采场围岩应力壳力学特征的岩性效应

应用计算机数值模拟结合现场实测,对软岩、中硬岩和硬岩采场围岩应力壳力学特征的岩性效应进行了分析和研究。研究表明：岩性变化对应力壳力学特征有显著影响,随岩性增强,应力壳高度降低,且由拱形壳向扁平壳转变;壳体内最大应力峰值和高应力集中范围逐渐增大并向工作面上隅角近场围岩和煤柱逼近,冲击性失稳的动力灾害危险性增大。岩性不同,工作面围岩的主要承载力系亦不同,软岩工作面最主要承载力系是围岩应力壳;中硬岩工作面,上覆岩层荷载由围岩应力壳和基本顶承载岩层共同承担;硬岩工作面,围岩应力壳与基本顶承载岩层重合在一起。随岩性增强,工作面围岩破坏场、位移场的分布范围和强度均减小。因此,根据工作面围岩固有的力学属性采取相应的措施,通过改善采场围岩应力分布,对缓和矿压显现实现安全开采有积极作用。     

采场围岩应力壳力学特征的工作面长度效应

应用计算机数值模拟并结合现场观测, 对不同工作面长度的采场围岩力学特征进行系统的分析和研究, 获得了采场围岩宏观应力壳力学特征的工作面长度效应.研究表明,工作面长度的变化对应力壳力学特征有显著影响.随工作面长度的加大,应力壳壳体应力在工作面前方煤壁边缘和巷道附近区域集中程度加大,壳体高度逐渐升高同时扁平率逐渐增大,工作面是三维应力壳的聚焦点;采场围岩的垂直位移变小,而水平位移增大.表明合理调整工作面长度可改善采场围岩宏观应力壳的动态平衡,对保护采场、减小矿山压力显现有积极作用.     

跨采底板大巷围岩应力演化特征及压裂卸压控制研究

针对跨采底板巷道变形大、难以维护难题,以祁南煤矿跨采东翼底板轨道运输大巷为工程背景,采用FLAC^3D数值模拟与现场实测相结合的方法,研究工作面跨采过程中底板巷道围岩应力场分布及煤层底板岩层破坏特征,确定合理的压裂层位与时机,分析不同压裂参数下巷道围岩应力转移规律,提出压裂卸压控制技术方案。研究结果表明：随着底板巷道与回采工作面水平距离的减小,巷道围岩应力集中程度与高应力区范围明显增大,导致巷道围岩变形加剧;压裂工作应在煤壁前方底板高应力区与巷道围岩高应力区贯通前完成;巷道上方粉砂岩作为主要承载和施载层,是压裂的关键层位;压裂卸压后,煤壁前方高应力区由巷道向压裂区转移,随着压裂区宽度增大,巷道两帮垂直应力峰值逐渐降低并趋于稳定;合理的压裂区范围为巷道左侧宽14 m、右侧宽10 m。现场工业性试验表明,岩层压裂卸压对跨采底板巷道围岩稳定性控制效果显著。     

充填开采采场球应力壳分布及演化规律研究

针对传统矿压理论中对采场承载体系的解析所存在的问题,本文提出采用球应力这一表征岩体三维应力及完整性状态的力学参量进行工作面围岩稳定性控制分析。基于充填采场上覆岩层结构及球应力分布的相互关系研究,认为采场围岩中存在对其稳定性起主控作用的球应力壳结构。采用FLAC3D数值软件建立了充填开采的全应变软化数值模型,模拟分析了充填开采采场球应力壳的空间分布形态及其随工作面推进的演化规律。研究表明:球应力壳由低球应力值的应力核区及核外区域所组成,球应力壳随工作面推进呈现阶段性时空演化特征,其趋稳过程历经上壳发展、上壳稳定、下壳发展及应力壳稳定4个阶段;工作面推进距离小于工作面长度时,球应力壳受开采进度影响明显,并且相对上壳而言下壳的发展具有明显的滞后性;顶底板塑性区的破坏范围与球应力核区域范围相同且随工作面的推进保持同步协调关系,扩展空间由下及上,破坏深度由表及里,破坏形式由拉及剪。     

