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隧道穿越充填介质地层渗透失稳演化规律与突涌水灾变机理研究
1
作者
答子虔
吕刚
+2 位作者
于晨昀
胡小悦
祝向向
《铁道标准设计》
北大核心
2025年第10期249-255,336,共8页
随着我国交通强国建设推进,西部地区高海拔、大埋深隧道工程日益增多,面临的突涌水灾害风险日益凸显,严重威胁工程安全与影响施工进度。针对西部复杂地质环境隧道突涌水灾害防控难题,通过分析地质因素和介质类型的影响效果,建立隧道充...
随着我国交通强国建设推进,西部地区高海拔、大埋深隧道工程日益增多,面临的突涌水灾害风险日益凸显,严重威胁工程安全与影响施工进度。针对西部复杂地质环境隧道突涌水灾害防控难题,通过分析地质因素和介质类型的影响效果,建立隧道充填介质渗透失稳破坏力学模型,提出渗透失稳破坏的关键判据—临界水流速度和临界水力梯度,探究围压(200,400,600 kPa)和渗压加载速率(0.10,0.15,0.20 MPa/min)对涌水量时空演化规律的影响。研究结果表明:(1)围压与瞬时涌水量呈负相关,围压越小,最大瞬时涌水量越大,围压200 kPa时最大瞬时涌水量达27.03 mL/s,增至400,600 kPa时分别下降24.3%、2.6%,稳定时间延长26.7%、15.8%;(2)渗压加载速率与瞬时涌水量呈正相关,速率越大,最大瞬时涌水量越大,0.10 MPa/min时最大瞬时涌水量为22.8 mL/s,增至0.15,0.20 MPa/min时分别增加5.4%、26.8%,稳定时间缩短5.3%、11.1%。进一步研究验证围压、渗压加载速率是影响隧道涌水量的关键因素,高围压通过提升充填介质密实度实现对孔隙结构调整的有效抑制,从而降低涌水量并延缓稳定进程;高加载速率通过快速增大孔隙水压力影响渗流通道加速贯通,显著增强涌水的突发性。研究成果可为隧道突涌水灾害的防治与风险管控提供理论基础与有效技术支撑。
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关键词
铁路隧道
充
填
致灾构造
充填介质失稳力学模型
突涌水破坏类型
渗透
失
稳
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职称材料
动态荷载作用后尾砂胶结充填体再承载力学特性
2
作者
宋学朋
樊博文
+1 位作者
王石
张洪伟
《煤炭学报》
CSCD
北大核心
2024年第12期4785-4797,共13页
爆破回采与采空区充填是地下金属矿充填开采的核心手段,作为采空区核心承载单元的充填体势必遭受临近矿体爆破动载扰动,进而诱导基体内部结构改变影响其再承载能力和稳定性,关乎矿山安全生产。基于分离式霍普金森压杆系统(SHPB)制备了...
爆破回采与采空区充填是地下金属矿充填开采的核心手段,作为采空区核心承载单元的充填体势必遭受临近矿体爆破动载扰动,进而诱导基体内部结构改变影响其再承载能力和稳定性,关乎矿山安全生产。基于分离式霍普金森压杆系统(SHPB)制备了考虑冲击幅值大小的动态损伤充填体,实现了充填体爆破扰动模拟,探明了充填体在动态荷载下的细观结构响应特征,揭示了动态损伤充填体的力学行为和裂纹扩展机制,实现了动态损伤充填体的失稳超前预警。结果表明:动态损伤充填体的细观结构劣化程度随冲击幅值增加而提高,与此对应的孔隙率增加34.48%,波速减小44.48%,初始损伤程度加剧;随着冲击幅值增加,动态损伤充填体的单轴抗压强度和弹性模量呈先缓慢减小再快速减小然后再缓慢减小的3阶段变化趋势,最大减小率分别为54.15%、69.02%。同时,动态损伤充填体的应力应变曲线的压密阶段随损伤程度增加而显著延长,峰值应变提高78.35%,充填体由脆延性向延性转变;声发射特征参数与充填体的破裂行为密切相关,由于初始损伤程度差异,动态损伤充填体基体内部裂纹萌生、扩展、传播的速率、数量、尺度显著不同,体现在声发射信号上为活跃程度和疏密性随冲击幅值增加先减小再增加再减小;声发射ib值呈“波动上升—剧烈下降—大幅波动”的变化规律。随冲击幅值增加,ib值剧烈下降区增多且向峰前阶段转移。将ib值剧烈下降区判定为失稳前兆信息,动态损伤充填体在较小应力下即达到失稳临界值。增加冲击幅值对动态损伤充填体破坏模式影响不显著,但表面塌落区面积提高破坏程度明显增强。
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关键词
动态荷载
充
填
体
力学
行为
动态损伤
失
稳
前兆信息
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职称材料
孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨
被引量:
19
3
作者
姜福兴
陈洋
+3 位作者
李东
王存文
盖德成
朱斯陶
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2019年第1期151-159,共9页
孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩...
孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究,建立了孤岛充填开采条件下"充填体-煤柱-顶板"力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:(1)采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围,是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;(2)受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响,工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性,弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体,工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;(3)充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形,当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止,充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;(4)决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理,通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施,可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。
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关键词
孤岛煤柱
充
填
开采
冲击地压
结构
模型
失
稳
判据
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职称材料
大倾角煤层顶板垮落充填量化特征及覆岩分区破断分析
被引量:
7
4
作者
韩承红
孔德中
+1 位作者
熊钰
陈昊熠
《煤炭工程》
北大核心
2021年第9期76-82,共7页
为探究大倾角煤层开采直接顶垮落在采空区下部量化充填特征、覆岩破断特征和工作面长度的影响规律,分析了直接顶破碎岩块在采空区倾斜方向的滑移规律,并推导出采空区下部区域充填接顶长度L的计算公式;基于此,分析了基本顶破断失稳量化特...
为探究大倾角煤层开采直接顶垮落在采空区下部量化充填特征、覆岩破断特征和工作面长度的影响规律,分析了直接顶破碎岩块在采空区倾斜方向的滑移规律,并推导出采空区下部区域充填接顶长度L的计算公式;基于此,分析了基本顶破断失稳量化特征,推导出基本顶沿走向和倾向上的破断失稳公式,并结合工程实例运用UDEC数值模拟验证了理论推导的合理性。结果表明:大倾角煤层开采在直接顶垮落自行充填的作用下,基本顶沿倾斜方向分为稳定区、易失稳区和悬顶区,并且各区段长度与工作面长度呈正相关;基本顶发生破断的位置处于破碎岩块充填体的上方,并且会在充填体的作用下沿倾斜方向上保持一定长度(L-x1)的稳定结构。该研究可以为大倾角工作面合理长度的布置提供借鉴。
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关键词
大倾角煤层
采空区
充
填
分区域
失
稳
力学
模型
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职称材料
蚀变带内矿体开采中人工假底的应用研究
被引量:
2
5
作者
宋恩祥
李强
+1 位作者
张静
彭康
《黄金科学技术》
CSCD
2019年第5期722-730,共9页
针对嵩县山金矿业有限公司主矿体位于矿区构造破碎带内,前期采用上向进路充填采矿法对其进行开采时留下了高品位顶底矿柱的开采难题,矿山提出通过在各中段间施工人工假底来对这部分高品位矿柱进行回收。因此,为保证顶底柱回采稳定性和...
针对嵩县山金矿业有限公司主矿体位于矿区构造破碎带内,前期采用上向进路充填采矿法对其进行开采时留下了高品位顶底矿柱的开采难题,矿山提出通过在各中段间施工人工假底来对这部分高品位矿柱进行回收。因此,为保证顶底柱回采稳定性和矿石回收率,建立了人工假底薄“板”力学模型,应用弹性力学理论对其失稳机理进行分析;同时在人工假底厚度确定的情况下采用安全系数法分析了进路宽度与高度对进路稳定性的影响,确定安全合理的进路宽度为3.5~4.0m,高度为3.0~4.0m;再对人工假底进行配筋设计,并对金属网在人工假底中不同位置时假底位移及应力场变化进行数值模拟分析,得到最安全合理的铺设位置为人工假底中部。将研究结果应用到工程实践中,结果表明人工假底的应用使矿山顶底柱得到安全高效的回采。
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关键词
构造蚀变带
进路
充
填
采矿法
人工假底
失
稳
机理
安全系数法
数值模拟
力学
模型
金属网
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职称材料
题名
隧道穿越充填介质地层渗透失稳演化规律与突涌水灾变机理研究
1
作者
答子虔
吕刚
于晨昀
胡小悦
祝向向
机构
中铁工程设计咨询集团有限公司
山东大学未来技术学院
出处
《铁道标准设计》
北大核心
2025年第10期249-255,336,共8页
基金
中国国家铁路集团有限公司科技研究计划课题(N2023G045)。
文摘
