综放工作面上覆岩层变形破坏时空演化特征试验研究

采用相似模拟实验方法进行采空区工作面顶板垮落过程中上覆岩层变形破坏试验研究。以CCD相机构建实验图像数据采集系统,采用数字散斑相关方法对上覆岩层位移场和垮落角进行了分析,研究了上覆岩层垮落区域裂隙演化、位移演化及偏态特征。研究结果表明:工作面顶板垮落过程中上覆岩层垮落角角度随垮落区域形状不断变化,垮落高度逐渐减小直至平稳,垮落面积逐渐增大直至平稳;在竖直方向上,上覆岩层垮落带呈宽缓的W型沉降、裂隙带和弯曲下沉带呈V型沉降;在水平方向上,下部上覆岩层向两侧移动、上部岩层向中间移动,造成各岩层间发生摩擦滑动,并对两侧未开挖区域及煤柱产生弯矩作用;工作面顶板跨落后形成偏态,开切眼侧垮落角大于开采侧垮落角,并在开采侧形成岩移角,开切眼侧的下沉曲线较陡、工作面侧下沉曲线较缓。根据实际工程背景,计算了地表塌陷影响范围,为煤矿开采对上覆岩层影响范围和程度以及后续采空区治理等问题评估提供了必要依据。     

基于板模型的采场顶板破断机理分析

煤炭开采导致采场上覆岩层形成特定的空间结构,在传统矿压理论中,人们提出了悬臂梁,铰接岩梁,预成裂隙梁以及砌体梁模型等来研究采场顶板的破坏规律和矿压显现问题.但用梁模型来研究采场顶板问题具有相当的近似性.本文将采场坚硬顶板视为弹性薄板,并考虑采场初次来压和周期来压时特定的边界条件,利用位移变分法从理论上分析了项板的内力分布规律和破断机理,给出了确定硕板初次和周期垮落步距的理论计算式.     

煤巷围岩变形破坏机制模型试验研究及工程应用

为研究煤巷围岩变形破坏机制,将汾西矿区煤巷作为原型进行物理相似模型试验研究。阐述了试验设计,改进了平面模型实验台,通过配比试验确定了煤岩层的相似材料,建立煤巷物理相似模型,研究煤巷在无支护状态下围岩应力分布规律、位移和变形破坏特征,分析煤巷变形破坏机制以论证煤巷强帮强角支护技术,并进行了工程实践应用。研究结果表明:煤巷破坏源于帮部和角部,帮部、角部与顶板相互加剧破坏,导致煤巷失稳。相对位移是反映围岩破坏程度的关键指标,帮部相对位移远大于顶板。煤巷帮部破坏最严重,属于局部垮落破坏,垮落深高比为0.29;顶板破坏属于整体下沉破坏,在角部2条主裂纹作用下有冒落趋势;角部属于裂纹破坏形式,贯通后会跟随帮部或顶板垮落。可见,控制煤巷帮部和角部变形破坏,提高其支护强度,是保证煤巷围岩稳定性的关键,论证了煤巷强帮强角支护技术。工程监测表明,强帮强角支护技术具有良好的适用性。     

长壁工作面充填开采的充填比与充填效应分析

为研究充填开采对回采工作面矿山压力显现和顶板裂隙发育高度的影响,从现场开采实践出发,建立长壁开采工作面充填开采的关键层力学模型,通过理论分析得到了确保关键层弯曲下沉的最小充填厚度.随后通过RFPA数值模拟系统对比了分析煤层实施充填开采和完全垮落法开采时的上覆岩层活动规律,分析认为工作面充填开采使工作面矿山压力显现明显减弱,顶板裂隙带高度明显降低;在有断层情况下,采动裂隙也沿断层带发育,顶板裂隙发育高度比完全垮落法时变化不大.     

