团柏煤矿带压开采条件下11-101工作面合理长度

山西省霍州团柏煤矿11-101工作面为带压开采。为预防回采期间底板突水事故,采用弹塑性理论、现场实测、数值模拟验证相结合的方法,对不同工作面长度条件下底板破坏深度发育规律进行研究,进而确定该条件下开采的工作面合理长度。研究表明,随着工作面推进,滞后工作面6 m左右底板首先发生拉伸破坏,底板破坏呈楔形。工作面长度在60~120 m,破坏深度随着工作面长度增加呈线性增长,平均每增加10 m,破坏深度加深1 m。理论计算与数值模拟计算得出80 m工作面底板破坏深度为7~8 m,现场实测底板破坏深度为7.5 m,故工作面合理开采长度为80 m时,能够确保11-101工作面生产安全。      

砂土地层中不同支护模式下盾构隧道开挖面稳定性研究

防止盾构隧道开挖面失稳的关键是合理设置不同盾构支护平衡模式下的支护压应力。在改进的筒仓楔形体模型计算方法得出的开挖面松动土体对刀盘压力呈近似呈抛物线分布的基础上,研究了气压支护模式、泥水支护模式和土压支护模式下,盾构隧道开挖面分别在地下水位以上和地下水位以下时开挖面的稳定性,研究结果表明:有效支护应力均匀分布时,除粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面中下部失稳;有效支护压应力呈上小下大的梯形分布时,除软粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面上部失稳;有效支护应力呈上大下小的梯形分布时,所有土体开挖面均为下部失稳;在气压、泥水和土压平衡支护模式下,开挖面在未到达筒仓楔形体模型所假设的开挖面整体失稳前,开挖面已经发生了局部失稳,采用筒仓楔形体模型确定的极限稳定支护力是不安全的。最后给出了开挖面松动土体对刀盘压应力公式中计算参数的无量纲化图,以方便实际工程运用。      

陈家山煤矿采面瓦斯涌出量影响因素及建模预测

工作面瓦斯涌出量是采面通风设计及制定采面瓦斯防治措施的主要依据。在收集陈家山煤矿大量瓦斯地质资料基础上,分析了矿井主采4-2号煤层采面瓦斯涌出规律及其影响因素,研究认为,采面瓦斯涌出量为矿井主要瓦斯来源,其涌出量与煤层埋藏深度、煤层瓦斯含量、顶板含油气小街砂岩厚度及工作面日产量等主要控制因素呈正相关关系;采用数学建模方法建立了采面瓦斯涌出量预测模型,编制了采面瓦斯涌出量预测图,结果显示4-2号煤层采面绝对瓦斯涌出量总体呈现出由井田浅部向中部迅速增大,再由中部到深部逐渐减少的变化趋势。     

土压平衡式盾构掘削面支护压力特性分析

土压平衡式盾构隧道施工过程中,掘削面的支护压力严重影响着掘削面前方土体稳定性和变形。从理论上分析了掘削面前方土体的应力状态,并将其分为5类,根据支护压力的大小判定前方土体的稳定性。建立了三维有限差分模型,采用数值模拟的方法研究了掘削面支护压力与变形的关系。研究表明,在卸载情况下掘削面的支护压力与变形关系曲线具有抛物线特征,在加载情况下掘削面的支护压力与变形关系曲线具有双曲线特征,曲线的具体形态则与地层条件等因素有关。研究结果可为土压平衡盾构施工过程中支护压力的确定提供参考。     

Face stability analysis of shield-driven tunnels shallowly buried in dry sand using 1-g large-scale model tests

This paper investigates the face stability of shield-driven tunnels shallowly buried in dry sand using 1-g large-scale model tests. A half-circular tunnel model with a rigid front face was designed and tested. The ground movement was mobilized by pulling the tunnel face backwards at different speeds. The support pressure at tunnel face, settlement at ground surface, and internal movement of soil body were measured by load cells, linear variable differential transducers, and a camera, respectively, and the progress of face failure was observed through a transparent lateral wall of model tank. The tests show that, as the tunnel face moves backwards, the support pressure at the tunnel face drops sharply initially, then rebounds slightly, and tends to be stabilized at the end. Similarly, the ground surface settlement shows a three-stage variation pattern. Using the particle image velocimetry technique, the particle movement, shear strain, and vortex location of soil are analyzed. The variation of support pressure and ground surface settlement related to the internal movement of soil particles is discussed. The impact of the tunnel face moving speed on the face stability is discussed. As the tunnel face moves relatively fast, soil failure originates from a height above tunnel invert and an analytical model is developed to analyze such failure.     

