深部巷道围岩变形的数值模拟和模型试验

为研究煤柱宽度和煤层倾角对深部沿空巷道围岩的变形影响规律,采用数值模拟对沿空巷道煤柱宽度和煤层倾角的变化对围岩的变形影响规律进行分析,结果表明,煤柱宽度的变化对巷道围岩变形的影响十分明显。随着煤层倾角的增大,巷道围岩变形曲线呈现凹槽形状,表现出在煤层倾角中间值的巷道围岩变形值小于煤层小倾角和大倾角对应的巷道围岩变形值。然后,用模型试验验证数值模拟结果。验证结果表明,煤柱宽度和煤层倾角对应的巷道围岩变形较敏感期发生在开采深度600 m和900 m左右,开采深度在600～900 m之间时,巷道围岩变形与煤柱宽度和煤层倾角的大小基本上呈线性增长关系,而当开采深度超过900 m后,应适当加宽护巷煤柱宽度,以确保深部巷道围岩的稳定。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

深埋矩形软岩巷道变形破裂规律研究

为研究深埋矩形软岩巷道的变形破裂发展演化规律,以一条泥岩巷道的地质条件为依据,采用PFC2D离散颗粒元软件,首先通过单轴和三轴压缩数值模拟试验确定泥岩颗粒及胶结物的细观参数;然后在此基础上,考虑泥岩颗粒及孔隙结构的排列分布情况,分析得出泥岩不同细观结构条件下深埋软岩矩形巷道周边围岩变形破裂的空间分布模式及其发展特点。结果表明,1)岩体细观颗粒在空间上的不同排列顺序,将导致深埋矩形软岩巷道围岩发生非对称变形破裂现象,且分别出现3种和5种截然不同的破裂和变形模式;2)深埋矩形巷道围岩的破裂扩展过程为:先在浅部薄弱处随机出现微小裂纹;之后这些裂纹逐步贯通形成多条由巷道表面引出的剪切滑移带;随着剪切滑移带的扩展延伸,巷道顶底部和两帮的破裂带开始相互交叉,最终将整个巷道围岩分割形成网状的分区破裂区域;3)在不同开挖时段,深埋矩形巷道围岩的径向位移都大致与其距巷道表面的距离呈指数衰减关系,且顶板浅部围岩的平均位移明显大于两帮;4)矩形巷道表面岩体最大位移在矩形四边中点处出现的概率很小,在矩形四个角点附近约0.25 m范围出现的概率最大;5)随开挖时步增加,深埋矩形巷道围岩裂纹总数和位移均呈指数衰减。     

特厚煤层沿空掘巷合理留设小煤柱的试验研究

为减少煤柱损失量,改善巷道维护现状和提高煤炭回采率,以庞庞塔煤矿10#特厚煤层为工程背景,采用理论计算、FLAC3D数值模拟和现场观测方法对该矿特厚煤层综放沿空掘巷留设的小煤柱宽度进行了研究。计算表明:小煤柱合理留设宽度为7.7～9 m。以小煤柱理论计算为基础,结合工作面端头侧的应力与煤柱侧向支承压力分布特征,提出了4种小煤柱留宽方案,通过数值模拟对比分析不同留宽煤柱在掘巷和回采阶段的围岩应力和受载变形情况,最终得出小煤柱合理留宽为9 m。工程实践表明:按9 m留设区段煤柱,并采用合理支护设计,巷道顶底板及两帮变形量较小,煤柱稳定性良好,留宽方案满足生产使用要求。     

大采高工作面回风巷道支护参数优化研究

为减少大采高回采巷道支护成本,提高掘进效率,以补连塔煤矿12511大采高工作面回风巷道为对象,通过对比不同支护方案巷道围岩的稳定性,研究巷道支护参数的可优化性。针对现有支护方案,开展理论分析、现场实测进行巷道围岩稳定性分析;针对参数优化后支护方案,采用数值模拟分析巷道围岩的稳定性。结果表明：现有支护条件满足安全生产要求,采动影响下巷道围岩未发生明显破坏,支护强度偏大;通过改变锚杆、锚索的直径、数量和排距,优化支护参数;优化后方案相较于现有支护方案,正帮、副帮和顶板的变形量仅分别增加10%、6%和16%,满足巷道支护要求;方案优化后支护成本降低47.3%,提高巷道掘进效率,改善矿井接续紧张局面。     

深井动压影响下山煤巷围岩变形机理与控制研究

以刘桥一矿Ⅱ66回风下山为工程背景,采用现场实测、实验室实验、数值模拟和工业性试验综合分析了下山煤巷非对称变形破坏机理,提出动压影响下深井软弱煤巷围岩多层次组合控制理论,并给出优化控制措施。研究表明:回风下山变形失稳严重并呈非对称性,围岩完整性较差,强度低。地应力实测显示,回风下山处于高原岩应力区,最大主应力为水平应力且具有明显方向性,与巷道轴线夹角为71°,断面顶底板剪切破坏风险较大;数值模拟显示,回风下山开拓延伸期间,受邻近轨道下山、辅助下山影响显著,4煤回采对其影响较小,6煤工作面回采是下山煤巷非对称失稳的主要诱因;提出以围岩深浅孔注浆为核心,以新型注浆锚索、锚杆为装备基础的高阻让压全断面组合控制理论,并给出具体优化方案。工业性试验显示,下山煤巷围岩变形得到有效控制。     

