基于CDEM的隧道卸压爆破及岩爆抑制效应模拟

硬岩隧道开挖过程中的岩爆灾害与隧道围岩的应力状态密切相关，卸压爆破可减缓围岩体应力集中程度，是一种直接有效的岩爆防治措施。以巴陕高速公路米仓山隧道岩爆段卸压爆破为例，运用GDEM-BlockDyna(块体动力学仿真系统)软件进行考虑高地应力和岩体非均质性条件的隧道分步开挖数值模拟分析；将卸压爆破作为唯一变量，进行了两组方案(是否进行卸压爆破)的数值模拟对比分析，并结合微震监测数据，对隧道围岩卸压爆破效果进行检验。结果表明:在隧道围岩分步开挖过程(未进行卸压爆破)的模拟中，围岩出现起裂损伤，应力集中和局部裂纹贯通等现象，并可能诱发岩爆灾害；在围岩卸压爆破条件下，围岩应力集中以及损伤程度有所降低，岩爆风险得到抑制。对比两组模拟结果，损伤均集中于拱顶及拱底，损伤半径比值(卸压/未卸压)分别为3.4倍(拱顶)、1.47倍(拱底)，损伤体积比值(卸压/未卸压)为5.36倍，但区域最大损伤量值从1(未卸压)降低到0.6(卸压)，且围岩应力峰值降低约5 MPa，应力梯度降低0.8 MPa ·m-1，表明围岩仍具有自稳能力，岩爆发生风险降低。相关结果可为隧道高地应力围岩段实施卸压爆破和合理设计卸压爆破方式提供理论依据。     

某交通线路色季拉山隧道高地应力岩爆风险定量预测研究

岩爆是在高地应力区域中进行地下隧道建设时所面对的主要风险之一,具有突发性、高危害性等特点。实现岩爆的破坏程度定量化预测,对高地应力区域地下工程的设计与施工具有重要的指导意义。本文通过收集大量国内外典型岩爆隧道的特征参数并进行统计分析,建立了一种能够预测最大爆坑深度的岩爆风险量化预测模型,同时结合室内力学试验、岩体强度损伤准则和地应力场多元线性回归反演等理论和方法,对新建某交通线路色季拉山隧道岩爆风险进行了定量化预测,并与国内巴玉隧道岩爆风险进行相似工程案例对比分析。得出以下结论:(1)本文根据岩爆隧道应力强度比与爆坑深度之间线性统计关系所建立的岩爆预测模型,可实现岩爆风险的量化预测及评估。(2)色季拉山隧道地应力场受构造作用控制明显,同时,全线地应力普遍较高,加之隧道沿线硬岩段落占比大且岩爆倾向性高,高地应力岩爆风险突出。(3)预测色季拉山隧道中等以上等级岩爆风险段落可达12 188 m,占隧道全长的32.1%,岩爆将主要发生在弱风化花岗岩、闪长岩以及埋深较大的片麻岩段落中。(4)色季拉山隧道预测最大爆坑深度为3.42 m,小于已贯通的巴玉隧道实测最大爆坑深度(3.5 m),在合理的防控措施下可认为色季拉山隧道的岩爆风险总体可控。     

深埋隧道岩爆规模现场快速估算方法

以岩爆破坏的洞壁面积及爆落的岩体体积作为衡量岩爆灾害规模的重要指标,提出一种基于现场测量信息的爆坑几何形态快速建模及岩爆规模估算方法,该方法的重要组成部分包括:爆坑形态类型的概化、爆坑测量断面的选取、控制测点的确定及坐标记录、爆坑纵横断面轮廓线线型的拟合、洞壁破坏面积与爆坑体积估算公式的推导。针对工程中常见的窝型与V型爆坑,分别建立了适用于隧道直线形与拱形洞壁的岩爆规模估算公式,探讨了非典型窝型与V型爆坑,岩爆规模估算的近似处理方法。将所提出的方法应用于我国西南锦屏二级水电站深埋引水隧洞工程的岩爆规模估算,典型案例验证结果表明,利用该估算方法所给出的结果与现场实际的岩爆规模接近一致,估算误差约为15%以内。研究成果能够为岩爆烈度等级划分及严重程度的评定提供重要的基础性指标。     

