加载速率影响抗拉强度的机理及其数值验证

井下工作面由于推进速度的不同导致覆岩对顶板的加载速率不同,使得顶板岩层表现出不同的抗拉强度,因此加载速率影响岩石抗拉强度的机理对于掌握不同推进速度下的采场矿压显现规律至关重要。通过对覆岩运移规律的分析首先定义了2种加载速率,即外力加载速率和位移加载速率;然后通过室内岩石力学实验掌握了加载速率越大岩石抗拉强度越大的规律;接着使用弹性动力学方法和分子尺度的功能原理分别解释了外力加载速率和位移加载速率影响抗拉强度的作用机理;最后,通过ANSYS/LS-DYNA对不同加载速率下的巴西劈裂实验进行了瞬态动力学分析,进一步验证了加载速率对抗拉强度的作用效果。结果表明,外力加载速率不同时系统产生的惯性力不同,位移加载速率不同时,破坏时物体的动能也不同,最终使得不同加载速率下物体表现出不同的抗拉强度。     

某矿3021综采面顶板覆岩破坏特征研究

为了研究深井煤层开采顶板覆岩破坏规律,以山西某煤矿3021工作面为研究对象,对顶板覆岩破坏情况进行观测研究。研究表明,2号煤层开采过程中,顶板岩体破坏状态明显,其顶板岩体的裂隙发育成动态变化特征。采空区上方离层的顶板岩体首先发育,离层强度逐渐加大。工作面顶板垂直高度在9～22 m呈冒落状态,在25～30 m时表现为离层裂隙带特征。     

半胶结低强度覆岩破坏规律与切顶冒落预测

为确保伊犁一矿试采区安全回采及工作面顶板支护管理方式的正确选择,对其覆岩运动破坏规律进行研究。利用UDEC离散元软件进行煤层开挖数值模拟,分析煤层开挖过程中上覆岩层的运动破坏规律、顶板裂隙带高度发育规律,得出随裂隙带高度随工作面推进而增大,且当工作面推进一定距离时覆岩顶板出现台阶下沉和切顶冒落现象。研究成果为矿井顶板支护管理和安全生产提供了科学理论依据。     

不同工作面推进速率下上覆岩层运移规律分析

为了分析不同工作面推进速率下上覆岩层运移规律,采用相似模拟实验的方法,建立了相似模拟实验架和位移测点布置,以3种不同工作面推进速率,研究了模型开挖过程的跨落特征、不同工作面推进速率下顶板位移下沉量变化。研究得出,当工作面推进至48 cm时,上覆岩层顶板实际垮落垮落块为28 m;当工作面推进至70 cm时,上覆岩层顶板实际垮落垮落块为21 m;当工作面推进至100 cm时,上覆岩层实际垮落垮落块为29 m;工作面速率越快,围岩总体变形量小、基本顶受采动影响的程度越小。     

基于赵固二矿煤岩损伤程度范围确定及渗透率演化规律研究

我国东部矿区深埋薄基岩厚煤层的开采面临着许多技术难题。受工作面开挖卸荷效应的影响,覆岩将发生大变形非连续破坏,而上覆岩层的非线性破坏是导致厚冲积层中水沙涌入工作面的根本原因。为了确定煤层及覆岩的损伤程度范围以及渗透率的演化规律,采用现场实测与数值模拟手段,以超声波波速的分布规律定量表征煤壁的损伤程度范围,以覆岩塑性区的高度和体积表征覆岩的损伤程度范围,并对FLAC^3D的渗流模式进行二次开发,分析工作面推进过程中覆岩及采空区渗透率的演化规律。研究结果表明：煤壁的损伤范围与超前支承压力峰值范围一致,6～7 m;覆岩塑性区的高度以及损伤程度随着工作面推进距离的增大而增大,当工作面推进至130 m时,覆岩达到充分采动,塑性区形状呈“马鞍”形分布;隔水层未破坏前岩体的渗透率与垂直应力呈负指数分布,隔水层破坏后高渗透率区域呈明显的分区现象,采空区岩体的渗透率随着冒落矸石的逐渐压实而降低。通过覆岩高渗透率范围的分布确定水沙渗流的主要区域,为赵固二矿14030工作面顶板突水溃沙的防治提供理论依据。     

煤层顶板软硬覆岩沉陷变形特征及地下水的影响

通过模拟煤层顶板不同的软硬覆岩在煤层采空后的沉陷变形过程,探讨了不同岩体的力学性质及水理特性及其对固结沉降的影响.实验表明,软硬不同的岩体在固结沉陷过程中存在明显差异.软岩比硬岩更易变形,且软岩遇水后,抗压强度降低,固结变形速度和沉陷量增大.     

