柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究

针对几何形状特殊且为镶嵌结构的柱状节理岩体,为认识其各向异性力学特点和开挖卸荷下的破坏模式,首先在柱状节理玄武岩截面几何特征的现场调查统计和3类结构面的扫描电镜(SEM)分析基础上阐述柱状节理岩体在结构上的横观各向同性特点,然后通过垂直其柱体轴线方向和平行其柱体轴线方向的柱状节理岩体原位声波测试揭示柱状节理玄武岩的变形各向异性,进而通过不同取样方向岩芯的单轴压缩试验和现场岩块的点荷载试验阐明其强度各向异性特点,最后结合上述所获得的柱状节理玄武岩各向异性认识分析其开挖卸荷下的“结构–应力”控制型破坏模式及其结构劣化的具体表现形式,所得认识和结论对柱状节理岩体地层中地下洞室稳定性分析和支护设计具有参考意义。     

松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应及其应用研究

 结合祁东煤矿松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治问题,开展松散承压含水层水位变化与顶板来压联动效应的实测与实验研究。结果表明：松散承压含水层水位下降超前于工作面压架突水,且水位下降速度基本保持不变。水位下降幅度和下降速度与工作面来压强烈程度密切相关,水位下降幅度和下降速度越大,工作面来压越强烈,压架突水危险性越大。覆岩关键层的不同破断运动形态是导致水位变化与顶板来压存在上述联动效应的主要原因。当关键层逐层破断时,覆岩缓慢回转下沉,水位降幅和降速较小,不会发生压架突水灾害;而当关键层复合破断时,关键层结构易产生滑落失稳,短时间内大量采空体积传至基岩顶界面,水位出现大幅度快速下降,存在压架突水危险性。利用松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应,提出将水位下降速度作为预警指标对压架突水灾害进行预警的方法,并基于地下水动力学原理导出工作面压架突水时的水位降速临界预警值计算公式,指导祁东煤矿6130工作面压架突水灾害防治实践。     

考虑煤体非线性弹性力学行为的弹塑性本构模型

煤巷开挖时瞬间围岩即出现异常的、较大的弹性变形行为,难以用胡克定律解释。这表明即便是弹性变形阶段,煤体也表现出强烈的非线性行为。这是由于煤体与其他岩石相比,分布着大量的孔隙、裂隙、层理、割理等诸多类型的缺陷,具有更加明显的非均质性。首先分析了煤体的非线性弹性特征,而后给出了其非线性弹性力学行为的本构方程,并进行了数值编程,实现了可以考虑煤体非线性弹性阶段的弹塑性NLEPS本构模型,最后进行了有效的数值验证,并在大尺度的煤巷开挖中进行了应用可行性分析。计算结果表明基于NLEPS本构模型的计算结果更为准确地反映了煤层巷道开挖卸载诱发的围岩非线性变形行为。     

坚硬薄基岩浅埋煤层合理强制放顶距的确定

 在开采松散表土坚硬薄基岩浅埋煤层过程中,为避免发生压架、溃沙事故,现场常采取强制放顶的方法,但对于强制放顶距如何合理确定则显得理论依据不足。为此,结合凉水井煤矿首采工作面的实际条件,根据岩层控制理论,采用理论分析、数值模拟、现场观测的方法对合理强制放顶距进行研究。结果表明,在工作面推进距离距切眼20 m处,即介于基本顶周期来压步距和初次来压步距之间,进行顶板强制放顶能成功地避免初次来压,对支架影响较小,放顶效果良好,可以避免压架的发生。结论在现场试验中得到了验证。     

通风网络图的自动生成研究与实现

通风网络图的自动绘制是矿井通风仿真系统可视化的重要内容。本文在前人工作的基础上,提出了一套关于通风网络图自动绘制原则及绘制方法,并基于自主开发的GIS组件MineMap对通风网络图的完全自动生成进行了实现,生成以后无需人工修改就可以使用。     

