采空区地表新增荷载后地基应力的分布规律研究

在采空区地表修建建筑,由于采空区覆岩已经遭到破坏,在新增荷载的作用下可能引起覆岩的进一步破坏,从而危及建筑物的安全。采用了相似材料模拟试验和数值模拟方法对采空区地表新增荷载后地基应力的分布规律进行了系统研究,得到了采空区地表新增荷载与采空区上方覆岩的相互影响关系。研究结果表明:开采前岩体应力基本随深度增加线性增大,开采后岩体内应力发生了重分布,地表新增荷载后的地基附加应力分布随深度增加逐渐减小;通过以地表新增荷载在地基中产生的附加应力相当于开采前地基中原岩应力的10%位置来确定地表荷载的影响深度,研究得到了开采前后不同大小地表荷载的影响深度,为采空区地表建筑利用提供了理论依据。     

近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构演化特征及其稳定性研究

针对近距离强冲击倾向性煤层上行复采覆岩结构演化特征与稳定性问题,以宽沟煤矿B4-1强冲击倾向性煤层复采为背景,建立强冲击倾向性煤层上部倒梯形覆岩结构与冲击发生临界位置的关键层结构力学模型,提出煤柱最小安全距离的分析方法。采用物理材料相似模拟与数值模拟相结合的方法,运用压力传感器与SOS微震监测系统,对覆岩结构演化、矿压显现以及震源分布特征展开分析,利用覆岩结构的稳定性分析对冲击危险性进行评估。结果表明:B4-1强冲击倾向性煤层上行复采过程中,上部覆岩呈现以关键层为分界的"双倒梯形体"结构与关键层上部岩层集中垮断后的"单倒梯形体"结构动态式演变过程;余煤尺寸较小时上部倒梯形覆岩结构震源集中、能量大,采空区活化区域震源分散、能量小。提出了余煤复采中倒梯形覆岩结构稳定性分析的冲击地压危险性指数I_m、冲击临界位置关键层受力分析的冲击地压危险性指数I_n,定量化分析冲击危险性指数变化趋势,将B4-1煤层复采划分为覆岩相对稳定区、周期性明显破坏区、冲击危险区域3部分。数值模拟分析底板应力验证了双峰值应力叠加效应的准确性。采用三种方法综合分析得到了为确保近距离强冲击倾向性B4-1煤层上行开采的煤柱剩余尺寸为39.2m。研究结果为近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构稳定性研究提供了科学指导。     

隧道开挖对上覆煤层采空区地层的扰动分析

隧道近接上覆采空区地层施工易扩大上覆围岩松动范围,增大松动荷载,为探明隧道开挖对上覆采空区地层的扰动规律,采用离散元颗粒流软件从细观角度分析了隧道开挖过程中上覆采空区地层应力变化特性,分析了采空区与隧道间距、采空区厚度及倾角对围岩应力的影响。结果表明:上覆采空区地层隧道开挖后围岩颗粒接触力链断开区域分布在隧道上方,开挖后洞周位移越大,颗粒接触力链断开区域也越大;间距越小,开采煤层越厚,颗粒接触力链断开区域越大;煤层倾角影响了松动区域位置。     

地下开采上覆巨厚岩层断裂机制研究

 以巨厚岩浆岩下采矿工程为背景,运用弹性基础厚板理论研究巨厚岩浆岩下煤层不同开采阶段对上覆岩层的影响以及岩浆岩变形规律与破坏模式。研究结果表明：随着工作面的推进,覆岩逐渐垮落,岩浆岩下方开始出现离层;当作面推进到一定长度时,巨厚岩浆岩层的上表面的边缘中点处应力达到岩体抗拉强度而破裂;随着工作面推进长度的加大,中面长边中心点由于剪应力达到岩体的抗剪切强度而发生剪破坏,随后岩层的上表面的中点处应力达到岩体强度产生拉破裂,并向四周扩展,最后中面短边中心点由于剪切作用发生破坏。当工作面宽度加大时,开始出现破裂的工作面推进长度减小。     

