空心包体在郓城煤矿中地应力测试的应用

简述了空心包体地应力测试方法测试原理和计算方法,在山东郓城煤矿一采区轨道下山和辅助石门等4个位置进行了地应力实测。测试位置埋深-815～-845 m。测试结果表明,最大主应力为水平地应力,方向为NE81.65°～97.68°,水平应力与竖直应力比为1.32～1.37,最大水平应力达到30.28～38.21 MPa,表明郓城煤矿一采区处于高应力地区。采区巷道布置应沿着NE方向水平布置,能够有效地回避水平构造应力的影响。在巷道支护设计中应主要考虑水平应力。通过地应力实测,为郓城煤矿提供了一采区地应力分布规律,为一采区巷道布置和巷道支护设计提供了基础地质资料。     

同忻井田地应力测量与回采巷道稳定性研究

为保证同忻煤矿安全、高效开采,采用应力解除法对大同矿区同忻井田3-5#煤层的地应力场进行了测量,结合理论分析、数值模拟与现场监测,分析了在该类型应力场中不同巷道布置方向与巷道围岩稳定性之间的关系。测得同忻井田最大主应力为20.42 MPa,方位角为245.18°,确定了同忻井田地应力场属于σHv型。理论计算和数值模拟的结果表明,有利于回采巷道稳定性的布置方向为与最大水平主应力方向成30°,并采用巷道顶板离层监测仪对其进行了验证。     

基于矩形巷道应力特征点的空间数据分析

为得出矩形巷道围岩应力空间分布特征,将复变函数理论推导得出的曲线坐标应力分量转换为巷道所在平面的直角坐标应力分量,采用Matlab软件对巷道应力特征点的空间数据进行分析,得出了巷道围岩应力场分布直观图。并考虑了侧压系数、高宽比及巷道断面尺寸等对围岩应力场的影响,结果表明,应力峰值随侧压系数的增大而增大。应力峰值出现在矩形巷道的四角上,与侧压系数、高宽比、巷道断面面积无关。侧压系数大于1时,顶底板水平应力和最大主应力均随侧压系数增大而增大,两帮垂直应力随侧压系数增大而减小;垂直应力峰值、两帮垂直应力随高宽比增加而减小,顶底板的水平应力和最大主应力随高宽比增加而增加。围岩应力变化规律与巷道断面面积无关。     

不同应力场条件下巷道稳定性研究

为了确定不同应力场（σH型、σHv型和σv型应力场）下巷道围岩的稳定性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,通过对巷道围岩的应力和塑性区分布特征的分析,综合评价不同巷道布置方向巷道围岩的稳定性。研究结果表明:σH型和σHv型应力场,巷道与最大水平主应力夹角在0°～40°水平应力峰值处于较低的应力状态,夹角在50°～90°水平应力峰值处于较高的应力状态应力,夹角在40°～50°水平应力峰值急剧上升;σv型应力场,水平应力峰值呈缓慢上升趋势;确定巷道的最佳布置方位与理论分析相一致。以常村矿为应用实例,进一步验证了结论的正确性,为矿井合理的巷道布置提供了理论依据。     

上行卸压开采顶板裂隙带巷道失稳过程物理模拟

为解决上行卸压开采顶板裂隙带巷道大变形问题,采用物理模拟方法,研究上覆岩层活动特征及裂隙发育破坏过程,分析锚杆支护条件下巷道围岩应力变化过程及变形破坏特征。结果表明:顶板裂隙带巷道随着上覆岩层有整体下沉特征;上行开采采动影响阶段,在采动应力与巷道掘进围岩应力叠加形成的应力场和采动裂隙场共同作用下,顶板裂隙带巷道围岩强度大幅降低,巷道断面收敛变形强烈,采动影响稳定阶段围岩应力低,用锚架联合支护或注浆加固围岩技术手段能维护巷道断面,保证其安全使用。     

