Specific energy based rippability classification system for coal measure rock

Specific energy is simply defined as the work done per unit volume of rock excavated. Specific energy is an important performance parameter as it relates cutting force to the amount of rock excavated. In this paper the development of a new rippability classification system for coal measure rock based on specific energy is presented. Extensive field and laboratory studies were conducted at six different lignite open pit mines and rock mechanics laboratory. Since both ground and machine properties are incorporated, the rippability classes of rocks and the approximate hourly ripper productions of different dozer types can be assessed by using the developed system.     

基于GIS的矿山地表移动信息管理与分析系统

以金川矿区为例,介绍了应用GIS进行二次开发来构建矿山地表移动信息管理与分析系统的方法、过程以及该系统的主要功能。该系统包括地表移动信息管理、地表移动分析与评价、地表移动预测3个模块,充分利用了GIS强大的空间数据管理与分析能力,实现了GIS与Surfer结合进行矿山地表移动分析与评价,GIS与Matlab结合进行监测数据的非线性神经网络时序预测。该系统不但有助于提高金川矿山地表移动信息的检索和分析效率,对其他矿山地表移动信息系统的建立也具有借鉴意义。     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

基于Mindlin解的盾构隧道地表沉降黏弹性分析

基于Mindlin解,采用三参数固体黏弹性模型,给出了盾构隧道黏弹性沉降的计算方法,通过退化验证,证明了所得出的黏弹性沉降计算方法的正确性。结合工程实例进行计算分析,分别得出了黏性系数、距开挖面距离以及开挖深度对刀盘正面摩擦、刀盘侧面摩擦、正面附加推力、盾壳与周围土体之间的摩擦力引起的地表变形的影响。计算表明:沉降稳定所需时间随黏性系数增大而延长,随开挖深度的不同而不同;不同的黏性系数,最终沉降值无明显差异;盾壳摩擦导致的沉降随距开挖面距离的增加而减小。     

小湾水电站饮水沟大规模倾倒破坏现象的工程地质研究

倾倒破坏是陡倾层状岩体一类主要的变形破坏形式,一般发育于地表临空面附近的坡体浅部。根据文献资料,前人研究的倾倒破坏体能保持其完整形态者规模并不大。小湾水电站左岸坝前高边坡由于其特殊地形地貌及其岩体结构条件,使得如此大规模的倾倒变形体能保持其完整形态至今。由于倾倒变形体紧邻大坝且地势较高,一旦失稳,将给小湾水电站的建设造成不可估量的损失。查明倾倒破坏堆积体规模及其岩体结构特征,为倾倒堆积体边坡支护方案选择及稳定性评价参数选取提供依据。更重要的是,揭示这类大规模的倾倒破坏表现特征及其形成条件,对认识复杂条件下岩石高边坡的变形破坏机理具有一定指导意义。本文通过细致的野外调查,揭示了一类发育深度较大的大规模倾倒变形破坏。通过对边坡的详细描述与记录,阐明了这类变形破坏发育的特征和空间展布,并对其形成机制作了简要的分析。     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,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,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的; (2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因; (3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征; (4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围; 提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义

小湾水电站进水口高边坡地质条件及开挖坡型复杂,断层、节理裂隙发育并相互切割,坝顶平台至进水口底板平台平均开挖坡度88°,最大高差106m,其中垂直开挖段81m,最大水平退坡深度170余米。伴随边坡开挖过程中,边坡上部岩体产生了一系列的变形破裂现象,主要表现为沿混凝土坡面分布的张开宽度和延伸长度不一的裂缝及起壳现象。本文结合边坡的实际工程地质条件和监测结果数据,对变形破裂现象的形成机制进行了系统的分析。结果表明,裂缝产生的原因主要是由于地处高地应力区岩体在边坡开挖过程中产生的卸荷回弹表现,是正常的卸荷松弛变形。在此基础上,对边坡的稳定性分析表明,该边坡稳定性良好。     

基于突变理论深埋硬岩隧道的失稳分析

在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上,运用突变理论探讨了深埋硬岩隧道失稳的机理;基于势能原理,建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深埋硬岩隧道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中弹性区刚度和塑性区刚度的比值有关;开挖过程中,围岩受扰动和损伤程度越大,岩体完整性系数越小,力学参数指标弱化程度越高,塑性区范围越大,刚度比越小,围岩系统发生失稳的可能性就越大。工程实例分析表明,分析结果与实际经验基本一致;研究成果可为预防隧道失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。     

