金属矿采空区三维探测及可视化建模与应用

准确掌握采空区形态、大小及其边界是控制因采空区引发的灾害及优化采矿设计等的重要基础性工作。运用空区三维激光探测系统对采空区进行精密探测,获取探测数据,对原始数据处理后,运用三维建模软件Surpac精确构建复杂空区三维可视化模型,直观地表达空区的空间形态;以空区三维模型为基础,进行空区的体积、顶板面积和采场周边的超、欠挖量、存留矿量、采场塌陷区回采指标的计算及动态监测,并准确获得了采空区的实际边界等相关信息,从而为矿山进一步开展矿柱爆破设计、空区充填、贫损测定与控制,以及进行采场垮塌区处理等提供可靠的基础性依据。     

基于采矿环境再造的开采顺序时变优化研究

根据卡房矿新山矿段的地质条件和生产能力要求的实际情况,基于采矿环境再造连续开采的思想,提出了3种可行的开采顺序优化方案。运用MIDAS/GTS有限元分析软件,建立了复杂矿体的三维有限元模型,模拟并分析了3种不同开采顺序优化方案的力学时变效应。研究结果表明：随着开采的逐步推进,采场的应力和位移不断增大,并出现了明显的应力集中;3种方案中采场周围最大压应力均达到了27 MPa,顶板最大压应力不超过15 MPa,最大拉应力达到了1.2 MPa;顶板最大沉降位移值分别为82.9、84.4、84.5 mm;顶板有较大范围的拉应力区域出现,3种方案拉应力区域面积占顶板面积的比例最大分别达到22%、22.3%和23.5%,但拉应力区域的时变规律表现出显著的不平衡性和突变性。运用采场结构对采动过程响应的时变分析,以拉应力损伤区域和顶板的沉降位移为评价指标,提出方案1的开采顺序为最优方案。     

采空巷道上方高速铁路桩板路基模型试验研究

桩板结构作为高速铁路采空区路基的复合地基,目前尚处于工程应用的探索阶段,缺乏相应的机制分析。以合福高速铁路（合肥－福州）上饶五府山车站采空巷道上方桩板结构路基为原型,通过物理模型试验获取桩的内力、土的应力、桩和承台板、土及采空巷道顶板的沉降三大类数据,得出了模型中桩和桩间土的内力分布、路基和采空区沉降规律。研究表明,荷载作用下桩顶处轴力最大,桩身轴力沿桩身逐渐减小,采空巷道段轴力恒定;桩侧摩阻力沿桩身不断减小,桩侧无负摩阻力,采空巷道部分桩侧摩阻力为0;桩土应力比与桩土荷载分担比变化规律相似,桩所分担的荷载随着荷载的增加逐渐增大直至一稳定值;承台板和桩间土的沉降均匀,沉降量很小;采空巷道和非采空巷道上方的路基沉降基本相同,采空巷道顶板最底端基本没有变形;模型中桩板结构对采空区路基加固效果良好。     

桩基后压浆对深基坑降水渗流场的影响

钻孔灌注桩后压浆后,与坑外含水层相比,基坑范围内含水层的渗透系数减小,这对基坑降水渗流场具有比较明显的影响。某广场式建筑由五幢塔楼和地下车库组成,采用桩侧后压浆钻孔灌注桩,基坑开挖深度21m,承压含水层组厚10m,透水性较强,采用敞开式完整井降水,井位主要沿基坑周边布置。在对水文地质条件进行概化后,建立了地下水三维非稳定流数值模型,进行了非均质渗流场模拟,并与均质渗流场作比较。结果表明,坑内后压浆区域的渗透系数减小后,坑内水力坡度变陡,单井涌水量减小,井数应相应增加;若模型计算域全部按注浆后的渗透系数考虑,则会严重降低补给强度、低估基坑总涌水量;在相同的降深要求下,坑内后压浆后渗透系数减小、但坑外渗透系数不变,基坑总补给量基本没有变化。现场监测与模拟结果较为一致。研究成果对类似工程地下水控制有一定的借鉴意义。     

