TBM工法因其安全、高效、优质、环保和有利于围岩稳定等优点,将是交通、水利和矿山等重大生命线工程建设的首选工法,而深部复合地层围岩与TBM的相互作用及安全控制是TBM掘进过程中面临的重大基础问题。在回顾研究现状及存在问题的基础上,紧扣围岩与TBM的相互作用及安全控制这一主题,阐明深部复合地层地质条件与力学行为特征、TBM-深部复合地层相...
通过对反映了TBM卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验结果分析,揭示了深部软弱地层TBM掘进围岩挤压大变形机理:挤压大变形主要由TBM开挖卸荷瞬时产生的峰前卸荷损伤扩容和峰后破裂碎胀造成的体积扩容组成,峰前岩石内部原生裂隙扩展和新裂隙萌生、扩展导致扩容变形,以及峰后裂隙汇聚贯通成宏观破裂面和多级次生破裂形成,破裂后块体间发生错动或翻转...
为研究节理特征对岩石隧道掘进机(TBM)盘形滚刀破岩特性的影响,采用颗粒离散元法(PFC)建立了不同节理倾角下双滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同节理倾角对应的岩石破碎模式、裂纹数目和破岩比能。结果表明:(1)倾斜节理的存在改变了裂纹扩展规律,裂纹呈现不对称性扩展模式。节理的存在改变了裂纹的延伸方向,限制主裂纹向下扩展。节理倾角越大...
采用改进的有限元-光滑粒子流体动力学耦合(FEM-SPH)的方法,建立了TBM单滚刀和双滚刀破岩的三维数值耦合模型,研究了TBM破岩机理,研究结果表明,压碎区形成阶段,在单滚刀推力的作用下,微裂纹向下扩展形成扇形破坏区;在切向力的作用下,微裂纹向前扩展形成另一个扇形破坏区,两个扇形破坏区组成了锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,侧向裂纹的扩展速度大...
不同于软土盾构隧道,TBM隧道多用于岩体条件下隧道的挖掘,传统土力学方法不适用于TBM隧道的荷载计算。在岩石隧道中,荷载的产生与压力拱的形成息息相关,通过对TBM圆形岩石隧道的压力拱分析来确定荷载大小及围岩开挖影响区。通过对围岩开挖后应力变化的理论分析与简化,得到便于使用、结果直观的岩石隧道压力拱范围的判别方法。随后采用大型模型试...
传统的岩石唯像蠕变模型忽略了岩石内在细观结构的时效损伤演化机制,无法从深层次上揭示复杂工程条件下岩石蠕变特性和时效破裂机理。基于连续介质力学理论,提出了一种表征真实岩石介质的宏-细观双尺度概念模型;依据细观尺度下微裂纹瞬时扩展和亚临界扩展的物理机制,运用损伤力学与断裂力学理论,建立了基于微裂纹演化的岩石细观蠕变损伤本构方程...
以东北某特长隧道TBM工程为背景,基于直径8.5 m开敞式TBM现场实际掘进数据,在进行贯入度指数FPI与主要地质因素间相关性分析的基础上,建立了贯入度指数FPI与关键地质因素岩石单轴抗压强度USC和岩体完整性系数Kv之间的多元回归关系式;进一步建立了TBM掘进贯入度P与FPI之间的拟合关系式,以及推进力F与FPI之间的拟合关系式。按照上述关系式对给出岩...
盾构或TBM长距离掘进硬岩施工中,不可避免地会遇到盘形滚刀磨损问题。通过分析滚刀的磨损机理,确定了滚刀最主要的直接磨损机制是基于塑性去除的磨粒磨损;基于Rabinowicz磨粒磨损方程和CSM滚刀破岩力模型,通过近似计算和数学推导,建立了滚刀直接磨损的磨损速率和线磨损速率预测模型;并通过广州地铁7号线9标和广深港狮子洋隧道正滚刀的磨损数据进...
为研究TBM盘形滚刀作用下岩石的破碎过程及刀圈结构参数对破岩过程的影响,利用离散元方法建立了双滚刀线性切削岩石三维模型,研究了不同因素影响下岩石的接触力、微观裂纹扩展及破碎颗粒生成规律;分析了刀刃宽及刀刃角对破岩过程的影响,建立了刀圈结构参数与破岩效率的映射关系;结果显示岩石微观破坏以张拉破坏为主,裂纹呈加速扩展趋势;刀圈结构...