粘弹性岩体中支护圆形洞室施工过程的解析分析

地下洞室的开挖与支护是逐步的连续过程。对具有流变效应的粘弹性岩体,流变时效与施工效应发生耦合,变形与时间相关。针对深埋圆形洞室的施工,用半径时变函数模拟断面开挖过程。当岩体模拟为任一粘弹性材料时,将方程进行拉普拉斯变换求得位移通解,逆变换后代入边界条件确定待定函数,最终得到用洞周面力表达的围岩应力、位移统一解。区分开挖与支护时段,将半径时变函数、洞周面力不同表达式代入,利用支护后围岩与弹性支护接触条件建立关于支护力的Volterra积分方程。当岩石模拟为Boltzmann粘弹模型时,代入材料参数可求解积分方程得到支护力的确切表达,并进一步求得开挖过程及任意时刻支护后应力、位移分段解析表达式。表达式和算例分析表明:加支护后的径向位移增长呈指数形式变化且最终稳定于某一数值。最终洞型相同时,采用不同断面开挖速度且挖完立即支护时,开挖较快的情况位移变化较剧烈,而支护后最终稳定位移较小;但是,相应支护阶段产生的位移较大,支护力也较大。文中给出的方法可用于计算圆形洞室半径任意开挖并加支护后的应力、位移,适用于任一粘弹模型岩体的施工分析。     

北京市戒台寺滑坡发生发展机理研究

戒台寺滑坡位于北京市门头沟区马鞍山的北麓,马鞍山背斜的北翼,组成边坡的岩性较为软弱。由于多期构造运动的影响,岩体中裂隙发育,岩体结构破碎,风化卸荷严重。边坡为顺倾结构,边坡中顺倾坡外的软弱夹层、软弱结构面及断层发育,它们分别为边坡的滑动提供了滑动面和切割面的作用。由于边坡中岩层倾角大于边坡的坡度,因此并没有剪出的临空面,只是一个受特定边坡结构控制的蠕变体。但是近年来在胜利煤矿和石厂煤矿的大规模采掘Ⅳ级平台山梁下煤层影响下,形成采空移动盆地,造成Ⅳ级平台山梁整体塌陷,客观上为蠕变体提供了变形空间,引起戒台寺SN向山梁Ⅰ～Ⅲ级平台坡体依附于断层破碎带或软弱夹层的松弛,导致各块坡体沿软弱结构面向临空产生蠕动和滑动。采石场大药量爆破的地震波的频繁作用影响,使坡体内的构造结构面扩展松弛张开,表水易于下渗,岩体强度及变形特性显著降低,斜坡稳定性对降雨入渗的敏感性显著提高,最终导致了蠕变体变形的加速。     

软弱破碎围岩双连拱隧道安全施工与监测

针对软弱破碎Ⅱ类围岩双连拱隧道采用三导洞施工方法的特点,阐述了其安全施工技术要点,实际施工中,就其监测内容及监测结果进行了实时分析,为隧道安全施工提供了依据,长期监控量测结果表明,该隧道结构是安全的,达到了围岩与支护结构体系安全与稳定的要求,所采用的安全施工措施以及信息化施工方法对类似工程具有指导和借鉴意义.     

城市浅埋软岩隧道施工沉降分析及对策

浅埋软岩隧道施工沉降变形控制是浅埋地下工程面临的关键难题,其中最基础的内容是对开挖引起的沉降变形规律的掌握。通过对新建龙岩至厦门铁路石桥头隧道地表沉降变形观测分析,将地表沉降变形划分为三个主要阶段：初始沉降阶段、加速沉降阶段和减速沉降阶段; 结合隧道拱顶沉降监测结果,得出浅埋软岩隧道地表沉降与拱顶沉降正相关的结论。隧道开挖对掌子面前后纵向地表沉降的主要影响范围分别为15D和3D(D为开挖跨度); 横向地表沉降影响范围包括隧道中线两侧各4D的范围,地表建(构)筑物受到较大影响包括隧道中线两侧各2D的范围。针对地表和拱顶沉降过大,采取全断面超前预注浆方案进行处理,监测结果显示全断面超前预注浆能有效控制拱顶下沉和地表沉降量,收敛值减小则不显著,说明该方案达到了控制沉降变形的目的。
浅埋软岩隧道〓地表沉降〓拱顶沉降〓监测〓全断面超前预注浆
P642
A
2009-04-14
2009-06-04
陈利杰,主要从事铁路隧道工程技术管理工作.Email: lxtlzhb@126.com     

破碎岩石气体渗透性的试验测定方法

为了测试采矿工程中松散破碎岩体的气体渗透特性,设计了与MTS815.02岩石力学伺服机配套的气体渗透仪和测试系统。依靠MTS伺服机改变压力和位移条件,渗透仪用以稳定破碎岩石并连接气体测试系统,接入气源、组成回路和测试气透特性等由测试系统完成。通过对几组破碎砂岩岩样氮气渗透性能的测试,结合考虑状态方程的渗透率换算公式,得出破碎砂岩气体渗透率随压力和粒径条件的变化规律。该测试方法和测试结果在研究采动破碎岩体瓦斯等气体流动规律方面具有重要意义。     

黄淮地区巨厚松散层岩性结构特征以及采矿对其水动态的影响

本文选择地处黄淮地区的淮南、淮北、大屯、兖州和邢台等矿区中典型矿井的巨厚松散层，分析了该地区巨厚松散层的岩性结构特征，从水体、地层和采矿波及类型等方面论述了采矿对松散层地下水动态的影响特征，解释和解决了某些实际工程问题。     