脆性岩石全应力-应变过程渗流特性试验研究

为了探讨岩石在整个变形过程中渗透性变化特点,取三峡永久船闸高边坡花岗岩与山西万家寨水电站高边坡灰岩试样分别进行不同围压条件下全应力-应变过程渗流试验。试验结果表明：岩石在破坏前后不同变形阶段渗流特性具有明显不同;岩石变形过程渗透性与变形破坏形式密切相关。在试验基础上进一步探讨了岩石全应力-应变过程渗流特点之机理,为研究水电工程节理裂隙岩体应力场与渗流场耦合问题提供有价值的支持。     

突出煤和非突出煤全应力-应变瓦斯渗流试验研究

以突出煤和非突出煤的型煤为研究对象,设计两种型煤全应力-应变瓦斯渗流试验方案,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验系统,对比研究了两种型煤全应力-应变瓦斯渗流规律。结果表明,在应力-应变全过程中突出煤和非突出煤的煤样变形和瓦斯流量变化规律基本一致,即两种型煤在应力-应变全过程中瓦斯流量与煤样损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量随着煤样的体积压缩而变小,且在煤样体积被压缩至最小时瓦斯流量降为最低值,煤样开始扩容后瓦斯流量转为增大;瓦斯流量随围压的增大而减小,且围压越大,瓦斯流量随应变变化的幅度越小。煤性对煤层瓦斯渗透性有明显影响,其渗透性可作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标     

库水位上升条件下边坡渗流场模拟

库水位的上升将导致边坡体内渗流场的变化,进而引起边坡的失稳破坏。边坡体内的渗流场是饱和渗流与非饱和渗流共同作用的结果,通过对库水位上升过程中坡体内地下水位线的位置变化及相应的渗流场参数的计算表明:由于上部松散堆积体与基岩渗透系数的差异,基岩内地下水位线的抬升速度明显滞后于上部松散堆积体;体积含水量、压力水头、流速和水力梯度等渗流参量在基岩中的变化幅度较小,而在上部松散堆积体中的变化幅度则相对较大。这说明库水位上升对上部松散堆积体的影响相对来说还是比较明显的。     

三轴压缩下含瓦斯煤的能耗与渗流特性研究

以重庆松藻同华矿K3煤层制备的煤样为研究对象,利用自主研制的渗流装置,进行了不同围压和瓦斯压力下煤样的三轴压缩试验,并应用能量积聚与耗散的方法,研究了煤样在压缩过程中的能耗特征和渗流特性。结果表明：三轴压缩破坏过程中,含瓦斯煤样存在着能量积聚与耗散。煤样以弹性应变能的形式吸收并储存能量;荷载达到峰值时,煤样储存的弹性应变能在瞬间释放转化为耗散能,成为煤样破坏的源动力。围压和瓦斯压力对煤样的能耗特征有较大影响,随着围压增加,煤样吸收的总能量、储存的弹性应变能和耗散能均会增加;随着瓦斯压力增加,煤样吸收的总能量及耗散能呈现缓慢的增加,储存的弹性应变能呈逐渐下降趋势。围压和瓦斯压力对煤样的渗透性亦有较大影响。应力达到峰值前,随着围压的增加,煤样的渗透性逐步减小;随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透性则呈增加的趋势。研究结果可为煤与瓦斯突出的防治和瓦斯抽采提供参考。     

心墙堆石坝应力状态对渗流场影响的有限元分析

一般对土石坝进行渗流分析时都未考虑坝体的应力场对渗流场的影响。然而,在土石坝的蓄水过程中,坝体内的应力状态复杂且变化大,对渗流场的影响也较大。因此,忽略应力场对渗流场的影响必然造成一定的误差。用有限元方法对心墙堆石坝体蓄水过程中考虑和不考虑应力场影响的渗流场进行对比分析,计算结果表明,渗流-应力耦合作用下坝体局部压密变形,渗透流速减小,心墙下游出逸区域的水力坡降峰值明显高于非耦合值。因此,渗流分析时有必要考虑应力场的影响,否则会得出偏于危险且对工程不利的结果     

坝体渗流与边坡稳定性研究

在有渗流坝体中,支持毛细水在垂向与横向上都传递静水压力;它与饱水带构成统一的渗流场,一起进行着横向渗流。因此,对坝体应力分布的研究要同时考虑孔隙水压力和渗流驱动力的作用。如将坝体两坡的静水压力(面力)转做渗流驱动力(体力)时,则其分布范围不仅包括浸润曲面以下的饱水带,而且也包括支持毛细水带;在任一点的作用方向与流向相同。横向渗流速度在垂向上呈不等值分布,存在高速带,故渗流驱动力的大小也不是均布的。     

