准静力拉格朗日元与离散元耦合方法及应用——以常村煤矿S6-7工作面为例

为了探究采动条件下采场上覆岩层的变形-开裂-运动过程,利用自主开发的适于准静力计算的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法,针对常村煤矿S6-7工作面开展研究.结果表明,1)随工作面推进距离增加,首先,直接顶出现裂缝;然后,采场上覆岩层发生一定程度的弯曲变形、下沉和离层;之后,直接顶垮落,其上岩层破断,并发生明显的弯曲变形、下沉和离层,采空区局部闭合.此后,上述过程循环往复.2)将工作面煤壁前方和开切眼后方上覆岩层最大主应力大于0的最大范围定义为采动影响范围,通过分析悬露岩层长度和弯矩的变化解释了上述两部分采动影响范围的演化规律.3)通过分析工作面煤壁前方煤层支承压力峰值的变化解释了该部分煤层破碎区尺寸的演化规律.     

乌东矿急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板破断特征研究

为研究急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板破断特征,基于急倾斜特厚煤层工作面顶板赋存条件并结合弹性力学,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板力学模型。通过力学模型分析,推导出急倾斜特厚煤层水平分段开采后顶板沿工作面倾向方向的岩板破断判据及挠度公式,应用三角级数方法对挠度公式进行求解,确定了顶板沿倾向方向上最大挠度发生的位置关系式。理论研究成果在乌东矿南采区B1+2急倾斜特厚煤层水平分段综放开采中的工程应用表明,工作面沿倾向方向上推进到385 m时顶板发生破断,倾向方向顶板最大挠度坐标位置为y=325.78 m,顶板沿工作面倾向方向的最大挠度位于采空区中部偏下位置。表现为急倾斜特厚煤层顶板在工作面上方的非对称性破断;相似材料试验进一步验证了顶板挠度公式的合理性。     

非对称开采条件下工作面“多向应力”变化特征研究

在非对称开采条件下,工作面受上覆岩层自重应力、超前支承应力、采空区侧向支承应力和回风巷煤柱应力等“多向应力”叠加影响,使得工作面应力呈“非对称”性。为研究非对称开采条件下工作面“多向应力”变化特征,基于微震监测、应力在线监测和理论计算,对母杜柴登煤矿30202工作面回采过程中所形成的非对称开采条件下的应力变化进行分析;并基于工作面所受应力条件和围岩体结构条件,分析了“多向应力”叠加显现机理。结果表明:30202工作面回采期间,煤柱支承应力沿走向分为应力升高区、应力明显降低区、应力缓慢降低区和应力稳定区,其应力峰值主要集中在工作面前方40 m左右,应力集中系数平均为1.61;在非对称开采阶段,在走向方向工作面超前支承应力影响范围较回采初期增加了100 m左右;在不考虑垂直应力影响的情况下,相邻工作面采空区的侧向应力对30202工作面倾向方向的影响范围为44 m,应力最大值为56.1 MPa。在“多向应力”耦合作用下工作面在回采过程中产生能量集聚,并在采动扰动下发生能量释放,满足了大能量事件发生的基本应力条件;同时在扰动条件下采空区发生高位顶板错动,以及围岩支护薄弱为大能量事件的发生提供了围岩结构条件。研究结果可为工作面非对称开采条件下采场矿压显现规律研究、顶板控制和巷道支护设计提供指导。     

深井大采高综采面矿压显现及覆岩破断规律研究

针对深井大采高综采技术中采场矿压控制难的特点,以潘二矿11223大采高综采工作面为工程背景,采用相似模拟、数值模拟、现场矿压监测、理论分析等方法,对深井大采高综采工作面矿压显现及覆岩运动破断规律进行研究。结果表明:深井大采高综采面覆岩运动破断后结构形态演化特征可概括为“组合悬臂岩梁结构——压实填充结构——非铰接岩梁结构——铰接岩梁结构”的动态演化过程,这种动态演化过程直接影响着工作面的矿压显现特征及覆岩破坏特点;得到工作面初次来压步距为34 m,基本顶周期来压步距15 m,来压由中部开始向两端转移;工作面前方应力集中区距煤壁平均4.4 m,应力峰值平均为26 MPa,工作面矿压显现特点受控于覆岩运动破断的动态演化力学结构,研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论依据和借鉴意义。     

