掘进煤巷应力仿真和延时煤与瓦斯突出机理研究

掘进煤巷工作面应力“三带”分布对延时突出起着关键作用．采用岩石破裂过程RFPA^2D分析软件数字仿真了煤巷掘进工作面应力状态及“三带”分布范围，分析了渗透力对瓦斯突出的作用．结果表明：充分卸压带为2m，部分卸压带为2～6m，集中应力带为6～18m．由于掘进工作面煤层应变软化，卸压带宽度随时间延长而展宽；当煤体水平承载能力小于水平载荷时，煤体脱离，在重力作用下冒落、掉渣．此时水平载荷转移到深部煤体，使处于临界状态的深部煤层破坏．这是一个正反馈的加速过程，最后水平载荷形成应力破坏波，造成煤体的快速拉裂破坏，形成煤与瓦斯突出．     

“三软”煤层综放开采避开动压沿空留巷方法及应用

为实施"三软"煤层综放面沿空留巷,掌握留巷围岩结构和矿压变化规律,以新登煤矿31061综放面为研究对象,研究采空区侧向覆岩结构和应力分布,综放面后方沿空留巷变形和顶板压力分阶段变化规律,提出了避开动压沿空留巷方法,并在现场进行了工业试验。研究表明:(1)31061采空区侧向煤壁变形量大,应力降低区范围大,应力集中影响范围达到煤体内部30 m。(2)留巷矿压显现分为3个阶段。工作面后方30~40 m为巷道加速变形阶段,从工作面后方5 m留巷变形速度持续增加,但顶板压力升高较慢;工作面后方40~70 m为变形持续阶段,此阶段巷道变形速度保持稳定,顶板压力快速升高,临时支架产生变形破坏;工作面后方70 m以后为变形稳定阶段,此阶段变形速度明显降低,顶板压力趋于稳定。(3)避开动压沿空留巷方法是利用临时支护使留巷度过动压影响阶段,允许巷道有较大变形量,在工作面后方一定距离处对留巷进行扩修和加固。实践表明,该方法具有成本低、工艺简单、留巷后期稳定性好、留巷施工与采面生产互不干扰等优点,在条件适合的矿区值得推广。     

基于设计地震动的地震波斜入射波动输入研究

为建立反映地表非一致性运动的地震动场、建立斜入射地震波与设计地震动之间的联系,将地表设计地震动分量看作斜入射的SV波和P波的叠加,根据固体介质中波的传播理论推导了斜入射SV波和P波时程与设计地震动分量的关系,结合粘弹性人工边界,得到了反映设计地震动的地震波斜入射条件下的解析方式,以此为基础建立了时域计算分析模型.半空间算例验证了该方法具有较好的精度,地表面各点的运动具有非一致特征.为计算大跨度结构非均匀地震动输入情况下的动力响应提供了一种有效的方法.     

顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究

采用模拟试验方法研究了顶板岩层对煤体应力状态的影响,并根据震动能量对煤体的破坏效应和在岩体中的传播衰减规律,从能量角度分析了煤层上方不同厚度和强度的顶板岩层对煤体冲击的影响程度.结果表明,顶板释放的能量与岩层强度呈对数关系、与顶板厚度呈指数关系,坚硬、厚层顶板岩层会对煤体产生更为强烈的扰动,使冲击矿压危险性明显升高.另外,具有一定厚度和强度且距离煤层较近的老顶岩层运动产生的冲击载荷对煤体的影响作用较大.某矿一个工作面的冲击矿压防治工程实践表明,对该煤层上方的顶板岩层实施爆破弱化处理技术措施后,可有效降低工作面回采过程中的冲击危险性.     

