采场上覆关键层破断角的力学推导和实验模拟

为研究采场上覆关键层破断角,基于弹性力学和岩体力学,建立采场上覆关键层破断的梁力学模型,推导得出关键层破断角的计算公式,并通过物理模拟实验进行公式合理性和可靠性的验证。结果表明:(1)理论计算关键层破断角的变化范围为57.5°~71.0°,实验模拟破断角为50°~70°,理论计算结果与实验模拟结果吻合较好,说明理论推导关键层破断角的计算公式具有较高合理性和可靠性;(2)关键层破断角公式说明,关键层破断角与关键层的内摩擦角、抗拉强度、容重、弹性模量、关键层厚度和上覆载荷层的弹性模量、容重和厚度有关。对某一采场覆岩,关键层破断角的变化主要受关键层自身厚度和载荷层厚度的影响;(3)关键层厚度与载荷层厚度比值h/h'1.5时,关键层破断角随h/h'的增大而减小,载荷层厚度变化对破断角的影响程度大于岩层厚度变化的影响;(4)当h/h'1.5时,载荷层厚度增大引起关键层破断角减小,关键层厚度增大引起关键层破断角减小,两者对关键层破断角的影响作用相同,关键层厚度变化对关键层破断角的影响程度大于载荷层厚度变化的影响;(5)当h/h'=4时,关键层厚度变化与载荷层厚度变化对破断角的影响程度相同。     

软岩岩层厚度、刚度和水平应力对关键层应力的影响

为了进一步研究采场上覆岩层的移动规律,对影响关键层上载荷分布的因素进行分析.采用FLAC如软件模拟了不同的软岩岩层厚度、刚度和水平应力对关键层上载荷峰值的影响.通过模拟,发现关键层上覆软岩岩层的厚度、层刚度和水平应力对关键层的载荷峰值都有影响,且不同的水平应力在关键层破断前后会产生不同的影响.在初次来压前,水平应力加速了采空区的上方关键层的破断,但延缓了煤壁前方关键层的破断.初次来压后对关键层的破断影响很小.通过此次研究可以对关键层的破断以及采场的周期来压进行预测,对于采场覆岩的控制具有一定的指导意义.     

近距离关键层群同步破断机理研究

为研究浅埋深煤层开采时关键层群同步破断失稳机理,以王家塔煤矿为研究背景,结合矿山压力及岩层控制相关理论,运用数值模拟软件UDEC对煤层上覆岩层中存在单一关键层和2层关键层结构进行模拟,现场实测数据验证同步破断失稳理论。结果表明:当煤层上覆岩层中存在距离较近、岩性相近的2层关键层时,其服从关键层同步破断判据,可将其整体结构视为单一关键层结构进行稳定性分析,对矿压显现与岩层控制的影响也与单一关键层一致。     

相邻亚关键层破断对采场来压的影响分析

采用具有2层亚关键层的采场矿压模型，通过力学分析，给出相邻亚关键层破断对采场来压步距影响的计算公式，并用具体算例及其数值模拟说明了相邻亚关键层破断与采场矿压所受影响间的相互关系．     

覆岩结构类型与开采覆岩损害特征分析

煤层开采打破了上覆岩层原有的平衡,必然引起岩层的移动、破断,导致应力场和裂隙场的改变,工作面出现矿压显现。上覆岩层的岩性和组合结构对工作面开采覆岩损害特征分布影响显著,一般岩性越坚硬,上覆岩层应力集中程度越高,采动裂隙越发育,矿压显现也越明显;坚硬岩层尤其是关键层对覆岩的破断运动起控制作用,覆岩破断发展到一定层位后软弱岩层往往是抑制覆岩破断进一步向上发展的关键。当工作面上覆岩层同时存在远近场关键层时,近场关键层的周期性破断引起裂隙带范围内岩层的运动和工作面周期来压;而远场关键层的周期性破断导致地表裂缝或台阶下沉,工作面压力急剧上升,有时甚至导致煤矿动压灾害,尤其是远近场关键层同步破断时动力现象更明显。通过地面钻孔使远场关键层提前破断是防止此类动力灾害的关键。     