损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数研究

岩体条件复杂多变,为了提高光面爆破的适应性、改善光面爆破效果,对损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数进行研究。通过对深部岩体巷道光爆层原岩应力场、光面爆破机制和振动损伤特征进行分析,基于爆炸应力波和爆生气体综合作用理论,考虑高原岩应力和岩石损伤影响,提出了损伤条件下深部岩体巷道光面爆破参数确定的计算方法。研究表明, （1）高原岩应力相当于提高了岩石的抗拉强度,不利于炮孔初始裂纹的形成及贯通,宜减小周边眼间距;（2）岩石损伤后,其他条件不变,光面爆破的炮孔间距和抵抗线值可适当加大;（3）高原岩应力和损伤条件下,光面爆破的炮孔间距较小时,容易造成爆后围岩损伤,降低围岩的稳定性能,因此,提高爆破效果的同时应及时加强支护,以确保施工安全和围岩稳定;（4）本文提出的光面爆破参数计算公式,经现场爆破验证效果良好,适用于复杂多变的岩体环境。     

硬岩层爆超声波平测法试验研究

为了克服巷(隧)道岩爆破裂演化及监测研究的不足,结合全过程超声波平测法监测,开展了花岗岩试样单面约束情况下的双轴压缩试验,得出了硬岩超声波平测法均质度及波速的确定方法,分析和探讨了硬岩层爆机理及超声波平测波形规律。结果表明,爆裂体呈现明显层裂现象,岩爆核心位于临界爆裂前的临空面内部应力集中区;平测波形可以揭示硬岩层爆的孕育演化进程,在加载过程中超声波平测波速总体呈现阶段性下降趋势,后续波到达时间在加载前期和中期总体变动不大,到了后期明显增加,后续波波幅在加载过程中总体呈现下降趋势,爆裂前波幅有所增加;探讨了超声波平测法在硬岩层爆现场监测中的应用,可以根据平测法波形、波速的变化情况预测硬岩层爆和实现对围岩的无损监测,可进一步通过损伤变量揭示其损伤演化进程并实现预测。     

基于快速应力释放的深埋隧洞岩爆防治对策研究

大型地下工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能而产生岩爆。岩爆作为常见的一类动力失稳地质灾害现象,极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。作为雅砻江锦屏二级水电站的主要工程,千米级埋深的引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆问题。针对锦屏二级引水隧洞岩爆的特点,提出采用快速应力释放的方法防治岩爆,并采用数值模拟的方法优选了倾斜辐射爆破孔方案。数值模拟结果表明：该方法能使岩体内的初始应力快速卸荷,同时使应力集中区向岩体深部转移。通过在锦屏二级引水隧洞工程中的试验与运用,采用声波测试法对实施快速应力释放方案的效果进行检验,验证了快速应力释放方法防治岩爆的有效性。研究成果为解决类似工程岩爆防治问题提供了理论依据和借鉴。     

深部岩体工程响应的特征科学现象及"深部"的界定

根据实测数据和工程实例介绍了深部岩体工程响应中发生的一系列特征科学现象,这些特征科学现象归蚋为静力特征现象和动力特征现象两类。静力特征现象表现为在深部工程围岩中交替出现若干破裂区和不破裂区;动力特征现象表现为深部矿井中的岩块弹射和岩块冒落等岩爆现象和地下爆破时发生的冲击地压动力事件,即岩体中的工程性地震。文中在阐明动力特征现象本质的同时,介绍了与之紧密相关的岩块系的超低磨擦效应、岩块系的准共振现象和岩块系运动时发出的慢速变住波(摆型波)。最后介绍了时深部岩体工程的“深部”概念的应有理解及其如何科学界定。关键词：深部岩体;工程响应;分区破裂化现象;冲击地压动力现象     