随着我国交通强国建设推进,西部地区高海拔、大埋深隧道工程日益增多,面临的突涌水灾害风险日益凸显,严重威胁工程安全与影响施工进度。针对西部复杂地质环境隧道突涌水灾害防控难题,通过分析地质因素和介质类型的影响效果,建立隧道充填介质渗透失稳破坏力学模型,提出渗透失稳破坏的关键判据—临界水流速度和临界水力梯度,探究围压(200,400,600 kPa)和渗压加载速率(0.10,0.15,0.20 MPa/min)对涌水量时空演化规律的影响。研究结果表明:(1)围压与瞬时涌水量呈负相关,围压越小,最大瞬时涌水量越大,围压200 kPa时最大瞬时涌水量达27.03 mL/s,增至400,600 kPa时分别下降24.3%、2.6%,稳定时间延长26.7%、15.8%;(2)渗压加载速率与瞬时涌水量呈正相关,速率越大,最大瞬时涌水量越大,0.10 MPa/min时最大瞬时涌水量为22.8 mL/s,增至0.15,0.20 MPa/min时分别增加5.4%、26.8%,稳定时间缩短5.3%、11.1%。进一步研究验证围压、渗压加载速率是影响隧道涌水量的关键因素,高围压通过提升充填介质密实度实现对孔隙结构调整的有效抑制,从而降低涌水量并延缓稳定进程;高加载速率通过快速增大孔隙水压力影响渗流通道加速贯通,显著增强涌水的突发性。研究成果可为隧道突涌水灾害的防治与风险管控提供理论基础与有效技术支撑。
关键词
铁路隧道
充
填
致灾构造
充填介质失稳力学模型
突涌水破坏类型
渗透
失
稳
Keywords
railway tunnel
disaster-inducing filling structure
mechanical model of filling media instability
water inrush failure type
seepage-induced instability
分类号
U25 [交通运输工程—道路与铁道工程]
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职称材料
题名
动态荷载作用后尾砂胶结充填体再承载力学特性
2
作者
宋学朋
樊博文
王石
张洪伟
机构
中国矿业大学(北京)能源与矿业学院
江西理工大学资源与环境工程学院
出处
《煤炭学报》
CSCD
北大核心
2024年第12期4785-4797,共13页
基金
国家自然科学基金资助项目(52204162,52364011)
北京市自然科学基金资助项目(3232026)。
文摘
爆破回采与采空区充填是地下金属矿充填开采的核心手段,作为采空区核心承载单元的充填体势必遭受临近矿体爆破动载扰动,进而诱导基体内部结构改变影响其再承载能力和稳定性,关乎矿山安全生产。基于分离式霍普金森压杆系统(SHPB)制备了考虑冲击幅值大小的动态损伤充填体,实现了充填体爆破扰动模拟,探明了充填体在动态荷载下的细观结构响应特征,揭示了动态损伤充填体的力学行为和裂纹扩展机制,实现了动态损伤充填体的失稳超前预警。结果表明:动态损伤充填体的细观结构劣化程度随冲击幅值增加而提高,与此对应的孔隙率增加34.48%,波速减小44.48%,初始损伤程度加剧;随着冲击幅值增加,动态损伤充填体的单轴抗压强度和弹性模量呈先缓慢减小再快速减小然后再缓慢减小的3阶段变化趋势,最大减小率分别为54.15%、69.02%。同时,动态损伤充填体的应力应变曲线的压密阶段随损伤程度增加而显著延长,峰值应变提高78.35%,充填体由脆延性向延性转变;声发射特征参数与充填体的破裂行为密切相关,由于初始损伤程度差异,动态损伤充填体基体内部裂纹萌生、扩展、传播的速率、数量、尺度显著不同,体现在声发射信号上为活跃程度和疏密性随冲击幅值增加先减小再增加再减小;声发射ib值呈“波动上升—剧烈下降—大幅波动”的变化规律。随冲击幅值增加,ib值剧烈下降区增多且向峰前阶段转移。将ib值剧烈下降区判定为失稳前兆信息,动态损伤充填体在较小应力下即达到失稳临界值。增加冲击幅值对动态损伤充填体破坏模式影响不显著,但表面塌落区面积提高破坏程度明显增强。
关键词
动态荷载
充
填
体
力学
行为
动态损伤
失
稳
前兆信息
Keywords
dynamic loading
filling body
mechanical behavior
dynamic damage
precursor information
分类号
TD853 [矿业工程—金属矿开采]
TU528.01 [建筑科学—建筑技术科学]
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职称材料
题名
孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨
被引量:
19
3
作者
姜福兴
陈洋
李东
王存文
盖德成
朱斯陶
机构
北京科技大学土木与资源工程学院
出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2019年第1期151-159,共9页
基金
国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801401)
国家自然科学基金重点资助项目(51634001)
国家自然科学基金资助项目(51674014)
文摘
孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究,建立了孤岛充填开采条件下"充填体-煤柱-顶板"力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:(1)采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围,是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;(2)受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响,工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性,弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体,工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;(3)充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形,当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止,充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;(4)决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理,通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施,可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。
