Shear strength analysis of grouted coal waste materials to improve mine outslope stability: a laboratory analysis

Summary Slope stability problems exist within the Appalachian Basin as a result of the emplacement of coal mine waste materials on mine outslopes. Prevention or elimination of slope instability problems can be costly. In an attempt to test alternative methods of slope stabilization, the United States Bureau of Mines determined some physical characteristics and shear strengths of ungrouted and polyurethenegrouted samples of coal refuse, coal spoil and natural soils collected at a number of mine outslope sites in Pennsylvania and West Virginia. The particle size distribution, per cent field porosity, per cent field water content and shear strengths of the materials were determined in the laboratory. Fifty drained direct shear strength tests were performed with the sample materials using a 0.06 m³ shear box. Tests were done at field moisture, 100% saturation and grout-infused conditions. Normal loads of 103 kN m^–2, 206 kN m^–2 and 416 kN m^–2 were used. The grout-infused tests generally showed strength increases. An infinite slope model was used to demonstrate the potential effectiveness ofin situ grouting for a variety of field slope conditions. This modelling suggests thatin situ grouting has the potential of stabilizing slopes of up to 35° at depths of 14 m for refuse material and 30° at depths of 5 m for spoil and soil materials. The validity of these increases in material strength by grout injection will require field testing for confirmation.     

快速加固吹填泥浆的试验研究与分析

为了研究利用外掺剂加快吹填泥浆的沉积落淤问题,找到能够使吹填土尽快地从泥浆状态转变为具有一定承载力的地基方法,将吹填泥浆中分别加入水泥、生石灰、水泥和生石灰混合剂,通过沉降柱试验模拟了外掺剂作用下吹填泥浆的落淤、自重固结、预压下强度增长等过程,并从粒度成分、矿物成分、和微观结构方面进行了加固机理的分析,从而在吹填的同时对吹填泥浆进行加固。结合处理前后相关试验结果的对比分析发现,外掺剂能够加速吹填泥浆的落淤、固结及强度增长。     

Shear induced collapse settlement of arid soils

This paper presents the results of studies of deformation, strength and collapsibility of loess soils. Samples were taken from Al Dalam in central Saudi Arabia, which resembles an arid region. These samples were subjected to various laboratory tests to determine their physical and engineering properties. Sets of oedometer and direct shear tests were carried out in which the initial dry density and the normal pressure at wetting and shearing were each varied in turn. Oedometer results indicate that collapse potential decreases with density and increases logarithmically with normal pressure. Shear induces further collapse potential which increase with density due to further destruction of soil fabric. A unique shear stress–shear strain relationship was obtained for specimens prepared at different initial fabrics. Dry and soaked failure envelopes were both non-linear in the low-pressure range. Wetting induced a reduction in the shear strength parameters. The results of the tests are reported, and the significance of each variable is assessed.     

结构性黄土的双曲线强度公式及其破坏应力修正

抗剪和抗拉强度是结构性土体力学特性的两个方面。通过试验研究了结构性黄土原状土和重塑土的抗拉和抗剪强度。结合抗拉和抗剪强度的试验结果,建立了适用于结构性黄土的双曲线强度公式,进一步研究了相应的破坏应力的修正算法,并将应力比结构性参数引入到结构性黄土的双曲线强度公式中。研究结果表明,建立的结构性黄土双曲线强度可以克服在Mohr-Coulomb强度理论中夸大了的土体抗拉强度缺陷,可为结构性黄土地区的工程灾害评价提供更加切合实际的强度理论。     

超细尾砂胶结充填体强度计算模型及应用

超细尾砂已成为充填材料的主要来源。为了便于充填料浆配合比设计与强度预测,基于超细料浆微观结构,提出用固体填充率表征充填料浆结构密实程度。选用某矿山超细尾砂进行了63组配合比强度试验。研究结果表明：固体填充率和水灰比与充填体无侧限强度分别呈指数函数和负幂函数关系。采用Pearson理论对试验样本进行相关性分析,结果表明：固体填充率与水灰比相互独立。在此基础上,建立了超细尾砂胶结充填体双变量强度计算模型,模型计算值与试验值的误差在7%以内。进行了超细尾砂胶结体强度随养护时间增长的试验,基于试验数据拟合规律,提出了强度龄期数学模型,建立了三变量强度计算公式。模型能准确预测矿山充填体强度,且能有效指导矿山充填料浆设计。     

