基于统一强度理论的煤层平动冲击失稳解答

以统一强度理论作为煤层塑性区的屈服判据,考虑中间主应力对煤层强度的提高作用,建立了平动冲击失稳之前煤层的应力统一解、扰动深度解析式以及塑性区宽度统一解,对其进行可比性分析、文献已有解答的对比验证,探讨了中间主应力效应、煤层埋深与厚度、煤层强度参数对平动冲击失稳的影响特性。研究结果表明:本文所得应力统一解和塑性区宽度统一解均是一系列有序解答的集合,并得到文献Mohr-Coulomb准则解答、Hoek-Brown准则解答以及Lippmann理论的验证,具有广泛的理论意义和良好的工程应用前景;当统一强度理论参数b从0增加到1时,煤层发生冲击失稳的破坏范围减小了25.3%,冲击倾向性即塑性区扩展率由0.63减小到0.47,这表明中间主应力对煤层平动冲击失稳的影响显著,应合理考虑中间主应力效应,以充分发挥煤层的承载潜力;支护力对煤层的塑性区宽度影响较大,当支护力从0增加到1 MPa时,塑性区宽度平均减小了21.3%,需切实构筑有效支护以减小煤层平动冲击失稳的破坏范围;深埋煤层的稳定性较差、冲击失稳时破坏范围较大,另外厚煤层相比于薄煤层的稳定性较高,但发生冲击失稳的破坏范围更大;黏聚力和内摩擦角作为煤层的重要强度参数,对煤层平动冲击失稳的影响十分显著,开挖设计时应充分考虑煤层强度参数的变化,特别是内摩擦角。     

倾斜煤层条带煤柱留设宽度统一解

我国倾斜煤层可采储量占比较大,但至今鲜有针对倾斜煤层条带煤柱的计算方法。基于统一强度理论,考虑中间主应力、矸石支撑作用和煤层倾角的影响,建立倾斜煤层条带煤柱留设宽度的统一解,对其进行可比性分析与对比验证,探讨矸石的支撑作用和各参数的影响特性。研究结果表明:本文所得留设宽度统一解是一系列有序理论解答的集合,可退化为多种强度准则解答,并得到文献经验公式的验证,具有广泛的理论意义和工程应用前景;矸石支撑作用对浅埋煤层、煤层开采宽度较大时的影响较大,加以利用可提高煤层的采出率;留设宽度随煤层倾角的增加而减小,特别是煤层倾角大于10°时,当作水平煤层的设计将偏于保守;应合理考虑煤柱强度的中间主应力效应和煤层界面强度参数的变化。     

区段煤柱弹塑性宽度计算及其应用

基于主应力影响的黏性材料SMP屈服准则,分别考虑采空区侧和巷道围岩2种不同受力环境,得出了2种条件下的煤柱宽度的计算公式,同时采用极限平衡理论推出平面应变下煤柱塑性区宽度的理论公式,并通过改变煤体的内摩擦角和内聚力,与以Mohr-Coulomb准则计算所得煤柱塑性区宽度比较表明,采用传统方法未能充分考虑煤体的极限强度,使得煤柱尺寸的设计较为保守,而基于黏性材料的SMP准则下的煤柱宽度计算能很好地符合实际,对于提高矿山开采效率具有显著意义。     

软土地区定向钻工后地表沉降的机理分析

基于SMP强度准则,采用弹脆塑性软化模型,分析了定向钻工后孔壁周围土体内的二次应力、应变场以及塑性区半径分布规律,推导出了最优缩孔泥浆压力和允许的最小泥浆压力的计算公式;对比基于M-C强度准则计算结果,可得考虑中间主应力影响的SMP强度准则计算结果更精确,能够更好地解释软土地区定向钻工后地表沉降机理并指导工程实践。同时通过改变内摩擦角、黏聚力及剪胀参数的大小,得到土体屈服后内摩擦角和黏聚力跌落越多,塑性区半径越大以及土的剪胀特性有助于抵抗缩孔。     

基于统一强度理论煤柱尺寸研究及应用

为了提高煤炭采出率,保障巷道稳定安全,煤炭开采时通常设计合理的煤柱尺寸。根据留设煤柱的不同作用,将煤柱分为"保护巷道"和"保护地表"2类。基于统一强度理论,分别对2种类型巷道进行弹塑性分析,建立了考虑中间主应力影响的极限强度计算公式,进而得到2类巷道的屈服宽度及煤柱尺寸的统一计算式。运用该公式计算了某矿8214工作面"保护巷道"煤柱尺寸,并与数值计算对比分析,认为护巷煤柱宽度取10 m是合适的。     

