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。     

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。     

Y型通风沿空留巷巷道围岩活动规律研究

为掌握沿空留巷围岩活动规律,以谢桥矿12418工作面轨道顺槽为工程背景,采用多点位移计及钻孔窥视仪等设备进行实测研究,并结合数值模拟对其进行分析.结果表明:沿空留巷巷道表面围岩变形具有典型的近场效应,留巷前距工作面60 m以外的巷道基本无表面位移,随工作面的推进,巷道表面位移逐渐增大,距工作面10～15m范围内,表面位移变化速率显著增加,留巷后巷道表面位移与留巷前变形趋势类似,但表面位移量较留巷前有明显增加;从顶板钻孔窥视结果可以看出,留巷前仅在孔深2 m处发育单一离层裂隙,留巷后在孔深1.2m、2.4 m、3.8m和5.3m处发育多层离层裂隙,且随滞后工作面距离增加裂隙逐渐增大;尾巷充填体应力在充填材料固结后逐渐升高,并一直维持较高应力状态,因此,巷旁充填体既要确保有一定的强度和刚度,又要有一定的适应变形能力.     

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...     

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。     

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。     

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。     

基于FBG传感器的回采巷道锚杆支护监测分析

鉴于巷道锚杆支护服役状态安全监测的需求,考虑回采巷道恶劣环境条件和锚杆埋入煤岩后不可见的局限性,基于FBG传感器技术自主研制了锚杆FBG应力传感器.通过实验室标定和现场试验,实现了对回采巷道服役锚杆杆体应力准分布高精度的连续动态监测,从而基于技术手段实现了锚杆支护状态的安全监测.在浅埋薄基岩煤层回采巷道,应用锚杆FBG应力传感器,随工作面推进,监测了周期来压过程中服役锚杆杆体的应力变化.通过对监测数据进行统计分析,综合考虑锚杆布置位置与推进工作面之间的空间联系,揭示了回采巷道服役锚杆安全状态及演化规律.由监测数据发现,顶板、巷帮、顶角顶板、顶角巷帮及底角巷帮锚杆安全状态各不相同,且存在深浅部位锚杆安全状态不同的情况.锚杆杆体的轴力变化值表现为顶板锚杆增加,巷帮锚杆减小,顶角顶板和顶角巷帮锚杆的浅部减小、深部增加,底角巷帮锚杆中间增加、两端减小.对监测结果综合评判表明,回采过程中一旦满足条件,巷帮锚杆会最先破坏而引发安全事故,顶板锚杆最为安全,顶角顶板、顶角巷帮及底角巷帮锚杆相对安全.     

煤巷顶板围岩结构承载能力弱化分析

为了揭示煤巷顶板围岩承载能力的弱化机理,结合已有的研究成果,建立巷道顶板三向承载梁结构承载弹塑流弱化分析模型,确定三向承载梁结构承载状态的分析方法,提出用围岩塑性区深度、宽度、长度作为评价巷道围岩承载的弱化分析指标,研究围岩性质、支护强度、采动应用等诱导因子对煤巷顶板结构承载能力弱化分析指标的影响规律。研究结果表明:随着围岩强度的提高、支护强度的增加、扰动应力的减小,弱化分析指标呈似线性减小的变化规律,且减幅由大到小排序为塑性区长度Sy,宽度Sx和深度Sz,同时提高围岩强度、支护强度,减小采动作用应力,煤巷顶板弱化分析指标的减小程度显著高于单因子的改善。     

走向工作面贯通上山与支架快速回撤技术

针对走向工作面停采线与上山之间的护巷煤柱造成煤炭损失,支架回撤工艺复杂、巷道掘进量大等问题,提出走向工作面贯通上山与支架快速回撤技术。工作面贯通采区上山,利用上山回撤支架。在贯通前,利用压力拱模型分析剩余煤柱应力变化规律,并结合极限平衡区公式,确定让压煤柱为8 m;对贯通前基本顶合理断裂位置、让压调节机制、末采阶段采高进行了分析确定,并采取上山巷内补强支护及挂绳铺网措施。贯通上山后,首先利用支架对上山留巷,完成留巷后,利用上山回撤支架,先将上部端头3架逆时针旋转90°作为掩护架,在对剩余支架逐架回撤时,3个掩护架呈现台阶型。提出的技术取消了护巷煤柱及回撤通道,提高了煤炭采出率,减少了巷道掘进量,简化了回撤工艺。     