受载煤体变形破裂表面电位效应及其机理的研究

矿井煤岩动力灾害如煤与瓦斯突出、冲击地压等是井下煤岩体在地应力作用下快速断裂破坏而引起的,在这些过程中会伴随有多种地球物理信号产生,对煤岩灾变伴生地球物理信号特征规律的研究,对于预测矿山灾害危险,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文对受载煤体表面电位效应、规律、影响因素及其产生机理等方面进行了系统的研究.全文的主要成果及创新点如下:1)揭示了煤体在单轴压缩、拉伸、三点弯曲等不同加载方式下的表面电位特征及规律,发现煤体在不同受载破坏条件下都能够产生表面电位,并且表面电位与载荷及载荷变化率有较好的相关性,二者之间的相关系数在0.6～0.9以上;研究表明受载破坏煤体的内部电位与表面电位变化趋势基本一致,煤体内部电位在试件无宏观破裂时对载荷变化的反映比表面电位更显著和敏感.2)深入研究了不同因素(煤体电性参数、加载速率、水分等)对煤体表面电位的影响.结果表明:a.煤体受载时电阻率减小,电场在煤体中的损耗增加,对表面电位有削弱作用;b.煤体表面电位的产生与加载速率(即煤体结构损伤速率)有着直接的关系,加载速率越大,表面电位信号则越强;c.煤体中水分对表面电位有较大的影响,在较低应力水平(7%～21%σmax)下就会出现表面电位的峰值.3)对表面电位信号进行了R/S统计分析,其Hurst指数均大于0.5,煤体破坏过程中产生的表面电位信号与时间(载荷)之间呈现正相关性,即随煤体破坏电位信号在时间上呈增强趋势.4)受载煤体表面的应变场分布具有非均匀性和各向异性特征,煤体表面的电位场分布随加载过程而不断变化;表面电位集中点的连线与试样破裂面位置吻合较好,破坏时刻高电位点与低电位点以破裂面基本对称.5)煤体破裂是其中缺陷、裂隙在应力作用下分叉扩展、汇合、贯通的结果,煤体受载过程中裂隙面的摩擦起电作用、新生裂隙扩展壁面电荷分离等产生的自由电子为表面电位提供电荷源;基于损伤力学、电磁动力学等理论建立了有限边界煤体表面电位的统计损伤计算模型U(P)σ,并且建立了煤体破坏自由电荷累积与煤体本构关系之间的联系.6)现场测试结果表明:表面电位在时间上与周期来压同步,在空间上与工作面前方煤体应力场分布基本一致并随工作面推进同步前移;煤体表面电位对采掘空间电磁噪音的抗干扰能力较强,而煤层注水对其影响较大,现场测试中应避开.对表面电位的深入研究可望为评定矿山煤体应力状态及其稳定性、监测预报煤岩动力灾害提供一种新的方法和手段.     

震源深度对地震动方向性特征的影响

为了定量分析地震震源深度对近断层地震动及其在地表的空间展布特征的影响,本文采用一个典型的走滑地震震源模型,基于离散波数有限元方法计算了5种不同震源深度工况下的地震动及其分布场,对地震动幅值、频谱和持时的方向性特征进行分析,结果表明：随着震源深度的增加,地震动的幅值降低,并且在破裂前方和破裂后方存在明显差异;震源深度不同,地震动的空间分布特征也不同;在地震动场中存在一个明显受到方向性效应影响和控制的区域,此区域的位置和面积随着震源深度变化而改变;在地震工程中预测地震动时,特别是当工程中需要考虑地震的近场效应时,震源深度参数是一个不可忽略的因素.     

近断层强地震动的特点

本文全面地总结和解释了近断层地震动的主要特点.近断层地震动与远场地震动不同,显著地受到下列因素的影响:断层破裂机制,相对于场地的破裂传播方向,以及由断层滑动产生的、可能的永久地面位移.这些因素导致破裂方向效应和“F ling step”效应.对于倾滑断层,还导致上盘效应.而且破裂方向效应和“F ling step”效应分别引起了双向和单向长周期速度脉冲.上盘效应导致上盘场地的地震动大于下盘相同断层距场地的地震动.对于垂直走滑断层,在给定的距断层最近的范围内,破裂方向效应使地震动产生强烈的空间变化.对于倾滑断层,有两个显著的效应,即破裂方向效应和上盘效应.上盘效应主要是由断层的大部分接近于上盘之上的场地引起的.破裂方向效应是由破裂传播和辐射图效应引起的.长周期速度脉冲产生于垂直断层面的方向上,使得垂直断层走向的地震动大于平行断层方向的地震动.而“F ling step”效应是由地震时断层两盘的相对运动造成的,且发生在断层错动的方向上.     

饱和土中多孔洞对SH波的散射与动应力集中分析

根据Biot波动理论,采用复变函数法和多极坐标法下饱和土中多个非圆形孔洞的应力、位移边界条件下的基本解,求解SH波在饱和土中孔洞周围的散射和动应力集中的数值解,建立了一种求解饱和土孔洞对稳态SH波散射的理论方法.算例结果表明:随波数的增加,动应力集中系数和孔压集中系数都减小.波数在低频范围内,动应力集中系数随孔间距的增加而减小,而孔压集中系数随孔间距的增加而增加.另外,动应力集中系数和孔压集中系数随椭圆度的增加而减小.     