采动覆岩渐进破坏的连续–离散耦合模拟研究EI北大核心CSCD

采动覆岩破裂演化数值结果准确性的关键在于建立岩体渐进破坏本构与连续–离散模拟方法。构建偏应力、球应力为基本变量的屈服函数、塑性势函数,结合广义胡克定律得到完整岩块的弹塑性本构;引入弹塑性损伤理论,以平方拉剪应力准则为初始损伤判据,结合Benzeggagh-Kenane断裂准则,得到拉剪混合型断裂本构;构建离散块体挤压本构,基于直剪实验数据修正Sargin粗糙结构面剪切摩擦本构。编制反映岩石渐进破坏的连续–离散耦合模拟计算程序,在验证本构模型的基础上,根据同煤工程地质条件建立数值计算模型。结果表明:(1)岩石渐进破坏本构方程及相应的连续–离散耦合模拟方法,可数值实现岩石从连续体到离散体的转变过程;(2)多煤层重复开采扰动下,石炭系煤层覆岩裂隙分布复杂,其高度约为采高的21倍,远超经验公式所得结果;(3)模拟条件下,在侏罗系煤柱集中应力和采动应力耦合作用下,石炭系工作面超前支承压力峰值达到42 MPa,较无煤柱区域提高8~10 MPa,矿压显现强烈。上述成果在大同矿区得到初步应用,为进一步开展保水采煤、压裂卸压等提供理论支撑。     

覆岩厚度变化应力异常机制及冲击矿压诱发机理

顶板覆岩结构是影响煤矿冲击矿压发生的主要因素之一，在坚硬覆岩厚度变化区也容易诱发冲击矿压，这一现象在内蒙深部矿区逐渐凸显。基于弹性力学理论分析了覆岩厚度变化区煤层应力异常的力学机制，采用FLAC3D数值模拟方法研究了覆岩厚度变化对煤层应力分布特征和能量演化的影响规律，揭示了坚硬覆岩厚度变化区煤层开采诱发冲击矿压的机理。研究结果表明：坚硬覆岩较厚区的构造应力比较薄区大，覆岩厚度变化越大或覆岩性质差异越大，构造应力变化越大；工作面在覆岩厚度变化区开采时，受超前支承压力与突变的构造应力叠加影响，覆岩厚度变化区至较厚区应力集中程度较大，该区域积聚的弹性能主要向工作面前方巷道释放，冲击矿压危险更大。两例覆岩厚度变化区工程案例分析表明，在坚硬覆岩厚度变化区及变化区向较厚区过渡时微震事件分布较多，能量释放剧烈，巷道破坏明显，与理论分析较为吻合。     

沿空留巷采场围岩力学特征数值模拟研究

为揭示沿空留巷采场上覆围岩的力学特征,以谢桥煤矿12418工作面地质和开采技术条件为背景,采用数值模拟进行了计算和分析。研究表明:工作面上覆围岩存在应力壳(高应力束组成)和老顶岩层承载结构,共同承担、传递和转移上覆岩体的荷载,工作面位于两者保护的低应力区内。工作面围岩破坏场发育在高应力集中区下的卸压区内,而破坏造成的离层区域位移量最大。沿空留巷的刚性充填体导致其自身和覆岩处于高应力状态,形成完整未破坏区域,降低了采空区上方破坏区的高度和范围,使本工作面采空区上方破坏区不能与临近破坏区贯通,瓦斯得不到有效释放和卸压。在倾向方向,工作面中部垂直位移大于上部和下部,对充填体产生向巷道内的水平推力,充填体水平位移较大,不利于巷道围岩稳定性控制。因此,合理控制充填体的强度和刚度是沿空留巷开采取得最佳效果的关键。     

基于粘滑理论的断层冲击地压发生机理研究

冲击地压是目前我国煤矿开采发生的主要动力灾害之一,并常发生在断层、褶曲和煤层变化带等构造异常区域,给矿井造成严重的破坏后果。针对断层冲击地压频繁发生的情况,采用相似模拟和数值模拟的方法,对断层冲击地压发生过程及其应力场演化规律进行了研究;并基于"粘滑理论",从力学的角度对断层冲击地压发生机制进行了阐释。研究结果表明:工作面接近断层时,断层冲击地压的发生过程可分为"起始活化"—"剧烈活化—"冲击显现"三个阶段;开采活动引起了覆岩破坏,导致裂隙带向断层扩展,断层应力场受到扰动,从而诱发了断层冲击地压;采动影响使得断层带应力场呈现应力比先减小后增大的变化规律,当应力比达到极值时,断层错动失稳;开采扰动导致断层开始粘滑的临界剪应力值降低,使得断层剪应力更易达到该阈值,是断层冲击地压的根本原因。     