采高对工作面及围岩应力壳的力学特征影响

以谢桥矿1151(3)综放工作面工程地质和开采技术条件为背景，应用实验室相似材料模拟和计算机数值模拟（FLAC3D），对不同煤层厚度采场围岩应力分布规律进行系统的分析和研究，获得了采场围岩宏观应力壳力学特点和变化规律，即随开采煤厚的增大，应力壳的几何高度增加，壳基应力降低，分布范围增大且离工作面煤壁越远；揭示了煤层厚度对该力学特征的影响和综放与综采工作面及围岩宏观应力壳力学特征的差异，也正是综放工作面矿压显现不同于综采工作面的根本所在. 表明合理调整开采厚度和采场结构可改善采场围岩宏观应力壳的动态平衡，对保护工作面、减小矿山压力影响和显现有积极作用.     

采动影响下底板岩体及巷道破坏时空演化特征分析

明确工作面底板采动应力分布规律,实现采动影响下底板岩体及巷道破坏程度的精准把握,能有效防止底板巷道的变形失稳。为此,根据极限平衡理论,构建煤岩体超前采动应力力学模型,获得支承压力扰动阶段和采空区卸压阶段底板岩体的力学分布规律,并基于压剪破坏准则及岩体卸荷损伤机制,得到底板岩体及巷道围岩破坏时空演化特征,进一步采用数值模拟进行可靠性验证。结果表明：采高增大,工作面前方煤体塑性区范围增大,超前支承压力集中系数减小;超前采动支承压力越大,底板岩体内主应力差越小,莫尔应力圆半径小,对底板的影响强度减弱,具体表现为底板岩体压剪破坏深度的减小;卸荷后底板岩体受力状态相同,岩体卸荷起点的增大,卸荷量增加,卸荷张拉破坏加剧,底板岩体塑性区呈“马鞍形”;推进过程中巷道围岩塑性区发生由“椭圆形”-“蝶形”-“竖直椭圆形”时空演化特征,采动支承应力越大,巷道破坏越严重,破坏主要集中在顶板及肩角位置。设计初采高度为3.5 m,通过布设光纤测试系统,得到采动过程中底板岩体及巷道随工作面推进变形与破坏的时空演化规律,测得底板岩体破坏深度最大为16.7 m,巷道围岩破坏深度最大为5.2 m,巷道围岩体在整个监测期间...     

采场围岩应力壳对破坏场的影响规律及应用

为获得高瓦斯工作面采动应力场对煤岩破坏导致渗透性变化的影响规律,进而指导瓦斯抽采的工程应用,采用计算机数值模拟对长壁工作面围岩应力壳分布及对破坏场的影响进行了研究和分析,获得了采场围岩应力壳对破坏场的影响规律。研究表明:长壁工作面围岩应力壳是煤层和围岩的破坏和裂隙发育的主控因素,破坏和裂隙一般发育在应力壳高应力集中带下方的卸压区内,在应力壳高应力集中带及其上方岩层破坏和裂隙并不发育;受应力壳壳基的影响,工作面煤壁前方、回风巷下帮及运输巷上帮煤体的破坏发育区域均分布在壳基内侧的低应力区内;高瓦斯低透气性煤层距工作面煤壁15 m内破坏和裂隙发育,此区域渗透性强,应加强煤层顺层钻孔的抽采力度。高抽巷、地面钻井及穿层钻孔的布置均应考虑应力壳的形态和破坏场的发育,钻孔抽采位置宜选择在应力壳下低应力区内。     

巷道围岩应力壳力学特征与工程实践

综合采用数值模拟、理论分析和现场观测,深入研究了巷道围岩力学特征及其对围岩稳定性的影响规律。研究发现,巷道开挖后围岩存在连续包络的高应力束组成的应力壳,巷道处于应力壳内的低应力区,巷道围岩矿压显现受控于应力壳的存在及其空间演化;巷道围岩应力壳的空间分布对巷道围岩稳定性有关键性影响,且存在"稳定"和"非稳定"两种形态,维护巷道围岩稳定性的实质是保证巷道围岩应力壳形态的稳定;通过科学的巷道布置和有效的支护手段"控制围岩最小变形",优化围岩应力壳形态是保证巷道围岩稳定性的关键所在。研究和工程实践均表明:巷道轴向与最大水平主应力方向平行时易维护,在于巷道围岩中易形成稳定态应力壳;两者垂直时巷道难于维护,在于巷道围岩中易形成非稳定态应力壳。揭示了最大水平主应力方向对巷道围岩稳定性影响的内在力学本质。     