弯载下砂岩声发射特征值时间效应

为探索开采速度对采空区顶板破断特征影响的力学机制,设定不同加载速率,开展砂岩3点弯曲和声发射试验,研究砂岩弯曲折断过程的力学行为及其受加载速度影响的时间效应和折断前兆特征。结果表明,加载速率越快,砂岩显著初始损伤声发射发生的应力条件越高,积累的应变能越高;岩石折断前,前兆声发射时间长度与加载速率呈指数负相关,加载速度越快,前兆声发射时间越短,可预测性越差;加载速率与砂岩折断声发射峰值能量及破坏载荷呈指数正相关,与砂岩折断声发射峰值计数呈指数负相关,加载速度越快,岩石折断所需的破坏荷载越大,峰值声发射计数越少,一次性释放的能量越高。上述岩石弯曲声发射特征值是加载速率的函数,存在时间效应。从机理上解释了煤矿开采速度越高,顶板岩体动力灾害危险性相对越高,可预测性越差的原因。     

孤岛工作面围岩运移及冲击破坏数值模拟研究

针对孤岛工作面"T"型覆岩结构特征,采用数值模拟方法分析孤岛工作面回采过程中覆岩屈服破坏特征、应力分布规律,研究了孤岛工作面覆岩破断产生强冲击动载荷条件下巷道应力、加速度、位移以及变形速度的变化规律。结果表明:回采初期围岩塑性破坏主要集中在工作面顶板,回采后期覆岩的塑性区逐渐向上覆岩层发展,呈"弧形"对称分布形态;在矿震动载作用下,孤岛工作面巷道左、右帮变形量小于顶、底板变形量,巷道右帮和顶板的变形速度变化较大,且顶板的下沉量最大,左右两帮的垂直应力比顶底板的垂直应力大。研究得出的孤岛工作面覆岩运移、冲击破坏规律,可为工作面防冲工作提供理论指导,以制订针对性的防冲措施,确保工作面安全回采。     

采动覆岩隔水层稳定性力学模型及应用研究

为了研究覆岩隔水层的稳定性,预防煤矿顶板突水灾害,实现保水采煤,本文将单一岩层形成的顶板隔水层简化为地基上四边固支的薄板,考虑了隔水层以下破碎岩体对隔水层的支撑作用,根据能量法推导了其挠度以及应力表达式,得到了覆岩隔水层应力分布特性,求出了临界载荷随工作面推进距离的变化规律,并结合具体工程实例,利用数值模拟软件进行了覆岩隔水层稳定性分析。研究结果表明:1)煤层开采后,覆岩隔水层在长边边缘中间应力最大,容易发生破坏;2)破碎岩体的支撑作用对隔水层的稳定性具有重要的影响,煤层采厚越小,破碎岩体对覆岩隔水的支撑作用越强,隔水层越不容易破断。研究成果可为煤矿顶板防治水研究以及保水采煤实践提供一定的参考。     

变长工作面采场应力分布特征及切眼顶板控制研究

为了研究煤层开采过程中采场覆岩破坏对外切眼围岩应力影响及外切眼围岩控制方案,采用FLAC~(3D)软件对温庄煤业15202工作面推进不同距离时,运输巷(运顺)和外切眼支承应力、剪应力分布特征进行数值模拟,并从理论层面分析了不等长工作面力学效应与外切眼围岩活动的规律。结果表明:工作面推进长度直接影响外切眼覆岩应力分布,当工作面推进距外切眼"前帮"15 m处,采场及巷道围岩应力集中明显,顶板来压剧烈;工作面推进距外切眼"前帮"20 m处,应力数值波动范围较为稳定,外切眼距运顺30 m以外支架工作阻力较小,平均在23.15 MPa;工程试验证明外切眼围岩控制的有效性及合理性。     

