切顶成巷碎石帮泥岩碎胀特性及侧压力分析

切顶卸压自成巷是一种新型的无煤柱开采方法,形成的工作面顺槽采空区侧为碎胀岩体堆积而成的碎石帮,碎石帮岩体碎胀特性及碎石挤压产生的侧压力大小直接影响巷道稳定.以哈拉沟煤矿切顶卸压自成巷垮落泥岩顶板碎石帮为研究对象,分析了自成巷碎石帮垮落、压实和稳定3阶段的工程特性.结合工程实际,确定了碎胀系数现场实测的方法,提出了瞬时碎胀系数和稳定碎胀系数的计算方法.根据切顶卸压自成巷围岩结构特征建立了碎石帮力学模型,确定了碎石帮侧向压力计算公式及碎胀系数、覆岩压力、采高与碎石帮侧向压力的关系.通过实测哈拉沟煤矿12201工作面切顶卸压自成巷顶板泥岩的碎胀系数和碎石帮侧向压力,验证了理论计算结果的可靠性.     

厚及特厚煤层工作面顶板垮落高度的确定

采用理论分析、数值计算、相似模拟以及现场实测相结合的方法,分析了厚及特厚煤层工作面采空区顶板垮落高度.研究表明,关键层理论计算分析适用于岩性坚硬、结构完整的顶板条件;考虑顶板挠曲与矸石碎胀影响的采空区顶板垮落高度计算方法具有一定的普适性,得到了影响采空区顶板垮落高度的因素为煤层开采高度、顶板破断块体碎胀系数以及顶板分层极限挠曲变形量;2种理论分析结果给出大同矿区同忻煤矿8105工作面采空区坚硬顶板的垮落高度分别在143m与76~141m,实测得到的顶板垮落高度为80~120m,理论值与实测值基本一致,验证了2种理论分析方法的正确性.     

浅埋近距间隔式采空区顶板“双拱桥”结构稳定性研究

浅埋近距离煤层群上煤层顶板结构失稳特征是下煤层开采工作面动压防控的关键.采用砌体梁理论和UDEC数值模拟相结合的研究方法对南梁煤矿20107工作面间隔式采空区顶板"双拱桥"结构稳定性进行了研究.结果表明:临时煤柱的蠕变失稳诱发间隔式采空区基本顶垮落可视作"W型砌体梁+双拱桥"结构的覆岩承载模型.在"砌体梁理论"的基础上分析了间隔式采空区基本顶断裂岩块回转触矸后形成"双拱桥"结构的稳定性.随着煤柱支撑能力衰减或上覆载荷发生异变时,非对称应力斜拱平衡结构将产生失稳.数值模拟分析了间隔式采空区顶板"双拱桥"结构应力分布特征,得出了墩柱体在底板中应力传递规律,墩柱宽度减小,"双拱桥"结构非对称应力斜拱拱高降低,拱顶向墩柱侧转移的变化特征,划分了浅埋间隔式采空区下开采时顶板动力灾害防控区域.模拟了下煤层开采过上煤层间隔式采空区顶板"双拱桥"结构时覆岩垮落特征,得出了浅埋间隔式采空区下开采工作面出隔离煤柱5 m时,易发生动载矿压.研究结果为下煤层开采工作面顶板动压防控提供理论指导.     

综放面采空区矿压特征与漏风形态

分析了综采放顶煤工作面采空区岩体碎胀特征，着重讨论了采空区内各分区漏风形态和范围以及由此引起的遗煤自燃特性和上隅角瓦斯超限问题。     

基于采空区压实理论的采动响应反演

基于采空区压实理论,对FLAC3D中的双屈服本构模型进行二次开发,对采空区的垂直应力、弹性模量等力学参数进行了较为严格的理论修正,较精确地求得垮落带岩体的应力-应变关系,进而获得采空区及围岩对采动的真实响应,并与理论求解进行了比较,验证了采空区压实理论及其算法的可行性.在此基础上,结合现场实测,成功的反演了地表下沉和支承压力等采动响应.研究成果在12322工作面得到成功应用,使其多回收煤炭9万t,采出率提高13%,产生直接经济效益3 200万元.     