第六届矿山中的岩爆与微震国际会议（RaSiM6）征文通知

第六届矿山中的岩爆与微震国际会议(RaSiM6)将于2005年3月9-11日在西澳大利亚的Perth召开,主要议题是微震风险的理解(矿震事件和岩爆的机制与震源模型、基础与实验室实验)、管理(动载荷下的岩爆破损伤与地层支护、仪器监测与数据分析、数值模型与矿山设计)与事例(地下硬岩矿山、软岩、露天铁矿)研究。2004年4月5日前提交论文摘要,8月2日前提交论文初稿。联系人:JosephineRuddle,AustralianCentreforGeomechanics,POBox3296-Broadway,NedlandsWa6009,Australia,Acg@acg.uwa.edu.auTel:+61-893803300Fax:+61893801130,http://www.acg.…     

攀枝花红格钒钛磁铁矿区深部及外围找矿方法分析

红格矿区是我国目前最大的钒钛磁铁矿资源基地,红格基性—超基性含矿岩体主要受区域的三级控岩构造控制。由于大黑山玄武岩浆的喷溢及正长岩体、花岗岩体的破坏,以及后期构造运动的影响,使该区第三级控岩构造转化为以南北向的挤压构造为主。并把原来可能系一个完整大岩体分割成了现在的大小不等、岩相带不全、剥蚀程度不同的十余个岩体(块)组成的岩体(块)群。研究红格岩盆分布特征拓展找矿空间取得外围找矿突破;利用"攀西杂岩层状韵律旋回模式"就矿找矿、预测深部矿体,探边摸底;最后以地磁异常加深部钻孔验证定位深部矿体,是红格矿区深部及外围勘查取得重大进展的有效找矿方法组合。     

南岭地区千里山岩体的空间形态及其与成矿的关系

千里山岩体是南岭地区与锡钨等矿产成矿关系密切的重要岩体,研究其空间特征与控矿作用,对于深部地质填图以及深部找矿预测具有重要意义。利用中比例尺重力资料,确定了千里山岩体的隐伏边界;通过对千里山岩体进行二维、三维模拟反演,揭示了千里山岩体与王仙岭岩体的连接关系和空间形态特征以及与围岩的接触关系。推断认为:千里山岩体与王仙岭岩体在深部相连,呈大岩基产出,并受到深大断裂控制;两岩体三维形态整体表现为气球膨胀式轮廓。结合地质资料,探讨了千里山岩体与成矿的关系,分析认为深部岩基和构造为矿床提供了成矿物质来源、热源及上升通道。     

深部采掘扰动区线性切顶防冲护巷技术

采掘扰动是诱发冲击地压灾害的重要因素,深部采掘扰动区域则受冲击与巷道变形的双重威胁,针对该技术难题,本文研究了线性密集切顶防冲护巷技术。基于关键层理论分析了倾斜煤层关键层倾向破断结构特点,表明关键块B的空间状态是控制正在开采的工作面与迎采巷道矿压显现的关键,给出了采掘扰动工况下的最佳关键块断裂线位置。基于COMSOL模拟研究了不同装药直径下的应力峰值分布规律,结果表明:爆破后应力以指数函数形式快速衰减,给出了不同装药直径下应力峰值分布的拟合公式;致裂半径与装药直径呈幂函数的正相关关系;以顶板岩石抗拉强度为指标值,确定了爆破孔直径对应的最优间距。现场设计实施了不同技术参数的切顶方案,结果表明,相比于传统的深孔爆破,线性密集切顶两钻孔之间能够形成贯通裂隙,从而控制关键层的破断方式,因此钻孔间距是影响防冲与护巷效果的关键参数。通过巷道围岩观测与微震监测,表明线性密集切顶技术能够有效减弱迎采巷道的围岩变形,同时降低正在开采的工作面矿压显现与冲击危险性,现场实践验证了理论与模拟结果,可为类似条件工程提供借鉴。     

我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展

针对我国煤矿井下碎软煤层、坚硬岩层、冲击地压地层、破碎带、水敏性地层等复杂地质条件下钻探技术需求和存在的问题，总结了碎软煤层本煤层钻进与筛管护孔、碎软煤层梳状钻孔定向钻进、复杂顶板高位钻孔定向钻进、全断面硬岩穿层钻进、冲击地压卸压钻进等技术与装备方面的研究和应用情况。提出了碎软煤层双管护孔定向钻进及碎软煤层旋转定向钻进技术与装备的研究思路，有助于提升碎软煤层钻进的钻孔深度、护孔筛管直径和钻进效率等，而碎软煤层定向钻进技术与配套装备的完善也将促进碎软煤层瓦斯抽采模式的变革。防冲防突钻孔机器人的研究是煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备的发展趋势，可为无人化矿井建设奠定基础；除此之外，还应着力解决好局部复杂地层对钻进的影响，更好地促进智能化钻探技术装备的进步，为煤矿安全高效生产提供保障。      