弹性介质中SH波传播的三角形格子法

目的提出一种不规则边界非均匀弹性介质中反平面剪切(SH)波传播数值模拟方法,研究反平面剪切波入射时地表起伏及软弱层对场地的影响.方法将实际介质计算区域剖分成三角形网格,构造出控制体,给出积分形式的控制体运动方程;交替运用控制体运动方程和SH波的本构方程,在时间域上递推计算给出被研究区域内各节点的加速度、速度、位移和各格子的应力.结果给出了弹性介质中SH波传播数值模拟三角形格子法.数值算例结果与解析解比较,验证了方法的计算精度和有效性.瞬态反平面剪切波入射时,地表起伏、软弱层会引起场地的运动状态量和应力量的放大,有运动状态量和最大剪应力集中现象.结论SH波传播数值模拟三角形格子法计算精度较高,处理不规则边界非均匀介质波动问题的适应性强,算法实现简单、计算量小.是研究大规模、不规则边界非均匀介质中SH波传播问题的一种有力工具,为岩土动力学中的波动研究提供了一种新的数值方法.     

顶板岩层诱发冲击的冲能原理及其应用研究

针对顶板岩层对煤体冲击的影响作用机理,采用实验室物理模拟试验、UDEC 4.0离散元数值模拟试验、理论分析和工程实践验证这4种方法进行了研究,提出了煤岩冲击破坏和顶板岩层诱发冲击的冲能原理以及冲击破坏判别准则,并在工程实践中进行了应用和验证.根据煤岩冲击破坏动能试验和煤岩破坏的应力-应变曲线能量演化规律分析结果,具有冲击倾向性的煤岩样在载荷作用下破坏时将产生强烈震动和脆性冲击型破坏,破碎的煤块具有一定的初始动能并以一定的初速度脱离煤体,把这些煤岩样冲击破坏时碎块冲出的动能定义为该煤岩样的冲能,即冲出的能量,从而建立了煤岩冲击破坏的"冲能原理"和"冲能判别准则".通过岩板断裂震动物理模拟试验和数值模拟试验研究,得到顶板断裂过程中可产生强烈震动冲击载荷、致使煤岩破坏时的冲能、冲击危险性升高的研究结果;顶板断裂震动持续时间与顶板厚度呈线性关系,对煤体的震动损伤与顶板厚度呈乘幂关系,从极限悬顶长度的一半开始,煤体的冲击危险性显著升高,顶板岩层释放的能量与岩层强度呈对数关系;岩层运动产生的动能和释放的总能量分别与顶板厚度呈指数和乘幂关系.将顶板岩层诱发冲击矿压的机理分为处于稳定态岩层的"稳态诱冲机理"和处于运动态岩层的"动态诱冲机理"2种类型,岩层的"稳态诱冲机理"是指当顶板岩层不发生大规模破断或滑移垮落时,由岩层内部储存的弹性能的突然释放而导致的煤体冲击机理,稳态诱冲机理研究确定了影响煤岩破坏的2个重要初始参量--煤体的应力基数P.和能量基数U.,应力基数决定了破坏的条件,能量基数决定了破坏时释放能量的大小."动态诱冲机理"是指由顶板岩层发生大规模破断或滑移垮落产生的强烈震动和释放的大量冲击能等动载荷导致的煤体冲击破坏机理,分析了顶板岩层断裂和滑移的震动特性,坚硬厚层项板岩层在诱冲方面的作用主要表现在以较高频率的冲击载荷方式对煤体造成损伤;稳态岩层和动态岩层在诱发煤体冲击的时候都以动态的形式释放能量并参与到煤体破坏时的冲能当中,在满足冲能判别准则的情况下均可诱发冲击矿压,由此形成"顶板岩层诱发冲击矿压的冲能原理".基于岩体介质中能量传播规律和岩层影响冲击危险性的不同程度,提出了岩层影响下的煤体冲击危险"诱冲关键层"判别准则和诱冲关键层的判断方法,按照传播至煤体能量的大小给出了岩层的诱冲系数点Kb=E'k/Er0.和对应的能量值,用来表征岩层诱发冲击矿压的可能性大小.2个具有冲击危险的煤矿通过控制顶板岩层和控制煤体以降低"岩层-煤体"系统冲能进行冲击矿压防治的工程实践验证了本文关于"项板岩层诱发冲击矿压的冲能原理"研究结果的实用性与可靠性.     

