破碎围岩梯度支护模型及分级控制研究

针对深部巷道大变形难控制问题,基于深部巷道围岩梯度破坏机理及巷道等强支护理论,进一步提出了围岩梯度支护分级控制原理和屈服破坏判据.针对巷道围岩破碎区,采取锚杆和高强水泥材料加固控制;对围岩塑性区,采取锚索和纳米基水泥材料控制,由此实现基于梯度破坏机理的巷道围岩分级三维承压壳控制.研究结果表明：破碎半径、支护强度以及加固厚度对梯度支护模型的敏感度较大,当r=R₁和r=R_p时,基于围岩梯度破坏的梯度承压壳发生屈服破坏的极限强度分别约为25和15 MPa;理论分析验证加固后的梯度承压壳可以实现破碎区边缘和塑性区围岩的恢复,理论得出最好状态分别能近似恢复至初始状态的52%和95%左右.梯度支护模型和分级控制方法在一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导.     

隐伏断层活化诱发石门揭煤突出的数值模拟研究

结合工程实例,采用3DEC数值模拟软件进行了隐伏断层活化诱发石门揭煤突出的数值模拟实验研究。通过模拟断层活化、滑移以及揭煤工作面应力集中等现象,研究了动力扰动影响下的隐伏断层活化规律、煤岩体应力状态的动态响应、瓦斯运移通道的形成以及揭煤突出的可能性,揭示了开采扰动、断层活化、煤与瓦斯突出之间的因果关系,分析了隐伏断层活化诱导石门揭煤突出的机理。通过分析具体工况条件下的模拟结果,得到隐伏断层活化诱发石门揭煤突出的发生规律,对生产实际中隐伏断层影响带内煤与瓦斯突出问题的防治具有指导意义。     

采矿岩石多尺度破坏力学

采动复杂应力环境下围岩的多尺度破坏行为是诱发煤矿灾害的一个根本因素。本文系统总结了团队十多年来在岩石宏细观破坏力学、巷道围岩控制及岩层移动等采矿岩石多尺度破坏力学的研究进展。在岩石力学室内实验尺度方面,利用带加载装置的SEM高温试验系统研究了热力耦合作用下岩石细观裂纹的萌生、扩展和断裂全过程,揭示了细观断裂机制;研究了不同加卸载条件下煤岩体及煤岩组合体宏观破坏力学特性,建立了煤岩体宏观破坏非线性模型。在巷道围岩尺度方面,揭示了巷道围岩应力梯度破坏机理,建立了深部巷道等强支护理论,明确了巷道支护方向,据此提出了巷道全空间协同控制技术并进行现场应用。在采场岩层破断移动尺度方面,实验研究了不同厚度顶板破断演变的4种模式;基于关键层理论,提出了采动覆岩整体移动“类双曲线”模型和内外“类双曲线”模型,分析了该模型随着关键层位置和煤层倾角的演化规律。上述成果为我国煤矿开采灾害防治提供理论和技术支持。     

爆破扰动诱发煤与瓦斯突出机理研究

炮采依然是一些高瓦斯矿区的主要开采方式,研究爆破扰动诱发突出的机理具有重要的理论与实际意义。通过理论计算和数值模拟分析了爆破扰动诱发煤与瓦斯突出的机理。研究表明,炮采工作面煤体及围岩裂隙发育,瓦斯运移通道较多,有利于瓦斯的运移和集聚;爆破扰动减弱了瓦斯的吸附能力,增加了瓦斯的游离量;爆破使巷道潜能瞬间释放,造成煤岩体的应力状态发生突变,而应力的急剧变化在一定的条件下极易导致煤体的瞬间失稳而诱发煤与瓦斯突出。     

基于岩层移动类双曲线模型的水资源“浅保-深储”方法

针对煤炭开采导致地下水位下降和地表植被破坏等生态问题,基于保水采煤的科学内涵和采动覆岩移动类双曲线模型,建立了采动覆岩不同层位含水层“浅保-深储”差异化保护方法。即在上覆岩层破坏损伤最窄的主关键层下离层区注浆控制其上部岩层不破断,保护潜水水位和地表生态;其下部破坏的含水层利用采空区垮落岩体的空隙储存起来,经自净化后再利用。“浅保-深储”模型融合了采空区充填和煤矿地下水库保水的各自优势,并给出其适用的覆岩条件。根据采动覆岩“类双曲线”破坏移动特征,理论推导了主关键层下离层区初次注浆、周期注浆步距以及注采比,分析了注采比受主控参数的影响规律,得知注采比随垮落角和主关键层与煤层间距的增大而减小,随充分采动角和工作面推进距离的增大而增大。采用现场实测注浆数据对理论注采比进行验证,2者基本吻合。采用数值模拟对比分析了覆岩含水层“浅保-深储”、采空区充填保水地下水库的储水效果和煤柱稳定性,获得了采动覆岩移动和地下水流动均具有显著的“类双曲线”特征。基于理论注采比在主关键层下离层区注浆能够实现不同层位含水层“浅保-深储”,且该保水方法煤柱支承压力最大可降低60.8%,显著提高了储水采空区隔水煤柱的安...     