基于基本顶断裂位置分析剩余煤柱稳定性

为简化支承应力表达式及全面分析煤柱稳定性,基于基本顶断裂位置建立工作面剩余煤柱载荷力学模型,将指数函数型支承应力曲线简化为与其拟合的幂函数抛物线,推导出剩余煤柱载荷及极限宽度B表达式。计算得出312工作面基本顶断裂位置与非开采帮塑性区边缘距离d为8.6～11.5 m,B为8.06～8.85 m。研究结果表明：随着d增加,煤柱载荷及B均逐渐增大;B随煤层黏聚力与内摩擦角的增加而减小,随煤层埋深、应力集中系数、侧压力系数、煤层厚度及工作面采高的增加而增大。研究结果有助于更加全面地分析煤柱稳定性,为工程实践提供一定理论指导。     

含矸煤层煤壁稳定性夹矸厚度效应研究

为了解夹矸厚度对含矸煤层煤壁稳定性的影响，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，推导出夹矸层剪切破坏力学模型，进而建立含矸煤层煤壁稳定性数值模型，分析不同夹矸厚度下的煤壁前方水平位移、垂直应力的空间分布特征。结果表明：煤壁前方产生失稳影响区主要位于夹矸层周围，形成以夹矸层为中心的凸出区域；夹矸厚度较小时，夹矸层呈现出多块体联合破坏形态，而夹矸厚度较大时，夹矸层出现单块体逐个破断现象；力学分析得知：夹矸层破坏面发生剪切破坏的危险系数随着夹矸厚度的增大而逐渐减小，数值模拟结果与理论分析一致。     

综放沿空留巷顶板下沉及其影响因素研究

控制顶板下沉是综放沿空留巷成功的关键,为研究综放沿空留巷顶板下沉规律,根据能量守恒和损伤力学的理论,建立了综放沿空留巷顶板下沉损伤力学模型,推导出顶板下沉量的计算公式,并分析了顶板下沉量与其15个影响因素的定量关系。结果表明:直接顶、顶煤、巷旁支护体的有效弹性模量三者耦合,大部分顶板下沉量由有效弹性模量较小者吸收;顶板下沉量随支护体宽度增加而降低,支护体宽度达4 m左右时,下沉量基本保持不变;顶板下沉量随巷道宽度、采高、顶煤厚度和直接顶厚度增加而增加;顶板下沉量随关键块给定载荷的增大而急剧增加。关键块参数对顶板下沉具有决定作用,提高巷旁支护强度,可减小关键块破断长度和回转角,使关键块破断位置靠近巷旁煤壁,有效减小顶板下沉;巷内支护阻力、直接顶容重和顶煤容重对顶板下沉量影响较小。     

浅埋煤层长壁工作面矿压显现规律现场监测研究

浅埋条件下的煤层开采,受上覆岩层移动影响而呈现与深埋煤层明显不同的特征.本文以神府矿区某矿1301工作面矿压观测为工程背景依托,应用“三量法”对工作面矿压显现规律进行研究,以工作面三个测区支架荷载和活柱下缩量为重点分析.研究表明:该工作面来压动载系数为1.5 -1.6,来压期间支架压力比平时大1- 13MPa;初次来压持续时间长,初次来压步距在55.9-56.3m,三个测区的周期来压步距为14.6 - 17.6m;且三个测区观测表明:中测区由于受工作面两侧煤壁影响较小,矿压显现程度同上下测区比较明显.     

