姚家山矿千米立井围岩稳定及井壁支护厚度的理论预测研究

以姚家山矿煤层赋存条件为工程背景,采用立井地压的理论预测方法,探讨了千米立井井筒的围岩稳定问题,指出了立井支护的困难段,并预测了立井井壁的支护厚度等参数。得出结论:理论预测50m表土段,井筒围岩最大位移约26mm;在628~632m的泥岩段,其井筒位移约为56.5mm;1 095~1 102m最危险段井筒位移为2 414mm;在立井表土段,预测的井壁支护厚度为135mm;在千米立井地压最大、围岩强度相对较低的煤层段,井壁厚度预测为780mm。结合立井井壁支护的最新研究成果,提出表土段和基岩段采用不同井壁厚度的圆形井壁支护形式。为规划建设中的姚家山矿千米立井开凿与支护提供了基础决策依据。     

立井基岩段井壁设计问题的研究

根据实测地压分布规律,找出井筒的危险截面,进行应力分析,取该截面的最大单向应力级数展开式的主部代入安全条件,推出直接由实测地压值计算安全井壁厚度的简便计算公式。其中的误差,由修正系数K来调整,并以某千米立井和500m深立井的危险断面井壁设计分析为例,给出了明确的K值范围。又通过基岩段井壁破坏专题调研,总结了井壁破裂的五种类型,提出了井壁结构应考虑正常情况下承压和特殊条件下让压或分压的综合设计方法。     

非轴对称荷载下立井围岩的应力应变分析及其应用

采用基于分离变量法的有限元半解析法对立井在非轴对称荷载作用下开挖过程中的应力应变的动态变化情况进行了分析 ,得出了立井围岩位移应力随开挖的变化规律 ,并结合支护分析提出了井壁支护设计与施工的最优方法 ,为立井井筒的设计和施工提供了新的思路 ,具有重要的理论价值和广泛的应用前景 图 8,参 4     

软岩段立井井壁破裂特征及修复结构优化

为解决深立井软岩段井壁的破裂问题,对深立井软岩段井壁的破裂原因、修复支护方法进行了详细的研究,总结出了深立井井壁自身具有的特征,借助岩土工程专业分析软件FLAC~(3D),对不同的井壁修复结构形式进行了模拟分析,并对井筒修复中井壁的结构形式进行了优化,得出高阻让压的井壁结构形式,均化井壁受力,实现了提高井壁整体承载能力的最佳效果.     

立井破碎基岩段围岩强度及支护等级划分标准

立井过破碎基岩段施工过程中常常发生围岩的突然垮塌,造成人员伤亡事故.通过分析现有技术存在的问题,有必要提出一套操作性好、可定量的围岩强度及支护等级划分标准.综合考虑岩体基本质量指标、RQD值、岩石软化系数等因素,有针对性的对立井破碎基岩段进行了围岩强度等级再划分;通过不同围岩强度等级、不同开挖直径和不同深度的井筒破碎段围岩稳定性数值模拟,并提取其位移关键值,利用围岩失稳的位移判据,提出了一套针对立井破碎基岩段围岩支护等级划分标准;结合现有立井施工支护技术,形成以不同支护等级为依据的立井破碎基岩段围岩稳定控制技术.通过阳煤集团景福煤矿副立井过破碎基岩段的实际应用,验证了该技术的科学性、合理性、有效性.     

井筒围岩应力分布及支护强度相似模拟

为了对井筒围岩应力分布及支护强度进行分析,采用相似材料模拟实验对龙家堡煤矿立井井筒围岩应力分布状态进行了模拟,并结合理论计算结果及数值模拟结果对支护强度进行了分析.实验结果表明,井筒围岩应力分布呈南北向居大,支护强度与实测强度吻合,能够满足井筒支护要求.同时也为矿井投产后巷道支护提供了有利依据.     

矿山立井井壁的变形预测模型

为对矿山立井井壁的受力变形情况进行合理预测分析,保证井筒施工过程安全可靠,及时调整施工方案,优化井筒设计;以鸟山矿为例,采用对井壁混凝土应力变化情况进行现场监测的方法,结合钢筋混凝土弹性理论,把井壁作为空间受力问题,以弹性理论的井壁破坏预测模型为基础,运用Matlab软件对监测数据进行拟合处理,得到了井壁破坏预测的数学模型,进而对井壁的受力变形情况进行了预测分析.结果表明:该预测结果与工程实际观测数据相吻合,解决了井壁突然破裂而无明显预兆的难题,降低了矿井井壁破裂所造成的经济损失及人员伤亡,为其它矿井建设积累了经验.     