煤层割理在煤层气开发中的试验研究

根据煤层割理渗透率的各向异性,采用垂直面割理和平行面割理两个方向布置钻孔抽放煤层气。测定研究表明:垂直面割理方向钻孔初始瓦斯抽放百米流量是平行面割理方向钻孔的1.2倍,衰减系数比平行面割理方向钻孔减少了53.7%。垂直面割理方向钻孔的抽放量在任何相应时期都大于平行面割理方向钻孔的抽放量。从而得出:垂直面割理方向钻孔抽放效果明显优于平行面割理方向钻孔,为探索提高煤层气抽放量找到了一条途径。      

高强度开采工作面矿压显现的面长和推进速度效应

高强度开采工作面矿压显现复杂,容易发生压架、冒顶等灾害。为从理论上解释高强度开采工作面的矿压特征,分析了高强度开采工作面的一般特征及其对矿压显现的影响,以顶板初次断裂为例,运用薄板理论并结合岩石力学试验成果,推导出不同面长和不同推进速度下顶板断裂步距的计算公式,并分析了面长和推进速度对来压时支架工作阻力的影响机制。结果表明,面长影响顶板应力分布,推进速度改变顶板承载能力,而且面长越短,推进速度越快,顶板的初次断裂步距就会越大。对于高强度开采工作面,面长普遍大于200 m,面长效应影响微弱,矿压显现主要受推进速度作用,断裂步距和来压时支架工作阻力都比非高强度开采工作面大,容易发生压架和冒顶等灾害。     

黏土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究

开挖面支护应力的控制是土压平衡式盾构施工成功的关键。利用能够考虑大变形破坏的拉格朗日有限差分计算程序,对土压平衡式盾构在黏土地层施工中,因开挖面支护压力控制不当引起的开挖面的变形及破坏问题进行计算分析,探讨了开挖面变形及破坏模式,分析了开挖引起的周围土体应力释放问题,为黏土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。     

综放工作面上覆老空积水探放技术

杨村煤矿D13171综放工作面上覆的中13201工作面采空区存有大量的老空水,给工作面的回采带来了极大的危害。分析认为,老空水的主要来源一是13201工作面上部的新近系及古近系泥灰含水层的下渗补给,二是工作面回采后,为防止采空区煤层自燃,向老空区注入的灭火灌浆水;估算老空水的水量约为16000m3。利用ZYG-650型矿用钻机对采空区积水进行了探放,探放水结果显示,所施工的4个钻孔的累计放水量为14800m3,工作面回采期间两个验证孔已探到老空区积水的最低位置,钻孔无流水,说明老空水已彻底排干,从而解除了对工作面的威胁,保证了矿井的安全高效生产。     

不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律

采用数值模拟技术和现场矿压观测系统,研究了不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律及其显现特征。结果表明,在煤炭开采过程中,不同岩性顶板回采工作面最大支承应力存在一定差异,在强度较高的砂岩顶板岩体中,支承压力大,工作面前方支承压力峰值距工作面距离小,初次来压步距和周期来压步距大,矿压显现强烈;而在强度较低的泥岩顶板区,顶板岩体不能和砂岩骨架层一样抵抗覆岩压力,且支承压力小,支承压力的峰值向回采工作面前方岩体内部推移,初次来压步距和周期来压步距小,矿压显现不明显。      