三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析

通过大南湖一矿三软煤层工程地质条件及煤岩物理力学参数的综合分析与测定,开展了对应条件下的物理相似模拟,分析了综放工作面围岩运移及覆岩破坏高度,探索了现场支架实测阻力与覆岩裂隙导水位置、导水量间的关系。综合分析表明:1303综放工作面顶板垮落带高度为20 m,模型表面裂隙延伸高度观测结果与3D钻孔电视合成的钻孔内壁破裂剖面揭示出的裂隙延伸高度均为98 m,与经验公式计算基本一致。工作面超前影响范围随开采范围而增大,最终趋于稳定。1303综放面工作面划分为两个较为明显的压力集中区,工作面裂隙导水量、导水位置与压力集中区中支架压力变化相关,覆岩裂隙导水显现的位置处在工作面中下部顶板压力集中显现区(2区)的位置几率较大。建议1303工作面提前疏放上覆含水层以及老窑积水的同时,加强对两个压力集中区(1区和2区)的监测,尤其是2区,密切关注架后顶板垮落情况与工作面淋水量变化,及时的给出来压预警与导水位置及导水量预测。     

浅埋煤层地下水库流固耦合模型特征参数试验研究

煤层采动引起的岩体运移、裂隙演化与渗流特性对煤矿地下水库的设计建造具有重要影响,为获取地下水库围岩体物理特征参数,开展相似材料流固耦合模型试验研究,结合典型浅埋煤层水文地质及开采条件,建立了立体相似材料流固耦合模型。通过监测煤层开挖过程中顶板下沉量、煤柱应力、含水层渗压等特征参数的变化,研究了煤层采动过程中破断岩体运移、裂隙演化规律及扰动岩层渗流特性变化规律。试验结果表明:煤层开挖后,煤柱上覆岩层形成倒台阶结构,煤柱应力先增大后减小。顶板岩层先后经历"弯曲下沉—裂隙发育—破断垮落"的动态演化过程,岩层裂隙发育程度决定了形成的导水裂隙带数量,可用岩层渗压下降速率表征岩层裂隙发育程度。岩层大面积垮冒滞后于导水裂隙带形成,含水层渗压突变先于岩层突降下沉发生,可将含水层渗压突降作为顶板来压垮冒的预兆之一。     

煤层间距对采空区下顶板运动规律影响特征分析

为了尽可能地避免上、下采空区的贯通,采用了数值模拟的方法,针对不同煤层间距下,随着采空区下工作面的不断推进,研究上覆岩层的离层空间、动压显现特征以及"三带"裂隙高度。模拟结果表明,随着煤层间距不断增加,在工作面上方顶板岩层中的拉伸破坏单元逐渐的增多,加剧了采空区下坚硬顶板的垮落和断裂,同样减小了顶板的断裂步距。     

大采高工作面顶板结构分析与支架工作阻力确定

为掌握大采高工作面顶板破坏结构及矿压显现规律,计算分析了不同采高下顶板垮落规律并采用动载荷法确定支架的合理工作阻力。研究结果表明:大采高工作面基本顶悬顶面积增大,矿压显现明显;采高小且直接顶厚时,下位直接顶垮落后可充满采空区,上位直接顶破断并充当承载层,初次来压和周期来压时工作面矿压显现不明显;对比不同采高围岩塑性区分布规律,采高小,下位直接顶垮落充满采空区,上位直接顶不能承载上覆岩层质量弯曲下沉,在拉应力作用下屈服;采高增大至直接顶全部垮落充满采空区对基本顶形成支撑,基本顶形成承载结构,围岩破坏面较少;大采高开采时,基本顶悬顶面积增大造成工作面煤壁前方支承压力增大,直接顶破坏面较多;垮落带和裂隙带高度随采高增大几乎呈线性增长。根据对工作面支架工作阻力进行计算确定ZY15000/33/72D型液压支架符合现场工作面实际生产需求。     

破碎顶板切顶留巷采空区顶板垮落特征试验研究

垮落带内含有的坚硬厚砂岩冒落性差,易在沿空留巷实体煤帮的支撑下形成三角板结构,随着上覆岩层的断裂和应力传递,造成沿空巷道采动压力影响剧烈。基于禾草沟二号煤矿1105工作面厚砂岩顶板设计10种不同间距切顶钻孔试验方案进行现场试验,并在相应区域对沿空侧采空区岩层垮落特征进行监测。试验表明,在未爆破区域和爆破区域,采空区顶板岩石垮落时间随炮孔间距的增大而增大,爆破区域沿空侧采空区垮落矸石充填满巷帮时间为非爆破区域的0.4倍,沿空巷道稳定速度更快。在未爆破区域和爆破区域中,沿空侧巷帮垮落矸石块度随切顶钻孔间距的增大而增大,未爆破区域垮落矸石块度最大为1.33 m,爆破区域垮落矸石块度最大仅为0.36 m。在设计方案中,巷道顶板压力与巷道顶底板位移均随切顶钻孔间距的增大而增大,相同间距钻孔,爆破区域巷道顶板压力与巷道顶底板位移均明显小于非爆破区域。根据试验结果,在设计方案中,钻孔间距400 mm、间隔爆破时,切顶效果较好,沿空侧采空区顶板冒落性好、接顶速度快、沿空巷道动压显现较弱。     