开采扰动下底板巷道应力演化规律及围岩稳定性研究

为了研究开采扰动诱发底板瓦斯抽采巷围岩失稳问题,以龙凤煤矿5921底板瓦斯抽采巷为研究对象,采用数值模拟的方法分析了5921工作面开采过程中底板瓦斯抽采巷围岩应力演化过程及围岩变形破坏特征。研究结果表明：垂直应力在巷道跨度范围内随深度增加而增大,巷道位于工作面前方的位置,围岩应力分布特征大致相同,巷道位于采空区的部位,左帮岩体处于卸荷状态,而右帮岩体出现明显的应力集中现象;围岩变形在时空上相较工作面开采有一定的滞后,底板瓦斯抽采巷最大变形位置滞后于回采工作面10～30 m,工作面前方10 m范围内围岩变形呈增加趋势;底板瓦斯抽采巷位于采空区范围内的部位破坏以拉伸破坏为主,位于煤壁前方支承压力区的部位破坏则以拉伸-剪切组合破坏模式为主,巷道顶板垮落、底鼓的风险较大。     

采场底板应力分布与破坏规律研究

煤层开采后采空区四周形成不同程度的支承压力带,其中应力卸载与集中会向底板深部传递,进而影响到底板的破坏深度与范围。本文建立了综合考虑工作面走向与倾向受力特点的空间半无限体模型,推导出了底板垂直应力的迭代计算式,并采用数学软件 MATHCAD 计算出了不同深度处底板的应力分布情况,结果表明：底板各岩层垂直应力等值线呈椭圆形,浅部岩层等值线梯度较大,深部岩层等值线梯度较小。基于应力理论分析结果及Mohr-Coulomb准则计算出某矿底板最大破坏深度14.8 m,现场微震监测结果显示底板最大破坏深度15.2 m,两者相吻合。本文的研究成果可为围岩控制及承压水上安全采煤研究提供理论依据。     

综放采场宏观应力壳与关键层的联系

阐述了综放采场宏观应力壳的基本概念,初步探讨了宏观应力壳与关键层在结构上的宏观联系,分析了在综放开采条件下,宏观应力壳和关键层以及基本顶在承担上覆岩层荷载时各自不同的作用,强调了宏观应力壳是导致综放采场矿压规律不同于分层开采的主要原因。     

综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征

采用大型非线性三维计算机数值模拟、实验室相似材料模拟对综放工作面围岩应力分布进行了深入研究,发现综放工作面围岩存在高应力束组成的宏观应力壳,应力壳位于采场四周未采煤岩体和弯曲带内,其形态随工作面推进采场结构的变化而改变.应力壳承担并传递上覆岩体荷载和压力,是最主要的承载体,应力壳拱脚处应力形成采场四周围岩支承压力.砌体梁结构位于宏观应力壳下的减压带内,砌体梁仅承担壳体下岩层部分荷载.综放工作面主要力学特征是位于上覆围岩宏观应力壳保护下的低应力区内,这正是综放工作面矿压显现趋于缓和的根本原因.基于对应力壳体的发现和开展的一系列分析,揭示了综放采场顶煤“垫层”作用的力学本质.     

近距离膏体充填工作面采场底板应力分布与破坏规律研究

针对岱庄煤矿6351膏体充填工作面工程条件,工作面底板距下伏8300胶带大巷仅有20.32m,为保证矿山安全生产,采用数值模拟及现场实测等方法探究充填开采后底板的破坏发育特点,获取最大的底板破坏深度,为8300胶带大巷的稳定性分析奠定基础.结果表明:随着6351工作面的推进,采用充填开采后,底板裂隙贯穿带较小,6351...     

