复杂地应力场几何跨尺度反演与重构方法研究

为克服现场地应力测量存在费用高、周期长、数据离散等诸多问题,充分利用有限工程实测地应力数据,提出了复杂地应力场几何跨尺度计算方法,建立了基于多元线性回归的地应力场反演数学模型,重构了大尺度单元到细化小尺度单元的数值计算模型,发展了区域应力场到局部应力场的跨尺度应力场重构技术与方法,实现了基于工程有限测点实测应力的复杂地应力场自动回归反演与重构.工程实例验证表明,该方法计算的地应力与实测地应力完全吻合,所提出的几何跨尺度地应力场反演与重构方法合理可行,计算结果可靠.     

冲击巷道锚网支护参数优化研究

本文以华亭煤田巷道支护为工程背景,基于工程地质条件,采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法,对巷道进行锚杆与锚索联合支护的数值模拟及参数匹配。在动力学条件下,对华亭煤田巷道的锚固支护进行研究,总结巷道开挖和支护中围岩变形的规律,揭示锚固支护机理。结合理论分析,在对锚杆、锚索联合支护设计的基础上,采用FLAC2D软件进行数值模拟计算,分析支护前后围岩位移变化情况,并揭示破坏机理。以顶底板和两帮相对移近量作为第一组指标,以锚杆(索)受力和变形作为第二组指标,对支护方案进行优化。     

断裂岩石双翼表面细观接触特征与剪切强度关系

 断裂岩石抗剪强度对自然岩体稳定性预测至关重要,为从细观层面探究断裂岩体双翼粗糙面接触与抗剪强度关系,采用蠕剪实验的方法对压剪和间接拉伸两类断裂岩石的力学行为进行研究。通过对断裂岩石双翼粗糙面的激光扫描图像处理和几何重构,用“切层–小岛法”对双翼啮合时断裂岩石两翼粗糙面的接触状态和接触面积进行了分析。结果表明：压剪形成的断裂岩石在蠕剪过程中双翼粗糙面呈不规则“海岸线式”接触;拉断裂岩石双翼表面呈离散“群岛式”接触。拉破裂岩石双翼接触面积明显大于压剪破裂岩石接触面积。尽管岩石断裂生成机制乃至施加的法向荷载不同,断裂岩石的蠕剪强度与接触面积成正比关系,喻示断裂岩石的双翼表面接触面积是考量断裂岩石表面粗糙性对抗剪强度影响的重要指标。此研究对建立岩石节理的接触力学本构模型和构建抗剪强度准则有所借鉴。     

综放开采合理护巷煤柱宽度研究

根据新柏矿"两软一硬"复合顶板的5#煤赋存状况,通过理论分析和数值模拟,对不同煤柱宽度时沿空掘巷系统围岩应力分布和破坏特征进行了研究,对不同煤柱宽度时的巷道系统进行了综合分析和评价,确定了相邻工作面区段沿空掘巷留设煤柱的合理宽度,对类似综放沿空掘巷煤柱合理宽度的确定具有参考价值。     

断裂岩石粗糙性与岩体抗剪强度和机理的实验研究

为了分析岩体的长期力学行为,揭示断裂岩体失稳破坏的机理,对岩石断裂面的粗糙性进行了实验研究。将边长为50mm的砂岩试件,分别通过纯剪破坏方式和巴西劈裂拉破坏方式,制作出2类存在粗糙面的断裂岩石,每类选取3个试件进行剪切蠕变实验。对加载过程中的断裂岩石进行激光扫描,计算岩石断裂面的粗糙度和起伏度。实验研究表明:剪切蠕变过程中,断裂表面有粗糙化或光滑化的趋势。构成断裂岩石长期抗剪强度的机制主要有两个:一是细观凹凸体的抗剪断能力,另一个是宏观凹凸体的抗摩擦能力。无论哪种破坏方式,在加载过程中,这两种机理都是交织在一起共同作用于受载岩体上,并随时间或剪位移的增加而相互转换的,而且所发挥作用的主次也有所不同。     

金沙河下采煤地表移动变形与导水裂隙带高度预测分析

水体下采煤是煤矿开采的难题之一。以天祝煤矿为例,在对3229工作面分阶段拟采以后,运用三维概率积分法预测地表移动变形及其对地表金沙河河床的影响。基于变形分析法预测了导水裂隙带发育高度,并与"三下"规程导水裂隙带计算高度进行比较,认为随着煤层的开采,导水裂隙带可能会破坏到中侏罗系孔隙裂隙承压含水层,预计矿井涌水量增大;第四系冲积层含水层潜水或地表河水可能通过塌陷裂隙灌入井下巷道造成淹井。在河下煤层开采时应采取措施避免河水下渗,预防井下水患。     

近距巷道平行开挖合理错距研究

矿井下运输巷道是矿业生产的重要通道。文中针对极松软地层近距双水平巷道掘进问题,以内蒙古上海庙矿区为工程背景,依据工程区地应力场的实测结果及岩石力学实验参数,运用FLAC^3D三维数值分析计算软件对开拓巷道的合理错距进行了数值模拟研究。通过分析巷道周边应力分布、塑性区变化、位移速率矢量场方向变化以及监测位移数据变化,研究了巷道在分步开挖过程中,不同的开挖错距对已开拓巷道监测端面的影响。结果表明在极松软地质条件下,巷道围岩周边高应力区分布范围较大,新开拓的巷道会对相邻已开拓巷道周边的应力、塑性破坏区及位移速率矢量场产生影响,双近距水平巷道合理开拓错距宜保持在50 m以上。     

两淮煤系地层主要岩石单轴受压条件下的导电特性试验研究

设计一种岩石受荷条件下的岩石电阻率试验装置。通过试验,发现一种取材方便、效果良好的电极耦合材料——过饱和黏土。试验研究两淮煤系地层主要岩石的导电性随电流、电压、应力的变化特性,并拟合出各岩样较高相关度的电阻率-应力(ρ-σ)回归方程,结果发现:(1)两淮煤田煤系地层岩石在弹性变形范围内,其导电性随着应力的增大而增强(即岩石的电阻率随着应力的增大而降低);(2)软弱砂质泥岩导电性受应力影响的程度大于坚硬的砂岩、闪长岩;(3)岩石电阻率与应力之间存在较好的相关性;(4)在应力一定的条件下,软弱砂质泥岩的导电性随着电压、电流的增强而增强(电阻率降低),坚硬砂岩、闪长岩的导电性基本不受电压、电流的影响。在两淮煤田深井巷道围岩松动圈的高密度电阻率法探测中,将测试得到的巷道围岩视电阻率断面图或电阻率反演断面图与岩石电阻率试验获得的ρ-σ回归方程相结合,分析巷道围岩松动圈的发育状况,取得较好的工程效果。     

采空区矿柱–顶板体系流变力学模型研究

 以采空区留矿柱采矿为背景,建立采空区矿柱–顶板体系流变力学模型,得出矿柱支撑下采空区顶板受流变作用位移控制方程,依此对采空区顶板破坏的不同阶段进行分析讨论。研究表明,考虑矿岩流变性的情况,采空区顶板岩层将随时间逐渐破坏直至坍塌。通过案例分析,所建立的考虑矿柱流变特性的采空区矿柱–顶板体系力学模型,可以对采空区稳定时间进行估计。