综采面推进速度对煤岩动力灾害的影响研究

采用实验室实验、数值模拟和现场实测的综合研究方法,研究了加快推进速度对综采面围岩应力场、破坏场分布及透气性的影响,揭示了综采面推进速度对煤岩动力灾害的影响规律.研究表明:综采面推进速度增加,围岩的加载速度随之增加,煤体的强度、脆性增加但韧度降低;推进速度增加,水平应力和垂直应力均增大,应力峰值位置距工作面煤壁距离减小,同时煤层塑性卸压区范围减小,透气性降低,瓦斯压力梯度增大,推进速度过快不利于岩爆、冲击地压及煤与瓦斯突出等动力灾害的防治.因此,高瓦斯工作面的推进速度不宜过快,突出煤层的正常推进速度不宜超过10m/d,在突出威胁区和突出危险区应小于7m/d.     

边坡动力破坏机理的振动台试验研究

将数字图像位移测量技术和有限元数据平滑方法应用到边坡模型的振动台试验中,得到了整个振动过程的位移场和应变场,探讨了土质边坡的动力破坏模式和破坏机理.结果表明土质边坡的变形是渐进式的,坡体中部到坡脚是剪切破坏,坡顶一定深度是拉剪破坏,破坏时有深层的圆弧状滑动面,用位移时程曲线的广义曲率做为判断边坡动力破坏的物理量是可行的.     

不等长工作面覆岩破坏规律的数值模拟分析

针对不等长工作面煤层开采日渐增多的现状,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,对采场覆岩的破坏特征及支承压力的分布状态进行系统研究,并相应模拟出工作面前方应力场与位移场的演化规律。结果表明：工作面自开切眼开始向前推移,推进到工作面“见方”期或斜长的整数倍位置时,顶板活动剧烈,覆岩空间结构发生新旧更替,形成了“0”型破断区;不等长工作面推进过程中岩层运移极不规则,推进距离在衔接面前后20～30m的范围内,应力波动较大,数值变化明显;回采期间支承压力对覆岩活动产生了重要影响,其大小约为水平应力的1．5～2倍;就采动过程中竖向位移的变化而言,巷帮移近量远大于顶底板变形量,故工程实践中应特别注意对巷帮及顶板的加固和维护。     

远场地震作用下长周期结构的基底剪重比

为研究在峰值加速度与峰值速度调幅方式下,远场地震作用对长周期结构基底剪重比的影响.选取了3条远场地震波和1条近场地震波,建立了6个规则型钢混凝土框架-核心筒结构模型,按照2种调幅方式分别进行设防水准下的动力时程分析.结果表明,峰值加速度调幅方式下,远场地震作用下结构的剪重比明显大于近场地震,但两者差异在峰值速度调幅方式下较小;两种调幅方式下,相比较近场地震,远场地震对长周期结构位移反应的影响更为明显.长周期结构在峰值速度调幅方式下的顶点位移和基底剪力均大于峰值加速度调幅下的结果,说明长周期结构对于速度谱的敏感性要大于加速度谱.建议长周期结构时程分析采用峰值速度调幅方式.     

灌浆节理压剪变形、强度特点及破坏机制试验

通过对人工劈裂的节理试件进行水泥灌浆加固处理,并进行一系列室内压剪试验,总结了灌浆节理面压剪全过程剪应力-剪切位移的典型曲线形式,分析了充填度和法向应力对灌浆节理的变形、强度特点的影响规律,总结了由充填度决定的灌浆节理两种压剪破坏形式,揭示了其破坏机制.研究结果表明,低法向应力下灌浆节理面表现出脆性破坏特点,峰值剪切强度大于无灌浆节理面的,而在高法向应力条件下,灌浆节理面有一定的延性,峰值剪切强度小于紧密闭合且吻合系数较高的无灌浆节理面的;当充填度大于1.0时,各个充填度的灌浆节理面剪切强度差异较小.研究成果加深了对灌浆节理压剪破坏特性的认识,并具有一定的工程指导意义.     