一个立井基岩垮塌事故剖析

立井基岩垮塌是不易见到的，而恩口煤矿立井基岩垮踢事故却很典型。本文应用工程地质力学及岩体力学有关理论进行分析，指出在井筒施工中忽视了工程地质条件的变化，对井筒地压和支护设计也未作重新计算，是造成该井筒基岩严重破坏的主要原因。值得引起同行们的注意并从中吸取教训。图３．表１．参４。     

冻结立井表土段井壁破坏规律研究

通过对表土段立井井壁破坏原因的分析,以及对危险点的应力状态的研究,揭示了立井井壁破坏的规律性,并以此为依据提出了防范井壁破裂的具体措施,这些措施及文中提及的应力计算解析式和考核井壁破坏的强度理论对施工现场及工程设计均具有较大的指导意义.     

千米立井井壁地压智能化监测系统

本文论述JY—Ⅰ型立井井壁地压智能化监测系统的结构、工作原理、硬件及软件配置。系统针对千米以上深井井壁优化设计研究的需要而设计,采用单片机80C31构成地面主机,配套15台分机,共225测点,具有功能强、造价低和实用性强等特点。     

双层钢板混凝土复合井壁设计计算方法研究

通过对双层钢板混凝土复合井壁结构受力分析指出,由于内、外钢板筒的约束作用,中间混凝土层完全处于三轴受压应力状态,混凝土抗压强度得到了较大程度地提高。根据现行混凝土结构设计规范关于多轴应力状态下混凝土强度验算的相关规定,提出了双层钢板混凝土复合井壁设计计算新方法,并得到了模型试验的验证,通过实例计算结果表明,采用这一新方法设计的井壁结构不但安全可靠,而且还可大大降低井壁混凝土的设计强度等级或减薄井壁厚度,解决了特厚表土层钻井井壁结构的设计计算难题。目前,该方法已应用于工程实际的井壁结构设计中。     

高地应力破碎围岩隧道变形受力特征试验研究

高地应力破碎围岩地层在开挖隧道过程中极易发生大变形、钢架扭曲、局部垮塌等灾害。以天平铁路关山隧道为依托,通过监测两个试验段内的围岩压力、初期支护受力与变形、二次衬砌混凝土应力的分布特征,来探讨高地应力破碎围岩地层中不同断面形式和支护参数情况下隧道支护结构的变形与受力特征。结果表明:在以水平地应力为主的破碎围岩地层中,隧道开挖引起的变形以边墙水平收敛为主,拱顶沉降次之;高边墙小曲率断面形式的单线铁路隧道受力和变形均较大,而增大边墙曲率可有效抑制隧道开挖引起的变形,使支护结构受力更为均匀,受力状态明显改善。研究可为高地应力破碎围岩地层中隧道设计提供一定的参考。     

厚表土层中滑动可缩井壁结构设计

研究了厚表土层中有竖直附加存在捍的新型井壁结构形式,阐述了滑动可缩井壁结构各部分的受力特点和计算模型,提出了新的井壁设计方法,为工程设计和应用提供了可靠的依据。     

冻结管腐蚀对井壁附加力影响的数值分析

以实际矿井为研究背景,采用大型商业软件FLAC3D模拟了冻结管腐蚀对井壁附加力的影响,模拟结果显示,冻结管腐蚀所引起的附加力在底部含水层下部达到最大,在一定时间段内,该值随时间呈近似线性增加的关系.通过该值与底部含水层疏排水引起的竖直附加力的对比分析,冻结管腐蚀给井壁所带来的附加力不能忽视,底部含水层长期疏排水和冻结管腐蚀对井壁破裂均产生影响.     

水下隧道附属竖井的横向地震响应研究

受隧道和围岩的约束影响,水下隧道竖井在地震作用下的内力和变形特征与一般井筒式基础存在明显不同。基于黏弹性人工边界条件,采用通用有限元程序ANSYS建立了一种可以同时考虑土水介质与结构动力相互作用的有限元分析模型。通过对软土和岩质地基中竖井结构的横向地震响应进行分析。计算结果表明:不同土质条件下的竖井结构内力和变形规律基本一致,但受影响程度存在较大差异,主要反映在与隧道接头位置。上述结论可为进一步研究水下隧道竖井结构振动理论及竖井结构设计提供参考。     

