深层富水废弃巷道改建开挖应力、渗流与损伤耦合效应

文摘   2024-08-09 11:59   广东  
智利  
苏格兰矿区矿井水地热能应用  /MetaGeo

APA 格式引文:

Deng, Y., Luo, Y., Qu, D., Zhang, X., Liu, X., Luo, H., & Li, X. (2024). Coupling effects of stress, seepage and damage during reconstruction and excavation of abandoned deep water-rich roadways. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 57(3). https://doi.org/10.1144/qjegh2024-014

研究亮点


 应力-渗流-损伤耦合模型建立了考虑深层岩体长期蠕变的应力-渗流-损伤耦合模型,研究了废弃深层富水巷道重建和开挖过程中围岩稳定性演化的机制。


 圆形巷道的优势:研究表明,圆形巷道的应力分布更均匀,围岩稳定性更高,因此在设计新洞室时,如果截面形状没有严格的设计约束,优先采用圆形截面。


 蠕变效应的影响:随着废弃巷道蠕变时间的延长,围岩的损伤、拱顶沉降和水平收敛量均增加,导致围岩稳定性降低。因此,建议优先选择蠕变时间较短的废弃巷道进行重建和开挖


 埋深的影响:当埋深在200至400米之间时,巷道顶部逐渐形成压力拱,围岩形成具有拱形力学特征的“自承结构”,整体承载能力显著提高。但当埋深超过400米时,压力拱的效果逐渐减弱,最终消失


 孔隙水压力的削弱作用:孔隙水压力对巷道围岩具有显著的削弱作用,因此建议优先选择孔隙水压力较低的废弃巷道进行重建和开挖



编者按:在当今地下工程建设日益向深层拓展的背景下,废弃深层富水巷道的重建与开挖成为一项不可回避的技术挑战。本文通过构建应力-渗流-损伤耦合模型,深入探讨了围岩在高水压条件下的稳定性问题,为这一复杂课题提供了前沿的理论支持和工程参考本文在应对深埋富水条件下的地下工程问题上,展示了技术与理论的紧密结合。其研究成果不仅具有理论深度,更在工程应用中具备现实意义。


摘要:考虑深层岩体长期蠕变的应力-渗流-损伤耦合,建立模型用于研究矿井中废弃深层富水巷道重建和开挖过程中围岩稳定性的演化机制。


研究表明,圆形洞室的最大压应力显著低于马蹄形洞室的压应力。圆形洞室的应力分布更加均匀,适当增大重建开挖现场的规模可以提高围岩的稳定性。随着废弃巷道蠕变时间的增加(1到9年),拱顶沉降和水平间隙收敛的增长率保持不变,巷道经历稳态蠕变。随着废弃巷道埋深(200至400米)的增加,在重建和开采过程中,巷道顶部逐渐形成压力拱。围岩形成具有拱形力学特征和载荷传递机制的“自承结构”,围岩的整体承载能力显著提高。然而,一旦埋深超过400米,随着埋深的进一步增加,压力拱的效果开始减弱。此外,孔隙水压力显著削弱了围岩


背景:本文所探讨的废弃深层富水巷道的重建和开挖问题,是地下工程领域中极具挑战性的重要课题之一。随着矿井深度的不断增加,围岩稳定性问题日益凸显,特别是在富水条件下,围岩的应力状态和渗流环境复杂,容易引发严重的工程灾害。因此,研究应力、渗流和损伤的耦合效应对于确保巷道重建和开挖过程中的安全性具有重要意义。

科学问题:核心科学问题包括:1.应力分布的影响:如何在不同巷道形状下,优化应力分布以提高围岩的稳定性。2.渗流效应对围岩的影响:探讨孔隙水压力如何影响围岩的稳定性,尤其是在埋深较大的情况下。3.蠕变时间的影响:研究不同蠕变时间对巷道围岩损伤和稳定性的影响,以优化巷道重建和开挖的时间节点

方法:本文采用了包括应力-渗流-损伤耦合模型,结合长期蠕变效应,分析了围岩在不同埋深和巷道形状下的稳定性演化过程。研究通过对比圆形和马蹄形洞室的应力分布,发现圆形洞室的应力分布更为均匀,围岩稳定性更高。此外,研究还结合了不同埋深下的压力拱效应,揭示了围岩自承结构的形成机制

