提供参考。

关键词：地下阀室围岩稳定性离散元随机结构面模拟支护措施

白坪矿13131工作面上顺槽预筑墙沿空掘巷技术研究

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白坪矿13131工作面上顺槽预筑墙沿空掘巷技术研究

作者：皮浩辰中国矿业大学

学位级别：硕士

本文以白坪矿13131工作面上顺槽为研究对象,通过现场调研、实验室实验、数值模拟等方法,对沿空掘巷巷道围岩失稳破坏原因进行分析。通过理论分析和数值模拟,确定了煤柱留设宽度和预筑墙尺寸,分析了预裂切顶对沿空掘巷围岩稳定性的影响... 详细信息

本文以白坪矿13131工作面上顺槽为研究对象,通过现场调研、实验室实验、数值模拟等方法,对沿空掘巷巷道围岩失稳破坏原因进行分析。通过理论分析和数值模拟,确定了煤柱留设宽度和预筑墙尺寸,分析了预裂切顶对沿空掘巷围岩稳定性的影响。在此基础上,研究提出了沿空掘巷围岩控制技术方案,并开展了现场工业性试验。主要结论如下:(1)白坪矿13131工作面上顺槽属于高应力软岩巷道,巷道围岩变形破坏特征主要表现为顶板下沉、肩窝开裂和两帮内移;通过现场调查和实验室实验得出,顶板与帮部岩性相差过大、煤体承载能力差、动压影响及巷道支护强度低是导致巷道围岩变形破坏的主要原因。(2)根据沿空掘巷在高应力作用下的变形特点,建立沿空掘巷力学分析模型,设计了不同宽度煤柱、预筑墙模拟方案,分析了巷道围岩应力变化规律和围岩位移特征,得出巷道煤柱留设最小宽度为4.76m;对预筑墙的承载力进行计算,得到墙体承受载荷最小值为16.2MPa,并依据计算结果选择标号C25的混凝土进行预筑墙砌筑。随着煤柱或预筑墙宽度的增加,其自身承载能力和巷道围岩稳定性得到提升,围岩变形量明显下降。(3)通过数值模拟方法分析了预裂切顶对巷道围岩的卸压作用。对切顶后煤柱、预筑墙的内部应力监测结果表明,相比于不切顶沿空掘巷,预裂切顶能降低巷道围岩内部应力,有效缓解上层顶板破断回转对巷道围岩的影响。对比分析不同宽度煤柱、不同预筑墙尺寸方案,相较于煤柱,预筑墙强度高,承载性能好,且预筑墙是在13111工作面结束后进行施工,与留小煤柱沿空掘巷相比,预筑墙经受相邻工作面回采的影响小,巷道围岩整体变形量小,煤炭资源利用率高。因此采用预筑墙沿空掘巷更适合13131工作面上顺槽掘进,最终确定预筑墙最佳宽度为2m。(4)根据13131工作面上顺槽的地质条件与围岩变形特征,以及预裂切顶对顶板岩层的应力阻断作用,设计13131工作面上顺槽锚网支护方案,并进行工业性试验。结果表明,受巷道掘进扰动影响范围为60m,采取预筑墙预裂切顶配合高强度锚网支护方案,能够保证沿空巷道的围岩稳定。该论文有图71幅,表13个,参考文献87篇。

关键词：沿空掘巷预筑墙数值模拟预裂切顶围岩稳定性

巷道围岩蝶形塑性区蝶叶方向性形成机制及工程应用

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煤炭学报 2021年第9期46卷 2838-2852页

作者：李季强旭博马念杰张荣光李博西安科技大学能源学院陕西西安710054 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

针对经典巷道矿压理论在进行深部巷道矿压分析时适用性不强的问题,以非等压条件下圆孔周围塑性区边界方程及蝶形破坏理论为基础,理论推导出非静水压力场条件下圆形巷道围岩主应力方向偏转角度与塑性区边界上一点的极坐标角度的余弦四次... 详细信息