特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放开采时工作面易出现压架、临空巷道超前区域变形、破坏严重等强矿压显现问题,采用理论分析、物理模拟及现场实测等方法,建立了特厚煤层开采大空间采场岩层结构演化模型。结果表明：特厚煤层综放开采覆岩远、近场关键层运动都可能会对采场矿压产生影响,近场关键层为“竖O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构,远场关键层为“横O-X”破断的“砌体梁”结构模型。近场关键层结构主要影响工作面支架压力及其稳定性,近场关键层结构中,以“悬臂梁”结构破断运动的关键层层数越多,对支架安全越不利;远场关键层结构则主要对工作面临空侧巷道变形产生影响,其破断块体的回转运动对临空侧巷道围岩产生径向挤压作用,是造成巷道超前底臌的主要原因。据此开发了基于地面钻孔压裂与井下顶板预裂相结合的远、近场协同弱化的坚硬顶板预控技术,将有效降低岩层破断的能量释放和关键层结构失稳的压力传递,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

巨厚火成岩下采动应力演化规律与致灾机理研究

为确定海孜煤矿Ⅱ 102采区内煤与瓦斯突出灾害原因,综合分析了采区地质开采条件、突出点瓦斯地质特征及突出特征,采用UDEC软件模拟研究了均厚140 m火成岩下开采时的采动应力演化规律,从采动应力影响范围的角度解释了此次动力灾害的原因。研究结果表明：距煤层170 m的巨厚火成岩在累计采宽370 m时仍然不发生破断,导致采动应力影响范围增大至310 m,为不存在火成岩时的3倍;受火成岩影响,采空区边界外180 m处应力集中系数高达1.7,在此处进行Ⅱ 1026工作面机巷掘进时,采动应力成为煤与瓦斯突出的一个主要动力源。     

不同应力状态下底板岩体渗流特性分析研究

为研究煤层开采过程中底板渗透性变化规律,利用Rock Top多场耦合试验仪,采用稳态和瞬态2种方法测得不同应力作用下红砂岩渗透率,对红砂岩加载过程中内部裂纹发展变化规律及渗流特性进行分析,结果表明:对岩样进行应力差20 MP a等梯度加载,全应力-应变曲线呈台阶状,根据裂纹体积应变法确定应力-应变各阶段的应变阈值,可将...     

上保护层开采底板破坏深度和应力分析研究

上保护层开采导致的底板变形、应力释放会使被保护层内高瓦斯沿着上覆岩层内形成的空隙裂隙结构向上运移,很容易造成所采工作面采空区内瓦斯增加,造成工作面瓦斯超限。以峰峰集团以黄沙矿为研究实例,针对其主采的2号煤层利用FLAC3D模拟软件进行上保护层开采底板应力研究,揭示了上保护层开采底板应力的规律特性,对于保护层开采工作瓦斯治理具有一定的指导意义。     

大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理

特厚煤层开采形成的采场空间大,覆岩扰动范围广,采场顶板来压具有明显的大小周期来压及强矿压显现特点。大空间采场覆岩扰动层位多、岩层间作用机制复杂,顶板破断块体间的作用力及方向多变,导致大空间采场覆岩结构理论分析存在较大难度。为从理论上揭示特厚煤层大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理,在实测分析得到大空间采场覆岩结构特征基础上,基于能量变分原理建立了大空间采场覆岩结构力学模型,揭示了大空间采场覆岩结构的矿压作用机制;建立了大空间采场覆岩结构条件下的“煤体-支架”协同承载模型,得到了采场支架围岩的相互作用关系。研究表明,特厚煤层开采形成的大空间采场覆岩具有显著的“低-中-高”层位结构特征,是采场复杂矿压显现的直接诱因,“中-低”位顶板结构失稳形成采场大小周期来压,高位顶板结构的失稳联动是诱发大空间采场强矿压显现的主要因素;覆岩结构的失稳运动还受到采空区矸石支撑、顶板有效位能作用及高位顶板悬长等的制约,是采场来压强弱的重要影响因素;大空间采场条件下“煤体-支架”协同承载,所得理论研究成果与基于实测反演分析得到的支架围岩关系研究结论具有较好的一致性,验证了大空间采场覆岩结构理论的正确性。