深部回采矿柱失稳的尖点突变理论分析及宽度优化

为正确估算矿柱承受载荷,运用普氏理论分析矿柱承载机理,指出矿柱承受载荷为上覆岩层拱形塑性区的重力,计算出矿柱体系中单个矿柱承受的平均载荷。建立矿柱失稳的尖点突变模型,推导出矿柱能量方程,分析矿柱失稳力学机制,根据矿柱失稳的充分条件和必要条件得出矿柱极限宽度值的计算方法,并分析主要因素对矿柱宽度极限值的影响规律。通过工程实例验证矿柱宽度计算方法的有效性和适用性。研究结果表明:影响矿柱宽度的主要因素包括开采深度、采场宽度和矿柱高度;以冬瓜山铜矿为例,矿柱宽度的理论计算值应大于3.63 m,数值分析选取矿柱宽度为4 m时,矿柱处于稳定状态.现场工业试验表明,宽度为4 m的矿柱稳定性较好。     

急倾斜矿体空场法开采的矿柱回收与卸压开采效果数值分析

矿柱回采方法不恰当,将致使大量矿柱残留采场而无法经济、安全地回收。为了解决上述问题,避免或消除深部开采产生的地压灾害,提出了间隔矿柱抽采法回采间柱,"V"型松动爆破并上盘底板松动爆破隔断开采,采用FLAC3D数值模拟了矿柱回采及深部卸压开采的应力变化过程,将数值模拟结果与实际开挖进行了对比,并在此基础上评价了矿柱回收及卸压开采的效果。结果表明:间隔抽采矿柱后,1 010 m中段第一分层顶柱及其以下保留的矿柱不会发生冒落,但上盘局部千枚岩会因长期拉伸疲劳破坏而垮塌,为了避免采空区顶板长期暴露、垮落而造成出矿贫化,必须加快出矿;"V"型松动爆破并上盘底板松动爆破隔断开采,降低了910 m中段开采的应力集中程度,基本消除了910 m中段开采时发生岩爆的应力条件;回收过矿柱的相邻采空区的分隔间柱,其回采宽度不应超过1/2;相邻两采空区都间隔抽采间柱并卸压开采后,960 m中段基本实现了垮塌的千枚岩或残留矿柱充填采空区,从而消除了采空区隐患。     

复合顶板综放面覆岩破坏及裂隙演化相似模拟试验

煤层回采过程中,覆岩破坏特征以及裂隙演化规律对于矿井水、瓦斯防治具有重要意义。采用相似模拟试验对某煤矿复合顶板大采高综放工作面覆岩破坏及裂隙演化规律进行研究。研究结果表明:复合顶板大采高综放开采垮落带高度为32.6m,裂隙带高度为64.6m;煤层回采过程中对顶板覆岩支承压力的影响,近煤层大,远煤层小;覆岩采动裂隙倾角以中角度,宽度以中宽度为主,且裂隙数量随着远离煤层而逐渐减少;采动过程中,近距离煤层覆岩为采动裂隙聚集区,覆岩裂隙密度曲线呈现为"波浪"型。     

剥落型矿柱与早强胶结充填体相互作用损伤演化分

为了研究矿柱底部严重剥落形成的上宽下窄型矿柱与早强胶结充填体的相互作用,进行了现场地质调查,选用石蜡模拟早强胶结充填体进行室内试验,同时进行数值模型的构建和试验模拟研究。试验结果表明:在加载过程中,破坏主要发生在矿岩中,石蜡充填体由于具有较强的变形能力,没有明显的破坏裂纹;矿岩中的裂纹主要沿矿岩和充填体接触面进行延展,直至延伸至临空面破坏;试样表壁的石蜡薄层表征显示在加载过程中,在试样表壁大的裂纹带附近伴随小裂纹产生。通过相关研究,厘清剥落型矿柱与早强充填体的相互作用机理及破坏规律,以便开展针对性的矿柱补强,确保充填采场安全稳定。     

