大采深地质构造复杂矿井应力集中模拟预测研究

断层与褶皱在煤岩体中广泛分布,构成了煤层开采过程中失稳的主要因素,是煤层中地应力集中的地方,煤矿灾害的多发区域,是煤矿开采等地下工程围岩变形与破坏的重要原因。随着煤矿开采深度的不断增加,加之断层褶曲构造,地应力越来越大,井下应力环境发生了很大变化,导致巷道大变形、冲击地压、煤与瓦斯突出及突水等灾害越来越严重。因此,对大安山煤矿+400m水平的断层、褶皱地质构造应力场进行数值模拟研究,充分了解应力场分布特征、煤岩体性质与结构特征,进行合理的、切合实际的围岩稳定性、围岩变形与破坏分析,为合理的支护设计与灾害防治,特别是冲击地压的防预提供了有力的依据。模拟显示:(1)主应力方向在断层附近有明显扰动;(2)远离断层端部区域煤岩体最大水平主应力一般水平,断层端部的局部区域出现应力集中;(3)向斜最大主应力在褶皱轴处最大,向两翼逐渐变小;(4)背斜最大主应力从褶皱轴部向两翼逐渐增大,轴部值达到最小。与工程实际有很好的吻合。     

巨型逆冲断层开采扰动活化条件研究

针对巨型逆冲断层活化诱发冲击地压事故的严峻形势,以耿村典型巨型逆冲断层冲击地压矿井为例,建立了断层活化分析数学模型和相似模拟模型,研究了逆冲断层的活化条件和影响因素、以及巨型逆冲断层在冲击地压形成过程中的作用。结果表明:影响断层活化的因素包括断层倾角、断层介质黏聚力、断层介质内摩擦角和水平推力作用位置;随断层倾角的增大,断层活化时的正应力、剪应力减小,水平推力先增大后减小;断层材料黏聚力对煤壁与断层间的距离影响不大,但对断层应力影响很大;随断层内摩擦角的增大,断层活化时的正应力减小、剪应力增大,水平推力减小;随水平推力作用位置的增大,断层活化时的正应力、剪应力和水平推力均减小;通过相似模拟试验,得到耿村煤矿冲击地压属于巨型逆冲断层控制下,高应力、大范围、区域性的顶板型冲击,其失稳模型为底板型失稳,且距离断层越接近危险越严重。     

孤立煤柱冲击地压蠕变失稳研究

针对煤矿冲击地压的发生具有滞后性的问题,采用解析分析方法建立了孤立煤柱蠕变失稳理论。基于冲击地压失稳理论,揭示了冲击地压蠕变失稳机理,建立了蠕变失稳判别准则。假设煤柱顶板具有蠕变性质,提出了孤立煤柱冲击地压蠕变失稳判别准则。分别采用H体、M体、K体、K-V体、P-T体、B体6种蠕变模型,根据不同模型顶板刚度随时间变化的函数关系及孤立煤柱冲击地压蠕变失稳判别准则得出了孤立煤柱冲击地压蠕变失稳条件,得到了孤立煤柱冲击地压滞后时间和顶板突跳量的理论公式。结合工程实例,对不同蠕变模型条件下孤立煤柱冲击地压滞后时间和顶板突跳量理论值进行了对比分析。结果表明:B体模型与工程实际符合较好,但理论值与实际值相比较小,说明了理论模型具有一定的局限性,需要研究更加符合工程实际的蠕变模型。     

考虑塑性区强度参数劣化的圆形巷道冲击地压临界条件研究

针对大量冲击地压事故发生于巷道的实际情况，综合考虑开挖面空间效应、中间主应力效应、塑性区剪胀特性、塑性区强度和变形参数的变化5个影响因素，得到了巷道围岩应力与位移分布规律，基于统一强度理论和塑性软化本构模型，应用扰动响应判别准则，建立圆形断面巷道冲击地压发生的临界条件，结合试验模拟验证分析，结果表明:巷道冲击地压的临界条件与围岩支护方式、初始强度参数及塑性区强度参数的变化密切相关；临界塑性半径、临界载荷均随支护力的增大而单调增加；在开挖面附近，虚拟支护力较大，巷道围岩以发生弹性变形为主，发生冲击地压概率较低，只有在距开挖面一定距离位置处，虚拟支护力逐渐降低，巷道围岩出现塑性区，且塑性区达到一定值时，冲击地压才具有发生的可能性；临界塑性半径随初始黏聚力增大而降低，临界载荷随初始黏聚力增大而增加；当塑性区黏聚力劣化较快时，容易发生冲击地压。     

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明:巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。