综放采场覆岩冒落与围岩支承压力动态分布规律的数值模拟

在岩层控制的关键层理论基础上，运用RFPA2000软件，模拟了综放采动覆岩的冒落过程，得到了采动覆岩的破断垮落规律和围岩支承压力的动态分布规律，进而得到了综放采空区的支承压力分布情况。采空区的破碎冒落覆岩可划分为3个区，即自然堆积区、结构支撑区和压实稳定区，这对老塘破碎岩体压实状态描述及渗流特性分析具有重要的参考价值。     

初始节理对岩体内部沉陷范围的影响研究与实验验证

采动覆岩断裂直接影响在表沉陷规律,岩体中初始节理的存在使采动覆岩断裂更加复杂,从而导致岩体内部沉陷范围更难确定,首次对岩体中初始节理以采动覆岩断裂扩散规律,采动覆岩断裂范围,采动覆岩断裂分布、岩体内部沉隆范围的影响进行系统研究,提出初始节理对采动覆岩断裂的影响作用,建立了初始节理端部附近的最大切向应力计算表达式和初始节理开裂的力学条件,为岩体内部沉陷范围的确定提供了理论依据,构造了4台含有不同分布初始节理的相似材料模型,进行开挖实验,验证结果与实际吻合。     

覆岩离层变形力学模型及应用

针对采动覆岩非同步弯曲而产生离层的特征及覆岩离层注浆减缓地表沉降新技术实施的急需,根据弹性力学理论,将离层岩层假设为岩板,研究其变形特性,真实地反映了离层岩板在水应平力和自重应力作用下变形的本质,并建立了岩板挠度的力学模型,其力学模型可推广应用于离层注浆条件下的离层岩板的挠度计算,为离层注浆新技术的应用提供可靠的理论基础。     

关键层运动对邻近层瓦斯涌出影响的研究

煤矿覆岩中的关键层控制着上覆岩层的移动和采动裂隙的动态发展过程,进而也必将影响到邻近层瓦斯在采动破裂岩体内的动态涌出规律.利用阳泉矿区2种不同覆岩结构综放面的实测数据,对比研究关键层运动对邻近层瓦斯动态涌出的影响,研究结果表明：不同覆岩关键层结构条件下,邻近层瓦斯涌出的动态过程是不一致的,进一步证实了关键层运动对邻近层瓦斯动态涌出的控制作用.分析不同覆岩关键层结构条件下初采期邻近层瓦斯抽采技术方案的适应性,提出初采期邻近层瓦斯抽采方案的确定必须结合具体覆岩关键层结构特征,才能取得预期的抽采效果.     

采动影响下覆岩垮落过程的数值模拟

应用岩层破断过程分析SFPA2D系统 ,分析了采动影响下覆岩破坏的动态发展过程。数值模拟再现了上覆岩层离层、弯曲、沉降、开裂直至冒落的全过程 ,以及采动工作面推进过程中逐步演化的应力场和应变场。根据数值模拟的结果 ,初步探讨了覆岩破断机理 ,指出覆岩的破断特征受分步开挖引起的应力重新分布及其损伤积累以及岩梁的非均质性的影响。     

考虑煤体状态的采动岩体移动规律

在传统采动岩体理论分析中将煤体作为采动岩体的刚性边界,这与现场实际有较大的出入。针对该问题,将煤体视为与其上覆岩层一起协调变形的弹性承载体,对覆岩的初次破断和周期性破断进行了理论分析和数值模拟,结果表明:覆岩的移动规律不仅与其自身性质有关,而且与其下伏支撑体的地基系数密切相关。当下伏支撑体的地基系数小时,覆岩初次垮落步距更小,覆岩初次断裂位置位于岩梁中间,覆岩周期断裂的位置更趋于支撑边界深处,同时支撑体本身的破坏范围更大;反之,覆岩初次垮落步距更大,覆岩周期断裂的位置更靠近支撑边界,同时支撑体本身的破坏范围变小。因此,在煤层开采过程中,覆岩的移动规律不仅需要考虑自身的力学性质,还需考虑其下伏支撑体的状态。在考虑软弱煤层时,不仅应考虑软弱煤层的力学性质,还需综合考虑煤层的开采厚度。     