煤冲击破坏的微破裂演化特征及前兆识别

煤岩冲击倾向性是冲击地压发生的重要条件。针对冲击倾向性煤微破裂演化特征及前兆识别难题开展研究,利用MTS试验机开展单轴压缩试验,综合运用声发射和高速摄像机监测手段,研究冲击倾向性煤应力变化–弹性能耗散–动态冲击破坏特征,得到煤峰前微破裂事件的时空强发育规律,构建冲击危险度指标,定义冲击危险指数,并开展前兆识别,结果表明：(1)冲击倾向性煤样峰后存在阶梯状子破坏,子破坏的应力降幅值越大,且应力降速率越快,峰后冲击破坏越剧烈,煤样分区微破裂相互交汇造成整体的冲击破坏;(2)煤样内部存在多个破裂成核区域,区域内大尺寸裂纹(大能量事件)是由众多小裂纹(小能量事件)周期性累积集中孕育,峰前大能量事件集中区域与峰后冲击破坏位置基本吻合;(3)在煤塑性应力降附近和峰值应力降前,微破裂事件呈现出短时强烈局部化特征,对应的冲击危险指数均超过1,对煤即将发生的宏观破裂(应力降)具有预警作用,可作为有效前兆指标。研究成果可深入挖掘煤岩破裂前兆信息,为煤岩灾变及冲击地压的监测预警提供参考。     

CFRP加固钢筋混凝土梁裂缝基部剥离界面剪应力分析

CFRP的剥离是抗弯加固钢筋混凝土梁经常会出现一种早期破坏模式,这种破坏主要是由于裂缝基部附近的界面剪应力与正应力所造成.通过8根碳纤维板材抗弯加固钢筋混凝土梁的试验,主要研究裂缝基部纤维片材发生剥离时的界面剪应力.研究结果表明:在跨中等弯矩区,受拉区垂直裂缝的发生,导致裂缝基部的CFRP与混凝土间产生界面剪应力而剥离,其剪应力分布类似于钢筋与混凝土之间的锚固黏结应力分布,且最大剪应力位置逐步向远离裂缝转移的过程大致与CFRP剥离过程相一致,剪应力最大值与纤维层数、混凝土强度有关.     

Physical test of fracture development in the overburden strata above the goaf and diffusion process of permeable grout slurry

The massive mechanized and irrational coal mining has generated many goafs (i.e., mined-out areas) in China. To manage these goafs effectively, grouting technique has been commonly used to fill the fractures in the overburden strata. However, little is known about the development and distribution of fractures in the overburden strata above the goaf. The lab-scale simulation of fracture development, as well as the grouting process, can provide valuable information for managing a real goaf by the grouting technique. Based on the mechanical properties of rocks and soils in the goaf of Kangjiagou coal mine in Shanxi Province, an experimental system was designed to simulate the development of fractures in the overburden strata above the goaf and study the diffusion behaviors of the grout slurry under different conditions (such as grout volume, grouting pressure, porosity, and water-solid ratio). The physical model test showed that more fractures were found in the fractured and caved zones, with fracture porosity ranging from 15.05 to 40.79%. The grouting experiment showed that, when the water-solid ratio was smaller than 1.15 and the grouting pressure was lower than 0.3 MPa, the changes in diffusion radius were stable during the grouting process. To maintain the stable changes in diffusion radius and reach a high filling ratio, the grouting pressure should be controlled in the range of 0.2–0.4 MPa at the porosity of 24.8% and 0.5 MPa at the porosity of 35.1%. The findings derived from this study are widely applicable under real engineering contexts.

     

平缓反倾采动滑坡形成的地质力学模式研究——以贵州省马达岭滑坡为例

 马达岭滑坡是典型的采矿诱发型滑坡,自然斜坡为平缓反倾层状结构。以马达岭滑坡为原型,采用物理模拟方法,研究两层开采条件下采动斜坡的变形过程,并分析该类斜坡变形破坏的地质力学模式。研究表明：煤层开采后采空区边界上覆岩体产生应力集中,导致采动裂隙首先产生于该部位,以陡倾竖向倾倒式裂隙为主,裂隙向采空区中部扩展并逐渐形成离层裂隙和剪切裂隙;变形稳定后采空区上覆岩层弯曲,在地表形成沉陷区;受采空区上覆岩层沉陷的推挤作用,外侧坡体沿煤层向坡外滑移,导致坡体下部隆起。该类斜坡变形破坏的地质力学模式可以分为：弯曲–拉裂(“表生”改造阶段)、塑流–拉裂、蠕滑–拉裂3个阶段。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