关键层初次破断前动态载荷研究

利用FLAC数值模拟软件建立矿区具体工作面的开采模型,模拟研究了随着煤层的开采关键层初次破断前载荷的动态变化过程。根据对关键层载荷起控制作用的岩层的特征,借鉴关键层理论,提出"载荷控制层"概念,给出其定义和判断方法,并借助固支梁力学模型给出了一种计算关键层动态载荷的方法。研究成果揭示了关键层载荷的动态变化原因和上覆岩层载荷的传递机理,进一步发展和完善了关键层理论。     

采场覆岩厚硬关键层初次破断的研究

以某矿12号煤层开采为背景,运用RFPA2D数值模拟软件,通过理论分析与现场实测相结合,研究不同厚度的直接顶条件下,采场上覆厚硬关键层初次破断的形式,以及初次破断步距的预测。结果表明,当直接顶厚度为2m时,厚硬关键层会发生回转失稳,容易造成支架压架或更为严重的冲击矿压事故;当直接顶厚度为5m时,厚硬关键层会形成相互咬合的砌体梁结构;基于厚硬关键层初次破断是非对称的,结合薄板理论公式可预测厚硬关键层的破断步距。     

浅埋煤层隔水关键层失稳光纤传感检测试验研究

隔水关键层破断失稳是矿井水害及开采引起的生态脆弱区水资源破坏的根本原因,准确有效地对隔水关键层稳定性进行科学监测,是实现保水开采及岩层控制的重要基础。隔水层稳定性尚无有效直接监测手段,常采用钻孔探测、理论分析及数值模拟等计算导水裂隙带高度间接评判隔水层导通性。随着光纤传感技术的发展,将光纤布拉格光栅(FBG)、分布式光纤(BOTDA)等技术用于采动覆岩隔水关键层稳定性监测,为光纤传感技术在相似模型试验中的推广提供依据。研究表明:浅埋煤层当基岩厚度仅为60～67 m时,开采厚度为2 m的煤层时导水裂隙带将直接发育至地表,势必造成基岩含水层水体破坏,结构关键层裂隙被其上软弱岩层充填弥合具有一定隔水性,两侧断裂线及其附近发育的纵向裂隙成为主要渗流通道;分布式光纤检测应变因岩层断裂位臵应力集中而呈现"双峰"特征,峰值位臵与断裂线基本对应,可通过传感光纤预测采动覆岩破断线位臵分布;给出基于光纤传感检测的隔水关键层破断极限应变阈值为2 000με;光纤光栅可对特定位臵岩体变形进行精准监测,检测隔水关键层破断失稳位臵与实际观测及分布式光纤检测结果基本一致。     

松散承压含水层特征对其载荷传递特性的影响研究

以松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治问题为工程背景,基于含水层载荷传递机理设计了专门的模拟实验装置,就松散承压含水层赋存特征对其载荷传递特性及关键层复合破断的影响进行了研究。结果表明:松散承压含水层骨架颗粒粒径越大,组分越单一,含水层的流动补给性能越好,作用在基岩顶部的载荷较大,覆岩越易发生复合破断,易导致压架突水事故;骨架颗粒粒径越小,粒度组分复杂,含水层流动补给性能越差,作用在基岩顶界面的载荷易随采动降低,含水层载荷传递系数小,覆岩关键层自下而上逐层破断,不易导致压架突水事故。研究形成了含水层载荷传递系数的确定方法,在祁东煤矿的开采条件下,洪冲积扇区域含水层的载荷传递系数应为0.83~0.94,漫滩沉积区域可取0.69~0.71。     

尖点突变理论在顶板突水规律研究中的应用

以大佛寺煤矿工程为背景,运用关键层理论与尖点突变理论分析了采场顶板透水的发生机理,认为基岩关键层突发性破断失稳是顶板突水的诱因。通过建立基岩关键层破断力学模型,得到了表征断裂过程的势函数,定性解释了顶板突水机理,定量得到了基岩关键层极限跨距及顶板突水的充分必要条件。最后与固体相似模拟实验结果对比分析,说明应用突变理论分析顶板突水机理是可行的。     