剥落型矿柱与早强胶结充填体相互作用损伤演化分析

为了研究矿柱底部严重剥落形成的上宽下窄型矿柱与早强胶结充填体的相互作用,进行了现场地质调查,选用石蜡模拟早强胶结充填体进行室内试验,同时进行数值模型的构建和试验模拟研究。试验结果表明:在加载过程中,破坏主要发生在矿岩中,石蜡充填体由于具有较强的变形能力,没有明显的破坏裂纹;矿岩中的裂纹主要沿矿岩和充填体接触面进行延展,直至延伸至临空面破坏;试样表壁的石蜡薄层表征显示在加载过程中,在试样表壁大的裂纹带附近伴随小裂纹产生。通过相关研究,厘清剥落型矿柱与早强充填体的相互作用机理及破坏规律,以便开展针对性的矿柱补强,确保充填采场安全稳定。     

长倾向矿体连续回采对采场稳定性的影响

为研究沿倾向延伸较长但不属于深部开采的一类矿体在连续回采时对采场稳定性的影响,采用数值模拟方法对云南某磷矿的地下开采进行了计算,系统分析了采场顶板、矿柱的位移、应力及塑性区等特征在矿体连续回采过程中的变化规律.结果表明,开采深度越大,当前作业采场的顶板沉降越大,而且随着其回采结束,采场顶板位移并不会停止,而是会随着后续采场的开采继续增大直至全部采场作业结束,即采场顶板的位移具有累积效应;另外,随着采场逐渐下移,顶板和矿柱所承受的应力越来越大,塑性区分布范围亦呈扩大态势,表明按照浅部结构参数设置的采场在开采下部矿体时已不能完全满足稳定性和安全性的要求.因此,对于非深部开采但倾向延伸较长的矿体回采,在开采下部矿体时不能简单照搬浅部的采场结构参数进行作业,而应适当增大矿柱尺寸或减小矿房和矿柱间距,以保证采场的持续稳定及矿山生产安全.     

采空区危害型石膏矿山采动损害机理及控制研究

通过对采场矿柱和顶板的稳定性影响机理研究,并采用REPA二维分析方法进行数值模拟分析,得到采场变形至最终破坏的整个过程,从而得到了采动损害的某些规律。为防止采场的破坏,需加大矿柱尤其是应力集中区的中间矿柱尺寸,并加强对矿柱顶、底部的监测。     

基于覆岩破坏传递的超前自卸压区影响宽度研究

为确定超前自卸压区的宽度,将其更好地应用于边采边抽钻孔布置中,探讨影响超前自卸压范围的主要因素,揭示卸压区宽度与工作面超前支承压力的内在联系,根据压力拱曲线平移特性,提出在覆岩破坏传递过程中,冒落带随回采周期性垮落,造成超前支承压力重分布,简化工作面开采模型,推导计算卸压区宽度的理论新方法并进行现场试验验证.结果表明:...     

爆破动载对矿柱的破坏特征

调查了爆破动载对大厂铜坑锡矿地下分段空场法采场矿柱的破坏,掌握了爆破动载损害矿柱的特征,提出了保护矿柱的措施。     

基于尖点突变模型的采场顶板-矿柱稳定性分析

采场破坏失稳是一个不连续的非线性过程。为分析矿山采场的稳定性,在建立采场顶板-矿柱的简化力学模型的基础上,结合安徽某充填采矿法矿山的采场结构参数,运用尖点突变理论分析采场突变过程中的能量释放机理,构建采场破坏失稳的尖点突变模型,推导得出系统失稳的充要力学条件。结果表明:采场中矿柱的应变软化特性和刚度比是导致系统失稳的主要因素,而矿柱的突跳量仅与系统的内在特性有关。结合矿山实例,从必要条件和充分条件2个方面对采场进行稳定性分析,表明尖点突变理论合理可行。验证了采区设置盘区矿柱等安全措施的必要性。     

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。     

长壁综采工作面覆岩采动变形破坏时空演化规律研究

回采工作面煤层被采出以后,上覆岩层产生离层、断裂、垮落等运动,形成的冒落带和裂隙带范围对煤矿安全生产影响极大.以顾桥煤矿1116(1)综采工作面为工程背景,采用数值模拟和井下电法测试技术,研究了淮南矿区11-2煤层开采时覆岩移动破坏的规律.结果表明:在垂直方向上,采空区上方覆岩破坏分区特征明显,由下而上依次为双拉应力破坏区、拉伸裂隙区、剪切破坏区和未破坏区域;冒落带最大高度11.5～14.5 m,裂隙带最大高度45～47.5 m;覆岩破坏最终形态类似于马鞍形,破坏在水平方向的范围要比开采区域大.     