对煤矿充填开采而言,如何提高充填采煤效率、降低充填成本是需要持续深入研究的问题。结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发的部分充填采煤技术,为上述问题的解决提供了一条重要途径。在对我国充填采煤技术发展进行综述的基础上,系统总结了部分充填采煤技术的研究进展,包括:部分充填开采的概念与技术框架,覆岩隔离注浆充填、短壁冒落区嗣后充...
系统分析了超高水材料袋式充填开采采场覆岩结构的特点,得出了工作面支架需控岩层范围及其变化特征,揭示了长壁充填开采"支架-围岩"关系,明确了提高充填率是超高水材料袋式充填开采覆岩下沉控制的关键因素。结合亨健矿2515工作面充填开采地质与开采技术条件,开发并实施了隔板布置优化、采空区埋管补注浆充填、离层区打钻补注浆充填等充填率保障...
为解决废弃混凝土长期堆放占用土地资源,破坏周围生态环境的问题,利用废弃混凝土粗骨料替代煤矸石制备充填膏体,分别测定了其初始坍落度与扩展度、流变性能,以及静置2 h后的坍落度与扩展度、泌水率及单轴立方体抗压强度。结果表明:废弃混凝土粗骨料对初始流动性能的影响显著,随着废弃混凝土粗骨料替代率的增加,初始坍落度由25 cm逐渐减小到22 cm...
针对我国充填开采材料来源不足的问题,通过理论分析、室内实验及现场实测等方法,系统研究了尾砂膏体充填材料特性、充填工艺,进行了尾砂膏体巷采设计及地表沉陷效果分析。研究确定了尾砂膏体优化配比为水砂比1∶5,质量浓度为70%;提出了尾砂膏体巷采方案,建立了巷采充填地表沉陷模型,解决了采煤、充填、工作面通风和安全出口问题;相似材料模拟试...
为解决固体充填采煤超大跨度开切眼围岩稳定控制难题,基于充填采煤液压支架的结构特点,提出支架整体安装一次成巷法、后顶梁滞后安装一次成巷法和降低后顶梁安装二次扩面法3种不同的开切眼成巷方法。通过综合分析支架安装工艺、大断面顶板悬露时间及围岩控制等因素,得出了降低后顶梁安装二次扩面法更有利于围岩稳定的结论。以河南某矿10.2 m长充...
为研究在48 h内机械破碎后的矸石粉末在不同浓度的氢氧化钙溶液中火山灰反应特性和活性离子溶出特性,采用X射线衍射仪、热场发射扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱仪分别对矸石粉末浸入1 mol/L和0.1 mol/L Ca(OH)2溶液中不同时间段的滤渣矿物成分、微观形态和红外光谱进行分析和观测,同时运用电感耦合等离子体发射光谱仪和电导率仪分别对滤液的活...
针对倾斜薄煤层坚硬顶板型冲击矿压灾害的预防及控制问题,提出了切顶巷预裂顶板防治冲击矿压技术。采用理论分析、相似模拟、微震监测等研究方法,分析研究了切顶巷预裂顶板防治冲击矿压机理、切顶巷控制顶板破断减弱煤层应力集中的效果,并对切顶巷布置参数进行了优化。研究结果表明:切顶巷在坚硬顶板中形成了预裂弱化区域,工作面回采过程中,坚硬...
针对大采高工作面煤壁片帮严重影响生产的实际,提出了煤壁片帮防治柔性加固技术。分析了煤壁变形特征和柔性加固机理,设计了柔性材料拉拔实验和柔性材料加固煤样强度实验,研究了不同直径棕绳煤样的变形和强度特征;构建了"棕绳-浆液-煤体"的本构模型,揭示了棕绳与煤壁协调变形机理。研究发现:煤壁具有逐渐暴露、无支护、大变形的特征,柔性支护材...
为了掌握冲击载荷在围岩破碎区传播衰减规律,揭示巷道围岩破碎区的吸能防冲机理,提高巷道支护系统的防冲支护性能。从理论上分析了围岩破碎区形成机理与吸能防冲机理,给出了破碎区半径解析解。为了深入研究破碎区煤岩的吸能防冲性能,采用落球冲击筒内煤岩块实验装置,研究煤岩散体块径及厚度对破碎煤岩散体的吸能缓冲性能影响,实验结果表明:破碎...