小凌河矿回采巷道交叉点支护技术研究

为了得出小凌河矿回采巷道交叉点处的支护方案,建立了FLAC3D数值模拟模型。针对南票煤电集团小凌河煤矿-580 m南翼溜煤道处于大倾角、受动载影响的地质条件,理论分析了交叉巷道围岩应力与变形特点,通过FLAC3D数值模拟与工程类比确定了联络巷支护方案。分析了巷道交叉点围岩应力分布和位移规律分布,确定了巷道交叉点处的补强支护方案,顶板采用钢筋托梁组合锚杆支护,并进行锚索补强。交叉的两条巷道在保持原有支护参数的基础上通过增加顶板锚索的根数来提高支护强度。结果表明,在顶板采用钢筋托梁组合锚杆支护和锚索补强,可有效控制围岩离层和结构面变形。数值模拟和传统方法相比,针对性强,更快捷方便。     

切顶卸压自成巷的连续-非连续方法模拟及切缝倾角的影响*

为克服利用连续方法或非连续方法模拟切顶卸压自成巷过程的不足,采用自主研发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法,提出基于高斯求积公式的势接触力计算方法以提高计算效率,通过考察剪裂纹和拉裂纹的时空分布和煤层支承压力的演化规律,研究不同切缝倾角时切顶卸压自成巷过程,并考虑右巷(胶运巷)的锚杆原始支护、锚索补强支护和液压元件的临时支护。研究结果表明:切缝倾角越大,右巷顶板完整性越好,这是由于当倾角较大时切缝尖端发展出的裂纹促进采空区顶板冒落,从而阻隔采场压力向右巷顶板传递;左巷顶板的冒落越严重;切缝倾角以10°为宜。     

突出煤层群多次采动对底板穿层钻孔瓦斯抽采的影响

为揭示突出煤层群多次采动对底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采效率的影响,利用Flac软件模拟分析沙曲二矿3、4、5号煤层下行开采过程中底抽巷顶板煤岩层卸压特征和围岩塑形区扩展特征,并现场实测钻孔瓦斯抽采效率。研究表明:3号煤层采动引起底抽巷顶板煤岩层卸压程度达59%以上,卸压作用最为显著,对钻孔瓦斯抽采浓度与抽采纯量的提升幅度最大;随着采动叠加作用影响,卸压程度减小,提升幅度也减小; 4号煤层开采期间底抽巷顶板围岩塑性区范围扩张达到3.1 m,超过钻孔封孔长度,钻孔瓦斯混量开始逐渐增大,随采动次数增加,顶板围岩塑性区范围进一步扩展,钻孔瓦斯混量呈现逐步增大趋势;多次采动作用下钻孔瓦斯抽采体积分数和抽采纯量总体上呈逐渐下降趋势。     

圆形巷道围岩弹性应力场的复变函数解析

为得出圆形巷道围岩弹性应力分布特征,采用复变函数对圆形巷道围岩弹性应力进行解析,得到了与应力函数解法相同的应力场解析表达式,证明了复变函数解法求解巷道围岩应力场的可行性.对圆形巷道边界应力分布规律及沿水平线的应力分布规律进行了分析,结果表明:1)圆形巷道边界的径向应力和剪应力等于0,环向应力集中系数随侧压系数和位置角度变化而变化,与巷道半径无关;2)沿水平线的圆形巷道围岩剪应力等于0,径向应力和环向应力集中系数随侧压力系数和巷道半径变化而变化;3)沿水平线方向,侧压系数对巷道围岩径向应力的影响大于环向应力影响.还分析了侧压系数对巷道围岩应力的影响规律,讨论了侧压系数等于0、大于0小于1、等于1和大于1等4种情况下的巷道边界环向应力分布情况,得出了巷道边界环向应力的拉压区域及环向应力集中系数最大位置.     

夹层对盐岩储气库注采运行稳定性影响研究

为保证含夹层盐岩储气库长期注采过程的安全稳定,开展夹层几何特征对盐岩储气库注采运行稳定性影响的研究。通过FLAC^3D开展数值模拟,研究单一夹层厚度、位置及夹层数量等几何特征对储气库围岩应力、变形的影响规律,并分析盐腔的稳定性和可用性对夹层几何参数的敏感性特征。结果表明:随夹层厚度、数量的增加,盐腔围岩所受压应力增大,收缩变形减小,体积收缩率增大;随夹层到腔体顶板距离减小,盐腔围岩所受压应力先减小后增大,收缩变形增大,体积收缩率减小。各夹层参数的敏感度系数排序为:夹层厚度、夹层数量、夹层位置。该结论可为层状盐岩储气库先导工程的可行性分析与稳定性评价提供参考。     