平顶山东部矿区地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

为了研究平顶山东部矿区地应力场特征,以及地应力对煤与瓦斯突出的影响,利用地应力实测资料,运用理论分析和数理统计计算相结合的方法,系统研究了东部矿区地应力的分布规律;并且进行了地应力区块划分,揭示了东部矿区地应力在突出中的作用。结果表明:1)东部矿区地应力场以水平构造应力为主,最大主应力方向为NEE-SWW向,最大水平主应力百米梯度为5.4 MPa左右,该区域内集聚了较高的水平构造应力,应力场类型为大地动力场;2)依据最大水平主应力随埋深增加而增大的应力梯度线,将东部矿区划分为应力升高区和应力梯度区;3)应力升高区由于地应力集中,提供了突出的动力,构造煤的发育则减少了突出阻力,造成了该区域频繁发生突出事故,突出的主导因素为地应力。     

大断面巷道中空预应力注浆锚杆的支护效果研究

针对金川矿区大断面巷道在强构造应力作用下围岩变形严重的情况,提出了中空预应力注浆锚杆的支护工艺。通过数值计算得出以下结论:相比传统的普通砂浆锚杆支护工艺,采用中空预应力注浆锚杆支护工艺能够主动加固围岩,提高支护刚度;巷道两帮的变形减小了约14.56%,最大、最小主应力分别降低了4.4%和7.2%,粘结层破坏范围也随之减小。通过对支护后巷道变形监测发现:两帮最终变形量减小了约36.6%;通过抗拔实验,中空预应力注浆锚杆的抗拔力达到140kN,远大于普通砂浆锚杆的40kN抗拔力,中空预应力注浆锚杆有更好的支护效果。     

开挖卸荷扰动深部巷道围岩变形破坏特征研究

为解决开挖卸荷工程扰动条件下深部巷道围岩失稳变形加剧与受力破坏严重问题,采用层次分析(AHP)、数理计算与数值模拟的综合研究方法,分析卸荷扰动作用下深部巷道围岩的典型形变特点;建立围岩失稳破坏的综合评价体系,得出围岩裂隙场、应力场与位移场的时空演化特征.研究结果表明:深部开挖扰动围岩具有内部卸荷失稳、外部非线性变形的双...     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。     

煤层小断层附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小断层附近瓦斯突出防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过数值模拟研究了与工作面开采方向0°夹角、45°夹角、90°夹角小断层附近采动应力演化特征。结果表明,当工作面沿地应力场最大主应力方向开采时,小断层附近构造应力逐渐得到释放,与工作面0°夹角断层和与工作面45°夹角断层附近的采动应力场分布均匀,工作面瓦斯突出的危险性小,而与工作面90°夹角断层因断层应力阻隔效应,工作面的采动应力分布呈现差异,瓦斯突出危险部位沿断层走向分布;当沿工作面垂直最大主应力方向开采时,断层附近的构造应力叠加与断层应力阻隔效应一起导致采动应力逐渐增大,工作面采动应力分布呈现显著差异,在小断层附近存在瓦斯突出危险部位。煤矿现场瓦斯突出防治应在加强小断层探测的基础上,结合区域地应力场方向、开采条件、断层走向,对断层附近瓦斯突出危险部位做出预测,从而提高小断层附近瓦斯突出防治工作的针对性。     

水平应力对半圆拱形巷道围岩应力分布及变形特征影响

水平应力是影响巷道围岩应力分布及变形破坏特征的重要因素,通过数值模拟方法研究了水平应力对直墙半圆拱形巷道围岩应力场、塑性区、位移场分布规律的影响,进而为确定巷道支护形式提供一定的理论依据。研究表明:影响巷道稳定性的关键因素是巷道周边的环向应力集中,随侧压力系数λ的增大,帮部围岩的竖向应力集中向顶、底板转移,从而引起塑性区向顶、底板转移,塑性区范围向顶、底板围岩内部扩展,巷道稳定性降低。当λ取值不同时,在巷道顶底板会产生相应的环向或径向拉应力区域,在拉伸作用下围岩整体性能降低,易发生压拉破坏。随λ增大,巷道帮部变形量逐渐增大,顶板下沉量先减小后增大最后减小,底鼓量先减小后增大。     