基载比对薄基岩厚表土煤层工作面矿压的影响

为研究薄基岩厚表土煤层工作面矿压显现规律,以李家豪煤矿为背景,对工作面基本顶结构进行了稳定性分析,并运用数值模拟软件UDEC对工作面在不同基载比条件下的矿压显现规律进行分析,结合工作面现场实测数据,分别提出依据岩块块度i和基载比判断工作面基本顶结构的稳定性。分析认为,基本顶初次破断后岩块的三铰拱结构及触矸后的单斜结构在煤壁处发生滑落失稳区域的块度范围为0.40≤i≤1.57;基载比小于0.9时,覆岩在初次来压与周期来压时易发生滑落失稳现象;薄基岩厚表土煤层关键层出现滑动失稳破坏,工作面来压时对于煤壁前方的应力影响区域不大;薄基岩厚表土煤层工作面来压时主要特征为顶板沿煤壁切落,形成台阶下沉,工作面支架动载明显。     

薄基岩综放采场直接顶结构力学模型分析

为深入研究薄基岩综放采场矿压显现规律,以山西潞安矿业集团司马煤矿薄基岩区厚煤层开采为研究背景,采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法对薄基岩综放采场直接顶结构特征进行了研究,建立了薄基岩综放采场直接顶结构力学模型,分析了直接顶“半拱”式平衡结构的形成机理和破断规律。结果表明：根据司马矿薄基岩区直接顶厚度和岩层性质不同,将直接顶划分为Ⅰ型和Ⅱ型两种类型;采高6.5 m,直接顶厚度大于15 m时,容易形成“半拱”式平衡结构,采场矿压呈现出来压步距短、静压大、动压小、动载系数小等特征,“半拱”结构有规律的破断失稳是薄基岩综放工作面矿压显现的根源,该结论解释了司马煤矿薄基岩综放采场的矿压显现规律。     

边缘牙齿形碟盘破碎煤岩的力学机理及其模型

为提高煤岩的破碎效率与破碎能力,介绍一种具有楔劈特征的边缘牙齿形碟盘轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法。采用抗压、抗剪等不同阶段主导作用相结合的力学方法,分析牙齿宽度对煤岩在挤压、压裂和破碎各阶段,以及由碟盘楔面倾角楔劈作用下大块煤岩崩落各过程的力学关系;运用复合作用效应的叠加原理,建立了各工况下破碎煤岩的力学模型,揭示边缘牙齿碟盘破碎煤岩的力学机理。研究表明:在煤岩由初期压馈小岩坑的形成、裂纹的产生、贯通直至由碟盘楔面楔劈作用下大块煤岩崩落过程力学描述的基础上,得到了碟盘径向与轴向载荷与碟盘结构参数,以及煤岩破碎相关联参数的数学模型;得出复合轴向向上运动方式有利于破碎煤岩依据;碟盘刀具径向与轴向载荷均随切削厚度的增加而增加,单切削作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差11%和4%,复合作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差3%和18%,验证了理论计算与数值模拟其载荷随破碎煤岩厚度等参数的变化规律具有一致性。该研究为高效率、高破碎能力的破碎机构研制提供了理论参考。     

联井型巷道布置的三维数值模拟及掘进顺序优化

巷道掘进顺序是影响围岩稳定性的关键因素,运用有限元分析软件建立3个水平的局部巷道分布模型,上两水平巷道已掘进完毕,通过对第3水平采准巷道掘进及其不同掘进顺序下的围岩力学特性分析,为采准巷道的合理掘进提供参考,以便尽量减少因巷道掘进对围岩造成的不利影响。模拟结果表明,掘进顺序不同,交叉点的围岩应力分布情况及安全系数有明显的差别,间隔双条进路同时掘进对围岩扰动的影响最小。     