矩形巷道矿震应力波扩散规律谱元法分析*

为明晰矿震在巷道围岩中的应力波扩散规律,采用SPECFEM2D程序包谱元法数值模拟方法,研究二维模型在有无矩形巷道情况下应力波扩散过程以及质点最大振动速度PPV值分布规律。结果表明:巷道受S波影响大于受P波影响的程度。巷道表面应力波叠加现象明显,且背波侧巷道左帮上半部分PPV值最大,但深入围岩内部后有巷道时小于无巷道时的PPV值。巷道迎波侧PPV值较背波侧大,且分布范围大,背波侧出现了应力波屏蔽区。巷道顶底板主要受水平方向应力波影响,两帮主要受垂直方向应力波影响。研究结果对理解应力波在矩形巷道周围的扩散规律有一定的参考作用,并对矿震应力波作用下的巷道支护有一定借鉴意义。     

小煤柱巷道围岩变形的力学机理及演化过程研究

为研究小煤柱巷道围岩变形力学机理与演化过程,以石槽村矿某回风巷为研究对象,采用理论分析、FLAC3D数值模拟以及现场实测等方法,分析小煤柱条件下巷道围岩变形的主要影响因素以及表征特点。研究结果表明:侧压系数为巷道围岩变形的主控因素;侧压系数与巷道顶底板位移量呈正比关系,与两帮位移量呈反比关系;回风巷每次受采动影响时,变形可分为巷道稳定阶段、位移分化阶段以及位移加速变化阶段;围岩变形主要发生在一次采动影响时,此时巷道变形呈现明显的不对称,左右两帮的位移量差异明显,巷道的中心位置明显偏移。研究结果可为小煤柱巷道围岩支护提供技术参考。     

孤岛工作面窄煤柱留设宽度的研究

以王村煤矿13503工作面为工程背景,用理论计算、FLAC数值模拟和井下工程试验相结合的方法,研究了不同煤柱宽度对沿空留巷煤柱稳定性及掘巷巷道围岩变形的影响,确定了13503孤岛工作面留设窄煤柱的可行性,提出在内应力场中留小煤柱的掘巷方式较为理想,掘进时不会引起支承压力和煤体力学状态的明显变化,窄煤柱留设宽度在10～12 m时,巷道的变形量较小且处于低应力区,为此类条件的煤矿提供参考。     

二次采动下沿空留巷围岩变形及其控制研究

针对二次采动下沿空留巷围岩变形控制困难问题,揭示了沿空留巷围岩变形规律,建立了二次采动下沿空留巷围岩变形力学模型,推导出了围岩变形的理论公式,据此分析了围岩变形的影响因素,提出了支护对策,并进行了工程实践。结果表明:围岩变形理论公式与现场实测值基本一致;顶底板移近量以底鼓为主,底鼓量为直接底压曲量与老底挠曲量的最大值;各因素对围岩变形影响程度依次为巷旁支护体宽度、迭加应力集中系数、采高、采深、老底弹性模量。围岩变形控制对策应围绕关键性影响因素进行,据此提出“锚网索+高强度墩柱+老底注浆”耦合支护对策,工程实践表明,沿空留巷围岩变形稳定,得到了有效控制。     

高应力煤巷卸压孔布置方式对卸压效果影响分析

高应力是造成深部煤巷大变形的主要因素。钻孔卸压已成为高应力区围岩稳定性控制的主要方法之一。基于钻孔卸压原理,以实际工程为背景,设计了三种卸压孔布置方式,并采用数值模拟的方法对不同卸压孔布置方式的卸压效果进行计算和对比分析。结果表明:卸压孔布置方式对卸压效果影响显著,卸压孔五花布置时,卸压效果最为明显;卸压孔周围形成卸压圈,卸压圈相互叠加,卸压范围增大;巷帮布置卸压孔使巷道周边形成的应力峰值向远离巷道的围岩深部移动,五花布置卸压孔时,不仅能够使应力峰值向深部转移,而且降低了应力峰值,有效改善围岩应力环境;卸压孔产生的卸压区,为巷道围岩提供给了一定的变形补偿空间,减小了巷道变形,卸压孔五花布置时,巷道变形最小,与无卸压孔时相比,巷道实体煤帮整体变形量减小了73.9%,顶板最大沉降量减小了40%,控制变形效果明显。