煤矿冲击矿压机理、监测预警及防控技术研究

随开采深度不断增加, 煤矿冲击矿压灾害形势严峻, 冲击矿压机理、监测预警技术及防控技术的研究对于煤矿安全生产至关重要。论文系统总结了团队多年来研究成果及进展, 提出了动静载叠加诱冲机理, 基于动静载力源和能量主体划分了冲击矿压类型。提出了冲击危险"应力-震动-能量"三场耦合监测原理, 建立了冲击危险应力场-震动场-能量场三场多参量综合监测预警技术体系, 并构建了多参量带权重的时空预警模型, 基于大数据和云平台技术, 开发了冲击矿压风险智能判识与多参量监测预警云平台, 实现冲击危险监测数据与防治措施信息的融合, 提高了冲击危险监测预警效能, 提出了冲击危险强度弱化减冲原理和巷道围岩强弱强结构原理, 并给出了基于动静载的冲击矿压分类监测预警和防治方案。研究成果有力推动了冲击矿压研究进展, 可为深部冲击矿压防治提供重要指导。     

卸压开采研究进展

大规模深部开采已成为我国采矿工业发展的必然趋势。冲击地压、大变形控制是深部开采的研究热点,它们都是由过高的深部开采地压导致的。卸压开采的目的就是要转移或释放部分高地压。总结了压力拱、支承压力、最大水平地应力、板理论、卸压支护和轴变论等卸压理论及其适用领域。从卸压机制入手对卸压施工工艺进行了简单分类。概述了卸压开采的研究方法。其结果表明：钻孔爆破是一种灵活的卸压施工工艺;未来卸压理论研究仍将遵循相似模拟、数值仿真与原位测试相结合的原则;在卸压开采的数值仿真领域,开发嵌入了LS-DYNA3D的FLAC3D软件是钻孔爆破卸压的一个值得重视的研究方向;多种卸压理论的有机结合是创新卸压施工工艺的研发方向;压力拱、卸压支护理论仍值得深入研究。     

深部煤层卸压爆破防治冲击地压效果的数值模拟研究

卸压爆破技术可降低煤岩体中应力集中程度,有效避免冲击地压灾害的发生。以跃进煤矿23 130工作面卸压爆破工程为例,运用FLAC3D软件进行数值模拟,分析了不同条件下卸压爆破前后围岩应力分布和转移规律,并结合电磁辐射监测技术,对采掘现场卸压效果进行了检验。结果表明,装药量越大,应力峰值降低和转移越明显;煤层厚度越大,应力峰值降低越明显,但推移距离基本不变;采深越大,应力峰值降低越大,但峰值区推移距离减小;爆破区域的电磁辐射检测值降低明显,表明卸压爆破效果理想。综合利用数值模拟方法和电磁辐射监测技术,可为采掘区域合理确定爆破参数和有效降低冲击地压危险提供依据。     

彬长矿区“井上下”立体防治冲击地压新模式

随着煤矿开采强度的不断增大,矿井逐渐向深部转移,冲击地压灾害日益严峻。而深部冲击地压矿井往往存在一层或多层坚硬厚岩层,这些坚硬顶板厚度较大,整体性强,突然断裂时会释放大量弹性能,易引发冲击地压事故,严重制约矿井安全生产。以陕西彬长矿区孟村矿为例,针对矿区内煤层埋藏深、普遍存在多种坚硬厚岩层的特殊情况,提出针对性治理措施：对顶板上方0～80 m范围内厚度超过10 m的坚硬厚岩层进行破断、弱化处理,对煤层上方0～30 m范围的低位岩层采取顶板深孔爆破预裂措施,对煤层上方30～60 m范围内的中位坚硬岩层采取顶板定向长钻孔水力压裂措施,对煤层60 m以上高位坚硬岩层采取地面水平井分段压裂措施;使高、中、低位顶板产生的裂缝在垂向上实现贯穿,将顶板“切割”成相对规则的“块状”结构,使上覆岩层应力由“硬传递”转化为“软传递”;并结合煤层大直径孔卸压、煤层爆破等煤层卸压措施,形成了区域与局部相结合、煤层与岩层全覆盖的“井上下”立体防治模式。工程实践证明：采用“井上下”立体防治模式后,工作面103 J以上微震事件降低88%,周期来压强度降低23%,来压持续时间缩短61%,防冲效果良好。该技术模式的成功...     

