2025年 05期
高应力层状碎裂硬岩巷道渐进破裂与大变形机制的模拟分析
谢振坤;邱士利;李邵军;江权;李铁平;荆留杰;高应力层状碎裂硬岩巷道因多尺度非均质与非连续结构特性，在开挖卸荷作用下易诱发渐进破裂与大变形灾害，威胁施工安全。为揭示此类巷道的渐进破裂与大变形机制，以中国某金属矿山为背景，开发并应用了三维黏结块体损伤本构模型（bonded block damage model, BBDM），该模型耦合了块体单元错断与结构面接触损伤机制，能更真实地模拟碎裂岩体的渐进破坏过程。基于该模型理论，融合现场结构面识别数据，建立了包含离散裂隙网络的层状碎裂硬岩巷道合成岩体模型（synthetic rockmass model, SRM），系统模拟了巷道围岩开挖损伤演化全过程。结果显示：巷道拱脚位置受层状结构面影响，形成薄层状弱化区，并在挤压应力作用下发生持续性挤出变形（位移量达40 mm）；巷道顶拱V形破坏区岩块出现拉伸损伤特征，并向临空面产生阶段性滑移（位移量达23 mm）；结构面损伤积累导致围岩完整性丧失，进而诱发了围岩渐进破裂与大变形破坏，模拟结果与现场破坏特征一致。研究通过所建立的BBDM-SRM数值模型，明确了高应力层状碎裂岩巷道大变形的结构面控制机制，可为同类工程支护设计优化提供理论依据。
压缩空气储能地下内衬硐库泄漏率定义、计算与监测
孙冠华;耿璇;张金涛;江巍;曹雷年;朱鸿飞;确保压缩空气储能地下内衬硐库的高密封性并有效控制气体泄漏率，是提高能量转化效率的关键。为精准评估储气库的泄漏情况，首先，将泄漏率定义为单位时间内泄漏的气体质量与储气库内初始气体质量的比值；然后，提出了一种基于气体状态方程和实时监测数据的泄漏率计算方法；接着，为实现实时监测，设计了包含管道监测系统、库内监测系统和数据处理模块的综合系统，以实现数据的实时收集与处理；最后，利用计算流体力学模拟方法进行了对比验证，并开展了中试模型实验应用。结果表明：该计算方法在较小的误差范围内具有较高的可靠性，能够准确计算储气库实时的泄漏率；中试模型实验的成功应用验证了该计算方法和监测系统在实际操作中的有效性。研究可为提高储气库的密封性能提供理论依据。
结构面拐点对花岗岩隧洞围岩失稳破坏机制影响的试验研究
陈燕和;明仁贵;陈东方;龙益彬;陈世杰;朱鑫杰;徐鼎平;受地质运动影响，岩体结构面产状在地应力作用下易发生突变而形成拐点。为探究结构面拐点对隧洞围岩失稳破坏机制的影响，开展了结构面拐点角尖正对隧洞、结构面拐点角尖背对隧洞和无结构面拐点的花岗岩隧洞试样双轴压缩试验，并对比了试样的数字图像相关（digital image correlation,DIC）主应变云图、声发射（acoustic emission,AE）特征参数和应力-应变曲线。结果表明：(1)结构面拐点与隧洞的相对位置显著影响试样的峰值强度、轴向应变率、破坏模式及AE计数率时间分布。相较于无结构面拐点试样，拐点角尖正对隧洞的试样呈现延性破坏特征，其峰值强度无明显变化，但轴向应变率显著增大，且内部破裂信号产生较早；而拐点角尖背对隧洞的试样则呈现脆性破坏特征，其峰值强度降低，轴向应变率减小，内部破裂信号集中于峰值强度达90%时至破坏阶段。(2)结构面拐点对试样应力分布具有显著影响。拐点角尖正对隧洞区域为应力集中区，背侧为应力分散区；当隧洞位于应力分散区时，靠近结构面一侧的边墙破坏程度降低，另一侧则显著增加；当隧洞位于应力集中区时，靠近结构面一侧的边墙易与结构面拐点形成贯通破坏，另一侧的破坏程度低于无结构面拐点试样。该研究结果可为结构面拐点控制的隧洞工程岩体稳定性分析及破坏模式预测提供参考。
循环荷载作用下拱肩非连续面-洞室模型损伤破裂机制试验研究
