极弱胶结地层煤巷支护体系与监控分析

针对极弱胶结地层煤巷围岩自稳能力差、自稳时间短、围岩变形剧烈等特征,采用FLAC3D深入揭示了矩形、切圆拱形与直墙拱形等3种断面形状煤巷开挖后围岩位移、塑性区及应力分布规律,确定了极弱胶结地层煤巷合理断面形状;结合国内外煤巷支护理论与技术,提出了极弱胶结地层煤巷"双层锚固平衡拱结构",基于煤层厚度与巷道埋深,分类提出了极弱胶结地层煤巷支护技术方案,模拟验证了支护方案的合理性与可行性;基于围岩变形与支护结构受力实时监测及分析,动态掌握了极弱胶结地层煤巷围岩变形与支护结构受力状态,评价了支护效果与验证了支护方案的可行性。监测结果表明,切圆拱形断面煤巷成型较好、受力均匀,有利于巷道围岩的整体稳定,提高了煤巷开挖后的自稳与承载能力;锚网索联合支护技术方案有效地控制了极弱胶结地层煤巷围岩大变形与破坏,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

相邻亚关键层破断对采场来压的影响分析

采用具有2层亚关键层的采场矿压模型，通过力学分析，给出相邻亚关键层破断对采场来压步距影响的计算公式，并用具体算例及其数值模拟说明了相邻亚关键层破断与采场矿压所受影响间的相互关系．     

温度冲击下煤体裂隙结构演化的显微CT实验研究

为研究温度冲击下煤体裂隙结构演化特征,以期从微细观方面揭示煤体对温度的响应机制。采用SLX–80型高低温实验系统对原煤进行4种温差条件下的冷热冲击实验,利用工业显微CT系统对温度冲击前后的煤样进行扫描和裂隙结构的三维立体重建,基于VGStudio MAX图像分析系统建立煤样清晰的裂隙可视模型,并对煤体裂隙结构演化特征进行量化表征,运用非定常热应力理论分析温度冲击下的破煤机制。研究结果表明:温度冲击促使煤体内部裂隙扩展加宽,萌生新裂隙,裂隙体积、壁厚、表面积均与温差呈正相关关系,不同温差产生的热应力决定了煤样的损伤程度;温度冲击过程中产生了大量的声发射信号,声发射信号的产生主要集中在前600 s,且温差越大所产生的声发射能量越高;温度冲击所产生的最大热应力位于煤样表面的切向方向,热应力超过煤样抗拉强度是导致裂隙萌生、扩展和相互贯通的直接原因。研究结果可为煤层气高效开发和提高煤层瓦斯抽采率提供技术支撑。     

变形历程对破碎岩体水沙渗流特性影响试验研究

为研究破碎岩体变形历程对其水沙渗流特性的影响,设计了一套水沙渗透系统,在MTS816系列电液伺服岩石力学试验机上进行了配径碎岩在2种不同变形历程下的渗透试验。研究表明:破碎岩石变形历程对其水渗流特性无明显影响;破碎岩石的孔隙率在一定范围时,水沙渗流过程中,其孔隙率会由于滤沙作用而降低,导致渗透率降低;有蠕变经历的破碎岩石在水沙渗流过程中更易于过滤沙粒,滤沙量较大,而溃沙量较小;破碎岩体初始孔隙率相同时,水压梯度的增加会导致滤沙量减少,溃沙量增加。给出了一个描述破碎岩体初始孔隙率与水压梯度对滤沙量综合影响的表达式,为破碎岩体突水溃沙的风险预测评估提供指导。     

隔水关键层原理及其在保水采煤中的应用研究

既要防治煤矿突水灾害又要保护矿区水资源,实现保水采煤是绿色开采技术的核心内容之一．通过研究建立了保水采煤的隔水关键层矿压模型,同时提出了可用于指导开发保水采煤技术的隔水关键层原理．隔水关键层模型有3层含意,即软弱层岩性隔水、坚硬层结构隔水和裂隙通道弥合隔水．保水采煤原理可分解为4个步骤,即隔水关键层位置判别、结构稳定性判别与控制、渗流稳定性判别与控制以及渗流突变通道控制．保水采煤的隔水关键层原理在采场顶底板突水灾害防治中得到了成功应用．     

采动覆岩中关键层运动对围岩支承压力分布的影响

运用数值模拟方法,主要分析了关键层的破断、关键层相对位置及采深等对围岩支承压力的影响;同时,研究了采空区支承压力的分布规律.研究结果对采场围岩的控制提供了一定的理论依据.     