欠压实地层古地层压力恢复的统计模拟法及其在松辽盆地中的应用

恢复烃源岩古地层压力和对于研究其生留排烃过程具有重要意义。Ｎａｋａｙａｍａ［１］等在开展盆地模拟研究时应用Ｒｕｂｅｙ（１９５９）和Ｃｈａｐｍａｎ（１９７）等人提出的数学地质模型对欠压实地层的古地层压力进行恢复。本文通过对松辽盆地欠压实地层的研究发现欠压实因子随地层厚度、埋深、围岩渗透性等地质条件的不同而改变，在此基础上提出了欠压实地层压力恢复的统计模拟法，克服了目前Ｎａｋａｙａｍａ［１］等将地层埋藏过程中的欠压实因子视为常数的不足，从而使计算结果更接近实际。统计模拟法在松辽盆地的应用结果表明了这一方法在实用中的可行性和有效性。     

基于四旋翼无人机的宁夏羊场湾煤矿采煤沉陷量监测

小型无人机遥感技术具有成本低、操作灵活便利等优点,在地质调查中的作用愈来愈重要。采煤地表沉陷量变形监测是掌控采煤地表岩移变形规律和治理塌陷的关键性工作。重点探索四旋翼无人机遥感技术监测在羊场湾煤矿Y120212工作面采煤沉陷量的监测研究,通过野外踏勘与控制点布设、无人机航线规划与执行、4D产品制作的工作程序和监测方法,探索无人机遥感技术监测在矿山地质塌陷监测的应用。研究结果表明,通过对无人机遥感技术生成的DSM处理,经过多期地面高程的对比,得到Y120212工作面最大沉陷量达6.5m。结合分析、对比,无人机遥感技术可以实现采煤塌陷区地表沉陷变形监测,进而形成和发展了煤矿地面塌陷新的监测技术。     

晚三叠世昌都盆地构造背景及对成煤作用的控制

位于西藏东部的昌都盆地是经历石炭纪、二叠纪以及三叠纪多期成煤盆地叠合改造形成的构造盆地,其中以晚三叠世巴贡组含煤地层分布最为广泛。三叠纪时期,盆地两侧的金沙江洋盆与澜沧江洋盆相继闭合,区域构造背景复杂,是决定成煤古地理条件的首要因素。不同的构造背景形成特定的岩浆岩石类型和构造岩浆岩组合。昌都地体两侧晚三叠世火山岩的地球化学特征分析表明,昌都盆地东缘双峰式火山主要受伸展应力控制,形成裂陷,造成地形起伏大,区域沉降幅度大,沉积速率快,不利于发育稳定的成煤环境。盆地西缘与澜沧江洋壳俯冲相关的侵入岩发育,反映在挤压应力背景下形成坳陷,相对简单的基底构造为发生持续稳定的聚煤作用提供了良好的古地理环境。在后期构造作用的控制下,连续的煤层多被错断,呈角度不一、大小悬殊的单斜断块或褶皱产出,在巴贡、夺盖拉等地保存有具工业价值的煤矿点。     

热-力作用原煤变形特征与力学性质演化试验研究

开展原煤在热-力作用下煤热膨胀与吸附瓦斯解吸研究对于深入理解深部煤岩失稳破坏机制有重要意义。通过对四川白皎矿和徐州张双楼矿的原煤施加不同温度-应力条件,获取煤的热变形、解吸气体运移以及煤的力学性质的热响应。试验结果表明:白皎煤在低于35℃条件下表现为膨胀变形;在高于35℃恒温环境下,煤体变形表现为先膨胀后收缩趋势。张双楼煤在低于60℃条件下表现为先膨胀后会出现收缩;在高于60℃恒温环境下,煤样趋向整体膨胀。其结果说明,煤岩在热环境中的变形行为取决于煤基质的热膨胀与解吸收缩之间的竞争结果。煤吸热升温后孔隙中解吸气体数量增多,煤样在受载压缩变形过程中显现出复杂解吸气体排放特征,包括煤中原生孔隙裂隙压缩闭合排出气体,煤体内不均匀变形导致气体流动,煤体开裂导致气体回流。力学测试结果表明,煤样的单轴抗压强度以及弹性模量随着环境温度上升均表现出下降趋势。其结果为深入理解深部煤层在热-力耦合下渗透率与强度变化机制提供试验依据。     