Stress-dependent shear wave splitting and permeability in fractured porous rock

It is well known that shear wave propagates slower across than parallel to a fracture, and as a result, a travelling shear wave splits into two directions when it encounters a fracture. Shear wave splitting and permeability of porous rock core samples having single fracture were experimentally investigated using a high-pressure triaxial cell, which can measure seismic shear wave velocities in two directions mutually perpendicular to the sample axis in addition to the longitudinal compressive wave velocity. A single fracture was created in the samples using a modified Brazilian split test device, where the cylindrical sample edges were loaded on two diametrically opposite lines by sharp guillotines along the sample length. Based on tilt tests and fracture surface profilometry, the method of artificially induced tensile fracture in the sample was found to create repeatable fracture surfaces and morphologies. Seismic velocities of the fractured samples were determined under different levels of stress confinement and fracture shear displacement or mismatch. The effective confining stress was varied from 0.5 MPa to 55 MPa, while the fractures were mismatched by 0 mm, 0.45 mm and 1 mm. The degree of matching of the fracture surfaces in the core samples was evaluated using the joint matching coefficient (JMC). Shear wave splitting, as measured by the difference in the magnitudes of shear wave velocities parallel (V_S1) and perpendicular (V_S2) to the fracture, is found to be insensitive to the degree of mismatching of the fracture joint surfaces at 2 MPa, and decreased and approached zero as the effective stress was increased. Simple models for the stress- and JMC-dependent shear wave splitting and fractured rock permeability were developed based on the experimental observations. The effects of the joint wall compressive strength (JCS), JMC and stress on the stress dependency of joint aperture were discussed in terms of hydro-mechanical response. Finally, a useful relationship between fractured rock permeability and shear wave splitting was found after normalization by using JMC.     

大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理与支护技术

为解决大倾角煤层旋采巷道围岩变形控制难题,以潘北矿12124大倾角煤层回采巷道为工程背景,采用现场试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了旋采巷道破坏规律及上采空区支承压力对巷道的影响,分析得出大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理。结果表明:(1)旋采巷道拐点处断面较大,且受到上采空区及超前支承压力影响,巷道应力值增大,支护体压缩破坏失稳;(2)旋采至拐点前10 m处采空区煤柱应力与采动应力贯通,同时大倾角下巷道受到上覆岩层剪切应力影响,巷道变形增大。通过分析及工程实践,提出并实施了巷道卧底扩刷、锚网索联合支护方式,有效控制巷道变形,取得较好的社会效益。     

下向分层胶结充填采场失稳机理及顶板垮塌模式研究

以某矿下向分层胶结充填法采场发生大面积失稳事故为工程背景,通过分析地表及井下工程破坏情况得出采场顶板发生了“下部充填体散体冒落+上部充填体及覆岩整体陷落”的复合垮塌模式,并进行了理论计算验证。数值模拟研究结果表明,随着采场中采空进路数量的增加,各间柱上的垂向压力不断叠加,若有一个间柱因承压达到极限而失稳,压力便向周边间柱转移导致其他间柱失稳,进而引发“多米诺效应”式的间柱连锁失稳现象,空区顶板在拉应力作用下发生散块冒落,空区边缘部位在集中剪应力作用下发生整体剪切滑落,最终发生直通地表的大规模垮塌事件。结合矿山实际生产问题,提出了一系列采场失稳风险防控措施,可为类似矿山提供借鉴。     

扰动岩体裂隙网络分形性质分析

应用相似材料试验模型,研究扰动岩体裂隙网络的演化特征和规律,借助分形几何方法计算分析了扰动岩体裂隙网络的分形维数和分形演化特征,展望了研究覆岩力学性质与裂隙网络演化的依赖关系,对评价采动覆岩变形过程、力学行为和渗流性质具有重要意义.     

浅埋房式采空区下长壁采场动载矿压发生机制

为了揭示浅埋房式采空区对下位煤层开采矿压显现的控制机制,降低工作面过房式采空区的动压显现强度和压架风险,以神东矿区霍洛湾煤矿2-2煤层房式采空区下3-1煤层长壁开采工作面动压特征为研究对象,将3-1煤层覆岩结构分为四类,利用理论分析和相似材料模拟等方法,系统研究了不同覆岩结构类型运动特征、力学模型及对3-1煤层长壁工作面的动压控制机制。结果表明:房式采空区稳定房柱下易形成上下位关键层双悬臂梁结构,双悬臂梁结构协同失稳是形成动载矿压的主要原因;房柱失稳区主关键层形成的不稳定砌体梁结构及靠近大煤柱未失稳的房柱随下位煤层开采滑落失稳是导致长壁工作面动载矿压发生的原因;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱失稳区时,工作面推出集中煤柱时的动载矿压是由于大煤柱两侧关键块已提前滑落失稳,两关键块间无作用力,倒梯形岩柱与亚关键层联合失稳作用结果;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱稳定区时,工作面推出集中煤柱时,动载矿压是由房柱失稳所致。