深部岩巷非对称性变形原因与补强支护技术

针对深部岩巷掘进支护后表现出的非对称变形破坏的现象,采用力学理论分析结合计算机数值模拟的方法对其变形破坏的原因及支护控制进行研究分析。结果表明,巷道周边围岩一侧肩角及对应的底角出现不同程度的应力集中,且这些应力集中点围岩发生塑性变形,是产生非对称变形破坏的关键部位;周边工作面回采后,侧向支承应力拱垂直于覆岩形成应力扰动,造成巷道非对称受力,与模拟结果相同。基于上述研究,提出了"关键变形部位补偿加强支护"的控制对策。工程应用结果表明,采用非对称加强支护形式,可以有效控制巷道非对称变形,巷道围岩稳定性大大提高。     

高跨比对层状顶板稳定性的影响

根据梁的受力理论,对层状顶板的破坏进行了力学分析。通过层状顶板破断的演化过程来研究其破断机理,探讨了层状顶板的应力分布状态。运用东北大学岩石破裂与失稳研究中心的岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)对高跨比对复合层状顶板稳定性的影响进行了数值模拟计算,得出了不同高垮比对巷道稳定性的影响情况。     

基于物理钻探取芯技术的煤岩力学强度检测研究

在山西某煤矿地下钻探了天然煤岩并进行了取芯。为了探讨煤层厚度对岩—煤—岩体(RCR)力学行为和破坏特性的影响，首先进行了单轴压缩试验研究和数值模拟，深入分析了不同煤层厚度RCR试样在常规压缩试验中的破坏力学行为。数值模拟结果表明，RCR试样的变形和强度行为不仅取决于煤的厚度，而且还取决于围压。在低围压条件下，RCR试件的整体破坏机制是煤层厚度小于30 mm时的严重破坏，而煤层厚度大于30 mm时则是剪切破坏。而在高围压条件下，当煤层厚度大于30 mm时，煤块和岩块均存在明显的剪切带；当煤层厚度小于30 mm时，破坏机制是煤块的严重破坏和岩块的剪切破坏。     

露天转地下开采诱发高边坡滑移机制研究

露天转地下开采过程中边坡稳定问题是矿山安全生产的关键技术和核心难题之一。以工程实例为基础,应用离散元数值模拟,选取合适的力学参数,运用3DEC、Matlab等软件系统,分析了地下开采对高大边坡稳定性的影响机制、滑移特点和后续变形发展趋势。研究结果表明：受露天与地下开采两者的复合采动作用的影响,滑移变形产生了叠加作用,地表的下沉曲线形成多个大小不同的下沉盆地,导致不同区域边坡岩体变形破坏程度也不同。根据数值模拟结果可知：地下采区的不同开采阶段诱发的移动角大小不同,开采厚度不同,上覆岩体的破坏程度也不同。所以,露天转地下开采中,边坡稳定性主要受到采空区处理方式和开采厚度等多重因素的影响;在边坡稳定性评价时,需要结合具体开采情况进行分析和评价。     

河流下浅埋深薄基岩煤层部分开采可行性分析

控制覆岩破坏高度是实现水体下安全开采的关键。针对“浅埋深、薄基岩、坚硬顶板”河流下压覆煤炭资源的问题，采用数值模拟的方法，计算了巷柱式和房柱式等部分开采的覆岩破坏高度，并从防水煤岩柱留设、岩梁极限跨度以及煤柱稳定性3个方面论述河流下部分开采的可行性。研究结果表明，部分开采能够很好地控制覆岩破坏高度，煤岩柱厚度基本满足留设防水安全煤岩柱要求；由于上覆基岩柱中存在厚度大于10 m的粗砂岩，在跨度小于8.53 m的情况下可以支撑上覆岩层；设计煤柱安全系数为1.28～1.81，均满足要求。采用采6 m、留6 m的巷柱（窄条带）式开采是最佳方案，面积采出率为50%，按总采出率45%计算，可解放河流压覆区域约52万t煤炭。