承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化 规律的试验研究

 奥陶系岩溶水是我国华北矿区煤矿安全生产的一大隐患,而带压开采是开采受底板突水威胁的煤层的有效方法之一。为深入分析承压水上煤层底板突水的危险性,自主设计煤层底板承压水水压加载系统,实现采用压力水袋对底板隔水层的承压水作用的物理模拟;分析底板隔水岩层的变形及破坏特征,得到底板隔水层的裂隙产生、发育直至导水通道形成规律。研究结果可为揭示承压水底板突水的力学机制提供参考。     

深部开采动力扰动下底板应力演化及裂隙扩展机制

深部开采地应力增高及动力灾害增多驱动岩体裂隙扩展导致底板突水事故频发,使得研究动力扰动下裂隙扩展机制具有指导意义。根据弹性理论推导分析了顶板动力扰动对底板应力的影响,模拟计算了动力扰动下底板应力及位移演化规律,基于卸荷岩体理论分阶段研究了动力扰动下端部效应区及卸荷作用下突水通道发育区的裂隙扩展机制,结合岩体渗流特征分析了高承压水压力下裂隙的渗透作用,并进行了工程验证。结果表明:随动力扰动强度增加,端部效应区应力非线性增长;动力扰动强度越大,卸荷起点越高,越易满足裂隙扩展的临界应力;动力扰动强度决定了底板裂隙的扩展及渗透作用机制,当突水通道发育区渗透率突变增加的岩层深度大于隔水层厚度时将诱发底板突水。     

煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究

 通过试验测定不同岩样在充水条件下应力–应变全程电阻率的变化,给出在采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律,并以此为基础建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型。利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟,得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征,为矿井电法数据采集系统设计和资料处理解释提供理论依据。依据全空间高精度三维电法测量的思想,提出煤矿底板导水裂隙带动态监测系统的设计原则和技术要求,为现场实际工作条件下煤矿底板破坏裂隙带动态监测系统设计提供依据,并成功用于安徽一矿底板破坏导水裂隙带演化规律的探测。实测结果表明,采用三维电阻率法探测(监测)底板导水裂隙带演化过程效果明显,能显示出底板在回采过程中变化破坏情况,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论，研制了部分典型材料的固-流耦合相似配比，研制了三维固-流耦合相似模拟试验台，完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固-流祸合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟，得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律；得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程，分析了其变化的频度与幅度及其原因，为带压开采突水防治提供理论依据。     

深部开采中巷道底鼓问题的研究

巷道围岩控制是深部资源开采中的关键问题，而要攻克深井软岩巷道支护的难关，就必须首先研究底鼓的机理及其防治措施。在大量现场研究、实验室模拟实验和数值计算的基础上，探讨了巷道底鼓的基本特征，分析了4种类型底鼓的机理及影响因素，综述了我国近年来防治底鼓的有关研究成果，最后介绍了2个防治巷道底鼓的实例。     

程潮铁矿深部开采岩爆预测

 程潮铁矿经过近40 a的开采,已初步进入深度开采阶段。为预测岩爆发生可能性及其烈度,对程潮铁矿深度－430～－700 m的部位多种岩样进行岩石力学试验,提出岩爆倾向性的多种判据。通过理论预测法分别对各种岩样的倾向性及烈度进行预测,得到程潮铁矿围岩的岩爆倾向性顺序,总结出可能强度较高的几种岩石类型及其所在深度;最后结合模糊数学综合预测法,针对已有多种指标进行岩爆倾向的综合评价,得到矿区总体岩爆倾向性及岩爆临界深度,为矿区开采设计和岩爆监测预报提供了依据     

承压水上开采工作面底板破坏规律相似模拟试验

 随着我国煤炭开采深度的增大,承压水上开采工作面底板破断、突水灾害正呈逐年递增的趋势。以峰峰矿区九龙矿深部承压水上开采工作面底板为研究对象,通过现场底板取芯、编录和室内试验,获得承压水上工作面底板含水层分布特征及底板岩层的力学参数,确保试验中现场参数的可靠性。采用自行设计的工作面底板水压模拟装置,进行承压水上工作面回采过程中顶、底板破断失稳特征的相似模拟试验,得到底板工作面回采过程中顶、底板应力变化规律。运用非接触的光学测量技术对全场位移值进行观测,得出底板位移场变化规律。通过“下三带”理论,计算九龙矿深部工作面底板岩层的最大破坏深度、承压水导升高度和有效隔水层厚度。模拟试验结果表明：九龙矿深部承压水上工作面开采底板存在明显的“三带”特征,采用新型的承压水模拟装置可以模拟承压水在采动作用下的卸压过程。     