预掘回撤通道末采围岩破坏机制研究

为保证工作面安全高效回撤,通过理论分析及现场观测法,研究综采工作面末采期间回撤通道围岩应力分布及破坏特征,提出垛架支撑力控制顶板围岩破坏机制及方法,得到垛架最小支撑力计算方法.结果表明:回撤通道围岩集中应力与工作面前方支承压力逐步叠加,导致剩余煤柱由两侧向中部逐渐破坏,当两侧破坏区连通时,煤柱上方直接顶跨距增加为原来的...     

司马矿薄基岩区顶板突水危险性数值模拟研究

为了研究司马矿薄基岩厚松散层特殊地质条件下的采动覆岩破坏、渗流等特性,评价发生顶板突水的危险性,建立了薄基岩厚松散层开采条件下的数值计算模型。采用理论分析、数值模拟和现场工程相结合的方法,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics,研究了随工作面推进采场的变形、破坏、渗流和应力变化规律。结果表明:在司马矿薄基岩厚松散层这一特定的地质条件下,工作面涌水量、顶板破坏高度均随工作面推进不断增加并最终趋于稳定,当工作面推进到200 m时,顶板破坏高度约为80 m,工作面涌水量约为33 m3/min,与实测数据基本吻合;随着开采的进行,在采空区后方煤层的支承压力峰值位置几乎不变,在工作面前方形成的支承压力峰值极值点位置不断前移,应力集中系数约为2.0;在司马矿薄基岩区,在煤层采厚为5 m、基岩厚度为40 m的条件下,若顶板黏土层厚度大于40 m,将不会发生顶板突水。     

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律.试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进...     

基于防冲的孤岛工作面分类及应用研究

针对目前煤矿孤岛工作面冲击地压类型复杂且治理缺乏针对性的问题,提出了“分类防治”的思路,围绕导致孤岛工作面冲击的高应力这一本质原因,并综合考虑覆岩运动、地质构造、开采、空间等因素,基于防冲对孤岛工作面进行分类;将孤岛工作面分为充分采动、非充分采动、充分-非充分采动、立体、“隐性”和复合型6种类型;将该分类方法应用于孤岛工作面采前冲击危险性评估,并根据评估结果对孤岛工作面冲击地压实施分类防治。研究结果表明:该分类方法可有效控制孤岛工作面冲击地压灾害。     

极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”发育规律研究

为深入研究极近距离煤层综放开采工作面覆岩“两带”的动态发育规律,采用理论推导、数值模拟和现场实测相结合的方法,分析袁店一矿824工作面覆岩“两带”的裂隙演化特征。结果表明：从岩层层向拉伸率角度,研究上覆岩层垮落带和导水裂隙带的垮落程度,考虑角度影响推导出岩层弯曲下沉边缘段变形前后的长度计算公式,根据覆岩的碎胀特征计算各岩层的最大下沉量,预测垮落带和裂隙带的范围分别为30.2～41.2 m和70.7～78.2 m;采用3DEC数值模拟分析该矿824工作面开挖后上覆岩层垮落的基本形态和裂隙分布规律,结合其应力、位移云图和监测线位移曲线的分布特征,得出垮落带和裂隙带的高度分别为32.50 m和77.25 m;采用分布式光纤应变监测系统,监测工作面前方80 m处上部顶板的受力情况,得出受采动影响的光纤应变呈起伏变化,且应变分布与地层岩性存在对应关系,得出垮落带高度约30.4 m,裂隙带高度约74.8 m,验证采用层向拉伸率和覆岩碎胀性2个方面来预测工作面覆岩“两带”高度的合理性,可为类似方面的研究与施工提供相应的技术依据。     