综合拉底、扩漏和出矿全过程的底部结构安全性颗粒流模拟技术研究

为探明自然崩落法从拉底崩落至出矿全过程中底部结构节理连续扩展过程与破坏过程规律，采用PFC2D软件，结合RocLab软件反演节理岩体参数，建立229 m×129 m的岩体扩大模型，对拉底崩落至出矿过程进行连续综合计算。研究结果表明:模拟结果及破坏现象与现场监测结果相近，建模与细观参数反演方法适用于该类岩体工程研究；裂纹扩展贯通导致岩体失稳破坏，破坏过程与裂纹扩展具有相对应的阶段特征，裂纹扩展分为崩落前稳定扩展期，崩落与聚矿槽开挖过程加速扩展期和后续持续扩展期；结构破坏分为蕴育过程，扰动失稳过程和宏观破坏过程；较大范围的宏观破坏主要在出矿阶段。该模拟方法与结果可为底部结构维护以及节理岩体长期稳定性研究提供参考。     

蒙西深部厚煤层大采高综采面覆岩破坏高度研究

为解决蒙西矿区深部开采受多层含水层威胁条件下,覆岩破坏高度难以准确计算的问题,应用现场实测、数值模拟和相似模拟相结合的方法,研究厚煤层大采高综采覆岩破坏高度。首先,综合采用井上下钻孔联合观测,基于钻孔注水及数控摄像技术,实测纳林河二号矿井厚煤层综采一次采全高条件下的导水裂缝带发育高度;然后,通过构建数值和物理相似模型,并结合全国类似条件矿井实测资料的回归分析,确定蒙西矿区覆岩破坏高度计算方法。结果表明:实测导水裂缝带发育高度与采高比为17.1～22.06;采用相似模拟、数值模拟和理论计算确定该条件下导水裂缝带高度与采高的比值为15～18.8;蒙西深部厚煤层高强度开采工作面覆岩破坏高度可按18倍采高估算。     

综采工作面上覆岩层裂隙动态发育规律

以陕西某矿为试验矿井,采用现场试验、数值模拟研究了综采工作面回采过程中上覆岩层裂隙发育特征。研究结果表明,陕西某矿综采工作面冒落带和裂隙带发育高度分别为42.9,94.2 m;工作面回采前裂隙发育度低,工作面回采后,受采动影响裂隙发育度明显提高;工作面推进到某一位置前,裂隙数量及发育高度随着工作面的推进而不断增加,随着工作面继续推进,采空区被压实,裂隙数量降低,而在工作面边缘区域,裂隙数量一直处于高水平,整个裂隙发育曲线呈"波浪"型分布。     

基于渗流-损伤耦合分析的煤层底板突水过程的数值模拟

根据杨村煤矿17煤的水文地质条件,应用岩石破裂过程渗流与损伤耦合作用分析系统(F-RFPA2D),建立了薄煤层底板采动破坏的数值模型,模拟了采动条件下底板的破断失稳、裂隙扩展和突水过程,探讨了底板突水的机理,并对底板的易发生突水部位进行了预测.结果表明,当回采工作面推进到26.8 m时,在隔水层的两个约束端产生拉剪破坏区.该破坏区和12灰贯通形成突水通道.突水后通道处的位移、流量都发生突变增加,并形成连锁反应,使12灰到13灰及其之间的隔水层依次发生破坏,最大破坏深度达13 m,但未勾通和14灰、奥灰之间的水力联系,在底板没有断层的地段不会发生突水.两个工作面采前和采后压水试验结果表明,采动后底板破坏深度在9.96～12.35 m,同数值模拟结果相吻合.     