隧道及地下工程的基本问题及其研究进展1）

作为隧道及地下工程学科的3个基本问题,隧道围岩稳定性、支护--围岩相互作用和结构体系的动力响应一直都是本学科研究的核心问题,本文围绕上述问题重点分析了隧道围岩力学特性及其载荷效应,建立了深浅层围岩结构力学模型,并通过分析深层围岩中结构层稳定性得到了围岩特性曲线的解析公式,提出了围岩结构性特点及载荷效应的计算方法;通过对隧道支护与围岩作用关系的分析,将支护与围岩的动态作用分为4个阶段：即自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌阶段.由此提出了动态作用全过程的描述方法;基于广义与狭义载荷的理念,提出隧道支护具有调动和协助围岩承载基本功能的观点,明确了两种功能的实现方式,即通过围岩加固、超前加固及锚杆支护实现调动围岩承载,通过支护结构协助围岩承载;针对复杂的隧道支护结构体系,提出了多目标、分阶段协同作用动态优化概念,可使各种支护结构的施作实现时间和空间上的协调,提高可靠性;针对极不稳定的复杂隧道围岩的安全性特点,建立了3种模式的安全事故机理模型,基于工程响应特点提出了安全性分级的新理念,并形成了分级指标体系和分级方法;针对水下隧道及富水围岩条件,建立了3种模式的隧道突涌水机理模型,提出了基于围岩变形控制的安全性控制理论和方法.最后,对本学科发展的热点和核心问题进行了分析和展望.     

深部回采巷道围岩零应变交界圈现象的模型试验研究

以淮南矿区口孜东矿深部回采巷道为工程背景,采用真三轴模型试验装置模拟了从浅埋静水压力、深埋静水压力、初掘采动应力(K=1.5为1.5倍900m埋深静水压力,后同)到回采动压(K=2~3)等不同应力条件下,大、小两种尺寸的直墙拱形回采巷道围岩应变状态,获得了浅埋条件下巷道围岩浅部拉应变、深部零应变,以及深埋静水压力及初掘采动应力下,巷道围岩出现"零应变交界圈"现象及深埋回采高应力下非线性大应变的围岩应变特征。应变监测结果反映了深部回采巷道围岩变形破坏的动态演化过程,为巷道的稳定性控制提供了一定的思考。     

小湾水电站低高程坝基开挖卸荷松弛机理试验研究

小湾电站低高程坝基开挖过程中,表层岩体卸荷松弛强烈,主要形式有沿已有裂隙地错动、张开和扩展,及因新生破裂而松弛。后者主要包括：“葱皮”现象、“板裂”现象和岩爆现象。试验测试表明,开挖面附近微新岩石为坚硬—极坚硬岩石,但其初始损伤明显,其损伤发展启动应力在5.2~12.4MPa之间,抗拉强度在3~6MPa之间,这是坝基表层岩体卸荷松弛强烈的物质基础;坝基面爆破开挖的应力集中和爆炸作用影响是坝基岩体卸荷松弛强烈的岩石力学环境条件。     

某深埋隧道围岩破裂发展机理数值模拟

围绕某深埋隧道支护结构失效机理展开研究。调查了某深埋隧道围岩地质及支护结构失效特征,根据深埋隧道围岩的地质力学历史,提出岩石峰后力学特征描述的塑性应变指标。通过数值模拟获得在开挖扰动下该隧道围岩中应力大小的交替分布及围岩破裂的分层现象,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制,揭示出武陵山脉隧道深埋段支护结构破坏的原因在于围岩的分层破裂。研究结果为深部隧道支护设计及稳定性分析提供了有效的思路与处理方法。     

软岩巷道开巷初期围岩变形灰色模型预测的研究

应用灰色系统理论对软岩巷道开巷初期围岩变形进行了预测，通过实例说明用GM（1，1）模型和双向差分模型预测巷道的围岩变形都是简单可行的。对GM（1，1）模型进行了改进，建立了具有较小原点误差的改进的GM（1，1）的模型，并且给出了双向差分模型，GM（1，1）模型与其改进模型对软巷道围岩变形预测结果的比较，为灰色系统理论用于软岩巷道开巷初始围岩及支扩变形预测的实践进行了新的探讨，它将在软岩工程未来行为的预测方面起着重要的参考作用。     

Viscoplastic creep of rocks around a lined tunnel

A rock-support analysis is done assuming that the rock behaves elastic/viscoplastically while the support can be any kind of nonlinear support. The case of circular tunnels is considered and the formulation of the mathematical problem is discussed. Furthermore, the creep of rock around a tunnel with nonlinear supports (called “yieldable” or “self-adapting” supports) to limit the closure of the tunnel is studied. It is shown that the ultimate ground reaction is not unique since it depends on the loading history such as excavation layout and support design. For relatively small pressures exerted by the support, it is shown that the onset of failure by dilatancy can be determined. Two kinds of solutions are given: a simplified approximate one, which is easy to apply and with which the qualitative discussion of the solution is simple and revealing, and a more rigorous general elaborate numerical solution obtained by using computer programs.