大采高开采覆岩台阶错动演化规律及突水防治

 在厚煤层大采高开采条件下,覆岩垮落带和裂隙带高度增大,岩层活动程度增强,将造成裂隙带岩层的台阶错动失稳,是开采中引发突水事故的重要条件,而裂隙带岩层的台阶错动失稳与其下位岩层的岩性结构和组合状况有关。因此,分析岩性结构对覆岩台阶错动失稳及突水防治的影响,并运用数值计算和现场实测分析的方法,研究厚煤层大采高条件下,煤层群开采煤层间不同岩性结构组合对上煤层完整性和连续性的影响规律。当煤层间岩性呈软硬岩层组合结构时,随着下位硬岩层或软岩层所占层间距比例的增大,上煤层产生的台阶错动量减小,软岩层结构比硬岩层结构更有利于减小上煤层台阶错动。给出判定台阶错动量的岩性结构构成条件,现场实测覆岩台阶错动及裂隙分布规律,提出突水防治的有效措施,保障工作面的安全生产。     

基于厚硬岩层运动状态的采场应力转移模型及其应用

针对采场应力转移和厚硬岩层运动之间关系的问题,通过理论分析、数值模拟和微震监测等手段,首先,提出考虑水平应力影响的半封闭厚硬岩层采场空间模型及其平衡条件;其次,研究连续开采条件下覆岩状态及其载荷转移规律;最后,探讨采场竖直方向上水平应力转移机制。主要研究内容和结论:受水平应力影响的半封闭采场空间模型内,工作面开采同时伴随着覆岩破裂运动和应力转移2个过程,厚硬岩层不同运动状态是形成复杂覆岩结构和应力演化的主要原因;依据工作面两侧不同采动环境,划分工作面为首采、单侧沿空、两侧非充分采动、一侧非充分采动一侧充分采动和两侧充分采动等5种类型,分别得到了相应的工作面静态垂直应力大小;考虑水平应力集中影响的采场上覆厚硬岩层结构,得到了采场厚硬岩层水平应力集中估算方法及其拉伸破坏力学表达式。模型应用于5301工作面的开采实践,现场微震监测结果佐证了研究的合理性,并指导了工作面冲击危险性预测和安全开采,成果对相似条件矿井灾害防控具有指导意义。     

基于微地震监测的覆岩多层空间结构倾向支承压力研究

 随着开采深度的不断增加,矿山动力灾害日趋严重,采场周围岩(煤)体变形失稳是顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压(岩爆)等矿山动力灾害发生的根本原因,而岩层运动范围扩展后深部采场的采动应力场分布规律研究是解决上述问题的理论基础。将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震监测结果,针对倾斜煤层,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,并建立覆岩空间结构下的采场倾向支承压力计算模型。利用力学方法,针对倾斜煤层研究倾向支承压力的动态分布规律和计算方法,得到了倾向支承压力的计算公式;利用上述计算方法,研究了华丰矿1410工作面倾向支承压力分布规律,并与现场1410工作面微地震监测结果所揭示的倾向支承压力分布进行了对比分析。研究结果表明,上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的、倾斜煤层倾向支承压力的定量化估算和预测     

煤矿层状岩体压力拱演化规律的相似模拟

采动作用下的岩体应力转移变化所形成的压力拱特征研究,对于采矿岩层控制和巷道围岩稳定具有重要的科学价值。基于理论分析和相似材料物理模型实验,分析了综放工作面上覆岩层变形破坏形态及其应力转移变化规律,证实了采矿矿压以压力拱的形式转移。研究表明:采煤工作面推进后,伴随着采场岩层应力的不断转移和调整,将在采场岩层中形成一个承担上覆岩层重力的压力拱,其空间形态近似为长轴在开采面推进向短轴与工作面平行向的鸡蛋壳形厚壁结构。工作面初采开始后,随其推进距离的增加,压力拱向周边岩层深部延伸;拱体厚度增大、拱内岩层应力升高。     

强冲击地压矿井地表非连续移动变形特征

随着工作面的开采,上方覆岩体内软岩层出现明显离层特征,离层上方硬性巨厚覆岩层逐渐下沉。当工作面推进到一定距离时,离层量加大,为巨厚覆岩层提供一定运动空间,进而造成巨厚覆岩层的破断;由于瞬间的能量释放,对围岩造成强冲击性,同时造成地表呈现斑裂等非连续性特征。较大的斑裂均位于地表水平变形较大的位置,随着井下沿走向开采尺寸的加大,斑裂的宽度和深度也逐渐扩大,斑裂最宽可达1.5～3.0 m,深度可达50～70 m。同时,采动覆岩岩层运动,也导致地表变形出现明显的集中与滞缓现象,当离层范围大于砾岩体折断步距时,地表变形加剧,就会出现斑裂现象。同时探讨地表移动变形与冲击地压发生具有的显著相关性,进而可对冲击地压做预测辅助参考。     

