动载扰动下复合顶板巷道围岩变形破坏特征

以河南省赵固二矿11020下顺槽为工程地质背景,采用现场调研、数值模拟等方法,建立复合顶板巷道模型组,研究动载扰动下围岩变形特征,总结巷道断面矢量变形与低应力区演化规律及不同顶板结构围岩稳定性评价。研究结果表明:动载扰动下复合顶板围岩变形规律会随着顶板岩层结构的改变而改变,且围岩变形各项结果显著增加:围岩矢量变形面积增加266.3%(18.6 m²)、117.8%(26.5 m²)、86.7%(19.5 m²)、150%(9 m²)、78.6%(16.5 m²),低应力区面积增加154.06%(99.2 m²)、170.8%(90.5 m²)、212.5%(48.0 m²)、88.2%(42.8 m²)、107.8%(54.2 m²),对其围岩稳定性进行评价划分后,通过现场支护试验验证其分级的合理性。     

基于煤巷两帮基础刚度效应的控帮护巷支护原理

煤层巷道两帮煤体相对顶底板岩层强度低、可变形性强,两帮煤体大变形对巷道围岩整体稳定性有着极其重要的影响。基于煤巷两帮煤体严重变形的工程实际,考虑巷道两帮煤岩体的可变形性,建立了由Winkler可变形基础支承的顶板悬梁力学模型,分析并揭示了顶板的弯矩和挠度分布特征及规律,提出了基于煤巷基础刚度效应的"控帮护巷"支护原理:通过加强两帮支护提高锚固煤体的基础刚度,控帮支护的直接控制两帮煤体的变形和破坏,并进一步通过基础刚度效应改善整个巷道围岩的应力状态,抑制顶底板变形破坏,提高围岩承载能力和稳定性。通过数值模拟分析与现场工程试验,对基础刚度效应和"控帮护巷"原理进行了分析和验证。研究表明:在两帮垂直集中应力作用下,巷帮煤体压缩变形明显,顶板岩层随基础变形而弯曲下沉,两帮基础刚度对顶板变形量影响显著,是顶板变形的关键影响因素;在顶板支护相同的条件下,加强两帮支护不仅使掘进和采动影响期间的两帮的塑性破坏范围和移近量显著缩小,还有效地控制了顶底板的变形破坏情况,是巷道围岩整体稳定性控制的有效途径。研究工作深化了煤巷围岩控制中对巷帮支护重要性的认识,揭示了控帮护巷的支护机理。     

断层煤柱及倾角对采动应力及能量分布的影响特征

针对工作面沿正断层走向布置,建立上下盘工作面开采三维数值计算模型,模拟研究上、下盘工作面采动应力及弹性能的分布特征、断层煤柱宽度及倾角对应力场和能量场的影响规律。研究表明:正断层上盘或下盘工作面开采,断层侧工作面端头及断层煤柱上的采动应力和弹性能较高,且上盘工作面开采时更高,断层阻隔效应较为明显。随着断层煤柱宽度减小,断层对工作面采动应力及弹性能积聚的影响程度逐渐增加,断层侧工作面端头采动应力及弹性能峰值明显升高;当断层煤柱宽度由50 m减小到20 m,断层煤柱应力及弹性能不断升高,煤柱宽度减小为10m时,小煤柱承载能力及弹性能降低。随着断层倾角增大,断层侧工作面及断层煤柱采动应力及能量峰值升高,高角度断层的影响较大。断层侧巷道两帮处于采动高应力状态,积聚着较高的弹性能,回采过程中应加强巷道支护,采取必要的灾害防治措施。     

工作面沿正断层走向推进断层煤柱应力演化规律研究

以朝阳煤矿3101(东)工作面工程地质条件为背景,采用FLAC~(3D)数值模拟,研究了工作面沿正断层上下盘推进过程中,断层煤柱对采动应力分布演化规律的影响特征。研究结果表明:断层对煤层顶底板的应力传播阻隔效应显著,导致断层煤柱易形成应力集中区;断层上盘的应力阻隔效应相对于下盘较弱,相同断层煤柱下,断层下盘煤柱先于上盘失稳;断层上盘应力集中区域都靠近煤壁,分布较为单一。下盘应力集中区域在断层煤柱大于40 m时分布在断层煤柱上,小于40 m时最高应力值逐渐转移到煤壁上。通过现场实例验证了工作面沿正断层布置时不同断层煤柱条件下煤柱应力演化的差异性,在现场实践中,需要根据具体的工程地质条件进行分析预测,提前做好巷道与工作面的维护措施,保证安全高效生产。     

砂型3D打印材料对类软岩力学特性影响规律及机理

煤矿巷道围岩普遍岩性软弱、节理裂隙发育，软岩力学是煤矿巷道围岩控制的基础。由于软岩在力学与结构等方面的特殊性，物理试验中存在试样难以符合现场裂隙特征、离散性强等问题，严重制约软岩力学或裂隙岩体力学试验研究。3D打印技术因其数字建模、精度高等技术优势，突破了浇筑法在制作复杂裂隙试样上的局限，被广泛应用于岩石力学试验研究，但采用该技术打印成型的试件受打印材料和参数的影响规律还需深入研究。基于砂型3D打印技术，通过力学试验、声发射监测、电镜扫描等手段，研究不同类型砂粉和不同黏结剂饱和度对类软岩试样的力学特性的影响规律及机理。结果表明：不同类型砂粉由于其颗粒形状、粒径、排列形态等因素，对成型试样的力学特性、破坏模式等影响显著；黏结剂饱和度与试样强度呈正相关关系，相同砂粉类型前提下，改变黏结剂饱和度能将试样强度提高5倍，同时声发射事件信号与能量也随黏结剂饱和度的增大而增大。研究结果揭示了砂型3D打印技术用于软岩物理模拟上的适用性，为精确、科学地还原具体工程条件的软弱煤岩力学特性提供重要依据。