煤矿水力压裂装备研发及应用

为了有效弱化煤矿难冒落坚硬顶板,基于水力压裂原理,研发了煤矿坚硬顶板水力压裂装备,该装备主要包括高压水泵、切槽钻头以及其他辅助装置。对水力压裂装备进行了工业性试验,试验结果表明:水力压裂形成的裂缝主要受水压、地应力场、岩层物理力学特征及钻孔方位的影响,水力压裂可以在岩层中形成有效裂隙,使岩层裂隙带贯通,从而降低了顶板强度,使顶板分次垮落,有效减小了顶板对支架的冲击作用。     

富水厚砾石层斜井围岩破坏机理试验研究(Ⅱ)

以新疆伊犁一矿为工程背景,设计了物理模型试验内容,建立了富水厚砾石层斜井围岩破坏机理模型试验方法。实现了加载作用下富水裸巷围岩破坏过程的试验模拟,并结合模型试验结果对围岩破坏过程中围岩压力、位移和孔隙水压力变化规律进行了分析。研究结果表明,在富水砾石层斜井开挖过程中,井筒围岩塌方破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;井筒开挖过程中,围岩应力总体呈下降趋势变化,围岩破坏过程中,拱顶和两帮垂直、水平应力均呈减小趋势变化,但底板和底角水平应力呈增加趋势变化;拱顶围岩位移变化量大于侧帮位移量,底板位移量最小;孔隙水压最大时,拱顶发生冒落,渗水是导致井筒围岩最终破坏的主要因素。     

深孔预裂爆破装药量计算方法及水耦合装药结构优化

岩体内爆破裂隙的发育程度与装药参数密切相关。针对现有装药量计算方法在深孔预裂爆破应用中适用性差的问题,通过建立柱状装药简化计算模型,基于体积法计算原则,提出了一种深孔预裂爆破装药量计算方法,并分析了水压爆破作用机理,对深孔预裂水耦合爆破装药结构进行优化,解决了深孔封堵劳动量大、含水地层封堵困难、炸药拒爆等不易处理的难题。采用上述研究成果,在新驿煤矿硬岩巷道开展了综掘硬岩深孔预裂爆破现场试验,借助钻孔成像仪及声波测试仪进行爆破效果检测。结果表明:爆破后孔内岩石大量裂隙增加,岩石完整性下降,封堵段岩石完整性系数下降至0.3～0.5,装药段下降至0.1,综掘机推进过程中爆破区域推进速度增加,验证了装药量计算方法及装药结构的优越性。     

鹿鸣钼矿西-Ⅰ区边坡稳定性相似材料模拟

为了保证露天矿安全生产,需要对边坡稳定性进行分析和优化。在对鹿鸣钼矿前期的地质资料和岩石力学参数进行研究的基础上,针对矿区的弱结构面区域2-2剖面,以几何相似常数300为比例搭建实验室模型,布置位移监测点及应力监测点,模拟实际边坡开挖过程,采集相关数据分析边坡稳定性。通过模拟分析得到2-2剖面240m平台和270 m平台存在失稳的可能性。在露天边坡开挖工作中,台阶边坡容易发生变形破坏,弱结构面与断层有交叉和台阶边坡位于弱结构面区域更易发生变形破坏。研究结果为鹿鸣钼矿的安全生产提供了一定的理论依据。     

复合顶板大断面煤巷围岩稳定性试验研究

为探讨复合顶板大断面煤巷围岩渐进性破坏机理,以晋城煤业集团赵庄煤矿为工程背景,采用石膏单元板等相似材料,进行了煤巷开挖掘进、锚杆与锚索一体化支护相似模型试验研究。研究结果表明：分级加载条件下,以泥岩和砂质泥岩为主的复合顶板大断面巷道围岩底臌严重,围岩两帮移近量相对较小,顶板整体下沉较大;围岩底臌属挤压隆起型,两帮属脆性压裂破坏,顶板破坏呈现出离层破坏特征;顶、底角处的围岩受到水平应力为主的双向应力,其破坏均为剪切型挤压破坏。     

煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响

为探索煤炭地下气化过程中煤层温度场扩展对顶板应力的热影响,利用相似材料制作大尺度顶板模拟内蒙古乌兰察布褐煤层顶板泥质软岩,对煤层温度场动态扩展条件下,顶板应力场扩展过程及顶板稳定性进行实验研究。结果表明,在模型实验中,顶板热应力的最大值可达1.5 MPa。在氧化区培育阶段和气化阶段,煤层温度场沿通道轴向平均扩展速率分别为0.018,0.028 9 m/h,顶板热应力场沿通道轴向扩展速率分别为0.015和0.027 m/h。氧化区培育阶段煤层温度场扩展主方向与裂隙方向一致,煤层温度场动态扩展与顶板热弥散的双重作用使顶板应力场的扩展速率逐渐趋近于煤层温度场扩展速率。同时,泥岩顶板受高温影响在垂直气化通道方向形成稳定的拱形结构,可维持顶板在垂直气化通道方向的区域稳定。     

顺层岩质边坡开挖致滑的滑动力监测

在本钢南芬露天铁矿选取典型的顺层岩质边坡进行现场开挖试验,并采用滑动力远程监测预警系统进行原位实时监测。试验结果表明：顺层岩质边坡在地面开挖扰动影响下多发生局部浅层牵引式破坏,滑动变形区贯穿整个坡面（垂直高度约12 m）。破坏过程中,伴随着裂缝的产生、扩展、贯通和失稳,滑动力监测曲线均发出超前预警信息,可以有效地避免滑坡灾害引发的重大安全事故。     

倾斜层状围岩变形规律的相似模拟研究

为研究倾斜层状围岩薄矿体在开采过程中上覆岩层的变形破坏规律,以永昌铅锌矿矿体为物理试验模型,通过相似模拟材料试验建立二维地质模型,对在倾斜层状围岩条件下,薄矿体地下开挖后覆岩的变形破坏特征、力学特性和破坏过程进行研究。结果表明,顶板受第一次与第二次开挖影响最大,随着不断地开挖,沿着开挖方向的矿壁不断地变为间隔矿柱,每两次矿体开挖之间水平位移的方向均会发生一次反转;位于矿柱上方的围岩沉降值较小;覆岩水平变形与下沉的方向均指向采空区中心偏下区域;层状岩体易引起弯曲折断破坏;采场覆岩相对下沉增量和水平相对位移增量单调递减。     

基于“表-深”联合监测方法的露天煤矿边坡破坏模式研究

为了确定魏家峁露天矿西南帮边坡滑移的破坏模式及滑移演化机理，提出滑坡治理和灾害防治方案，通过现场查勘、滑移体地质勘察、边坡深部位移与边坡表面位移联合监测以及数值模拟等措施，确定了边坡的滑移面位置、揭示了边坡岩体破坏演化机理和边坡破坏模式，查明了此次滑坡的主要原因。结果表明：边坡潜在滑移面在孔口下27～32m处|边坡位移呈现出“急剧增长-缓慢平衡-再次调整”的“L” 型变化过程，现阶段边坡处于平衡调整的临滑状态|边坡滑移呈现出“开挖卸荷—剪切破坏”力学机理，边坡的宏观破坏模式为剪切型破坏|软弱夹层受到水润侵蚀，剥离推进后，岩体应力释放，成为此次边坡滑移的主要原因。     

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

破碎围岩条件下大断面巷道动力失稳分析

破碎围岩条件下大断面巷道开挖必然形成大范围采空区,该区域内围岩介质的变形失稳行为很复杂,这为工程失稳及灾害防治带来挑战。羊场湾煤矿位于西部强震区域,岩体节理与裂隙非常发育,主采的2#煤层顶底板岩层松软破碎,开挖断面最大达20.4 m2,多次发生冒落失稳现象。文章首先进行了现场工程动力失稳分析,结合松动圈测试技术和数值模拟试验,系统地分析了松软破碎围岩局部化变形与演化失稳特征和规律;最终确定了巷道的支护形式与参数,确保了巷道安全与稳定,这对破碎围岩条件下煤矿安全开采具有重要意义。