Study of the hydrogeological characteristics and permeability of the Xinli Seabed Gold Mine in Laizhou Bay,Jiaodong Peninsula,China

This paper presents a case study investigation into the hydrogeological characteristics and permeability of rock mass in a seabed mine. Following an introduction to the geology and hydrogeological conditions in the Xinli mine area, we reveal the features of the preferred structural planes, dynamic characteristics of mine water seepage, and the permeability of the fractured rock mass in the pit. The permeability of the pit rock mass shows varied characteristics at different geotectonic locations because of the different degrees to which the structural planes developed. The fractured rock mass generally shows low permeability, and the main composition of water seepage is high-salinity brine. Future large-scale undersea mining may induce rock mass movement, destroy water-resistant layers, and enhance water transmissibility and the probability of water gushing into the pit. Thus, strengthening the quality of the filling mass, protecting the stope roof and the water-resistant layers, as well as regular monitoring of water seepage discharge and identification of water sources are critical to work safety and the prevention of seawater gushing in the mine.     

岩石渗流-流变耦合的试验研究

通过对试验设备与工艺的改进,发展出一套比较有效的渗流-流变耦合试验方法。以多孔隙石灰岩为对象,研究了不同应力及水压作用下岩石试件的流变力学特性。试验结果显示,试件的应变总体上随偏应力及水压的提高而加大。在低应力作用下,垂向应变的变化量最大。提高应力后,渗流方向应变的增加趋势显著超过垂向。试件的渗透系数与体积变化具有相似规律,在低应力作用下,试件体积不断缩小,渗透系数也随之减小,此时增大水压会使试件进一步压缩。应力增大到某值后,体积逐步扩大而出现扩容,渗透系数也随之增大,此时增大水压会使扩容进一步增大。在各级应力作用下,试件的流变速率均有减速及稳定阶段。当应力较大时,会出现加速流变阶段导致破坏。     

裂隙化硬岩洞室围岩失稳分析方法

根据岩体的力学介质分类和块体理论及赤平投影,结合工程实例,推导了滑动方向的计算公式,研究了裂隙化岩体地下采空区围岩的稳定性分析方法。利用该方法分析了华北某大型地下采空区围岩的稳定性,展示了该模型的实用性。     

多因素组合影响下向进路充填顶板稳定性计算

下向分层进路充填采矿法中,进路充填顶板的稳定对回采过程安全性至关重要,而分层充填体叠加载荷计算一直是顶板稳定性分析的难点。在充分考虑采动岩体荷载、矿体倾角、相邻分层间回采进路的交错布置、充填体与围岩的接触等工程实际后,推导了进路顶板平衡微分方程,求解得到进路顶板静荷载的理论值。结合回采工艺建立了“多跨梁”力学模型,并得到了回采进路顶板拉应力的理论计算公式,分析得到影响进路顶板稳定性的4个重要理论因素：顶板上部载荷σ v、回采进路跨度l、1:4充填体的厚度h、充填体自身抗拉强度[σt]。为充分考虑进路顶板静载荷和回采爆破动载荷影响,利用FLAC^3D对多因素影响下的顶板稳定性进行了数值模拟正交计算。根据模拟结果,分析了各因素对顶板拉应力的影响规律,利用多元非线性回归的方法建立了多因素组合影响下顶板稳定性评价模型。该模型应用到某铜矿试验采场的实际生产,具有较好的指导作用。     

