采空塌陷影响因素及稳定性分级方法研究

本文在综合考虑采空区顶板暴露面积、矿柱留设尺寸、开采深度、围岩性质、地质构造、工程扰动等影响因素的基础上,提出了基于"复合应力拱"模型的采空群稳定性计算方法,并根据计算结果,将采空群稳定性划分为五个等级.通过实际工程案例的应用验证,说明该方法与实际情况相符,可以为矿山采空风险评估提供新的方法和手段.     

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。     

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。     

动载下巷道围岩微震响应特征及支护研究

为探讨动载下深部巷道围岩变形特征,采用微震监测系统、顶板动态监测仪及FLAC3D 数值模拟软件研究深部工作面回采中微震活动特征及巷道变形破坏特征,模拟动载前后巷道围岩及支护体力学响应特性。研究结果表明:微震事件分布与累计损失能量均呈现出明显的3阶段特征,与工作面开采过程出现的初次来压、采空区初次见方和遇见断层现象相对应;微震事件的分布在时间和空间上具有一致性;动载下顶板破坏程度大于底板及两帮;动载扩大了巷道围岩塑性区范围,改变了围岩的受力状态,增大了围岩的变形量与支护体的受力;通过增加锚杆直径、长度、排距及提高预紧力对支护结构进行优化,现场监测数据表明,优化后支护方案保证了围岩的完整性,限制了围岩的变形,减小了锚杆受力,能够有效控制采动影响下巷道围岩的变形,对采动影响下深部巷道维护保证煤矿安全生产具有参考应用价值。     

基于3DMINE-MIDAS-FLAC~(3D)耦合的残矿回采稳定性研究

残矿开采条件极为复杂,回采安全性差。为了保障残采安全,利用3DMINE,MIDAS/GTS,FLAC3D软件的耦合,对残采方案的稳定性进行数值模拟研究,根据残矿开挖后所形成空区的围岩位移、应力及塑性区状态判定回采危险区。选取某矿山浅部中段残采工程为例,研究结果表明:该矿山-47 m中段部分间柱采空区的帮壁和顶板因岩移过大、拉应力过大、拉伸塑性破坏或剪切塑性破坏,出现了11处危险区;顶柱采空区顶板因拉伸塑性破坏,出现了6处危险区。通过此3种软件的耦合可精细建立复杂的数值模型,提高数值模拟结果的合理性,危险区的判定有助于指导矿山残采过程中安全监测与支护措施的实施。     

弱胶结软岩巷道支护技术研究

为研究弱胶结软岩巷道支护难题,以塔然高勒矿区某矿弱胶结软岩巷道支护工程为研究对象,通过现场调研和室内试验分析弱胶结软岩遇水软化机理。利用有限元分析软件MIDAS/GTS建立弱胶结软岩巷道弹塑性数值计算模型,对比分析锚网喷和锚网喷架两种支护方案时的巷道塑性区范围、应力分布、表面位移、喷混结构受力及锚杆和钢支架的受力形态。进行现场工业试验,监测巷道围岩收敛变形和锚杆受力变化情况。结果表明,锚网喷架支护形式能够确保支护体系充分发挥作用,塑性区范围小,围岩应力分布均匀、锚喷支护结构受力均匀且较锚网喷支护时小,采用钢支架与锚网喷构成支护体系会大大提高支护结构整体刚度,提升围岩的自稳能力和自承能力。     

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。     

地震作用下采空区群围岩动力响应特征研究

为探究地震对采空区围岩及矿柱的动力影响,利用FLAC3D软件模拟地震作用下采空区群围岩的动力响应过程,通过获取围岩在地震作用过程中每一时步的最大、最小主应力,分析地震作用前后采空区顶板、底板、矿柱及边墙的剪切屈服和张拉屈服应力值的变化特征。结果表明:地震过程中,空区中心区域应力稳定性最好,远离中心区域应力波动变大;地震后,空区顶板、底板的抗剪切能力稍有下降,抗拉能力显著下降,边墙的张拉破坏面积变大。     

朱仙庄矿10煤地质力学评估及其回采巷道分类支护

为有效解决深部煤炭开采过程中回采巷道围岩失稳严重、变形破坏剧烈等问题,利用室内试验测试、围岩结构观测、地应力原位测量及现场监测等手段,分析得出巷道围岩地质力学属性和原岩应力分布特征,并结合矿井生产技术条件对巷道围岩进行地质力学评估和稳定性分类。以淮北朱仙庄煤矿10煤的Ⅱ1053工作面为工程背景,构建基于地质力学评估的巷道分类控制支护体系,并对该工作面回采巷道支护参数进行优化设计。用FLAC3D数值模拟和井下监测等技术方法,对掘进及回采期间巷道围岩应力、位移、锚杆受力及塑性区分布特征等进行分析。结果表明,将试验测试和现场数据资料相结合,以地质力学评估为基础的巷道分类支护技术明显优于以往经验设计法,能有效保障回采工作面的安全快速推进。     