针对经典巷道矿压理论在进行深部巷道矿压分析时适用性不强的问题,以非等压条件下圆孔周围塑性区边界方程及蝶形破坏理论为基础,理论推导出非静水压力场条件下圆形巷道围岩主应力方向偏转角度与塑性区边界上一点的极坐标角度的余弦四次隐性方程。基于此隐性方程,采用理论分析、数值模拟和现场试验等综合研究方法,研究了巷道蝶形塑性区分布特征随围岩主应力方向偏转的演化规律,揭示了巷道蝶形塑性区蝶叶方向性的形成机制,并对不同巷道断面形状(圆形、矩形、拱形)、围岩力学参数(软岩、中硬岩、硬岩)以及层状顶板结构(下软上硬型、下硬上软型、软弱夹层型、坚硬夹层型)条件下围岩蝶形塑性区蝶叶方向性的适用性进行了分析;在此基础之上,探讨了蝶叶方向性与围岩变形破坏特征的关系,并对赵固二矿回采工作面运输巷围岩非对称变形破坏机理进行了研究。研究结果表明:蝶形塑性区蝶叶会随主应力方向的偏转而发生偏转,且两者的偏转角度基本相等;同时,巷道断面形状、围岩力学参数以及层状岩层顶板结构均对蝶叶方向性无显著影响,蝶叶方向性具有普适性;受蝶叶方向性的影响,巷道蝶形塑性区的分布特征与围岩变形破坏形态具有一致性,导致蝶形塑性区蝶叶位置的围岩变形破坏相对其他位置严重,造成巷道呈现非均匀变形破坏特征,工作面运输巷围岩现场探测破坏形态与数值模拟塑性区形态基本吻合。

关键词：蝶形塑性区巷道非静水压力场应力方向围岩稳定性

基于二维云模型和Apriori算法的围岩稳定性分级研究

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铁道学报 2020年第6期42卷 121-128页

作者：薛黎明李长明郑志学沈文龙王豪杰中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 北京大学工学院北京100871

针对围岩稳定性分级大多是对未受工程扰动岩体进行分级,以及分级结果难以为支护方式提供决策的现状,建立围岩稳定性的岩体及地质因素和工程因素二维分级指标体系。运用云理论确定岩体及地质因素和工程因素的等级期望值、熵和超熵,通过... 详细信息

针对围岩稳定性分级大多是对未受工程扰动岩体进行分级,以及分级结果难以为支护方式提供决策的现状,建立围岩稳定性的岩体及地质因素和工程因素二维分级指标体系。运用云理论确定岩体及地质因素和工程因素的等级期望值、熵和超熵,通过二维云发生器绘出围岩稳定性分级的二维云图,并向二维体系等级图进行投影,得到围岩稳定性的综合等级。将该模型应用于工程实例,并与一维云模型和实际进行对比,验证了该模型的准确性。该模型得到不同系统耦合作用下的围岩稳定性等级,实现了等级的可视化。通过Apriori算法进行关联挖掘得到围岩稳定性的综合等级决策表,可以快速确定工程的综合稳定性等级,并根据已知综合等级和岩体及地质因素等级确定工程因素的等级。

关键词：二维云模型围岩稳定性耦合综合评价决策表 Apriori

昔格达地层隧道局部浸湿失稳特征及突变预测研究

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岩土工程学报 2020年第3期42卷 503-512页

作者：周平王志杰侯伟名周飞聪杜彦良冯冀蒙徐海岩西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室河北石家庄050043

为研究"见风成粉、遇水成泥"的昔格达地层隧道局部侵湿失稳特征,开展室内土工试验测试含水率对昔格达地层力学性质的影响,应用数值模拟手段探究局部含水率变化的昔格达地层隧道围岩变形特征,引入局部突变理论,提出昔格达地层隧道围岩遇... 详细信息

为研究"见风成粉、遇水成泥"的昔格达地层隧道局部侵湿失稳特征,开展室内土工试验测试含水率对昔格达地层力学性质的影响,应用数值模拟手段探究局部含水率变化的昔格达地层隧道围岩变形特征,引入局部突变理论,提出昔格达地层隧道围岩遇水软化稳定性判别方程,结合现场监测验证结果合理性。研究结果表明:昔格达地层围岩具有显著的水敏感性,其中浅灰色页岩夹砂岩原状围岩的力学性质受含水率的影响最大,当含水率超过敏感界限时,围岩迅速劣化,力学性质出现跳跃式下降;昔格达地层隧道环向局部含水率升高将导致隧道收敛变形加剧,其中拱顶及仰拱处围岩含水率达到30%时,拱顶沉降与基底下沉明显增大,边墙处局部浸湿对周边围岩的水平位移有较大影响,易引发围岩侵入建筑限界甚至突变失稳;纵向仰拱局部浸湿主要存在两种模式:端部浸湿的类悬臂梁模式与初支中部浸湿的类简支梁模式;类悬臂梁模式下,在低含水率下,围岩位移随着靠近浸湿部位而加速增大;在高含水率下,围岩位移随着靠近浸湿部位增长速率放缓;类简支梁模式下,浸湿中心处初期支护位移受含水率变化影响最为明显,拱顶竖向位移降低约64.2%,边墙水平位移降低62.5%左右,拱顶竖向位移降低约84.6%;中心两侧位移变化有所不同,靠近掌子面附近的围岩变形始终大于其他位置;基于昔格达地层围岩水敏感性与遇水软塑特性,建立围岩局部浸湿软化力学模型,导出的围岩稳定性判别方程在实际工程应用中具备可行性与较高的准确性;研究结果可为后期川藏铁路昔格达地层隧道的安全施工及稳定性评价提供指导。