基于采空区压实效应的工作面开采全过程模拟

为探究孤岛工作面开采时覆岩破断、运移和矿压显现规律,利用FLAC~(3D) Fish语言开发了数值算法,基于采空区压实理论和双屈服模型,提出一种孤岛工作面推进过程中覆岩破断演化、垮落带岩体的压实效应和采动静载、动载响应数值模拟方法.采用该方法对朝阳煤矿3108孤岛工作面采动全过程及其动静载演化机制进行了数值模拟,所得结果与现场实际具有较好的一致性.结果表明:由于两侧采空区工作面长度较小(70 m),开采后覆岩垮落不充分,垮落带和裂隙带演化高度有限,约为30.98和66.91 m;动载主要来源于顶板破断释放能量,震源和覆岩裂隙带演化的最大高度基本一致,其震源包络线与裂隙带的发育范围吻合度较高.     

新增建筑荷载与下伏煤矿采空区相互作用规律研究

采空区在新增建(构)筑物作用下有可能发生"活化"变形,危及建筑物安全。为研究采空区建筑物地基的受力和变形特性,以晋城某采空区为例,采用FLAC~(3D)数值软件对采空区建筑物地基受新增荷载后的应力分布及沉降规律进行了研究。结果表明:开采前岩体应力基本随岩层深度线性变化,开采后岩体应力发生了复杂的应力重分布;在采空区中部及内外边缘处,地基沉降倾斜值、沉降差及曲率呈现不同变化特征;岩土层的附加应力与自重应力的比值越小,建筑荷载的影响深度越大;煤层采深采厚比越大,采空区对地表的影响作用越小;在采空区地基处理中,注浆充填是一种行之有效的治理手段。采空区的存在对新增建筑地基稳定性造成了不同程度的影响,在新增建筑荷载影响深度触及到采空区垮落裂缝带高度时,需对采空区进行加固处理,以确保建筑物的安全。     

新集二矿巨厚砂岩顶板覆岩应力位移场数值模拟

采空区覆岩“三带”形成、发展与其应力位移分布密切相关.本文以新集二矿1煤210108工作面采空区巨厚砂岩顶板为研究对象,采用数值模拟方法分析采空区覆岩应力位移场分布,结果可为采空区覆岩破坏及“三带”分布分析提供依据.     

基于地表点下沉阶段特征的覆岩裂隙带高度演化

煤炭开采引起覆岩破断及地表下沉,覆岩及地表运移规律可反映裂隙带高度的动态演化过程,因地表下沉滞后于煤炭开采,采空区封闭后,长期压实作用导致裂隙带高度较采动期间有所降低.基于地表点下沉速度的阶段特征将裂隙带高度的演化全程分为2个阶段,第1阶段裂隙带发育对应岩层破断逐步向上传递的过程,第2阶段裂隙带高度降低对应离层及裂隙闭合、断裂岩层受压后变形回弹及破碎岩体自然压实的过程,针对不同阶段裂隙带高度演化开展了试验研究和理论推导,揭示了不同阶段裂隙带高度的演化特征及影响机制,并结合同忻煤矿和太平煤矿实测结果进行了验证.研究结果表明,关键层的控制作用使得裂隙带高度阶段性增长,关键层最终破断层位及其上方部分岩层的岩性特征决定了第1阶段裂隙带发育高度,第2阶段裂隙带高度由第1阶段结束时裂隙带高度及垮落带高度、不同状态下的垮落带碎胀系数及地表动态下沉结束后的下沉量决定.研究可为废弃采空区卸压瓦斯地面抽采钻井结构设计及煤矿地下水库极限库容计算提供参考.     