江浩;李仁杰;王立波;陈卫兵;于生飞;张胜;含非连续面的地下洞室在循环荷载作用下的渐进破坏机理是岩石工程领域的关键科学问题之一。采用室内试验与数值模拟相结合的研究方法，系统探究了拱肩非连续面-洞室模型在循环荷载作用下的强度特性与变形机制。综合运用声发射（acoustic emission,AE）、电阻率测试和数字图像相关（digital image correlation,DIC）技术，实现了对模型损伤演化过程的多维度同步监测。结果表明：非连续面的存在显著弱化了洞室结构的承载性能，其抗压强度随非连续面与洞室间距的增大及倾角的增大而提高；完整洞室模型的破坏模式主要表现为拱顶沉降及边墙片帮破坏，而含非连续面洞室模型的破裂行为受控于非连续面倾角，相同倾角条件下破裂模式具有相似性，且随非连续面与洞室间距的减小，结构整体破坏程度显著加剧；电阻率值随加载过程呈持续下降趋势，并伴随荷载波动呈现规律性变化，声发射活动在加载初期表现较弱，临近峰值强度时呈现显著活跃特征；非连续面几何参数对声发射事件演化规律影响较小，但对裂纹类型分布具有显著控制作用，即小倾角非连续面以张拉裂纹为主导，而大倾角非连续面则更易发育剪切裂纹。试验结果较好地再现了非连续面-洞室模型的裂纹扩展过程，为揭示其破裂机制提供了可靠依据，可为非连续面影响区地下洞室工程的稳定性评价与灾害防控提供理论支撑。
基于微震监测的深埋隧道围岩脆性破坏能量特征
刘晓芬;李凤琼;徐建;罗军尧;侯东奇;江权;刘健;随着工程建设不断向深部地下空间发展，基于微震监测的岩爆预警技术日益受到重视。针对高地应力环境下硬脆性围岩的岩爆等动力地质灾害的预警问题，以西部某深埋隧道为工程背景，通过系统采集微震监测数据，结合统计分析和数值模拟方法，深入探究了岩爆灾害与微震监测参数之间的相关性。结果表明：(1)隧道开挖临近断层构造时，受应力集中效应的影响，微震事件数和能量均呈显著上升趋势；(2)经科尔莫戈罗夫-斯米尔诺夫(Kolmogorov-Smirnov,K-S)正态性检验发现，微震能量对数分布不符合正态分布假设；(3)相关性分析显示，在各岩爆预测参数中，视体积与微震能量对数具有最强的相关性(R2=0.86)，为采用视体积指标预测岩爆提供了依据；(4)通过对局部能量释放率(local energy release rate,LERR)的数值模拟发现，岩爆高风险区主要集中在掌子面边缘区域，与实际破坏区域高度吻合，这可归因于该区域围岩约束作用导致的应力集中效应。该研究结果可为深部地下工程岩爆预警提供理论支撑和实践指导。
基于机器学习的深埋长隧道沿线地应力场反演方法
周正;杨旺;侯东波;商会州;曹世奇;郑虹;深埋长隧道沿线地应力场是影响隧道优化设计和施工合理性的关键因素。为了解决实测数据稀疏性、地质复杂性及模型不确定性导致的从少量实测点获取全隧道沿线地应力分布的研究难题，以房县—五峰高速公路佛照山隧道为例，深入分析了该隧道在中-高地应力环境下的地质构造背景、地应力场特征及围岩力学参数特点。根据地应力量值随深度变化的规律，采用数据增强技术有效增加了地应力反演的训练数据量，缓解了反向传播（back propagation,BP）神经网络的过拟合问题，提出了一种基于地应力实测数据增强技术的深埋长隧道沿线地应力场BP神经网络反演方法，并用该方法获取了佛照山隧道的区域地应力场。结果表明，反演得到的地应力场与实测地应力场特征一致，验证了该方法在深埋长隧道沿线地应力场分布反演中的可靠性。
基于FM-CM-FCE的深埋TBM隧道岩爆预警方法
肖华波;赵龙翔;陈靖文;石伟明;肖枫;刘仕勇;邓益;岩爆灾害已成为制约深部工程安全建设的关键因素。针对深埋全断面隧道掘进机（tunnel boring machine,TBM）隧道岩爆影响因素复杂、量化困难、指标权重自适应性弱、模糊评价隶属度随机性不足等问题，建立了一种深埋TBM隧道岩爆预警方法。首先，基于多个深埋TBM隧道工程案例建立数据库；接着，运用相关系数法、互信息法和ReliefF算法等过滤式方法（filter method,FM）特征选择技术，筛选并构建了岩爆多源预警指标体系；然后，提出了基于相关性理论的权重自适应调整与动态更新机制，并结合云模型（cloud model,CM）和模糊综合评价（fuzzy comprehensive evaluation,FCE）理论，建立了模糊隶属云模型；最后，将该方法应用于中国西部某深埋TBM隧道，以验证其准确性。结果表明，该预警方法能显著提升岩爆风险预测准确率，可为深埋TBM隧道施工安全提供技术支撑。