原位扩建既有隧道主洞与竖井交叉段扩建型式

为了深入探究原位扩建既有隧道主洞与竖井交叉段的最优扩建型式，依托南岭隧道原位扩建工程，针对竖井与隧道主洞交叉段的扩建过程建立三维有限元模型，并研究单侧扩建、双侧扩建型式下围岩变形及应力随开挖过程的变化规律.考虑竖井与隧道的空间位置关系，基于太沙基理论提出不同扩建型式的隧道围岩压力计算公式.结果表明:两种扩建型式下围岩的变形速率均在掌子面距竖井与隧道交叉断面1倍洞径以内时较大；单侧扩建使围岩应力释放不均并形成偏压效应，产生较双侧扩建更大的围岩应力；扩建型式的选择对围岩压力的分布影响较大，围岩级别在Ⅲ～Ⅴ级时，围岩压力计算值由大到小排序为双侧扩建＞太沙基理论＞单侧扩建.     

特厚冲积层冻结井壁受力机理与设计优化

为解决特厚冲积层冻结井筒的支护难题,对井壁受力机理和设计优化方法进行了探讨.井壁实际受力状态分析表明:特厚冲积层冻结井筒,外层井壁的内缘混凝土处于"拉-压"二向应力状态,其中环向处于压应力状态,竖向则处于拉应力状态;而内层井壁的内缘钢筋混凝土处于"压-压"二向应力状态,其中环向压应力是由静水压力或层间压力引起的,竖向压应力则是由自重应力等引起.根据现行混凝土结构设计规范,提出了特厚冲积层冻结井壁设计优化方法.工程实例应用结果表明:采用这一设计优化方法不但可以减薄井壁总厚13%,而且它与现行国家混凝土结构设计规范相衔接,各项参数取值有法可依,优化后的井壁工作状况正常.     

深井高地应力巷道围岩弱化规律及控制技术

深井高地应力围岩控制是深井支护的难点,应用FLAC3D软件对深井半圆拱巷道在高地应力作用下围岩的弱化规律进行研究,发现深井高地应力围岩塑性区出现不连续分布的现象,随着时间的推移,塑性区逐渐增大,表明深井围岩属于非线性力学系统.同时,分析了不同侧压系数下的巷道围岩应力和位移,得到了在巷道纵向上和横向上两者的变化情况,以及不同地应力对深井锚喷网加锚索协同支护效果的影响.提出深井高地应力围岩高强度、高刚度以及大范围的围岩控制技术,并对不同地应力情况下的支护效果进行监测,取得了较好的支护效果.     

黑龙江某钼矿大断面深井井筒支护厚度优化

黑龙江某钼矿混合井断面直径为6 m,井深1 240 m,原设计除井颈部分外全部采用500 mm混凝土等厚度支护。本论文采用经验法对井筒支护厚度进行初步设计,然后用MIDAS/GTS专用岩土大型商业软件对井筒进行数值建模,通过数值模拟法分析比较不同支护厚度情况下的井筒围岩和支护体的应力、应变情况,从而确定经济合理的支护厚度。通过优化,井筒支护厚度从500 mm调整为400 mm,减少了混凝土材料用量,显著缩短了井筒施工周期,对极寒地区大断面深井支护有重要的指导意义。     

地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性

基于混凝土材料的动力损伤特性,建立了其弹塑性损伤本构模型,将该模型应用于强震区某大断面隧道工程,分析了不同地震波入射方向、地震波强度和围岩条件下隧道结构的地震响应与动力损伤规律,探讨了大断面隧道结构的地震损伤特性和破坏机理。研究结果表明：地震波垂直、水平两种入射条件下两者衬砌的压主应力、加速度响应形态相似,但水平入射条件下衬砌结构的应力、加速度响应相较于垂直入射条件更加剧烈;水平入射时衬砌的动力损伤远大于垂直入射时的动力损伤,且动力损伤主要集中于拱腰与墙脚处;围岩条件对隧道衬砌结构的拉主应力响应以及动力损伤有显著影响,V级围岩条件下衬砌结构的最大拉应力是IV级围岩下的5.7倍;隧道结构的地震响应与动力损伤特性也受地震波强度的影响,随着地震波强度增大,应力、加速度响应峰值以及最大动力损伤量均呈现非线性增大趋势,动力损伤随之加剧且由拱腰和墙脚处逐渐向外扩展;在强震区软岩隧道抗震设计以及运营期间震后加固修复应着重注意动力损伤集中的部位。