结果解读研究结果表明,随着蠕变时间的增加,巷道围岩的损伤程度逐渐加剧,拱顶沉降和水平收敛量持续增加,最终导致围岩稳定性显著降低。对于埋深在200至400米之间的巷道,研究发现围岩会形成具有拱形力学特征的“自承结构”,从而提高整体承载能力。然而,当埋深超过400米时,压力拱的效果开始减弱,围岩稳定性进一步降低。此外,孔隙水压力的存在显著削弱了围岩的稳定性,因此在巷道设计和施工中,必须考虑如何有效控制孔隙水压力


结论评析应力、渗流和损伤的耦合效应对废弃深层富水巷道的重建和开挖具有重要影响。研究结果为巷道设计提供了重要的理论依据,尤其是在选择巷道形状和确定施工时间节点时,提供了具体的参考。然而,研究也表明,在埋深较大的情况下,围岩稳定性仍然是一个不可忽视的问题,未来的研究应进一步探讨如何在深埋条件下优化巷道设计,提高围岩的长期稳定性

图文赏析:


图.  程潮铁矿西区地质概况。


图. 程潮铁矿地下巷道突水、渗水:(a)巷道突水;(b)巷道渗水。资料来源:夏等(2024)


要点问答

 
Questions & Answers




█ 为什么圆形巷道比马蹄形巷道具有更好的应力分布

研究表明,圆形巷道的应力分布更加均匀,最大压应力显著低于马蹄形巷道。这种应力分布的均匀性使得围岩的整体稳定性更高,从而减少了围岩损伤的风险。因此,圆形巷道在重建和开挖过程中更能保证围岩的长期稳定性。

在巷道埋深达到多少米时,压力拱效应开始减弱

研究发现,当巷道埋深在200至400米之间时,围岩顶部逐渐形成压力拱,增强了围岩的自承能力。然而,当埋深超过400米时,压力拱的效果开始减弱,围岩的整体稳定性也随之降低。这意味着在更深的埋藏条件下,巷道的设计和支护需要更加谨慎,以应对稳定性下降的问题

█ 孔隙水压力对围岩的影响是什么

孔隙水压力显著削弱了围岩的稳定性。水的存在增加了围岩中的孔隙压力,导致围岩的强度下降,从而加剧了围岩的损伤。这种影响在富水的深层巷道中特别明显,因此在巷道设计和施工中,需要采取措施有效控制孔隙水压力,以保障围岩的稳定性



原文请查阅 Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology。

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原文链接:https://doi.org/10.1144/qjegh2024-014



主要作者简介

 
Authors Information





第一作者:


Yunchen Deng(邓运辰)
武汉理工大学
邓运辰,男,湖南永州人,武汉理工大学岩土工程专业博士研究生在读,主要从事深地工程致灾机理与防控、废弃矿井再利用关键技术以及压缩空气储能技术的研究。参与了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、湖北省杰出青年人才项目及校企合作项目等多项科研课题,发表SCI论文2篇,中文论文4篇,授权国家发明专利1项。在校期间多次获得校一等奖学金,荣获“湖南科技大学优秀毕业生”、“武汉理工大学优秀毕业研究生”、“优秀学生干部”等称号。

Email: dengyunchen102@whut.edu.cn

Affiliation: 武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北省武汉市洪山区珞狮路122号,430070




通讯作者:

Dengxing Qu(瞿登星)
武汉理工大学
瞿登星,男,湖北武汉人,武汉理工大学土木工程与建筑学院助理研究员,长期从事多场耦合作用下岩石损伤特性、岩石动力学、岛礁岩土工程等相关方向的研究,以第一/通讯作者在岩土领域期刊上发表SCI论文10余篇,授权发明专利1项,主持国家重点研发计划重点专项子课题1项,海南省自然科学基金青年基金项目1项,参与国家重点研发计划重点专项1项,参与国家自然科学基金课题4项。
Email: dengxingqu@whut.edu.cn

Affiliation: 武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北省武汉市洪山区珞狮路122号, 430070 





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文案:刘晓
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