针对深厚冲积层冻结井筒早期壁间注浆封水效果不好的难题,通过实测数据分析和理论计算对深厚冲积层冻结井筒的冻结壁融化特性、井壁受力变形和壁间注浆机理进行了研究。通过对现场测温孔实测数据分析,得到了不同土层的融冻时间比;通过理论计算表明,在冻结壁完全融化后,外壁的外表面承受着水土压力、内表面作用有壁间水压,在此情况下,外壁内表面...
基于自主研发的RLW-2000M微机控制煤岩流变仪,对煤层顶底板岩石试件进行了卸围压蠕变及周期加载蠕变实验,得出了岩石试件在采动应力影响作用下的黏弹性变形特征。采用Burgers体模型对采动影响下的岩石蠕变损伤破坏机理进行了理论分析,建立采动影响下的覆岩蠕变损伤模型,研究了煤层顶底板岩体在采动影响下的破坏规律,将利用FLAC3D数值模拟软件和...
为加速多组分瓦斯水合化进程,利用可视化水合物实验设备,开展了3种瓦斯混合气在0.5%~3.5%NaCl溶液条件下成核动力学实验,运用直接观测法测定了水合物成核广义诱导时间。结果表明:多组分瓦斯水合物成核诱导时间随瓦斯组分中CH4浓度降低,C3H8浓度升高先减小后增大;添加NaCl可促进瓦斯水合成核,诱导时间随NaCl浓度增大而减小,NaCl浓度为3.5%时,诱导...
基于煤矿乏风热氧化取热过程,搭建了填充床内置换热器稳态取热实验台,取热率最大相对误差为2.50%,实验研究了床层内取热区两侧及取热区内填充蜂窝陶瓷对换热器取热的影响,结果表明:取热区两侧空间填充的蜂窝陶瓷通过增大床层气体物理流速、辐射换热面积、扰动换热器背风侧流场而强化换热器取热,当气体质量流速0.15 kg/(s·m2),温度从613 K升高到1...
基于煤与瓦斯突出预测现状分析,指出煤变形变质过程中元素迁移与聚集的构造-地球化学过程是值得重视的新领域,提出了煤变形构造-地球化学研究的思路、方法、内容及技术流程;通过宿县矿区的实例研究,揭示了挤压构造背景下逆冲推覆构造对不同类型构造煤微量元素迁移聚集的控制作用,并将微量元素分为显著分异和阶段分异2种类型;研究成果显示了构造...
为探讨煤岩孔裂隙应力变形特征,设计不同围压(0,2,4,6,8,10 MPa)下的核磁共振实验,并基于弯曲变形理论对煤岩孔裂隙应力变形问题进行理论分析。实验得到各煤样孔裂隙在不同围压下的核磁共振T2谱图,绘制了各煤样不同围压下不同孔径的孔裂隙核磁信号衰减率图,推导出煤岩应力变形时孔裂隙截面积弹性减小率公式。实验显示:煤岩孔裂隙应力变形存在差...
煤吸附甲烷的过程中总是伴随动能及热量的变化,能量的变化是吸附的内在动力。对反映等温吸附过程中能量变化的相关特征参数的计算进行了推导,通过不同煤体结构煤的等温吸附实验,得到了不同温度下的相关吸附数据,计算出了不同煤体结构煤吸附甲烷过程中的能量变化值,并讨论了吸附过程中能量变化的微观机制。研究表明,糜棱结构煤的吸附能力最强,其...
为了更好地开展煤田转换波地震勘探数据采集工作,提出了纵横波联合勘探观测系统设计思路,基于双聚焦理论,计算出分辨率函数、角度与射线参数函数(AVP)、优度和采集痕迹等。结合神东矿区大柳塔煤矿地质条件和地质任务要求,设计了转换波观测系统,采用基于双聚焦理论的定量分析法和常规面元属性分析法对所设计的观测系统进行了评价。结果表明:研究...
传统的AVA特征分析基于近似Zoeppritz方程,但是近似Zoeppritz方程并不适用于薄层。为获得更准确的薄煤层地震响应特征,建立了薄煤层模型,并采用基于Brekhovskikh方程的薄层反射系数谱理论,模拟薄煤层PP波与PS波的振幅及相位随入射角、入射波主频变化的地震响应;对薄煤层模型的底板采用精确Zoeppritz方程进行了AVA模拟,并与基于薄层反射系数谱理...
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