考虑损伤与剪胀及中间主应力的巷道围岩弹塑性分析

为研究圆形巷道围岩的稳定性,考虑了巷道围岩的损伤、剪胀特性以及中间主应力效应,建立了圆形巷道围岩弹塑性损伤力学模型,推导出圆形巷道围岩的弹塑性应力场和位移场解析解。研究结果表明:考虑损伤时围岩塑性区范围更大,所需支护阻力增长明显,塑性区位移明显增加;剪胀对位移场影响较大,对应力场影响较小,剪胀系数越大,需要提供的支护阻力就越大;随着中间主应力系数的增大,所需支护阻力降低,塑性区位移减小,最大位移减小幅度高达79.74%,不考虑中间主应力的强度准则偏于保守;考虑损伤、剪胀和中间主应力的新的位移解更加合理,研究成果为圆形巷道的设计支护提供了一定的理论基础和参考价值。     

7.0 m采高综采面回采巷道变形破坏规律研究

针对神东矿区大柳塔煤矿采用7.0 m采高综采面回采5-2煤三盘区时回采巷道出现不同程度的变形破坏现象,采用现场实测的方法对52304及52303工作面回风顺槽之间的区段煤柱进行了巷道变形及应力变化规律的监测,并运用FLAC3D数值模拟软件对不同埋深条件下两工作面之间区段煤柱的应力分布规律进行了模拟,最后总结分析了回采巷道变形破坏的机理,并得出采空区段煤柱的失稳是造成回采巷道变形破坏的根本原因。从而为巷道的合理布置及相应控制对策的提出提供基础数据,以保证矿井安全高效的生产。     

水岩耦合作用对软岩巷道变形影响的数值模拟

煤矿软岩巷道支护问题是制约煤矿安全高效生产的技术难题之一,在不同形式的地下水影响下,巷道支护难度急剧增加。为了研究水岩耦合作用对软岩巷道变形的影响规律,基于FLAC3D数值模拟方法对变孔隙水压力作用下软岩巷道围岩位移场和应力场演化规律进行了仿真研究。结果表明,孔隙水压力对软岩巷道的稳定性具有显著影响,且孔隙水压力的演化趋势与应力场演化特征具有同步性。在巷道围岩均布孔隙水压力的条件下,孔隙水压力对两帮的影响范围大于顶底板,圆拱形巷道弧顶正上方1.435~4.21 m范围内应力集中程度可达到原孔隙水压力的3.09~4.03倍,逐渐向外围扩展为扇形面的孔隙压力等值区域,在巷道的下方孔隙水压力呈"W"形分界面。     

考虑中间主应力对圆形巷道Hoek Brown准则解的影响

为了建立更加适用于深部巷道围岩塑性解分析的Hoek Brown准则,获得更加准确的巷道围岩塑性区范围及其支护变形量。通过将洛德参数表示的中间主应力带入Hoek Brown准则中,经过理论公式的推导,获得巷道围岩塑性区的应力和半径以及巷道周边位移的解析解。经算例分析,随着中间主应力的减小,塑性区范围也减小,当中间主应力趋近于第三主应力时,塑性区范围为最小;并且支护阻力和原岩应力对巷道塑性区范围也有一定影响;最后将计算的结果与Mohr-Coulomb准则对应的卡斯特纳解进行比较,发现文中建立的Hoek Brown强度准则更加适用于深部巷道塑性区分析。由此可知考虑中间主应力的Hoek Brown强度准则,更能全面分析巷道围岩塑性区的范围,获得更为准确的结果;在工程实践中,在易破坏的地段取地应力值时,应适当的增大中间主应力的取值,并且刚开挖巷道应及时支护,这样可有效的维护巷道围岩的稳定。     