红一煤矿主采煤层区段煤柱宽度因素分析

红一煤矿主采煤层4煤是缓倾斜煤层,采用双巷布置。区段煤柱的合理宽度对于煤矿安全生产和经济效益至关重要。根据红一煤矿的地质条件,对煤层强度(黏聚力和内摩擦角)、开采厚度、煤层埋深以及应力集中系数等因素进行分析,结果表明:影响煤柱宽度与煤层强度呈多项式函数关系,与煤层开采厚度呈多项式一元三次函数关系,与煤层埋深呈线性关系,而与应力集中系数呈指数函数关系。煤柱留设宽度对应力集中系数变化最敏感,应力集中系数是煤柱留设宽度最关键的指标。     

不同屈服准则下回采巷道区段煤柱的合理宽度

以某矿为背景,对该矿6-6~#煤层开采中S_1段与S_2段区段煤柱合理宽度的问题进行了研究,基于摩尔库伦准则、SMP准则对区段煤柱的合理宽度进行计算,并采用FLAC~(3D)数值模拟的方法对6-6~#煤层S_1段采空后不同距离下S_2煤体中应力分布特征,及不同宽度的区段煤柱(6、8、10、12、14、16、18 m)下煤柱中的垂直应力、水平应力、煤柱中非塑性破坏宽度、以及S_2段巷道中围岩的位移情况进行分析;通过研究,最终确定该矿6-6~#煤层区段煤柱的合理宽度应为11~12m;通过将摩尔库伦准则、SMP准则计算所得煤柱宽度与模拟结果进行对比,发现模拟结果与SMP准则所得结果更接近。     

大型综放工作面沿空巷道窄煤柱合理宽度确定

沿空巷道煤柱破坏失稳是典型的不连续现象。在煤柱系统力学简化模型基础上,应用突变理论方法得出了煤柱系统的尖点突变模型,进而推出了煤柱失稳破坏的临界宽度理论公式。研究结果表明:煤柱临界宽度与埋深、煤柱高度、巷道宽度、应力集中系数、侧压系数、煤层界面内摩擦角和黏聚力及煤帮支护阻力等因素密切相关。在煤柱临界失稳宽度的基础上,引入安全系数来确定窄煤柱的合理宽度。最后,经过工程实例应用,验证了该研究手段的可行性。     

综放工作面煤柱受力特性与稳定性研究

为了给国强煤矿开采4-1号煤提供设计依据,通过建立力学模型研究了综放工作面回采后,煤柱受到采空区一侧引起的支承压力、巷道一侧的支承压力和上部岩层的压力三重作用下的力学特性.研究发现,煤柱在采空区一侧的塑性区宽度与原岩应力、应力集中系数、煤层的内摩擦角、黏聚力、煤层开采厚度等因素有关；巷道一侧煤柱的塑性区宽度与原岩应力、...     

基于泥岩弱化的顺倾边坡失稳机理探究

在泥岩遇水软化的理论基础上,设计了不同含水率泥岩试样的剪切试验,深入探讨了泥岩软化过程中力学指标黏聚力和内摩擦角的变化规律;结合缓顺倾边坡失稳机理分析,推导出了安全系数表达式,揭示了泥岩强度变化对整体边坡的影响规律.结果表明:随着含水率的变化对泥岩的黏聚力和内摩擦角呈现出类似的变化规律,但是有所区别;黏聚力在试样含水率...     

深部厚煤层条带开采煤柱的稳定性

通过对三向应力状态下的煤柱极限强度计算公式分析得出：我国目前普遍应用的A.H.威尔逊计算理论公式存在因简化带来的问题,并且随着采深的增大,问题表现的越明显.理论分析表明,煤柱塑性区宽度不仅与采深、采厚有关,而且也同采出率有关.结合古城煤矿的实际情况,利用FLAC^3D模拟得出了不同开采条件下煤柱塑性区宽度,通过二元线性回归分析,得出了煤柱塑性区宽度与采深、采厚及采出率的计算公式.最后给出了在深部厚煤层条带开采情况下煤柱极限载荷的计算公式.     

