基于黏结颗粒模型的特厚坚硬煤层综放开采数值模拟研究

基于榆神矿区特厚坚硬煤层超大采高综放开采技术条件,针对散体颗粒模型在埋深较浅的坚硬煤层综放开采模拟中顶煤冒放情况与实际不相符的问题,对比黏结颗粒模型与无黏结散体颗粒模型力学性质,讨论两种模型适用条件,得出黏结颗粒模型更适合坚硬煤层综放开采模拟。阐述了黏结颗粒模型的建模和模拟过程:岩层内部采用平行黏结颗粒模型以模拟层内整体块体力学特性,层间采用光滑节理模型以模拟结构面力学性质;通过Fish语言和伺服控制原理实现液压支架初撑阶段、增阻阶段和恒阻阶段不同工况的模拟;根据支架顶梁位态采用逆向运动学方法更新支架整体位姿;通过Fish语言实现尾梁的不同幅度摆动。数值模拟结果表明:覆岩可形成下位基本顶不稳定砌体梁结构和上位基本顶稳定砌体梁结构,顶板来压步距介于10~20 m;顶煤破碎度和冒放性具有双周期性(走向周期与周期来压步距一致,表现为来压期间顶煤破碎较充分、冒放性好,优于非来压期间;垂向周期与顶煤层位相关,表现为下位顶煤破碎充分、冒放性好,优于上位顶煤);工作面煤壁整体稳定性较好,来压期间会出现煤壁破坏现象;液压支架总体处于较高的工作阻力状态;不同块度的顶煤冒放过程中可能形成小块度瞬时动态松散拱结构、中等块度不稳定拱结构和大块度稳定拱结构,尾梁成拱可采用“小拱小摆、大拱大摆”对策高效破拱,掩护梁成拱则需移架才可破拱。超大采高综放开采实践表明数值模拟结果与现场情况一致,黏结颗粒模型能较好地模拟埋深较浅的坚硬煤层综放开采顶煤冒放特征和矿压显现规律。本研究可为坚硬煤层顶煤冒放性和顶板覆岩结构数值模拟研究提供力学模型选择依据,为模拟过程实现方法提供借鉴。     

初始损伤–载荷–冻融作用下红砂岩的孔隙结构及力学特性

中国寒区的岩体支护、边坡开挖等工程需要深刻认知、准确评估载荷和冻融诱发岩体的损伤情况,尤其是裂隙岩体的损伤。研究采用核磁共振技术测试含单裂隙红砂岩试样在初始、力学循环加载后、冻融循环后三个阶段的孔隙度、T2谱分布等微观孔隙参数,随后测试损伤后试样的力学参数,以量化、评估力学循环加载、冻融循环对试样孔隙参数及力学性质的影响。试验结果表明,荷载和冻融先后作用下不同试样的孔隙结构和力学性质有相似的变化规律。试样随着力学循环加载其孔隙度不断增大,随着冻融循环作用其孔隙度继续增大。循环载荷作用促使试样孔隙度的增大以原有孔隙扩展为主,冻融循环作用促使试样孔隙度的增大以新增小孔隙和原有孔隙扩展为主。载荷、冻融都将导致试样强度、弹性模量的损伤,单一冻融作用下红砂岩试样强度损伤在5%-10%,但载荷、冻融先后作用下试样强度损伤达到20%-30%,试样的初始强度越小其强度损伤越大。分析试样的微观孔隙和宏观力学之间的相关性,发现损伤试样的孔隙度增幅与试样的强度降幅呈正相关。     

超大采高综放开采煤壁板裂化片帮机理研究

基于榆神矿区埋深较浅、特厚坚硬煤层开采技术条件,采用现场观测、岩石力学试验和理论分析相结合的方法对特厚坚硬煤层超大采高综放工作面煤壁破坏形式和机理进行研究.现场观测发现煤壁破坏形式以纵向板裂化片帮为主,板裂化片帮破坏特征可分为板状板裂、"洋葱皮状"剥落、弹射型板裂和液压支架护帮板扰动下煤壁板裂化破坏.岩石力学试验表明试样在低围压和卸荷条件下更倾向于发生纵向劈裂破坏.煤壁板裂化片帮是工作面采动高应力卸荷环境下的结构主导型破坏,不同形式的板裂化破坏主要与煤体细观结构和应力环境差异相关.结合煤壁应力环境,从微观和宏观角度对板裂化片帮机理进行分析,采用损伤断裂力学和板结构力学分析并揭示了煤壁板裂化片帮发育过程力学机理,即不连续纵向割理在动、静载荷作用下扩展、贯通而形成板结构,板结构在不同应力环境下发生相应形式的破坏.本研究可丰富板裂化破坏案例及理论,为超大采高工作面煤壁板裂化片帮控制和防治提供理论基础.     

屯兰矿沿空留巷巷旁支护体的稳定性研究

以西山煤电集团有限责任公司屯兰矿18205运输平巷为研究背景,采用理论分析,数值模拟和现场工程实践相结合的方法分析巷旁支护体的稳定性。建立力学模型,计算得出巷旁支护体的切顶支护阻力和合理的充填宽度;建立数值计算模型验证合理的巷旁充填宽度为2.5m;现场工程实践表明计算得出的巷旁支护宽度可以有效控制围岩变形,巷旁支护体和顶板下沉量小,围岩变形量小。     

定向爆破预裂和柔模混凝土墙技术在成庄煤矿的协同应用北大核心

为了从根本上提升煤炭资源的回收率,成庄煤矿在5309大采高工作面机巷开展并实施了沿空留巷技术。针对6 m厚煤层、顶板含有硬厚岩层等复杂条件,采用理论分析和现场试验等方法,着重讨论了定向爆破预裂和柔模混凝土技术在“厚煤层、硬顶板”开采工作面的运用。研究结果表明,沿空留巷巷道在滞后工作面10~90 m范围变形较快;沿空留巷在工作面后50~100 m范围的墙体压力最大;爆破预裂切顶卸压和柔模混凝土墙的协同运用,在降低沿空留巷顶板周期来压影响的同时,增强了巷帮的承载能力,从而明显地提高了巷道整体的稳定性和可靠性。