基于覆岩损伤本构模型的高强度开采参数确定及减损效果评价

西部矿区属于生态本底脆弱的干旱半干旱地区,煤炭资源的高强度开采加剧了矿区生态环境破坏.通过选择合理的开采参数(采高、面长、推进速度)既能保证工作面回采效率,又能减弱煤层开采引起的覆岩变形破坏.为此,本文基于损伤力学构建采动岩体损伤的本构模型,定义了覆岩损伤度指标定量表征开采扰动覆岩三维空间损伤程度.以西部矿区上湾煤矿地...     

不规则采场应力分布特征的面长效应

为了研究煤层开采过程中采场覆岩破坏与超前应力之间的关系,采用FLAC3D软件对不同面长条件下采场前方支承压力与水平应力的分布特征和动态演化过程进行数值模拟,并从理论层面分析了不等长工作面力学效应与岩层活动存在的规律。结果表明:工作面推进长度直接影响采场前方的应力分布,当工作面推进到"见方"期或推进距离是工作面斜长的整数倍位置时,应力急剧增大;采场覆岩的变形与破坏是水平应力和支承压力共同作用的结果;不规则工作面推进过程中,在对接面前后20~30 m的范围内应力过度集中,数值波动较大;等长工作面在顶板管理与围岩控制效果方面较不等长工作面有着明显优势。工程实例验证了结论的可靠性。     

薄基岩工作面开采物理相似模拟研究

对某煤矿薄基岩工作面取样,进行覆岩岩性分析及岩石物理力学参数测试,同时对顶板覆岩结构做钻孔窥视分析,以此来研究薄基岩回采巷道的稳定性影响因素;通过物理相似模拟试验,研究薄基岩工作面开采过程中覆岩移动破坏规律,得出薄基岩区域工作面覆岩岩层整体性差,覆岩垮落类似于整体弯曲下沉,覆岩悬而不落。该矿21406工作面薄基层覆岩垮落高度约为正常基岩的2.1倍,21203工作面薄基岩覆岩垮落高度约为正常基岩的1.8倍。该结论可为该矿薄基岩工作面岩层控制提供指导。     

S矿区采动覆岩破坏的实例研究

煤矿地下开采造成水资源的破坏和污染,为了保护S矿区地表水资源和保证安全开采,在分析了该矿区覆岩工程地质特征的基础上,根据该矿区岩层柱状图,建立了煤层覆岩的力学模型,利用FLAC软件计算了煤层开采工作面推进到不同距离时覆岩的应力场,绘出了覆岩塑性区分布图,分析了薄基岩厚松散层下开采煤层时覆岩的应力特征和破坏高度,得出在煤壁和开切眼处覆岩以剪切破坏为主,而采空区上部以拉伸破坏为主;随着工作面的推进,覆岩破坏波及到第四系底部;进一步分析第四系底部粘土层的物理力学性质,得出该粘土层有良好的隔水性,指出工作面可以安全开采,并得到工程验证。     

S矿区采动覆岩破坏的实例研究

煤矿地下开采造成水资源的破坏和污染,为了保护S矿区地表水资源和保证安全开采,在分析了该矿区覆岩工程地质特征的基础上,根据该矿区岩层柱状图,建立了煤层覆岩的力学模型,利用FLAC软件计算了煤层开采工作面推进到不同距离时覆岩的应力场,绘出了覆岩塑性区分布图,分析了薄基岩厚松散层下开采煤层时覆岩的应力特征和破坏高度,得出在煤壁和开切眼处覆岩以剪切破坏为主,而采空区上部以拉伸破坏为主;随着工作面的推进,覆岩破坏波及到第四系底部;进一步分析第四系底部粘土层的物理力学性质,得出该粘土层有良好的隔水性,指出工作面可以安全开采,并得到工程验证。     