条带开采中煤柱稳定性分析

系统地分析了条带开采中煤柱稳定性问题。通过多个实例计算的对比分析，建议采用Ｗｉｌｓｏｎ强度公式进行一般地质采矿条件下条带煤柱强度的计算。从煤柱强度分析出发，导出了任意方向弱面的剪力强度安全系数计算式；建立了顶底板通过摩擦作用施加给煤柱的儿拉压应力引起的煤柱屈服区宽度变化的简化计算式；从３向受力状态角度分析了侧限力对增加煤柱强度的机理问题；还强调了煤柱载荷与采出率之间的非线性关系和条带开采设计中应注     

渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。     

考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应

为了研究强度准则效应对圆形巷道围岩稳定性的影响,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后将巷道围岩划分为破碎区、塑性软化区和弹性区,同时引入强度参数软化模量和扩容系数,考虑中间主应力效应、岩石峰后应变软化和扩容特性,推导了巷道围岩应力、位移和塑性区半径统一解,并对新解的各影响因素进行了对比分析。分析结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配不同的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的强度准则相对偏于保守,考虑中间主应力效应时,MO准则和权系数<0.5的统一强度理论计算得到的塑性区半径和位移处于中间水平,而外接圆DP准则和权系数>0.5的统一强度理论对中间主应力效应考虑较多,选用时需谨慎;应变软化会使塑性区内围岩的性质得到进一步劣化,出现更大范围的破碎区,提高破碎区残余强度是一种有效的支护方法;巷道围岩的扩容特性不仅与剪胀角有关,而且还与塑性势函数有关,不考虑扩容将会低估围岩的真实变形。研究结果可为巷道围岩稳定性评价和支护设计提供重要理论参考依据。     

条带煤柱稳定性及支护设计研究

条带煤柱稳定性决定着巷道的维护状况,通过对条带两帮煤体受力特点的分析研究,分析了各相关因素对煤体破裂区和塑性区宽度的影响.破裂区宽度及其演化发展是影响煤柱稳定的主要因素,强化煤柱破裂区的强度,阻止塑性区向破裂区的演化,是提高煤柱稳定性的重要途径.针对煤柱的特定赋存条件和影响煤柱稳定的众多因素,有针对性的展开支护设计,合理确定煤柱宽度,有利于提高煤炭资源回收率.     

区段煤柱合理尺寸数值模拟研究

根据陕西秦源煤矿工程地质条件,通过建立FLAC3D数值模型,模拟分析了不同宽度的区段煤柱围岩破坏特征和垂直应力分布特征,结果表明:在煤柱承载能力范围内,随着煤柱宽度的减小,应力值逐渐增加,当达到承载能力极限时应力降低,煤柱破坏,失去承载能力。最终确定区段煤柱尺寸为13 m,为该矿后续煤层开采区段煤柱留设尺寸提供了依据。     

基于FLAC3D的条带开采煤柱稳定性分析

为研究不同采出率开采条件下条带开采煤柱的稳定性及对地表的影响,采用了FLAC3D和Tecplot数值模拟软件,对不同采留宽条带煤柱的竖直应力分布和地表最大下沉值进行研究。结果表明:随着采出率的增加,煤柱单位面积所支撑的压力成线性增大;在煤柱的边缘形成应力的集中区,其应力等值线的形状呈马鞍形—平台形—拱形的变化,平台形可以看成煤柱从稳定向失稳过度的标志和临界点;根据模拟计算结果,建立了地表最大下沉值与条带开采回采率之间的关系式及最大竖直应力与采出率之间的关系式,为今后相关计算提供了科学依据。     

松软煤层抗张强度及防隔水煤柱宽度的研究

在矿井生产过程中,为防止发生突水事故,常在井下设置防隔水煤柱。通过留设矿井防隔水煤柱,对矿井延长服务年限和煤矿水害防治具有十分重要的意义,而研究合理的防隔水煤柱宽度,能够更加安全、合理、高效地开采煤炭资源。通过点荷载试验测定了祁南煤矿34下6工作面采取的松软结构煤体的点荷载强度指数。考虑到尺寸效应,对不规则试件的结果进行修正后,利用点荷载强度间接获取松软煤层抗张强度。在矿井特定位置留设防水煤柱时,煤层的厚度和水头压力是固定的,煤柱的留设宽度仅为煤层的抗张强度的函数。因此,根据经验公式可计算出防隔水煤柱的合理留设宽度。