强度折减有限元法在昆明新机场高填方边坡稳定分析中的应用

介绍了碎石桩、强夯置换两种工程常用的山区高填方地基的处理方式。为了解不同地基处理方式下,山区机场高填方边坡的稳定性,采用强度折减有限元法及对比研究的手段对昆明新机场79-79?工程地质剖面处边坡的稳定性进行分析,而且将强度折减有限元与简化Bishop方法的计算结果进行对比。另外,对土体强度参数未折减时,不同地基处理方式下的边坡位移及剪应变也进行比较。结果表明：用碎石桩或强夯置换处理坡脚内地基的相对软弱土层,不仅能有效提高边坡安全系数,还能大幅度减小边坡的最大剪应变与最大位移;当边坡的最危险滑移面接近圆弧形时,强度折减有限元法与简化Bishop法计算所得安全系数与最危险滑移面均接近,且强度折减有限元法计算的安全系数略偏小,偏于安全;当中风化基岩上方覆盖土层深度大于强夯置换的有效处理深度时,用碎石桩处理原地基效果更优     

有限元强度折减法在煤层底板破坏中的应用

采用有限元强度折减法,求得煤层开采后底板岩体破坏滑移面,并给出底板塑性区贯通过程,得出其滑移线与理论形态相近,底板塑性滑移形状类似Prandtl型,并与滑移线理论计算结算进行了对比,两者误差在10%以内,说明了采用有限元法求解煤层底板破坏情况是可行的。并用于模拟上保护层开采过程中底板及下伏煤层卸压范围,为保护层工作面回采过程中瓦斯来源提供理论依据。说明有限元强度折减法可用于确定承压水体上煤层开采其底板所需的临界厚度和上保护层开采过程中的有效层间距。     

深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制及控制

针对深部构造应力作用下煤巷“肩角锚杆破断”问题,建立肩角锚杆力学分析模型,分析煤帮沿顶板滑移对锚杆的作用,得到肩角锚杆的受力、变形特征,揭示深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制,即在煤帮沿顶板的滑移剪切力作用下,杆体发生弯曲变形,且构造应力越大,弯曲变形越严重;肩角锚杆在煤岩层交界面处受到的剪力最大,而使得锚杆在交界面处易被剪断。针对深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断问题,提出“控让耦合支护”围岩控制技术,并成功应用于工程实践。     

采动煤岩渗透率演化模型及数值模拟

为描述采动煤岩渗透率演化过程,引入强度退化指数,基于Hoek-Brown强度准则,建立了考虑围压影响的煤岩应变软化力学本构模型。给出了体积应变和渗透率的关系方程,结合应变软化模型建立了采动煤岩渗透率演化模型,并在FLAC下予以实现。通过数值模拟研究了不同围压下圆柱岩样的峰后应变软化力学行为和某煤矿工作面开采过程中煤岩的渗透率演化过程,结果表明：（1）该模型能较好地反映围压对煤岩峰后应变软化行为的影响;（2）随着工作面推进,越来越多的煤岩单元破坏,渗透率也不断增长,逐渐成为瓦斯等流体运移的主要通道。（3）模型能再现采动煤岩渗透率演化的动态过程,从而为煤与瓦斯共采、煤层瓦斯抽放和瓦斯灾害防治提供指导。     

Evolution and sedimentology of a channel fill in the sandy braided South Saskatchewan River and its comparison to the deposits of an adjacent compound bar