煤矿地下水库煤柱坝体渗流路径与留设宽度
周志伟;李旭;许光泉;贺江辉;张海涛;郭强;精准预测煤矿地下水库中高盐水优势渗流路径以及合理选取煤柱坝体留设宽度，对于确保煤矿地下水库的安全稳定运行以及提高煤矿开采效益具有重要的理论与实践意义。以灵新煤矿地下水库煤柱坝体为对象，根据灵新煤矿煤岩层结构及其力学参数，运用FLAC3D数值模拟方法分析灵新煤矿地下水库与六采区L0614工作面之间煤柱坝体合理留设宽度。同时，根据数值模拟得出的煤柱坝体及围岩应力变化特征，结合渗流-应力耦合模型，研究煤柱坝体渗透性在不同方向上的变化规律。结果表明：在L0614工作面开采过程中，煤柱坝体上部优先发生破坏，因此煤柱坝体上部易形成高盐水渗流的优势通道；当L0614工作面长度设计为915 m，煤柱坝体宽度为68 m时，距离切眼前方约110 m煤柱坝体上部破坏程度最剧烈，且上部的塑性破坏区将连通地下水库与工作面，因此确定了煤柱坝体留设宽度应大于68 m；根据渗流-应力耦合模型得到了煤柱坝体附近渗透系数分布，发现煤柱坝体上部和下部垂向渗透性明显增加。研究结果可为构建地下水库安全高效存储高盐水及合理选取煤矿地下水库煤柱坝体留设宽度提供理论基础。
基于DEMATEL-AISM的煤层CO2封存施工过程风险影响因素分析
撒占友;张旭;王君邦;卢守青;刘杰;王昊;CO2煤层封存是实现我国碳达峰、碳中和战略目标的重要技术手段和途径之一，但CO2煤层封存施工过程中存在的风险因素严重制约着其规模化推广。通过对沁水盆地柿庄南15~#煤层的现场调研，结合决策试验与评估实验室(decision-making trial and evaluation laboratory,DEMATEL)法辨识出CO2煤层封存施工过程中存在的16个核心风险因素，获得了各风险因素的重要程度，并通过对抗解释结构模型(adversarial interpretative structural model,AISM)分析了各风险因素间的耦合关系。结果表明：作业人员专业技能熟练程度、作业人员安全意识状态、CO2气体压注装置、井筒装置、地层构造、煤层埋深、项目安全监管能力、安全责任与落实为关键风险因素，在CO2煤层封存施工过程中应重点关注并采取相应措施。研究结果为我国CO2煤层封存施工过程风险分析奠定了理论基础，对构建CO2煤层封存项目风险分析体系具有一定参考价值和借鉴意义。
基于SAAMWS-DEMATEL法的船舶企业安全风险评价
薛晓彪;葛及;牛莉霞;李肖萌;船舶工业的快速发展伴随新的风险与隐患，为了预防船舶企业复杂系统中的重大安全事故，以中国船舶重工集团公司下的非军工企业“S”为对象，运用基于工作系统的系统性事故分析方法的决策实验分析（systemic accident analysis method of work system-decision-making trial and evaluation laboratory,SAAMWS-DEMATEL）法开展了风险因素辨识与风险评价工作。首先，在实践调研的基础上用SAAMWS从宏观、中观、微观3个层面定性分析风险因素；然后，在专家评分的基础上，采用DEMATEL定量分析得出各风险因素的权重；最后，以权重为基础，结合评估机制，确定该企业最终的风险等级。结果表明：“S”企业的风险评估结果为低风险，部分风险因素安全分值较低，针对薄弱环节需要加强安全管控措施。评价结果与企业实际情况相符，验证了该方法的适用性和可靠性。该研究可以为船舶企业安全生产提供理论支持。