浅埋煤层重复采动覆岩裂隙及漏风通道演化模拟研究

为了研究浅埋藏近距离煤层群重复采动下地表漏风对采空区煤自燃的影响,利用FLAC~(3D)数值模拟软件,对神东矿区补连塔矿回采不同阶段覆岩孔隙率的发育规律、塑性区分布以及覆岩垮落高度进行模拟分析。结果表明:(1)上煤层回采完毕后,覆岩裂隙发育呈"U"形分布,最大裂隙高度达130 m,尚未通达地表;下煤层回采完毕后,覆岩最大裂隙高度达162 m,贯通地表。(2)上煤层回采完毕后,覆岩在上煤层上方62 m处发生明显离层,离层区下方覆岩下沉高度1.75~4 m,离层区至上覆岩层下沉高度0.25~1 m;下煤层回采完毕后,离层区进一步发育,离层区下煤层采空区顶板垮落,上煤层采空区岩体进一步沉陷,最大下沉高度达7 m,离层区至上覆岩层下沉高度1~2 m。(3)在回采同一阶段,同一高度覆岩孔隙率变化率两侧大于中部;下煤层的回采使上煤层覆岩孔隙进一步发育,孔隙率变化率明显增大。     

下分层综放工作面上覆岩层结构特征

我国综放开采技术是在分层综采技术的基础上发展起来的,对于一直采用分层综采的一些大型厚煤层生产矿井,面临着顶分层采后下分层综放开采技术问题,这个问题与一次采全厚整层综放开采矿压显现有所不同.下分层综放开采时,二次垮落的直接顶岩层碎胀系数较小,垮落带高度与采高的比值将增加,造成顶分层开采时下位老顶岩层垮落后转化为规则垮落带,成为下分层综放工作面的上位直接顶,促使下分层综放工作面的老顶“砌体梁”式平衡结构向更高层位岩层发展.上位直接顶岩块强度较高、块度较大,容易形成“岩-矸”半拱式平衡结构.该结构的周期性失稳和垮落,造成采场出现小的周期来压现象;而“砌体梁”平衡结构的周期性失稳和垮落,将导致采场出现大的周期来压现象.     

覆岩宏观支撑结构演化过程与特征

针对近水平煤层开采采场覆岩支撑结构的宏观特征,构建了覆岩宏观支撑结构的板-壳组合演化模型,分析了覆岩宏观支撑结构的形成-演化过程及其基本特征,在此基础上建立梁-拱力学模型,得到了覆岩宏观支撑结构中壳体形态、关键层悬露长度以及"充分采动"时采空区几何特征的计算方程.结果表明:近水平煤层开采采场覆岩宏观支撑结构的演化过程主要表现为倾向巷道→见方→走向巷道.在关键层影响下,覆岩宏观支撑结构整体呈现为板-壳组合的阶梯状结构,水平剖面形态为圆角矩形,倾向和走向剖面形态为梁-拱组合.如在采空区见方之前关键层已破断垮落,则在采空区见方时会伴随产生覆岩裂隙带高度、煤壁支承压力达最大值等"充分采动"现象;如在采空区见方时关键层未破断垮落,则在工作面推进距离与工作面长度之比为1～3时,也可能出现"充分采动"现象.研究结果得到了杨柳煤矿10414工作面实测数据的验证.     

考虑剪切滑移效应时节理岩体中剪切S波的传播特性探析

基于一种优化时域算法,考虑岩石节理面剪切滑移效应,对弹性剪切S波在岩石节理中的传播特性进行理论分析.通过建立节理面剪切滑移理论模型,推导并获得了剪切S波斜入射岩体节理时波的传播方程,并对剪切S波斜入射岩石节理面时的数值解进行了参数研究.结果表明,在研究节理的剪切滑移效应对应力波传播规律的影响时,该时域方法避免了复杂的数学运算,如傅立叶变换和傅立叶逆变换,通过迭代计算即可方便求出透射波和反射波的数值解;参数研究表明节理面剪切滑移效应影响着波的传播规律以及能量的变化规律.在工程实际问题分析时,本文的理论模型可更有效的应用于岩体中应力波传播特性方面的研究.     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析。分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响。研究结果表明：剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化。     

神东矿区浅埋煤层开采覆岩移动与裂隙分布特征

以神东矿区3类典型的煤层赋存条件为主要研究对象,采用实验室相似材料和计算机数值模拟的方法,分析了浅埋煤层长壁开采覆岩移动与裂隙在水平方向和垂直方向的扩展与分布的动态演变特征.研究表明,随工作面的推进,覆岩会出现与地表同步垮落现象;工作面推进越快,裂隙扩展的时间越短,裂隙闭合也越快;覆岩强风化带的存在,有利于消解部分采动裂隙.     