某铅锌矿巷道围岩破坏原因及治理对策分析

为了澄清1 330 m中段巷道发生冒顶、片帮及底鼓的原因,并预测深部各中段巷道的地压显现规律及治理对策,应用FLAC3D模拟实际开挖和开采过程,并分析巷道围岩的应力变化。结果表明:巷道地压显现是拉应力长期作用而发生疲劳拉坏的结果;南侧矿体无断层与巷道贯通,且离1 330 m中段巷道较远,其开采对巷道稳定性影响微弱;北侧矿体有正断层与巷道贯通,离巷道水平距离只有10 m,其开采是引起巷道围岩拉应力增大的主要原因,贯通断层是引起巷道围岩拉应力增大的次要原因;深部巷道应布置在矿体下盘分界线以外不小于15 m处;鞍部矿体采空,有利于1 330 m中段巷道卸压,对1 280 m中段巷道卸压效果微弱;确保断层附近顶柱的完整性,有利于降低巷道围岩的拉应力;对拉伸疲劳破坏的巷道,采用无预应力锚杆支护几乎不起作用。该结论与开挖、开采实践基本吻合。     

强膨胀软岩巷道锚网喷架联合支护技术研究

强膨胀软岩巷道的支护问题是西部地区矿井建设中普遍遇到的难题。为解决强膨胀软岩遇水泥化、崩解等给巷道掘进、支护等工程带来的困难,以强膨胀软岩巷道支护工程为研究对象,通过理论分析和现场调研,研究强膨胀软岩巷道变形机理;利用有限元分析软件MIDAS/GTS建立强膨胀软岩巷道数值仿真模型,分析了锚网喷架联合支护时巷道塑性区范围、表面位移和钢支架的受力特征。进行现场测试,获得了巷道围岩变形和锚杆受力变化规律。结果表明,采用钢支架与锚网喷构成联合支护体系可有效提高支护结构整体刚度,提升围岩的自稳能力和自承能力。     

巷道围岩再造承载层机理及数值模拟

在分析大变形巷道基本支护系统基础上,依据应力转移与强抗承载的围岩稳定思想,提出了巷道围岩再造承载层机理,建立了巷道围岩再造承载层稳定性力学模型,分析了巷道围岩再造承载层的稳定因素,最后进行了数值模拟。结果表明:巷道基本支护系统的承载能力与作用范围有限,基本支护系统作用下巷道浅部围岩呈“O”形整体收敛,弹塑性界面离层明显;而巷道两帮再造承载层与基本支护系统形成“Ω”形承载结构体,整体承载能力加强,顶板应力由底板深部转移改变为向两帮外伸移动,两帮围岩移动由巷道内收敛改变为向巷道底角外扩散,巷道围岩稳定性提高;巷道围岩再造承载层位置越高、长度越大,围岩越稳定;无支护巷道两帮垂直应力集中区明显,支护后巷道两帮垂直应力集中区得到弱化,浅部围岩形成“Ω”承载拱形体,两帮与顶板位移变化量较小,底鼓量为无支护巷道的84.65%,应进一步做好底鼓控制,围岩整体收敛变形较小,支护效果明显。     

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。     

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。     

吸能让位防冲支护结构与围岩协同作用体系研究*

为防治冲击地压危害,减小人员伤亡与经济损失,采用数值计算方法建立吸能让位防冲液压支架与围岩协同作用体系模型,计算支架和围岩组合体系在静载和冲击载荷作用下的受力状态。结果表明:静载条件下,受煤层影响巷道右侧拱肩位置应力值与塑性应变相对最大,此处最易发生破坏;吸能装置在静载条件下没有发生压缩变形,表明吸能装置不会影响支架正常工作;竖向冲击荷载条件下,受煤层结构影响巷道右侧拱肩处等效塑性应变值增大相对比较明显,吸能防冲支架中间液压柱与右侧液压柱水平位移变化相对最明显;冲击地压发生过程中,支架与围岩间相互作用力变化较大,总体可分为振动段、平稳段、上升段、波动段4个阶段。     

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。     

辛置煤矿310轨道巷围岩破裂范围研究

辛置煤矿310轨道巷属于高应力软岩巷道,地质构造和岩层结构非常复杂多变。为了解该巷道的松动范围、塑性区分布和围岩破坏情况,采用U510非金属超声波检测仪,在辛置煤矿310轨道巷左右两帮合理布置检测点,进行现场松动圈测试。获得一系列测试结果,运用测试结果及围岩松动圈支护理论,可对310轨道巷支护提供理论依据。     

软弱煤岩体巷道围岩锚固力衰减特性研究

软弱煤岩体巷道围岩存在强度低、胶结程度差、遇水弱化等特点,正常树脂锚固时出现锚固力低、衰减速度快等问题,易造成巷道围岩严重变形破坏。利用自行研发的锚固孔底单翼倒楔形扩孔装置进行孔底扩孔锚固试验,分析了软弱煤岩体不同锚固状态下锚固力与位移的变化关系。试验结果表明:正常锚固和扩孔锚固状态下脱锚点发生前锚固力与位移曲线表现一致,脱锚点发生后正常锚固状态下残余锚固力瞬间衰减到几乎为0,而扩孔锚固状态下残余锚固力衰减程度较小,并出现残余锚固力大于脱锚力的情况;扩孔锚固状态下脱锚点处扩孔锚固的最大锚固力比正常锚固状态下平均提高2.8倍。软弱煤岩体锚固段发生脱锚界面为锚固剂与孔壁的交界面,脱锚后扩孔段锚固剂对倒楔形孔壁产生挤压破坏,从而提高了软弱煤岩体残余锚固力。试验结果为解决软弱煤岩体巷道锚网支护技术难题提供重要借鉴。