条带充填控制地表沉陷的布置参数研究

利用FLAC3D数值模拟软件,以西山煤业公司某矿实际资料为依据,对开采过程进行数值模拟,对比不同充填条带宽度和条带间隔对地表沉陷量的控制效果,根据模拟结果选择合理的条带宽度和条带间隔,从而指导实际生产活动。     

非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程及应用

由于双向非等压应力条件作用下的圆形巷道弹塑性问题求解难度较大,目前难以得到精确解析解。基于Mohr-Coulomb强度准则,将Kirsch解代入塑性条件中研究了非等压应力条件下圆形巷道围岩塑性区近似边界方程、分析了塑性区影响因素及形成力学机制。结果表明:侧压系数影响塑性区形态,原岩应力方向影响蝶形塑性区蝶叶方位,巷道半径与围岩岩性对塑性区形态均没有影响,但对塑性区的发育深度起着决定作用;侧压系数不等于1时,最大主应力方向不再平行于巷道切向,最小主应力方向不再经过巷道中心位置,引起围岩剪切破坏方向发生变化,而塑性区的扩展受控于最大剪应力的分布,此时塑性区形态偏离圆形;剪应力峰值点曲线与塑性区边界均随侧压系数变化而发生变化,但塑性区边界总是位于剪应力云图中最大剪应力峰值位置,且侧压系数越小主应力方向变化越大,塑性区不规则形态越明显;该求解方法没有考虑塑性区对弹性区应力的影响,属于近似求解法,但塑性区形态、发育规律与数值模拟结果相一致,并对解决工程问题具有指导作用,说明该塑性区边界方程近似解法是可信的。通过该近似方程能够掌握巷道围岩塑性区发育扩展规律,依此提出的可接长锚杆支护技术能够有效解决深部巷道锚杆易随顶板整体下沉、锚索破断引发的冒顶问题,较好的消除了冒顶隐患。     

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术

针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。     

深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究

针对深部高应力巷道围岩大变形难以控制的问题,采用Kastner等相关理论,研究了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形的影响,揭示了其变形难以控制的力学本质,提出了巷道围岩稳定性控制新的支护理念。深部高应力巷道围岩大变形主要来自于两部分:1巷道周边浅部破碎围岩的扩容与剪胀等非连续性变形;2高应力致使巷道围岩产生的以塑性变形为主的连续性变形。研究表明:目前的支护水平对巷道围岩的连续性变形影响十分有限,总是存在一部分变形量无法控制,即深部巷道围岩存在"给定变形"。为实现巷道围岩稳定控制,降低支护成本,巷道围岩支护理念应由变形控制向稳定控制转变,确保巷道围岩均匀、协调变形,消除冒顶与片帮等不安全隐患,增强巷道围岩整体性与稳定性。因此,对于深部高应力巷道围岩稳定性控制,可在巷道掘进时预留一定的变形空间以容纳围岩部分"给定变形",支护结构应具有一定的连续性变形能力,又能持续提供较高的支护阻力,以维持巷道围岩的完整性与稳定性,保障巷道围岩的均匀、协调变形。工程实践结果表明:考虑预留变形并采用"可接长锚杆+刚性长螺纹钢锚杆+锚网+W钢带+喷射混凝土"综合控制技术为主,并辅以可接长锚杆强化顶板支护方案可较好控制巷道围岩的稳定性,保障了巷道服务期间的安全使用。     

考虑支护作用的巷道围岩塑性区边界方程及应用

结合Mohr-Coulomb强度准则,推导考虑支护力作用下的非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程的近似解,通过理论分析和数值模拟,得出支护阻力对巷道围岩塑性区范围和形态的影响作用.研究表明:在现有支护条件下,支护阻力能够使浅部低应力巷道围岩塑性区范围有一定程度的减小,特别是对于双向主应力比值较大情况下浅部巷道围岩塑性区呈现的蝶形扩展,支护阻力能起到较好的抑制作用;而对于深部巷道,现有支护阻力对减小其塑性区半径的作用不大,难以阻止深部巷道的大变形,支护对于深部巷道的作用在于阻止巷道围岩的破裂.深部巷道围岩控制,应由"变形控制"向"结构稳定控制"理念转变,以改善巷道围岩应力环境和围岩力学性能为主要途径,以预留变形和控制非连续变形为主要方法,尽量保证巷道围岩结构稳定、完整,满足使用要求.     