超大采高工作面顶板电阻率监测可行性试验

顶板覆岩破坏是造成回采工作面突水的主要原因之一,利用矿井电法进行顶板电阻率监测可以对覆岩破坏情况进行动态探查,但是超大采高工作面顶板电阻率监测面临着常规方法音频信号难以穿透、顶板监测电极埋设施工困难以及回风巷顶板监测电极难以保护等问题。为了解决上述问题,利用音频电透仪和回采工作面电阻率监测系统开展了超大采高工作面顶板电阻率监测可行性试验研究。结果显示:单极-偶极装置音频信号透视穿透距离可达340 m;锚杆可以作为监测电极进行电流发射和信号采集;可以将回风巷监测电极布置于巷道底板加以保护。在某矿超大采高工作面部署了回采工作面电阻率监测系统,信号测试结果与可行性试验的结论一致。      

A theoretical study of reinforcement influence on the stability of a tunnel face

Summary The problem of tunnel face stability is studied and the analysis of the stabilizing effect achieved by pre-reinforcement of the core which has to be excavated is dealt with. In Italy, the insertion of longitudinal fibreglass pipes in the ground has proved to be efficient in solving face instability problems. A thorough review of other applications of the technology has been carried out.The results of a series of parametric, three-dimensional, elasto-plastic finite element analyses are presented. The tunnel excavation with or without support and face reinforcement is simulated in the models. The stresses, plastic zones and displacements in the ground, pipes and lining have been studied. The support effect of the pipes is demonstrated by the results. Face reinforcement significantly reduces the displacements of the face. The stresses in the material at the face are also charged from tension to compression, thus enhancing face stability.     

断层对2021B工作面布置的影响

2021B工 作面 是我矿 二水平 12-1煤 层的首 采工 作面,区 域地 质条件 复杂 ,断层 极为发 育。掘 进过 程中通 过对断层延 伸长 度、落 差的综 合分 析,采用 巷探 、钻探、物探等 手段 加以验 证,顺 利 实现 了工 作 面对 FE12、FE9'、FE105等断层的剥 压改 造,圈 出了走 向长 度达 800余 m 的综 采工 作面,控 制了 断层的 赋存 形态,为 2021B 工作 面 的采 掘及 周 边工程的规 划创 造了有 利条 件。     

数字图像处理技术在隧道掌子面的应用

在隧道施工过程中,为了解开挖方量以及隧道前方的地质构造等信息,有必要对掌子面图像进行分析。传统分析中大多数以人工素描为主,效果因人而异。为了克服传统方法的局限,将图形、图像处理及三维建模技术引入对掌子面图像的处理中,建立隧道掌子面地质图像画像系统,对一系列跟踪拍摄的掌子面图像进行处理,自动提取出掌子面上不同岩层的边界,获取岩层的特征信息,以此对围岩分级。根据相邻掌子面上岩层目标的对应关系,建立起隧道的三维模型,为隧道施工提供必要的参考信息。     

特殊构造条件下煤炭综放开采顶板涌水机理及防治

煤炭资源开采中采场顶板水水害是威胁工作面安全生产的灾害之一。以兖州矿区东滩煤矿综放开采14310工作面在回采过程中的涌水情况为例,在分析地质和水文地质条件基础上,从构造控水机理出发,分析了工作面特殊构造条件下顶板砂岩含水层的赋存规律和涌水规律,实施了14310工作面安全回采的探、放水工程、泄水巷工程和完善排水系统等相关水害综合防治方法,最终实现了工作面的安全回采。      

基于非完整拱效应的软岩隧道掌子面变形及其控制研究

为研究大断面软岩隧道掌子面变形规律及控制方法,基于新意法及非完整拱效应理论对雷公山隧道构造破碎区域掌子面大变形失稳机理进行分析,基于GSI围岩评级系统获得隧道围岩的力学参数,通过FLAC3D构建隧道三维数值模型,进行系列工况试验,研究隧道在非完整拱部效应时掌子面挤出位移及预收敛位移的变化特征,分析隧道掌子面预约束及预加固措施对大断面软岩隧道稳定性的影响。结果表明,掌子面处的挤出位移均在内轮廓中心处达到最大,并呈环形逐渐向外减小,超前核心土预加固在掌子面中心处对挤出位移及预收敛位移影响最为明显;隧道开挖在掌子面纵向造成的扰动范围约为1.2倍洞跨,在掌子面径向造成的扰动大约为1.5倍洞跨;根据计算结果提出掌子面加固措施,通过对隧道预收敛变形及挤出变形的监测分析,验证支护方案的可靠性,提出的掌子面预约束及预加固措施对大断面软岩隧道施工具一定的借鉴意义。     