基于格子Boltzmann理论的弱胶结裂隙岩体水沙两相流特性

通过格子Boltzmann方法对裂隙岩体水沙两相流动规律进行理论分析,建立裂隙岩体水沙两相流动的格子Boltzmann模型,推导了水沙两相的基本守恒方程并建立了水沙两相流动系统的控制方程,基于浸入边界法,利用欧拉点和拉格朗日点处理水沙两相界面。通过数值模拟裂隙溃沙情况,分析了沙粒进入裂隙前后的流动形态,研究了颗粒粒径和裂隙宽度对溃沙速度的影响。借助单裂隙下的研究结果,建立上覆厚松散沙层矿井开采模型,分析裂隙发育下突水溃沙情况,发现在初始阶段,沙粒的溃入会堵塞裂隙,抑制裂隙的发育;随着水压的持续施加,大量水沙混合物开始涌入裂隙,岩体孔隙压力增大,导致裂隙迅速发育扩展,甚至会造成顶板垮落,加剧突水溃沙灾害。     

不同边界下的坚硬顶板极限承载分析及破断距确定

煤矿开采地质条件复杂以及不同煤层采煤方法的差异,导致采场顶板会有多种边界条件。在不同边界下,坚硬顶板的极限载荷和破断距必不相同。因此,建立5种不同边界(四边固支、三固一简、邻固邻简、对固对简及三简一固)下顶板的力学模型,利用塑性极限法求得各种边界下顶板极限载荷,分析得出极限载荷随k(推进距离与工作面长度比)的变化规律。顶板极限载荷在对边固支和对边简支边界下最大,四边固支边界次之,而在其他3种边界下接近相等。此外,以所求顶板极限载荷为基础,得到了各种边界条件下顶板的最小破断距,并采用数值试验方法进行了验证。     

综放工作面收作眼合理位置确定与稳定性分析

在停采线位置预掘收作眼，可大幅度提高综放工作面搬迁速度。由于受到工作面前方移动支承压力和基本顶周期来压的持续影响，收作眼的维护比一般回采巷道更困难。基于综放末采期间矿压显现和覆岩运动规律，通过相似模拟实验研究覆岩结构失稳对工作面前方巷道变形与破坏的影响，从而得到最佳的收作眼位置：采用岩石破裂过程分析软件RFPA^2D系统，对收作眼围岩稳定性进行了数值计算与分析，并对其支护设计方案进行了优选。研究成果应用于济三煤矿4303综放面，实现了采场与收作眼的安全对接和综放工作面的安全快速收尾，并根据井下实测数据，对收作眼的使用效果及其经济效益进行了评价。     

实时低温条件下露天矿饱和损伤煤系砂岩动态力学特性及其破坏机制

我国许多大型露天煤矿都地处新疆等西部高寒地区,低温环境下边坡岩体中的自由水发生冻结,对损伤岩体的宏微观结构将产生显著影响,使岩体的力学性能进一步劣化,进而诱发大规模滑坡等地质灾害。因此,开展含有初始损伤的饱和煤系岩石在低温条件下的动态力学特性及破坏机制研究,对寒区露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用实时低温分离式霍普金森压杆(LT-SHPB)试验系统,对含初始损伤的含水饱和露天煤系砂岩开展了低温冲击加载试验,并结合扫描电镜观测,对其动态力学特性及细观断裂机制进行了系统研究。研究结果表明：(1)随着冲击速度(强度)的提高,砂岩动态抗压强度、弹性模量及峰值应变均快速增大,表现出显著的冲击强化效应;同时,在固定冲击速度下,抗压强度与弹性模量随初始损伤呈逐渐减小的趋势,砂岩的损伤弱化特性显著,而峰值应变则表现出损伤强化特征;(2)冲击载荷作用下砂岩破坏程度随着初始损伤及冲击速度的增大逐渐提高,破坏形式呈现出由张拉破坏向粉碎性复合破坏的转化特征;(3)较常温环境,低温环境下含水饱和损伤砂岩发生显著的冻胀作用,细观上表现为砂岩内部缺陷尺度与缺陷数量增多,其为砂岩动态力学特性产生劣化的根本原...