岩桥破坏全过程分形特征研究

为定量研究边坡岩桥破坏全过程特征,对岩桥试件进行单轴压缩试验,采用盒维数法计算加载过程中裂纹扩展路径的破裂分形维数,基于应力-应变曲线和破裂分形维数量化表征岩桥破裂演化特征,论证了试验结果与实际边坡岩桥破坏过程的相似性;而后,对试件碎屑进行筛分试验,引入破碎分形维数定量描述其破碎特征;最后讨论了这2种分形维数之间的关系。结果表明:1)岩桥试件的应力-应变曲线呈现出"峰后回升"特征; 2)破裂演化过程中产生的新生裂纹具有形态上的自相似性,即分形特征,破裂分形维数与应变之间服从双曲线关系; 3)岩桥试件破坏后的碎屑尺寸分布具有分形特征,破碎分形维数变化范围在2. 60～2. 67之间; 4)数据拟合表明,岩桥试件最终破坏状态的破裂分形维数与破碎分形维数之间呈线性正相关关系,这是因为试件的裂纹萌生、扩展和贯通与破碎特征紧密相关,属于因果关系。     

花岗岩颗粒流模型循环压缩作用下裂纹特征分析

为了分析花岗岩颗粒流模型循环作用下的裂纹特征，基于花岗岩单轴压缩试验得到的应力应变曲线，完成了PFC3D数值试验的参数标定，探讨了不同循环次数下数值试件内部裂纹数目、分布和角度的变化规律。研究结果表明:平行黏结模型能够正确表达花岗岩的主要力学性质；在数值试验加载至破坏过程中，裂纹数目以应力应变曲线峰值点为分界，峰后阶段产生的裂纹数占总裂纹数的60%~90%;张剪裂纹最初产生于试件两端，随着加载进行，裂纹向着试件中部发展贯通，最终形成宏观剪切破坏带；剪切裂纹的角度分布方向明显，与轴向加载方向相同；张拉裂纹角度分布则在轴向加载方向和水平方向上略显集中。研究结果可为矿山安全回采矿柱提供依据。     

基于GMS的隐伏火烧区下煤层开采工作面涌水量预测

烧变岩在我国北方煤矿区大面积分布,由其引起的水害等问题严重威胁着煤矿的安全生产。目前矿井涌水量预测主要针对的是某一生产阶段或时间节点,预测值属于瞬时量,缺乏对矿井涌水量动态特征的预测。以神府矿区柠条塔井田南翼的1^-2上煤隐伏火烧区为例,利用GMS(Groundwater Modeling System)软件平台构建研究区地下水流数值仿真模型。基于地下水流场和抽水试验对模型进行识别,并采用抽水试验数据进行验证,其模拟结果较好地反映了研究区的实际水文地质情况。对1^-2上煤隐伏火烧区下伏的2^-2煤回采工作面涌水量和地下水流场变化特征进行了预测,结果表明：在回采过程中,工作面涌水量逐渐增加,但受地下水袭夺作用,其临近的工作面涌水量逐渐减小;煤层开采时风化岩含水层分别形成了以切眼和工作面为中心的降落漏斗;随着工作面回采的不断推进,地下水位不断下降,漏斗范围不断扩大,导致地下水流场由双中心漏斗逐渐变为以工作面为中心的漏斗,进一步验证了地下水的袭夺作用。对单工作面及多工作面回采条件下涌水量和地下水流场变化特征进行了预测分析,为煤矿采动...     

连续管复合裂纹的应力强度因子有限元分析

针对解析法计算连续管复合裂纹应力强度因子繁琐的问题,引入扩展有限元法（XFEM）进行分析。应用有限元软件ABAQUS计算不同裂纹角度对应的连续管Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型裂纹的裂尖应力强度因子KⅠ,KⅡ,KⅢ,分析了裂纹角度对应力强度因子的影响,并模拟得到了受单向拉伸载荷的连续管裂纹扩展的整个过程。研究结果表明:扩展有限元解与计算解很接近,验证了利用扩展有限元法计算复合型应力强度因子的有效性。随着裂纹夹角θ的增大,裂尖处KⅠ不断减小、KⅡ始终很小,可以忽略、KⅢ先增大后减小、总应力强度因子K不断减小。通过扩展有限元法计算出裂尖应力强度因子,可有效预测含裂纹CT80连续管的安全性。