鲁中矿区地下开采对竖井井塔楼的影响分析

针对鲁中矿区软岩地层地下开采引起岩体移动变形及竖井井塔楼倾斜变形的工程实际情况，将该矿区深埋金属矿体开采引起的岩体移动变形这一客观现象视为一随机事件，建立了开采岩体移动分析数学模型，并利用该模型对开采引起采区岩体移动变形及竖井井塔楼所处地表移动变形进行了具体计算分析。分析结果表明，理论预测值和工程实际观测结果吻合很好；在软岩地层条件下，矿体开采地表移动变形的影响范围有随着采深的增加而逐渐增大的趋势。这些结果可用于矿山竖井及井塔楼的安全评价。     

软岩地层地下铁矿开采岩体移动影响范围及变化趋势分析

 在我国官庄东矿北采区,采用分段崩落法进行回采,虽然矿区地表建筑物远离设计的地表移动影响范围,但仍受到影响。结合官庄东铁矿北采区进行分析,对深部开采引起的动态岩体移动变形问题进行具体计算,分析深部开采的岩体移动变形规律及特点,实际观测和理论分析均表明,深部开采工作面的覆岩破坏,具有整体移动变形均匀的特点;软岩地层深部铁矿开采引起的地表移动变形发展缓慢且周期较长。     

岩层移动的组合岩梁理论及其应用研究

提出了采场上覆岩层移动的组合岩梁模型，将岩层移动的关键层、岩层组合以及层间离层统一在组合岩梁模型的体系中，建立了关键层、岩层组合以及层间离层的统一判别准则，并进行了实例分析。对组合岩梁模型在岩层移动规律研究、地表沉陷控制以及在矿井瓦斯防治中的应用进行了深入地分析。组合岩梁模型的建立，为采场矿压和岩层移动的研究提供了一种新的思想和方法。     

官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形测试分析

 以大量实测资料为基础,分析官庄铁矿北区深埋破碎厚矿体开采引起的围岩变形和地表移动规律。实测结果表明,官庄铁矿北区地表下沉属于连续下沉,岩层破坏主要是缓慢型破坏。分析过程中,把几种实测分析方法和数值分析法有机结合在一起,形成岩体移动变形综合研究方法,对地下开采引起的岩体移动机制进行具体分析。分析中所采用的实测分析类方法包括蠕变试验分析、地表移动观测分析、围岩变形监测分析、原岩应力量测分析;数值分析类方法包括ANSYS和FLAC。结合官庄铁矿工程实例,通过具体测试分析,探讨深部开采岩体移动变形规律及特点,即深部开采覆岩移动变形具有均匀、整体压缩变形等特点,地表移动连续且周期较长。实践证明,所采用的综合研究方法是分析岩体移动和地表下沉机制的有效途径。     

软岩地层深部开采地表下沉分析

针对软岩地层深部地下大面积开采岩体移动变形预测问题，利用弹塑性力学理论建立了相应的预测分析理论模型。用所建立的弹性理论模型对某铁矿地表移动变形进行了计算分析，并将理论预测结果和实测资料进行了对比。文中用弹塑性有限元法分析了不同弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等物理力学参数对地表下沉的影响；对软岩地层深部开采地表移动进行了计算分析。结果表明，弹性模量对地表下沉影响较大，而其他参数影响较小。结果表明，弹塑性力学方法适用于分析软岩地层大面积开挖岩体移动预测问题。     

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨

进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的“S”型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。     

富煤一矿水体下采煤可行性分析

根据我国现阶段水体下采煤理论及开采经验,系统地分析和研究了富煤一矿水体下采煤的技术及条件,通过对煤层覆岩条件及其防水特征研究后,认为本矿井的煤层覆岩条件和留设的防水安全煤岩柱特征均有利于水体下开采全部煤层,但地表破坏和覆岩破坏的沟通强度、采深采厚比值的研究结果显示,开采M_(15)号煤层以上的煤层是安全的,开采M_(15)号以下的煤层则需要在开采上部煤层时进行监控监测,以便采取适合本矿井的综合措施后确定能否开采。     

大型金属矿体开采地应力场变化及其对采区岩体移动范围的影响分析

根据金属矿地下开采引起的地应力场变化对岩体移动变形范围影响的工程实际，采用现场实测和数值分析方法，对深埋破碎金属矿体开采引起的地应力场变化及其对地质环境影响并导致岩体移动变形范围不断扩大这一客观现象进行了具体计算分析。结果表明，矿体开采后，随着采深的增加地应力明显增大，岩体移动变形的影响范围也随之而增大。另一方面，地应力场变化，尤其是水平方向的构造应力场变化和影响是不可忽视的。