基于能量释放率的不同赋存深度砂岩脆性指数研究

为建立表征不同赋存深度砂岩脆性指数,以布尔台矿不同赋存深度砂岩试样为研究对象,开展单轴压缩试验,针对不同赋存深度试样应力–应变曲线特征,从应力–应变正负相关性出发,构建不同赋存深度试样应力–应变曲线能量演化模型。基于能量释放率,建立满足不同赋存深度试样脆性指数,并进行理论验证。结果表明:不同赋存深度试样对应4种曲线形态,Ⅰ与Ⅳ类曲线位于最浅和最深赋存深度,分别为101.6~203.2和509.8~589.3 m,Ⅱ类曲线分布于各个深度,Ⅲ类曲线分布主要集中于406.4~589.3 m。不同赋存深度下不同曲线形态对应4种能量演化方式,总应变能整体呈"S"型曲线增长,弹性能演化曲线与应力–应变曲线相似,Ⅱ与Ⅲ类曲线的耗散能随应变增加呈台阶式增长,Ⅳ类曲线耗散能随应变增加呈"L"型增长,其中表面能和释放弹性能两者与塑性能随应变增加交替产生。脆性指数整体上随赋存深度的增加而增大,且与赋存深度呈二次函数关系,对应平均值分别为0.77,1.01,0.93,3.66,9.94,11.55,Ⅳ类曲线的最大能量释放率与脆性指数远大于其他3种曲线形态,平均值分别为555.27,30.98。同时,不同赋存深度砂岩脆性分区有较大差异,赋存深度为101.6,317.3 m时,砂岩层为弱脆性;赋存深度为203.24 m时,砂岩层为中脆性;赋存深度为406.42,589.35 m时,砂岩层为强脆性。     

煤炭开采引起的采空塌陷问题与对策

以山西省为例,研究了采空塌陷对环境破坏的表现形式,并在历年采空塌陷情况的调查基础上对未来的发展趋势作了预测,数据表明:采空塌陷对山西省环境的破坏已经非常严重,如果放任发展,到2020年采空塌陷面积将会占山西省面积的1/5.加强对采空塌陷的治理已经刻不容缓,从绿色采矿的角度给出了治理的建议和对策.     

煤储集层起裂强度和损伤强度的各向异性特征

综合采用裂纹体积应变法和声发射法分析了煤储集层起裂强度、损伤强度、破坏模式和声发射特征的各向异性特征。研究表明,煤储集层抗压强度、起裂强度和损伤强度均表现出明显的各向异性特征,抗压强度随层理倾角的增加而减小,但层理倾角为45°与90°时抗压强度相差不大,起裂和损伤强度均随层理倾角的增加先减小后增大,层理倾角为0°时起裂和损伤强度最高,90°时次之,45°时最低;层理倾角为0°时煤储集层破坏模式为大尺度破裂的稳步扩展,层理倾角为45°时部分为小尺度破裂稳步扩展,部分为大尺度破裂的突发式失稳扩展,层理倾角为90°时主要为小尺度破裂的突发式失稳破坏;与声发射计数相比,声发射能量更适合用来确定煤储集层的起裂和损伤强度。     

神东保德浅埋煤层覆岩裂隙带高度数值指标判别阈值及采高效应

覆岩裂隙带高度是研究覆岩变形破坏的重要指标,而现有单一指标无法反映空间采场围岩不同空间部位的破裂程度。本文以神东典型浅埋条件保德矿81505工作面为研究背景,基于室内实验对岩体破裂度进行了RFD阈值划分并构建相似模型和数值模型;基于围岩破坏度指标RFD提取了数值模拟中的最大破坏深度,并对比相似模拟结果研究了覆岩采动裂隙带发育高度规律及随采高的变化规律。结果表明,围岩破坏度指标RFD可以很好地评测神东典型浅埋条件下采动裂隙带的发育特征,裂隙带发育高度随采高的增大而持续增高,但增长速率逐渐减小。本研究为裂隙带分布破坏特征、矿压显现及安全开采提供理论支撑及技术依据。     

薄基岩厚松散层深部采场裂隙带几何特征及矿压分布的工作面效应

针对薄基岩厚松散层深部长工作面矿压显现规律状况,在压力拱假说、应力壳理论和普氏理论基础上建立采场裂隙带几何模型,推导出工作面覆岩裂隙带计算公式,结合数值模拟对几何模型及工作面覆岩裂隙带公式进行验证,并对工作面覆岩裂隙带高度及矿压显现程度的影响因素进行分析。结果表明:采场裂隙带几何模型较为合理,与采场上覆岩层裂隙带空间分布特征相一致;工作面覆岩裂隙带公式具有一定的适用性,可解释工作面方向上"抛物线"状的矿压显现规律;工作面覆岩裂隙带高度和矿压的比例系数最小值及变化率与工作面长度呈负相关,与采高及采深基本不相关;工作面覆岩裂隙带高度及矿压,强线性相关于采高、岩层硬度系数,弱相关于工作面长度和采深。