The depositional stratigraphy of within‐channel deposits in sandy braided rivers is dominated by a variety of barforms (both singular ‘unit’ bars and complex ‘compound’ bars), as well as the infill of individual channels (herein termed ‘channel fills’). The deposits of bars and channel fills define the key components of facies models for braided rivers and their within‐channel heterogeneity, knowledge of which is important for reservoir characterization. However, few studies have sought to address the question of whether the deposits of bars and channel fills can be readily differentiated from each other. This paper presents the first quantitative study to achieve this aim, using aerial images of an evolving modern sandy braided river and geophysical imaging of its subsurface deposits. Aerial photographs taken between 2000 and 2004 document the abandonment and fill of a 1·3 km long, 80 m wide anabranch channel in the sandy braided South Saskatchewan River, Canada. Upstream river regulation traps the majority of very fine sediment and there is little clay (< 1%) in the bed sediments. Channel abandonment was initiated by a series of unit bars that stalled and progressively blocked the anabranch entrance, together with dune deposition and stacking at the anabranch entrance and exit. Complete channel abandonment and subsequent fill of up to 3 m of sediment took approximately two years. Thirteen kilometres of ground‐penetrating radar surveys, coupled with 18 cores, were obtained over the channel fill and an adjacent 750 m long, 400 m wide, compound bar, enabling a quantitative analysis of the channel and bar deposits. Results show that, in terms of grain‐size trends, facies proportions and scale of deposits, there are only subtle differences between the channel fill and bar deposits which, therefore, renders them indistinguishable. Thus, it may be inappropriate to assign different geometric and sedimentological attributes to channel fill and bar facies in object‐based models of sandy braided river alluvial architecture.     

深部煤层采动破坏电位响应特征与分布规律

为了研究采动破坏过程煤体电位信号的响应特征与规律,利用自主研发的矿用电位仪在河南薛湖煤矿25050综采工作面进行了现场测试。结果表明：煤层采动破坏过程能够产生显著的电位信号,电位响应特征能够揭示煤体应力状态的变化,随着回采工作面的推进,电位强度呈先增加后降低趋势,利用钻孔卸压后,煤体应力降低,电位信号随之下降;电位强度与钻屑量的空间分布规律基本一致,利用电位空间分布规律能够识别应力异常特征,出现“卡钻”现象时,煤体应力异常,电位强度出现峰值;当瓦斯指标超限或出现大能量煤炮事件时,电位信号呈超前增大趋势并伴随剧烈波动,利用电位信号能够识别煤岩动力灾害危险的前兆特征。研究成果表明利用电位手段可现场监测煤体采动破坏、预警煤岩动力灾害。     

含瓦斯煤相似材料研制及其突出试验应用

采用相似物理模拟试验研究煤与瓦斯突出机制和规律是目前有效的方法,含瓦斯煤体相似材料是突出定量模拟的关键因素。研制出一种新型的含瓦斯煤体相似材料,该相似材料以一定粒径分布的煤粉为骨料,以腐植酸钠水溶液为胶结剂,混合压制成型后干燥。大量正交配比试验表明:在成型压力15 MPa下,相似材料的重度、孔隙率趋于稳定并与原煤十分接近;相似材料抗压强度高,可调范围达0.5~2.8 MPa,与胶结剂浓度近似呈线性正比关系;吸附解吸试验表明,相似材料的吸附性良好,其与原煤的吸附等温线一致;并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定和各物理力学参数调节方便等特点,可用来模拟不同强度原煤。采用相似材料制作的型煤开展了煤与瓦斯突出试验,成功模拟了煤与瓦斯突出现象和过程,证明该相似材料能很好地模拟具有吸附解吸特性的含瓦斯煤体。     

特厚煤层小煤柱沿空掘巷数值分析及应用

沿空掘巷开采技术成功的关键主要取决于采场覆岩稳定的时间和沿空掘巷的位置。采场采动岩体运动导致围岩应力重新分布,动态采场应力作用于围岩并使其状态发生灾变是发生矿山灾害的根本原因。特厚煤层分层综采巷道布置（包括内错、外错和垂直）,合理确定煤柱尺寸、巷道支护方式和参数选择能够最大可能发挥围岩的自承能力,是提高巷道稳定的重要保证。在稳定的内应力场范围内布置小煤柱护巷,能够明显提高巷道围岩稳定状态,减少巷道维护费用。通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法,对特厚煤层下分层沿空掘巷小煤柱不同巷道布置设计,通过煤柱的应力、应变和位移进行对比分析,确定特厚煤层下分层沿空掘巷合理的巷道位置和煤柱尺寸及上覆岩层防控技术,并得到工程验证是正确可靠的,从而为特厚煤层小煤柱开采技术提供了重要的科学依据。     