关键词
孤岛煤柱
充
填
开采
冲击地压
结构
模型
失
稳
判据
Keywords
isolated pillar
backfilling mining
rock burst
structure model
instability criterion
分类号
TD324 [矿业工程—矿井建设]
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职称材料
题名
大倾角煤层顶板垮落充填量化特征及覆岩分区破断分析
被引量:
7
4
作者
韩承红
孔德中
熊钰
陈昊熠
机构
贵州省煤矿设计研究院有限公司
贵州大学矿业学院
出处
《煤炭工程》
北大核心
2021年第9期76-82,共7页
基金
国家自然科学基金青年科学基金项目(51904082)
国家自然科学基金地区科学基金项目(52064005,52164005,52164002)
贵州省科技计划项目(黔科合基础[2020]1Y214,黔科合支撑[2021]一般339)。
文摘
为探究大倾角煤层开采直接顶垮落在采空区下部量化充填特征、覆岩破断特征和工作面长度的影响规律,分析了直接顶破碎岩块在采空区倾斜方向的滑移规律,并推导出采空区下部区域充填接顶长度L的计算公式;基于此,分析了基本顶破断失稳量化特征,推导出基本顶沿走向和倾向上的破断失稳公式,并结合工程实例运用UDEC数值模拟验证了理论推导的合理性。结果表明:大倾角煤层开采在直接顶垮落自行充填的作用下,基本顶沿倾斜方向分为稳定区、易失稳区和悬顶区,并且各区段长度与工作面长度呈正相关;基本顶发生破断的位置处于破碎岩块充填体的上方,并且会在充填体的作用下沿倾斜方向上保持一定长度(L-x1)的稳定结构。该研究可以为大倾角工作面合理长度的布置提供借鉴。
关键词
大倾角煤层
采空区
充
填
分区域
失
稳
力学
模型
Keywords
steep coal seam
goaf filling
regional instability
mechanical model
分类号
TD325 [矿业工程—矿井建设]
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职称材料
题名
蚀变带内矿体开采中人工假底的应用研究
被引量:
2
5
作者
宋恩祥
李强
张静
彭康
机构
嵩县山金矿业有限公司
山东黄金集团中华矿业事业部
重庆大学资源与安全学院
重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室
出处
《黄金科学技术》
CSCD
2019年第5期722-730,共9页
基金
重庆市科技计划项目基础科学与前沿技术研究专项“动静荷载作用下深部含瓦斯煤体失稳破坏机理研究”(编号:Cstc2018jcyjAX0387)资助
文摘
针对嵩县山金矿业有限公司主矿体位于矿区构造破碎带内,前期采用上向进路充填采矿法对其进行开采时留下了高品位顶底矿柱的开采难题,矿山提出通过在各中段间施工人工假底来对这部分高品位矿柱进行回收。因此,为保证顶底柱回采稳定性和矿石回收率,建立了人工假底薄“板”力学模型,应用弹性力学理论对其失稳机理进行分析;同时在人工假底厚度确定的情况下采用安全系数法分析了进路宽度与高度对进路稳定性的影响,确定安全合理的进路宽度为3.5~4.0m,高度为3.0~4.0m;再对人工假底进行配筋设计,并对金属网在人工假底中不同位置时假底位移及应力场变化进行数值模拟分析,得到最安全合理的铺设位置为人工假底中部。将研究结果应用到工程实践中,结果表明人工假底的应用使矿山顶底柱得到安全高效的回采。
关键词
构造蚀变带
进路
充
填
采矿法
人工假底
失
稳
机理
安全系数法
数值模拟
力学
模型
金属网
Keywords
structural alteration zone
drift filling mining method
artificial false bottom
instabilitymechanism
safety factor method
numerical simulation
mechanical model
metal mesh
分类号
TD853 [矿业工程—金属矿开采]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
隧道穿越充填介质地层渗透失稳演化规律与突涌水灾变机理研究
答子虔
吕刚
于晨昀
胡小悦
祝向向
《铁道标准设计》
北大核心
2025
0
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职称材料
2
动态荷载作用后尾砂胶结充填体再承载力学特性
宋学朋
樊博文
王石
张洪伟
《煤炭学报》
CSCD
北大核心
2024
0
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职称材料
3
孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨
姜福兴
陈洋
李东
王存文
盖德成
朱斯陶
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2019
19
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职称材料
4
大倾角煤层顶板垮落充填量化特征及覆岩分区破断分析
韩承红
孔德中
熊钰
陈昊熠
《煤炭工程》
北大核心
2021
7
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职称材料
5
蚀变带内矿体开采中人工假底的应用研究
宋恩祥
李强
张静
彭康
《黄金科学技术》
CSCD
2019
2
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