预裂锚固体力学特性及锚固机理

为研究锚杆对深部巷道围岩的控制作用,通过制作三轴加载物理相似模拟试验系统,分析了锚杆支护强度、锚杆预紧力对预裂试件的锚固效果并构建了劈裂板梁结构模型。试验结果发现:无锚杆支护时,试件表现出脆性破坏;随锚杆支护强度及预紧力增大,试件承载能力得到提高且其应力应变曲线具有较好的屈服平台,表现出明显的延性特征;试件垂向位移量相近时,随锚杆支护强度及预紧力增大,试件体应变变小;试件主要沿最大主应力方向(垂直方向)发生劈裂破坏,拉伸裂纹集中在临空面附近,剪切裂纹则分布在远离临空面的区域,在锚杆的作用下形成类似板梁结构,板梁挠度不仅与试件自身力学性能、外载荷有关,还与板梁长度、板梁结构形式有关。锚杆支护密度的增大改变了板梁结构形式,减小了板梁挠度,而较大预紧力能够降低板梁之间的离层量,相应的试件非连续变形得到控制。由此可知,锚杆支护不仅可提高破裂围岩的承载能力,而且可有效控制破裂围岩的非连续变形,从而提高深部巷道围岩的连续性和整体稳定性。     

矸石膏体充填综合机械化开采顶板控制

为了延长某矿服务年限,拟对该矿采用矸石膏体充填开采工业广场保护煤柱,利用理论推导与物理模拟实验相结合的方法对矸石膏体充填时的顶板控制进行了研究。结果表明:首试面进行开采时最大控顶距为9.9 m,采煤进刀步距700 mm,回采推进3刀进行1次充填;采用分体式液压支架控制顶板,工作面推进160 m时,膏体充填开采测得地表下沉211.2 mm,地表下沉系数为0.08远小于规定的地表下沉系数0.15,首试面采用理论设计的膏体充填工艺参数开采能够满足保护地表建筑物的需要,技术上是可行的。     

综放首采工作面矿压规律监测分析

采用KJ21型矿山压力监测系统对某矿综放首采工作面矿压规律进行了监测。分析表明,此工作面支架循环末阻力曲线较平缓,一般在末阻力判据直线以下,压力值趋于2 800 kN左右,接近于工作面额定工作阻力3 200 kN。支架工作阻力基本呈正态分布状态,受力较合理。     

深埋倾斜特厚煤层窄煤柱护巷机理与围岩控制

我国中东部地区采深大、巷道变形和冲击风险大,窄煤柱沿空掘巷技术可改善巷道围岩环境。为掌握窄煤柱护巷机理并形成针对性围岩控制技术体系,以800 m埋深倾斜特厚煤层3 m窄煤柱沿空掘巷为背景,开展了理论分析、现场实测及数值模拟研究,结果表明：(1)该巷围岩破碎程度及变形煤柱侧比实体煤侧严重,煤柱破碎程度及变形采空区侧比巷道侧大,尽管埋深大,但已稳定采空区承担较大覆岩载荷,高应力已充分向深部岩体分流;(2)巷道变形非对称,实体煤侧顶板下沉量比煤柱侧大,巷帮以浅部变形为主,煤柱帮上部和实体煤帮中部变形较大;(3)采空区是掘巷卸荷后主要的形变通道,利于形变能向采空区缓释、降低冲击风险;(4)卸压区形状由掘巷前三角形扩展为掘巷后平行四边形,掘巷后应力集中区转移至实体煤帮右上方实体煤岩体中;(5)窄煤柱一次和二次剪切破坏的交界面及掘巷右上方实体高应力区为围岩关键控制区,据此提出基于煤柱多重塑性破坏区发育规律的煤柱加固和高应力区精准卸压联合的围岩控制技术体系。研究可为邻近工作面以及其他类似深埋倾斜特厚煤层开采提供理论支撑和科学依据。     

岩块锚固机理的模拟试验研究

为研究锚杆对深部巷道围岩的作用机理，利用自制三轴加载物理相似模拟试验系统，进行了加锚与不加锚完整和预裂岩石试件(400 mm×400 mm×400 mm)的加载对比试验，比较了锚杆预紧力和支护密度对完整和预裂岩石试件的锚固效果，分析了锚杆对完整和预裂岩石试件的作用时机。研究结果表明：无论完整试件或预裂试件，锚杆支护均可提高其峰值强度，尤其预紧力对提高峰值强度的作用明显，对预裂试件峰值强度的提高幅度比完整试件更大。加锚预裂试件相对于无锚预裂试件其应力应变曲线从竖向加载一开始就相对滞后；而加锚完整试件相对于无锚完整试件，从竖向加载开始到试件峰前连续变形阶段，应力应变曲线差别不大，无锚完整试件在达到其峰值强度后，承载力开始下降，而此时加锚完整试件承载力继续增大，只是增速有所减缓。对于预裂试件，锚杆承载具有即时性，即与试件基本同时承载；而对于完整试件，锚杆承载则体现出延时性，即锚杆在岩体发生破坏、产生较大变形后才开始承载。因此，锚杆支护难以阻止巷道围岩的塑性变形和塑性区的形成，深部巷道的围岩控制理念应由变形控制向稳定控制转变。深部巷道锚杆的主要作用一是提高破碎岩体的残余强度，二是阻止破碎岩体裂...