深部开采水平应力场与地表远区移动分析

 官庄铁矿是我国东部地下矿之一,埋深500～1 000 m,采用无底柱分段崩落法回采。通过应力测量得知,矿区最大水平应力为垂直应力的1.14倍。针对北采区510～550 m水平开采引起的远区水平移动问题,在大量实测资料分析基础上,采用数值方法和随机介质理论对水平移动进行预测,同时对实测水平移动进行分析。通过分析发现,距当前采区边界500 m处的水平移动达到50 mm,而此处并未观测到垂直移动。分析结果表明,由于存在较高的水平应力,导致水平移动较大,而这种现象就是由于官庄铁矿区砂岩和泥岩地层中所存在的高水平应力场引起的。     

深部开采地表沉陷规律研究分析

结合实例,通过对煤矿深部开采地表下沉与采动程度关系的分析,揭示了开采深部单一工作面下地表变形特征和深部开采较大采区的地表变形特征,最后得到了深部开采较大的地表变形规律。     

固流耦合相似模拟材料研制及深部突水模拟试验

模拟深部开采底板岩层的裂隙演化特征是深入探讨煤层开采底板突水规律和演化机制研究的关键,为开展深部开采高水压底板突水通道形成的模型试验,基于固流耦合相似理论,以固体材料研究为基础,研制了新型的适用于深井条件下的相似材料,提出适应该材料渗透系数的测量方法,得到不同配比对材料力学性质的影响规律,将该材料应用于底板突水模拟试验,揭示相似材料的破坏特征和深部底板突水通道的演化特征,即受采动影响开切眼处裂隙发育迅速而且程度较高,解释了此处突水概率大易发生突水危险,对解决实际工程问题具有一定的指导意义。     

深部开采条件下矿区城市地基建设的数值模拟分析

应用矿山灾害力学及结构力学等相关理论,针对我国各矿区正转入深部开采的现实情况,对矿区城市中的楼体地基建设的稳定性进行了数值模拟研究,得到了不同采深、不同高度楼房建设条件下地基及地下岩体的应力、变形及沉降规律,并借助相似材料模拟实验进行验证。结果表明:深部开采条件下,矿区城市地基所受应力主要体现在底部连接处,地基中部发生的变形和沉降较大。开采深度越大地基所受影响反而较小,楼层越高地基变形越大。通过相似材料模拟实验分析实际采区开采后的地表变化,发现开采深度较浅情况下地表破坏明显严重,而深部开采时地表所受破坏情况较小,但当地表承重加强时会发生破坏。模拟和实验为矿区城市在深部开采条件下的地基建设提供参考。     

采动应力下深部煤体渗透率演化规律研究

为了研究深部开采工作面前方煤体的渗透属性,首先基于典型开采方式应力路径进行了不同瓦斯压力下的深部煤体渗透率测试,然后根据渗透率升降速率和单调性对渗透率的演化过程进行划分,归纳出常规三轴加载和采动应力下煤体渗透率演化过程概化模型,最后结合三向扰动应力下的深部煤体渗透率模型与二次多项式拟合关系建立了深部采动煤体全应力–应变渗透率理论模型。结果表明：典型开采方式采动应力路径下深部煤体的应力–应变曲线不存在压密阶段;峰值应力之前和之后测点的渗透率增加率上升幅度较小,而峰值点的渗透率增加率上升幅度较大;常规三轴加载的煤体渗透率曲线呈“V”字形,相应的概化模型包括下降段、峰前缓升段、急升段和峰后缓升段;采动应力下的深部煤体渗透率曲线呈倒“Z”字台阶形,相应的概化模型可划分为峰前缓升段、急升段和峰后缓升段;建立的渗透率理论模型能够表征不同开采方式下深部煤体全应力–应变过程的渗透率演化。     

动压条件下采区硐室底臌机理及支护技术研究

结合东-B组轨道上山上部变电所底臌治理工程对采区硐室底臌诱发机理进行分析研究,采取新型网壳与U形钢联合支护的方案,从而解决了动压条件下硐室底臌的问题,达到了使硐室底板变形在允许范围内的效果。     

分层开采底板岩层移动的现场观测研究

煤层开采会诱发底板岩层的变形和破坏 ,由此导致许多煤矿灾害的发生 ,最引人注目的是底板承压水的突出。对于厚煤层分层开采 ,由于第二分层及以下各分层开采时工作面围岩应力场与第一分层时具有明显不同的特征 ,将导致煤层底板岩层移动呈现不同的规律。介绍了分层开采煤层底板岩层移动的观测方法 ,提供了试验观测数据 ,并给出了分层开采煤层底板岩层的移动变形规律。试验成果对防治底板承压水的突出具有较大的意义。     