建筑物载荷作用下采动残余空隙区变形机理与探测分析

为了分析建筑物载荷作用下采动残余空隙区失稳机理,建立了采动残余空隙区覆岩结构稳定条件。分析结果表明:建筑物附加应力作用下采动残余空隙区岩块的下滑力增大,而抗滑力基本不变,岩块容易表现出滑落压密下沉。结合义马某矿采动塌陷区地表建筑损坏情况,采用高密度电阻率层析成像技术,确定了采动残余空隙区的分布范围,通过计算残余空隙区附加应力值,分析了造成建筑物不同损害程度的原因。采动残余空隙区失稳机理及探测数据表明:采动残余变形与所受附加应力的大小相关,附加应力随埋深增加而递减,采动残余空隙的分布深度及承受的建筑物附加应力值是判断其是否再次失稳的依据。     

下分层综放工作面上覆岩层结构特征

我国综放开采技术是在分层综采技术的基础上发展起来的,对于一直采用分层综采的一些大型厚煤层生产矿井,面临着顶分层采后下分层综放开采技术问题,这个问题与一．次采全厚整层综放开采矿压显现有所不同．下分层综放开采时,二次垮落的直接顶岩层碎胀系数较小,垮落带高度与采高的比值将增加,造成顶分层开采时下位老顶岩层垮落后转化为规则垮落带,成为下分层综放工作面的上位直接顶,促使下分层综放工作面的老顶“砌体梁”式平衡结构向更高层位岩层发展．上位直接顶岩块强度较高、块度较大,容易形成“岩-矸”半拱式平衡结构．该结构的周期性失稳和垮落,造成采场出现小的周期来压现象;而“砌体梁”平衡结构的周期性失稳和垮落,将导致采场出现大的周期来压现象．     

固体充填体压实特征下岩层移动规律研究

基于充填材料压实特性试验,结合具体工程实例,推导出充填体弹性模量与垂直应变之间的关系,利用FLAC3D软件内置FISH语言,编制相应的充填体非线性压实程序,准确地模拟矸石充填采空区后上覆岩层移动规律.研究结果表明:充填采煤工作面顶板下沉量随着工作面的推进而逐渐增大,整体以缓慢弯曲下沉为主,没有出现激增的现象;超前支撑应力分布与垮落法开采相似,其超前支承应力峰值及影响范围均要比垮落法开采低;矸石充填体内部应力呈现"拱形"分布,随着工作面的推进,矸石充填体内部应力逐步升高,增幅逐渐减小.现场实测数据与数值模拟结果基本吻合,验证了研究成果的科学性.     

岩石介质的分形空隙模型及其维数解析

为了探讨岩石介质的空隙结构及分布机理,从分形几何学的角度建立了一种更接近实际情况的岩石介质空隙结构的统计自相似分形模型,并通过随机破碎个数与自相似比的数学期望,给出了岩石介质中空隙分布的分形自相似维数的计算公式.讨论了岩石初始结构的分布维数与破碎后块度的分布维数之间的关系及其意义,为岩石初始结构的探讨和破碎机理的研究奠定了理论基础.     

基于角位移临界值的顶板裂隙带高度研究

项板导水裂隙带是煤层顶板水进入工作面的重要通道．根据工作面采空区的空间形态和超限应力、有限空间的特点,采用岩层角位移临界值为判据,得出了导水裂隙带高度计算公式,并且将理论计算值与任楼煤矿实测数据进行了对比,验证了该公式正确可靠．通过该公式分析表明：采高与导水裂隙带高度的线性相关、碎胀系数、角位移值临界值越小,导水裂隙带高度越大,其中采高和碎胀系数权重较大．