土体参数不确定性对软土隧洞掌子面稳定影响分析

岩土体参数取值对于工程设计意义较大,为更好地评估土体参数不确定性对软土隧洞掌子面稳定的影响,采用Monte-Carlo随机模拟方法,分析了土体参数变异性及样本容量水平对掌子面稳定特性的影响,提出了掌子面设计安全系数的确定方法.结合工程实例评估了设计安全系数的合理性,分析结果表明,样本容量较大时,土体参数的不确定性对软土...     

成都地铁卵石层中盾构施工开挖面稳定性研究

随着我国社会经济的发展,越来越多的城市开始规划和修建地铁,在此期间,部分城市在地铁建设中遇到了地质条件非常复杂的砂卵石土层,特别是正在建设中的成都地铁1、2号线,区间隧道几乎全部从卵石土层中穿越,根据设计,成都地铁1、2号线部分区间隧道采用加泥式土压平衡盾构法施工。利用土压平衡式盾构施工时,开挖面支护土压力控制是保证掘进顺利进行的关键,目前国内外在这方面的研究主要集中于砂土和黏性土,关于卵石土盾构隧道开挖面变形与破坏的研究很少。基于此,根据卵石土具有强烈离散特性的特点,利用颗粒离散元数值方法,对卵石土层土压平衡式盾构施工中开挖面支护应力不足引起开挖面的变形及破坏问题进行了分析研究,探讨了隧道开挖面变形及破坏问题。研究结果显示:（1）开挖面极限支护应力远小于土体原位静止土压力;（2）开挖面失稳后,开挖面前部的滑动块为一曲面体。这为卵石土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。     

孤岛工作面底板破坏深度微震测试与模拟分析

针对孤岛工作面煤层开采底板损伤问题,以河北葛泉煤矿11913孤岛工作面为研究对象,采用微震方法分析其底板破坏深度;并通过数值模拟对首采、跳采及孤岛3种工作面回采过程中围岩采动应力与底板破坏的规律进行了对比分析。微震测试结果显示11913工作面回采过程中微震事件主要发生在下巷,识别出工作面最大破坏深度20~25 m;基于COMSOL的11912首采、11914跳采及11913孤岛3个工作面数值模拟结果显示,11912首采与11914跳采条件下煤柱地应力集中状态变化不大,最大破坏深度小于11.56 m,仅发育至工作面底板的注浆改造层内部;而11913孤岛回采条件下,受到重复采动影响,工作面两侧煤柱应力集中状态骤增,最大破坏深度剧增至23 m,已发育至煤层底板的本溪组灰岩含水层。研究结果对于华北型煤田下组煤层开采底板破坏规律分析与不同类型工作面回采条件下底板水害防治有一定的参考价值。      

Stabilisation of the Excavation Face in Shallow Tunnels Using Fibreglass Dowels

Stability of the excavation face in shallow tunnels excavated in poor rock is at present a relevant problem in tunnelling. Even though face reinforcement with fibreglass dowels has proved to be efficient, there is still no reliable routine design method available. A new calculation procedure is illustrated in this paper for the analysis of face reinforcement with fibreglass dowels in shallow tunnels. The procedure is based on the limit equilibrium method applied to the rock core ahead of the face, and it offers a detailed evaluation of the interaction between each reinforcement element and the surrounding rock. The main calculation result concerns the safety factor of the excavation face with dowel reinforcement. On the basis of this safety factor, it is possible to identify the appropriate dowel lengths and the number of dowels. The procedure has been applied to two real cases, and satisfactory results have been obtained.