岩层移动内外“类双曲线”整体模型研究

岩层移动主要关注工作面上覆部分岩层移动规律,开采地表沉降则关注地面的沉降问题,这2个研究方向都涉及到开采后上覆岩层到地表土层的整体移动行为,可以建立一种能够描述覆岩移动到地表沉降的岩层整体移动模型。通过理论与试验分析得到了岩梁梯形块体结构的初次破断与周期破断形态,建立了岩层梯形“倒漏斗式”冒落拱与裂隙拱的冒落条件与判定方法。基于岩层破断移动边界“类双曲线”模型,提出了采用内外“类双曲线”模型来描述岩层移动与地表沉降规律。内“类双曲线”模型指的是覆岩冒落拱与地表沉降移动拱“类双曲线”模型,在关键层近似“上下”对称;外“类双曲线”模型指的是岩层破断移动边界“类双曲线”模型,在工作面的中垂线附近近似“左右”对称。内“类双曲线”隐含在覆岩内部,可通过地球物理探测方法近似获得;外“内双曲线”体现在地表沉陷、岩层冒落等外部形态。通过理论分析、实例验证以及UDEC数值计算方法验证了厚松散层水平煤层开采条件下岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型。此外,还分析了内外“类双曲线”共轭形成条件、影响因素与整体运移规律。结果表明:在厚松散层水平煤层开采条件下,建立岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型理论预测值与实际值误差较小,表明岩层整体移动存在“类双曲线”特征。     

不同厚度岩层破断模式实验研究

顶板破断是采场矿压显现的根本原因,现有很多成果是基于梁或薄板模型而来,而顶板的厚度直接影响了顶板的破断行为。自主研制了采空区顶板破断模拟实验装置,在均布载荷作用下对四边固支不同厚度顶板进行了破坏实验研究。实验结果验证了薄板基本以沿长边的"O-X"型断裂模式为主,而厚板不仅有沿长边的"O-X"型和沿短边的"O-X"型断裂模式,还有"O-?"型的断裂方式。研究结果表明:薄板破断主要受到最大弯曲应力的影响。随着板厚度增加,横向剪切力的作用在加强,此时厚板的破坏主要受到弯曲和剪切耦合作用,导致其破坏行为更为复杂。     

动力扰动诱发煤与瓦斯突出的突变理论研究

根据石门掘进穿煤层的主要特征,引入层裂体的理论,将工作面煤体作为理想的圆盘状结构,且把掘进产生的动力扰动简化为谐波,考虑瓦斯压力并建立了动力扰动诱发煤与瓦斯突出的双尖点突变模型,导出了其失稳条件,确定了煤体的临界安全厚度,分析了动荷载振幅、频率对煤体临界安全厚度的影响。研究结果表明,煤与瓦斯突出事故中煤体的失稳不仅取决于内部的瓦斯压力、自重以及围岩特性,而且与动荷载的振幅和频率有密切的关系。     

隐伏断层对采空区悬顶诱发突出的影响研究

为了揭示采空区顶板诱发煤与瓦斯突出机理,进行了相关数值模拟研究。研究结果表明:采空区悬顶导致上覆岩层的重力传导至工作面附近煤体中,诱使煤体内部应力集中现象严重,塑性区范围增大。同时使得煤体内部的裂隙较为发育,裂隙范围也相对较大,为瓦斯的运移和储存提供了良好的地质条件;煤体内部的压力增大有利于瓦斯的吸附解吸活动;采空区悬顶使得工作面附近煤体产生应力集中且有利于裂隙发育而提高了瓦斯的运移和储存;隐伏断层的存在加剧了上述情况,使得煤与瓦斯突出的危险性进一步提升;通过3DEC模拟出了隐伏断层失稳时的泄压现象。     

无煤柱自成巷聚能切缝技术研究

聚能切缝技术能够有效地切断顶板的应力传递,为无煤柱切顶成巷提供保障。以宝山煤矿6302工作面为工程背景,通过现场实验和理论分析,对聚能切缝参数进行研究和优化。试验结果表明,在3+2的装药形式下,成缝率可达90%以上,成缝效果最明显,且在工作面回采过程中顶板能够及时垮落,现场应用效果良好。