近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析

采动裂隙是瓦斯运移的通道,搞清瓦斯运移规律是瓦斯治理的前提。在考虑岩石动态破坏过程和含瓦斯煤岩渗流-应力-损伤耦合的基础上,结合平煤五矿实际地质条件和开采工艺,建立了数值计算模型,应用RFPA-Gas程序模拟了近距离上保护层采动顶底板岩层变形破坏、裂隙演化规律与瓦斯运移规律。模拟结果较好地再现了保护层开采过程中煤岩层应力变化、顶底板损伤及裂隙演化过程,得到了上覆岩层移动的“上三带”（冒落带、裂隙带和弯曲下沉带）和底板变形的“下两带”（底板变形破坏带和弹塑性变形带）。得到了被保护层瓦斯流量分布、瓦斯压力分布和透气系数的变化规律,卸压煤层瓦斯透气性增大了2 500倍,得到了煤壁下方压缩区和膨胀区之间的张剪瓦斯渗流通道,并将保护层底板压缩区和膨胀区的瓦斯渗流特征提炼出来：压缩区对应的是渗流减速减量区、膨胀区由卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区组成,分别对应着渗流急剧增速增量区和渗流平稳增量区。指出卸压膨胀陡变区是瓦斯突出危险区,为近距离保护层开采瓦斯治理指明了方向。实践表明,瓦斯治理效果显著。     

采场工作面顶板突水的渗流场分析

应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心(CRISR)自主开发的F-RFPA2D渗流与应力耦合分析系统,对煤层顶板随着开采的逐步进行,采动裂隙逐渐向上发展并最终与含水层连通,进而发生顶板突水的全过程进行了数值模拟,直观地显示了煤层顶板的变形、破坏过程以及渗流场在整个岩体的运移过程及其突水前后渗流场的变化情况,从而较好地揭示了顶板突水过程。      

作用在岩体裂隙网络中的渗透力分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发, 以单裂隙渗透力分析为基础, 分析了二维及三维情况下岩体裂隙网络渗流对岩体裂隙壁施加的两种作用力: 垂直于裂隙壁使裂隙产生扩容的法向渗透静水压力以及平行于裂隙壁和裂隙水流方向一致的切向动水压力, 推导出二维及三维情况下裂隙单元因这两种作用力而产生的等效结点力, 并应用算例定量分析了岩体裂隙网络渗透静水压力和动水压力共同作用对岩体应力的影响, 结果显示: (a)渗透力作用下裂隙上部岩体压应力减小, 而裂隙下部岩体压应力增大, 最大压应力增大 10 .5 3%; (b)渗透力作用下裂隙岩体拉应力增大, 最大拉应力增大 9.0 9%; (c)裂隙渗透力使岩体剪应力增大, 最大值达 2 3.75 %。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

Closure of Fracture Due to Cover Stress Re-establishment After Coal Mining

In situ measurements of deformations, stresses, and closure of fractures, affecting water inflow following coal mining, are challenging due to the inaccessibility of fractured rock. In this paper, the authors studied the closure process of the fractured rock mass with the cover stress re-establishment based on a theoretical analysis and a scale model testing. A quantitative analysis is used to study the fracture distribution in the fractured zone. A function to describe a fracture aperture distribution in the fractured zone is proposed, which takes into account the curvature and thickness of the fractured rock. The theoretical analysis and a scale model testing both indicate that the cover stress re-establishment with mining distance increasing and the relationship between the fracture closure and cover stress re-establishment both satisfy a logarithmic function. The scale model test also shows the following features: (1) the fracture ratio (which is the fracture area divided by the total area of fracture and intact rock with a unit width in the vertical or horizontal direction) in the lower part of the fractured rock mass is greater than that in the upper part; (2) the initially fast decreased of fracture ratios is then followed by a slower decrease during the cover stress re-establishment process; (3) in the upper part of the rock mass, the vertical directional fractures with small apertures are being closed with cover stress re-establishment, which indicates an increase in the water resistance reducing the seepage from these parts of the fractured zone. This study improves the general understanding of the fracture closure process and cover stress re-establishment in the fractured rock mass after coal mining ceased, and provides a theoretical basis for water resource protection in case of underground coal mining.     

充填物的力学响应对裂隙渗流的影响

针对膨胀性充填物对裂隙岩体渗流影响方面研究较少的现状,基于大冶铁矿充填介质的水理性质和蚀变岩体力学参数测试成果,在充填物膨胀压力与蚀变岩体力学参数对比分析的基础上探讨了充填物的力学响应对裂隙渗流的影响。研究表明,充填物的膨胀效应对蚀变岩体力学变形起着重要的控制作用,充填物膨胀产生的拉张效应和剪切效应都导致裂隙渗透性的显著增加,并且充填物的塑化效应和液化效应也明显提高了裂隙的渗透性。