我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展

我国软岩工程涉及能源开采、水利、交通、国防等重要工程领域。随着我国能源开采逐渐向深部延伸以及交通、水利、隧洞等工程的发展,大量隧道、巷道需穿越软岩地层,高地应力、围岩破碎软弱等问题突出,软岩大变形灾害频频发生,造成重大安全隐患和经济损失。对我国现阶段软岩支护的研究进展做了系统的总结,从4个方面概括分析了软岩大变形灾害控制技术与方法的研究现状,包括：（1）以改进型刚性或可缩性支架、复合型衬砌为代表的被动支护方法;（2）以高强预应力锚杆、锚索为代表的增强型主动支护技术;（3）以注浆改性为主导思想的软岩改性技术;（4）让压技术;（5）多重改进方法联合支护技术。阐述了不同支护技术和方法的发展现状,分析了不同支护手段的适用条件、技术优势与不足。采用单一支护手段的改进通常难以满足软岩大变形控制的需求,如何实现不同支护措施之间的高效协同控制,以及实现对围岩变形应力场的实时精准监测等问题是目前我国软岩大变形灾害防控亟待解决的难题。最后,基于上述研究成果,分析了我国软岩大变形灾害控制技术的发展趋势并提出了建议。     

Fractural structure of thick hard roof stratum using long beam theory and numerical modeling

The thick hard rock (THR) roof of the long-wall mining face is prone to the large-sized cantilever roof, and its sudden fracture will cause serious rock dynamic disasters, such as coal and gas outburst and rockburst. In this study, based on the long beam theory, the initial fracture mechanical model for THR was established, and the first weighting characteristics and extreme fracture step distance were calculated. This study introduced a new technology called deep-hole pre-splitting blasting (DPB) which could break the THR by drilling holes with different depths and angles at different levels of roof rock and then blasting it. Field measurement analysis indicated that the immediate roof and lower thick hard strata were fully collapsed to fill the goaf, and the upper thick hard stratum was effectively cut off. The results showed that mechanical model and drilling holes method and DPB technique were so notably that would lead to a foundation for large-scale popularization and application in a Chinese Mine.     

我国煤矿瓦斯灾害超前大区域精准防控技术体系及展望

为满足煤矿自动化、智能化生产的快速发展及区域防突的迫切需求,推动煤矿大区域瓦斯灾害治理技术体系发展,针对传统煤层钻孔瓦斯抽采技术“钻不深、抽不出、检不了”等技术难题,系统分析近年来定向钻进、地面井、分段水力压裂、深孔取样、随钻探测等技术与装备在各大矿区不同地质条件下的应用效果。结果表明：目前已形成了基于大区域超前随钻地质勘探及预测、大区域地面及井下瓦斯抽采、非接触式连续在线动态预测等关键技术组成的煤矿瓦斯大区域治理技术体系,为推动煤层瓦斯治理技术的升级变革,实现不用或少用专用瓦斯治理巷道综合治理煤矿大区域瓦斯的目的奠定了基础。最后指出未来将发展核磁探测、伽马、雷达、深孔光纤等探测技术,以实现煤岩及地质异常体识别、瓦斯参数精确测定;发展地面水平井体积压裂高效开发及井上下联合增渗等技术,以提升井上下联合预抽效果;发展区域化超大流量压裂泵组或压裂工厂、连续油管压裂等技术与装备,以提升煤矿井下区域化增渗效果;发展风险信息融合感知、突出前兆特征智能识别、瓦斯超限预警等技术,以实现区域连续精准预测及智能预报警。