SMP准则在计算煤柱极限强度中的应用

基于黏性材料的SMP（spatially mobilized plane）破坏准则,分析了煤柱在三维应力状态下的应力问题,并推导了煤柱极限强度的计算公式。通过改变煤体的内摩擦角? 和凝聚力c,与Mohr-Coulomb准则下煤柱极限强度以及简化的A. H. Wilson公式得到的煤柱极限强度进行对比,结果表明,Mohr-Coulomb准则和A.H.Wilson公式由于忽略了煤柱中主应力的影响,其得到的极限强度计算公式低估了煤柱实际极限强度,说明基于黏性材料的SMP准则下的煤柱极限强度计算符合实际,对于分析煤柱的稳定性具有一定的现实指导意义。     

煤炭地下气化及对中国天然气发展的战略意义

在实现碳达峰碳中和(“双碳”)目标和保障国家能源安全的双重需求驱动下,我国煤炭地下气化(UCG)迎来了新的历史发展机遇期。为科学制定技术攻关路线、加快产业化发展,按时间顺序梳理了煤炭地下气化试验历程,将其分为矿井式气化、直井/定向井气化、水平井气化3个发展阶段,探究了不同阶段推动气化技术革新的底层逻辑,从技术和非技术2个方面分析了未能产业化的原因并提出产业化发展建议。研究表明：(1) 水平井+可控注入点后退气化工艺不仅能够有效规避浅层气化在地表沉降、淡水污染方面的风险,而且在扩大煤炭纵向开发范围、提高单井控煤量、提升粗煤气品质、保障连续气化方面具有优势,是当前和今后一个时期的主流技术路线。(2) 我国是现场试验时间最长的国家,长期处于矿井式气化阶段,虽然我国中深层煤炭地下气化攻关试验刚起步,但是由于该技术攻关难度大、技术成熟度低,主要富煤国家在技术研发上基本属于同一起跑线,有希望成为我国钻井式气化技术弯道超车的新赛道。(3) 技术适用性不强是造成矿井式、直井式气化产业化困难的主要技术原因,技术成熟度较低是制约水平井气化产业化的主要技术原因,长期稳产高产问题尚未得到彻底解决。(4) 常规天然气低成本开发和页岩气革命的冲击,民众对浅层气化诱发环境污染的担忧,政府对煤炭地下气化的政策转向,是导致国外试验终止的主要非技术原因;发展规划长期空白、科研试验主体相对单一、科研投入不足、产业扶持政策未出台、联合创新机制未建立是阻碍我国气化产业化的非技术原因。提出我国UCG产业化建议：新时期要充分认识煤炭地下气化技术的复杂性和挑战性,按照“干成”“干好”两个维度,破解“长期稳产”和“高产优产”两个核心问题,通过同步推进科研攻关和现场试验不断提高技术成熟度,在生产端采用“先物理采气后化学气化”的梯级开发方式避免与煤层气开发竞争,在利用端积极探索与油气、新能源、煤化工融合发展模式以提高经济效益。作为一种“人造气藏”的颠覆性开发方式,煤炭地下气化攻关成功后能为其他矿产资源的流态化开发提供技术借鉴,助推我国化石能源非常规开发技术实现新跨越。

     

基于Hoek建议的非线性关系求取岩体抗剪强度的算法及工程应用

阐述了Hoek建议的非线性关系原理,以此提出了求取岩体抗剪强度的算法：考虑了岩体抗剪破坏时总体或平均水平,通过计算出不同正应力 下对应的剪应力 ,线性回归确定一定应力范围内线性化后的 、 值,解决了Hoek-Brown准则拟合算法不能求解一定正应力 条件下岩土的抗剪强度的问题。在对中缅油气管道（国内段）澜沧江跨域工程边坡岩体应用以及进一步对比研究,结果表明：采用文中算法给出的第1种确定正应力 的方法所得的 、 值与Hoek-Brown准则拟合算法所得的结果相差不大,究其原因是两种算法考虑的因素不太一样,导致围压 或正应力 大小有所差别;在实际工程正应力 较低的情况下,应采用文中算法给出的第2种确定正应力 的方法来获取的 、 值,这样所得的结果才与实际情况比较接近,克服了Hoek-Brown准则拟合算法对围压 依赖的问题。