大倾角煤层开采覆岩破断机制研究

为了探究大倾角煤层开采覆岩变形、失稳、破断的演化特征,结合潘二矿1212(3)工作面地质与工程条件,采用数值模拟、物理模拟、理论分析相结合的方法,分析了大倾角煤层开采覆岩变形破坏规律,探讨了巨厚砂岩直覆和无坚硬岩层2种条件下大倾角煤层开采顶板破断失稳形式。研究结果表明:受倾角影响直接顶冒落、滑移,充填下部采空区,基本顶中上部挠度最大而发生断裂,破断裂纹逐渐向基本顶两侧及相邻岩层演化;大倾角煤层倾向岩层间的联动时序性破断是形成非对称拱形承载结构的主因;预裂爆破巨厚砂岩顶板、充填开采软弱岩层工作面可促使关键块体组成的拱形承载结构形成,保证大倾角工作面安全回采。     

常村煤矿S6-8工作面岩层运动的连续-非连续方法模拟

为了细致地模拟煤矿开采中复杂的岩层运动现象,探讨开采速度的影响,采用自主开发的连续-非连续方法,通过引入应力跌落和准静力计算模式,以常村煤矿S6-8工作面为背景建立数值模型,模拟采动诱发采场上覆岩层的变形-开裂-运动过程。结果表明:本方法可较为细致地模拟煤矿开采中一系列复杂现象,例如,采场上覆岩层的弯曲变形、下沉、开裂、离层和层间错动、直接顶的周期垮落、工作面煤壁上方岩层近似平行展布的倾斜穿层裂缝、若干破断岩块形成的近似等腰梯形结构和采空区局部闭合;开采速度越快,直接顶初次垮距越大,这是由于采场上覆岩层向下运动不充分,直接顶垮落主要受自身和开采卸荷的影响。     

综放开采覆岩“两带”高度影响因素及预测模型研究*

为研究影响综放开采覆岩“两带”高度预测模型,采用理论分析与经验公式方法系统分析影响覆岩“两带”高度的因素,包括覆岩岩性、覆岩组合结构、煤层赋存状态、顶板控制方法、开采厚度、工作面走向长度与倾向长度、工作面推进速度、覆岩破坏残余变形;并将上述因素划分为采矿地质因素、顶板控制方法、采煤工作面三维尺寸设计参数、时间因素4类;基于此建立综放开采“两带”高度预测模型,并通过工程实例对比、现场实测等方法进行合理性验证。结果表明:芦沟矿与盛泰矿2个工作面的“两带”高度预测值均在实测值范围之内,说明得出的回归式预测效果较好,验证综放开采“两带”高度预测模型的合理性。     

断层影响下合理煤柱尺寸留设数值模拟分析

针对潘三矿1642(1)工作面回采受F24大型逆断层影响,利用FLAC3D软件研究留设不同尺寸断层煤柱情况下,应力场、位移场和塑性区演化规律,从而提出合理的断层煤柱留设尺寸。研究发现,随着煤柱的减小,应力集中区域逐渐向断层上盘转移;在断层影响下,顶板最大下沉位置发生在靠近断层一侧;当煤柱尺寸减小到一个临界值时,采空区上方塑性区发育高度会突然增大。留设合理的断层煤柱就是确保塑性区不与断层接触的情况下,尽量减小煤柱尺寸。     

基于能量理论的煤与瓦斯突出机理探讨

为研究煤与瓦斯突出的力学机理和能量来源,根据理想气体状态方程,推导了采场围岩瓦斯突出过程中的瓦斯压力、瓦斯含量与对外做功的关系,基于弹塑性力学,阐明了岩体弹塑性状态转化前后应变能释放机理。研究结果表明:煤与瓦斯突出是瓦斯势能与煤岩体弹性能共同作用并转化为煤岩体动能的结果;瓦斯势能释放值与释放路径无关,而与瓦斯压力和瓦斯含量相关,与煤壁前方塑性区扩展规模相关;将其应用至1次特大型煤与瓦斯突出事故中,核算的突出煤量、瓦斯含量和煤体抛出速度基本吻合于实际结果;基于理论分析提出了煤与瓦斯突出的3项防治措施,一是通过钻孔卸压或瓦斯抽放减小瓦斯压力,二是增加极限平衡区距离或减小截深,三是避免高瓦斯巷道或工作面出现蝶形塑性破坏。