大断面动压回采巷道围岩变形规律及其控制技术

针对大断面动压回采巷道大变形问题,以成庄矿近20 m~2的强扰动回采巷道为例,采用数值模拟及现场实测的方法,对围岩破坏特征、变形规律以及稳定性控制技术进行分析。研究表明:断面尺寸的增大及强回采扰动迫使巷道发生非对称性变形,内部发生分区破坏;采掘应力作用下巷道围岩变形破坏具有明显的阶段性特征;对于大断面动压回采巷道稳定控制,单一的传统支护方式已难以奏效,需采用新型"三高"锚杆及注浆加固等分区协同支护技术;实例中采用该技术支护巷道后,底板底鼓量减少450 mm,两帮移近量减少800 mm,巷道变形得到了有效控制。     

多次强动压巷道围岩“三区”强化支护机理及控制技术研究

针对贵州湾田煤矿多次动压作用巷道围岩变形破坏严重的问题,提出了巷道围岩"三区"强化支护控制技术,通过数值模拟、理论分析和现场试验研究分析了围岩"三区"强化支护效果。研究结果表明:通过内外注浆方法在巷道围岩内形成围岩锚固区、围岩强化区和应力释放区,并将注浆区域分为内注浆区和外注浆区,使其之间形成动压缓冲区;注浆能够有效的胶结破碎围岩体,锚杆锚索所处的塑性破坏区得到了有效重新加固,形成具有高强度的承载拱;井下现场监测数据表明巷道顶板下沉量和底鼓量不足巷道高度的5%,两帮变形量仅为巷道宽度的0.7%,有效地控制了巷道围岩的变形破坏。     

基于D-P准则巷道围岩应变软化与破裂膨胀弹塑性分析

为了得到考虑围岩应变软化、破裂膨胀和中间主应力情况下的巷道围岩弹塑性解,基于非关联流动法则和DruckerPrager准则,引入中间主应力系数,建立软化和膨胀模型,得到了巷道变形、破裂区和塑性区半径的解析式,并进行了应用分析。研究结果表明:随中间主应力增大,巷道变形、破裂区和塑性区半径先减后增;围岩软化越严重,对巷道变形、破裂区和塑性区半径影响越显著;软化阶段的膨胀行为对塑性区半径不产生影响,但影响巷道破裂区半径和变形;残余阶段的膨胀行为对破裂区和塑性区半径不产生影响,但影响巷道的变形;巷道变形、破裂区和塑性区半径随支护阻力增大而减小,且原岩应力越大,支护对变形影响越显著。     

高应力大变形软岩巷道“三壳”围岩控制机理及应用

为解决土城煤矿14运输上山软岩巷道变形量大、锚杆索失效严重等技术难题,通过现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法,揭示了围岩变形特征以及巷道失稳破坏机理,提出了“三壳”围岩控制理论。基于以上研究,设计了“锚杆锚索+灌浆+钢管混凝土支架”的复合支护方案,建立了基于“三壳”围岩控制理论的“三壳”支护结构体力学模型,计算出设计方案的极限承载能力为2.54 MPa,随后采用 FLAC3D数值模拟软件对设计方案进行模拟分析,验证了方案合理性。最后,该复合支护得到成功运用,现场监测结果表明:巷道顶底板以及两帮变形量均低于100 mm,巷道未发生明显变形,支护效果良好。     

巨厚砾岩作用下底板冲击地压诱发机理及过程

以千秋煤矿21141工作面下巷冲击地压发生的地质和采掘情况为基础,建立煤层巷道底板冲击地压诱发机理模型。水平应力的大小是影响巷道底板岩层稳定性的最主要因素,并确定最大水平应力的计算方法。采场上覆巨厚砾岩层断裂所产生的动载扰动能使巷道底板水平应力瞬间积聚升高。数值模拟分析得出,随着动载应力和加载时间的增加,巷道底板变形量、变形速度和加速度都明显的大幅度增加;同时巷道围岩塑性区也逐渐扩大。研究表明采场上覆巨厚砾岩层断裂、垮落对煤层巷道所产生的动载扰动会诱发规模较大的冲击地压,巷道底板由于缺少有效支护会成为冲击破坏的突破口。