高温与不同水压下深部砂岩渗透特性试验研究

岩石的力学性质与渗透特性与应力,温度及渗透压力具有密切关系。运用Rock Top多场耦合试验仪对红砂岩进行100℃高温下不同静水压力与渗透压差条件下的温度–应力–渗流耦合试验研究。研究结果表明:(1)100℃高温下红砂岩全应力–应变经历裂隙压密→线弹性变形→微裂纹稳定发展→非稳定破裂发展→峰后变形与破坏5个阶段;(2)对应岩石应力–应变曲线,流量随应力差的增大呈现反向急速溢出段,反向稳定溢出段,急剧上升段,稳定增长段,此时渗透率随应力差的增大呈现先由初始值下降,保持水平常值,急速增长至伪峰值后衰落,稳定增长至真峰值等变化特征;(3)红砂岩在高温、高围压作用下的渗透率随围压的等梯度增长近似呈线性降低趋势,在高围压下渗透压差对渗透率影响并不明显,渗透率值趋于稳定,2种方法均显示红砂岩属于典型低渗类岩石;(4)相同围压与渗透压差下,瞬态法与稳态法2种渗透率测试方法所测结果相近,在30～60 MPa围压范围内,压力条件是影响渗透率的主要原因。     

煤矿巷道底板锚固孔钻渣尺寸特征实验研究

长期以来,煤矿巷道底板小孔径锚固孔钻进排渣困难是高质量成孔的瓶颈问题。因此,明晰钻渣尺寸分布规律对排渣的顺利进行至关重要。利用理论分析及实验室实验方法研究两翼式钻头在底板锚固孔钻进过程中钻渣的尺寸特征。结果表明:底板岩石强度及钻头刀翼间距是影响钻渣平均尺寸的主要因素,岩石的单轴抗压强度越高,钻进过程中产生的大粒径钻渣比例越大,从而造成了钻渣整体的平均尺寸随岩石单轴抗压强度的增加而增加;钻机动力参数(转速及钻速)对钻渣平均尺寸不会产生规律性影响。此外,钻渣平均尺寸随着钻头刀翼间距的增加而增加。因此,通过减小两翼式钻头刀翼间距可以降低钻渣平均尺寸,在钻进至较坚硬地层时,由于大尺寸钻渣产出量增加,应及时调整排渣动力参数,保证钻渣顺利排出。研究成果可为底板锚固孔钻进过程中钻具结构优化以及排渣参数设定提供一定理论依据。     

组合楼板受火薄膜效应试验研究

为了验证火灾作用下压型钢板组合楼板的受拉薄膜效应,观察楼板破坏现象,了解受火后组合楼板的温度场、位移及钢筋和混凝土的应变状态,本文进行了4个足尺压型钢板组合楼板受火性能试验。在试验过程中,对试验炉温、楼板温度、钢筋温度、钢筋应变、混凝土应变及楼板中心挠度进行了测量,对试验现象进行了解释。通过试验中采集的温度、位移以及应变等数据,对试验结果进行分析,证实了火灾作用下楼板受拉薄膜效应的存在及其在高温下维持楼板承载力的作用。根据试验分析结果得出,由于楼板的薄膜效应的产生,可不对压型钢板组合楼板及板区内的次梁进行防火保护。     

深部岩体半正弦应力波扰动下的层裂试验研究

针对深部岩体在应力波扰动作用下所呈现出的层裂破坏现象,基于一维弹性波理论,首先阐明了一个简单的半正弦应力波在单个岩石杆件中的传播机理,并剖析其层裂破坏原理;依据净拉应力与动拉伸强度等特征因子,刻画并表征了其破坏过程.进而,采用SHPB设备开展了岩石杆件的层裂试验,发现层裂后岩石杆件其破坏断口较为齐整,并且与拉伸应力方向...     

底角锚杆在深部软岩巷道底臌控制中的机制 及应用研究

 底臌作为深部巷道围岩变形与破坏的主要方式,一直是煤矿深井开采及其他地下巷道工程中难以解决的问题之一,如何有效地控制底臌成为巷道支护中首要考虑的问题。通过多个试验巷道工程底臌控制措施的对比研究表明,底角锚杆技术对于控制底臌起到了积极的作用。运用三维数值模拟方法,研究底角锚杆在控制巷道底板变形中的力学过程,分析分步开挖下底角锚杆力学性能发挥的时间效应,从而提出底角锚杆控制底臌的工作机制。底角锚杆在控制底板变形中的作用,主要是通过成排置入底板的杆体,利用材料自身的抗弯刚度,切断底板基角部位的塑性滑移线,对于岩体结构为块状结构或块裂结构的深部软岩巷道支护工程,可以有效控制巷道底臌。同时,结合具体的深部巷道工程实例,针对巷道底臌的变形机制及变形特征,合理应用底角锚杆控制底臌技术,提出非对称设计方法,有效控制了底板变形,对于深部巷道底臌的控制及防治具有理论指导意义。