关键词：昔格达地层隧道含水率局部浸湿突变理论围岩稳定性

露天转地下开采引起露天采场边坡垮塌数值模拟研究

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矿冶工程 2022年第3期42卷 14-17页

作者：姜安民董彦辰江学良熊奇伟王飞飞湖南城建职业技术学院湖南湘潭411100 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004 湖南大学土木工程学院湖南长沙410082 长沙矿山研究院有限责任公司金属矿山安全技术国家重点实验室湖南长沙410012

以某金属矿山露天转地下开采引起露天采场边坡垮塌为研究背景,采用三维数值模拟研究方法展现了矿体开采过程中围岩塑性区发展过程,并分析了围岩塑性区分布的变化规律。结果表明:(1)空区上部岩层主要以拉伸破坏模式为主,其他部位岩层主... 详细信息

以某金属矿山露天转地下开采引起露天采场边坡垮塌为研究背景,采用三维数值模拟研究方法展现了矿体开采过程中围岩塑性区发展过程,并分析了围岩塑性区分布的变化规律。结果表明:(1)空区上部岩层主要以拉伸破坏模式为主,其他部位岩层主要以剪切破坏为主,西部边坡坡面的一侧已经与地下采空区塑性区相互贯通。(2)东部矿体采用充填法开采,一定程度上控制了地表塌陷;产生塑性区的部位为西部边坡和靠近西部边坡的露天采场底部。(3)开采前期西部矿体在西部边坡坡面和露天采场底部产生的塑性区较多;开采后续水平矿体对地表塑性区的产生影响不大。(4)模拟矿体开采过程,可将产生的塑性区划分为3个阶段,有2个突变点:第1个阶段对应西部边坡开始出现裂缝、局部垮塌滑坡;第2阶段对应边坡出现较大范围垮塌滑坡、露天采场底部出现裂缝、西部边坡脚出现塌陷孔洞;第3阶段塑性区占比逐渐增加。研究成果可为矿山滑坡治理和矿山安全生产提供参考。

关键词：露天转地下地下开采露天边坡边坡垮塌数值模拟围岩稳定性

深部水平主应力方向对煤巷围岩稳定性影响规律研究

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煤炭工程 2023年第2期55卷 86-92页

作者：李延河翟成丁熊平顶山天安煤业股份有限公司河南平顶山467000 中国平煤神马控股集团有限公司河南平顶山467000 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

为了保证深部巷道掘进过程中围岩稳定,深入分析巷道布置方向和深部水平主地应力分布之间的关系,以首山一矿为工程背景,利用理论计算方法求出最优角度,使用数值模拟方法分析煤巷布置轴向与最大水平主地应力σH不同夹角时模型的塑性区分布... 详细信息

为了保证深部巷道掘进过程中围岩稳定,深入分析巷道布置方向和深部水平主地应力分布之间的关系,以首山一矿为工程背景,利用理论计算方法求出最优角度,使用数值模拟方法分析煤巷布置轴向与最大水平主地应力σH不同夹角时模型的塑性区分布,最大主应力差变化和围岩变形特征。结果表明:煤巷掘进后从煤巷壁面到围岩深部围岩的最大主应力差大致可以分成“增长-降低-稳定”三区;当作用在煤巷两帮的水平法向应力σn与垂直主地应力近似相等时水平地应力对煤巷布置掘进稳定性影响最小,根据对现场数据的理论计算和模拟结果的分析,巷道轴向与σH夹角大小为30°左右时巷道较为稳定。

关键词：深部巷道巷道掘进主应力差巷道布置围岩稳定性