6.0 m大采高厚硬顶板工作面强矿压特征

针对大采高工作面覆岩顶板运移规律及工作面矿压显现强烈的问题,通过理论推导、UDEC数值模拟与现场调研的方法,分析了小保当煤矿6.0 m大采高厚硬顶板工作面推进过程中煤层顶板覆岩破断形式、垂直应力分布特征及变化规律。研究了小保当一号煤矿112207工作面顶板覆岩压力的分布规律,并通过数值模拟分析得出综采工作面煤壁支撑影响区、顶板离层区、后方压实区的范围。研究结果表明：随着工作面的不断推进,厚硬顶板形成“砌体梁”结构,形成覆岩“F”型悬顶,对煤壁前方产生高应力、大范围的超前支承压力区,通过理论计算结合数值模拟,并综合现场实际观测结果得到：工作面煤壁支撑影响区为工作面前方约70 m内;顶板离层区为工作面后方约50 m内;后方压实区为工作面后方50 m之后;对厚硬顶板综采工作面进行矿压显现分析,研究结果可为矿山安全高效生产提供重要参考。     

综采工作面下分层开采覆岩变形特征

为研究综采工作面下分层开采时顶板岩层的破坏规律及工作面覆岩垮落规律,鹿洼煤矿以13下05工作面为原型,对综采工作面下分层开采时煤层顶板的垮落高度、垮落步距及压力分布进行了相似材料模拟。结果表明,在下分层开采过程中,上覆岩层基本上随采随冒,当工作面推进至68m时,上覆岩层已受到上部已采工作面跨落岩层的影响,开挖至90 cm(相当于工作面推进90m),跨落高度已与上部已采工作面岩层贯通。     

钻孔测井技术探测覆岩结构及其关键层判识

关键层对采场覆岩运动起主要控制作用,其破断对工作面矿压显现有较大影响。为了探测工作面顶板覆岩结构并判别覆岩运动中的关键层,基于随钻测振数据与岩石强度耦合关系,在山寨煤矿井下有代表性位置采用钻孔取芯、钻孔窥视、随钻测振3者相结合的方法,通过钻孔窥视和岩样力学试验得到岩石岩性及其强度的精准探测结果,并对钻杆的振动能量与岩石强度进行拟合分析,建立了相关岩体结构识别模型,最终对覆岩中的关键层进行判别。结果表明:岩石静、动弹性模量以及抗压强度3种力学参数都分别与测振能量呈正相关关系,由此可应用KSPB软件对煤层顶板覆岩进行关键层精准判别。     

钻孔测井技术探测覆岩结构及其关键层判识

关键层对采场覆岩运动起主要控制作用,其破断对工作面矿压显现有较大影响。为了探测工作面顶板覆岩结构并判别覆岩运动中的关键层,基于随钻测振数据与岩石强度耦合关系,在山寨煤矿井下有代表性位置采用钻孔取芯、钻孔窥视、随钻测振3者相结合的方法,通过钻孔窥视和岩样力学试验得到岩石岩性及其强度的精准探测结果,并对钻杆的振动能量与岩石强度进行拟合分析,建立了相关岩体结构识别模型,最终对覆岩中的关键层进行判别。结果表明：岩石静、动弹性模量以及抗压强度3种力学参数都分别与测振能量呈正相关关系,由此可应用KSPB软件对煤层顶板覆岩进行关键层精准判别。     

综放开采覆岩结构破坏与裂隙演化的数值分析

为了研究五阳煤矿综放开采条件下的覆岩与地表移动、变形和破坏规律,在现场地表观测的基础上,将地表变形看作是一个采空区上方岩体不断破碎断裂发展的过程,运用离散元软件建立了一个非连续介质模型,从岩体内部结构演化角度研究了开采模式和开采速率对覆岩结构演化及地表变形的影响规律.模拟结果与现场观测基本一致,研究表明开采速度提高主要引起开采过程中顶板结构面发育不充分,覆岩整体承载能力降低,地表变形速率增加,对地表建筑物危害加大.采高的增加则会使覆岩结构发育范围和程度明显增大,地表变形更剧烈,范围更广.