浅埋厚煤层回采巷道围岩破坏分析及支护优化

为解决神东矿区浅埋厚煤层回采巷道围岩变形量大、巷道维护效果不佳等问题,以神东矿区某矿105工作面胶运顺槽为工程实例,综合利用理论分析、数值模拟和现场实测方法,对巷道围岩破坏机制和围岩应力状态进行分析并对巷道支护方案进行优化。结果表明:巷道支护的主要对象是巷道塑性区内圈松散破碎煤岩体;巷道顶板、副帮、正帮松动破坏范围分别为3.42 m、1.51 m、1.36 m;巷道锚杆锚固段未全部处于深部稳定煤岩体中,锚杆锚固能力未得到充分发挥,是导致巷道围岩变形量大、锚固失效的根本原因。基于巷道围岩松动圈实测和数值分析结果,对巷道支护方案进行优化,现场应用表明,巷道支护方案优化后,锚杆支护作用得到充分发挥,巷道表面位移降幅明显,巷道维护效果得到明显改善。     

基于覆岩裂隙带发育高度的走向高抽巷合理位置确定

为确定大采高综采面高抽巷的合理位置,以李村煤矿1303工作面为研究背景,采用理论分析、数值模拟及现场监测等研究方法,对1303工作面覆岩裂隙发育特征、高抽巷空间位置对其围岩稳定性与抽采效果的影响规律进行系统研究。研究结果表明:高抽巷宜布置在覆岩裂隙发育区,远离回风巷道采动应力影响的位置;1303工作面覆岩破坏范围随推进距离增加,呈现先急剧增大后趋于稳定的趋势,工作面推进距离为300 m时,裂隙带高度稳定在50 m左右,形成瓦斯抽采的优势通道;高抽巷距离煤层顶板、回风巷越近,越易失稳,不利于长期抽采,综合考虑高抽巷不同位置时的瓦斯抽采效率及围岩稳定性,确定其合理位置分别是距离回风巷平距为35 m,垂距为45 m;结合现场瓦斯浓度监测结果,得出上隅角、工作面、回风巷瓦斯浓度最大值分别为0.42%,0.24%,0.33%,远低于瓦斯超限标准1%,进一步证明高抽巷层位的合理布置,可以提高瓦斯抽采效果。     

考虑煤岩体成拱效应的工作面区段煤柱合理尺寸研究

为研究综采工作面面间煤柱留设宽度及加固范围,以陕西铜川玉华煤矿一采区为工程背景,首先建立采空区上覆岩土体自重荷载向煤柱传递的传力拱模型,通过求解传力拱模型,对采空区上覆岩土体荷载向煤柱的传递机理进行分析研究。再结合极限平衡理论与刚塑性理论,给出煤柱最小留设宽度与煤帮加固范围计算式。进一步对传力拱影响范围的各参数进行分析,结果表明:当开采宽度小于临界值,煤柱留设宽度随工作面埋深、工作面倾向长度增大而增大,随顶板材料黏聚力、内摩擦角的增大而减小;开采宽度超过临界值时,作用在煤柱上的荷载发生绕流现象。最后根据研究结果进行工程验证,巷道表面位移观测结果说明所设计的煤柱尺寸合理可靠。研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

考虑采空区压实效应的沿空掘巷煤柱设计方法研究*

为建立1种相对科学的沿空掘巷煤柱尺寸设计方法,采用理论与数值试验研究、现场试验等手段,基于采空区压实效应,分析各尺寸煤柱沿空掘巷掘采全过程围岩应力分布与变形。研究结果表明:采空区压实效应模拟研究方法能够模拟采空区应力恢复;掘巷过程中,煤柱内应力由小到大依次为:工作面倾向水平应力、工作面推进方向水平应力、垂直应力,在小尺寸煤柱内呈偏向采空区一侧的单峰分布,小尺寸煤柱逐渐向大尺寸煤柱过渡期间,内部应力量值开始比原岩应力小,随后逐渐增加至出现一定的应力集中,而实体煤帮中峰值应力不断降低,位置逐步向巷帮转移;受超前采动作用后,更大面积的煤柱会受高应力作用,大尺寸煤柱内垂直及水平应力集中系数逐步提高,工作面倾向的高应力区范围更广,当煤柱宽度不超过一定数值时,内部应力大小均低于掘巷过程中相应数值,大煤柱则具有相反的规律,实体煤帮中应力集中系数与掘巷时相比更大,峰值点向围岩深处进一步转移;研究结果通过工程实践检验,可为合理煤柱尺寸设计提供1种新的方法。     

矿岩接触带巷道顶板沉降变形相似模拟试验研究

为分析矿岩接触带巷道顶板沉降变形对巷道稳定性的影响,以大冶铁矿尖林山矿区接触带巷道为研究对象,基于相似原理,构建了矿岩接触带巷道物理相似模拟试验模型,设计了沿巷道走向与矿岩接触面对称布置的应变位移计监测方案,分析了接触带巷道顶板沉降变形规律。研究结果表明:接触带巷道顶板两侧岩体沉降变形量和变形速率存在差异,接触带巷道大理岩侧顶板沉降量和沉降速率大于铁矿侧;邻近巷道开挖扰动对已开挖巷道顶板变形破坏有较大影响,增大了接触带巷道两侧岩体的沉降变形程度。结合大冶铁矿矿岩接触带巷道顶板沉降量监测数据,从顶板沉降量、沉降速率2个方面对比分析了相似模拟试验和现场监测试验结果,表明矿岩接触带巷道顶板沉降变形规律具有一致性。     

基于FLAC3D的分层开采再生顶板裂隙控制效果分析

为了解决顶板裂隙漏风诱发的顶煤甚至采空区遗煤自燃问题,基于州景煤矿再生顶板现场实况,应用FLAC3D软件对比研究有无灌注纳米浆泡材料处理的再生顶板应力、位移以及孔隙率变化.结果表明:在不采取任何控制措施的情况下,巷道顶板位移大,极有可能会发生顶板垮塌事故且应力在两帮集中,两帮位移大,巷道断面收缩率极大;若使用纳米浆泡材...