近断层脉冲型地震动作用下高墩连续刚构桥振动台试验研究

为了研究近断层脉冲型地震动对高墩连续刚构桥抗震性能的影响,以某典型高墩连续刚构桥为原型,设计制作了该桥的1/15缩尺试验模型,利用多子台模拟地震动振动台台阵系统,完成了远场地震动和近断层地震动输入下的对比试验,重点探讨了近断层地震动速度脉冲效应及脉冲个数的影响.研究结果表明:高墩连续刚构桥纵向和横向一阶频率均较小,结构地震响应主要以低频成分为主;近断层脉冲型地震动作用下模型桥的地震响应均大于远场地震动作用下模型桥地震响应的2倍,而近断层无脉冲地震动下模型桥的动力响应略小于远场地震动输入时模型桥的动力响应,为其0.76～0.95;速度脉冲效应使高柔的高墩连续刚构桥主梁瞬时产生较大位移响应(最大值为54.8 mm),极易引起主梁端部碰撞和支座破坏,在抗震设计上应引起重视;速度脉冲个数对高墩连续刚构桥地震响应的影响显著,墩顶位移响应脉冲个数影响系数AF_w为1.46～5.54,其中,多脉冲型地震动作用下模型桥的动力响应最大,单脉冲型地震动作用下模型桥的动力响应次之,而双脉冲型地震动引起的结构响应相对较小.因此,对靠近断层区域的此类桥梁,应考虑近断层地震动速度脉冲效应及其参...     

切顶卸压自动成巷覆岩变形机理及控制对策研究

切顶卸压自动成巷技术有增加煤炭采出率、减少巷道掘进量等优点,为促进该技术的推广、优化,针对切顶成巷覆岩变形机理及控制对策展开研究.对切顶成巷技术的工艺流程及工序时空关系进行总结,并按围岩结构将留巷顺槽分为煤体支撑区、动压承载区和成巷稳定区3区.针对不同分区分别建立对应的力学简化模型,对巷道顶板变形规律及巷内支护需求进行计算分析.以塔山煤矿8304工作面作为试验面进行切顶成巷试验,验证巷道支护设计效果.现场监测显示留巷于工作面架后230 m后进入成巷稳定区,留巷平均高度为2 796.6 mm,巷内支护有效,成巷效果良好.     

深部沿空切顶成巷围岩稳定性控制对策

基于沿空切顶成巷技术原理,以城郊煤矿深部工作面无煤柱开采为背景,综合运用力学分析﹑模拟计算和现场试验等方法,对深部切顶成巷围岩控制关键对策进行深入研究。结果显示：切顶留巷顶板在侧向形成短臂梁结构,降低了巷旁支护体所受压力,切缝范围内岩层垮落后碎胀充填采空区,使留巷顶板下沉量降低了约50%。采空区侧顶板为切顶巷道围岩变形的关键部位,需进行加强支护;深部切顶巷道实体煤帮塑性区范围大,通过煤帮锚索支护技术可将浅部锚杆承载层锚固在弹性区稳定煤体中;深部切顶成巷来压速度快、强度大,巷内单体支柱易造成冲击破断,采用高阻力液压支架巷内临时支护时可较好地抵抗深部强动压;巷旁刚性挡矸装置因无法适应深部围岩大变形而受压弯曲破坏,深部切顶巷道巷旁挡矸结构需实现一定的竖向让位卸压方可与顶底板协调变形。在研究的基础上提出恒阻锚索关键部位支护+可缩性U型钢柔性让位挡矸+巷内液压支架临时支护+实体煤帮锚索补强的深部切顶成巷联合支护技术,并进行现场工业性试验。现场监测结果表明：留巷围岩在滞后工作面约290 m时基本稳定,且稳定后各项指标满足下一工作面使用要求。     

浅埋综采面高速推进对周期来压特征的影响

以活鸡兔井为工程背景,通过实测和理论分析就浅埋综采面高速推进对周期来压特征的影响规律进行了深入研究.结果表明:在高速推进情况下(推进速度一般大于10m/d),工作面周期来压持续长度显著增加,而周期来压步距、支架载荷和动载系数的变化相对较小.推进速度差异引起周期来压特征发生变化的实质是围岩变形破坏特征时间效应的体现.工作面高速推进时,直接顶由于推进速度较快垮落不充分,老顶在破断回转过程中需要更大的回转量才能触矸稳定,这是导致来压持续长度明显增加的重要原因.将推进速度对周期来压特征的影响规律运用到了神东矿区双回撤通道综采面末采段的让压开采实践中,指导了活鸡兔井21306综采面的安全回撤.     

载荷方式对深部采动煤体损伤-渗透时效特性影响实验研究

根据煤体实际力学状态设定恒定围压增加轴压、恒定轴压卸除围压和同时增加轴压卸除围压等3种力学路径,开展加卸载煤体损伤-渗透同步实验,分析加卸载方式对采动煤体损伤-渗透时效特性的影响,并揭示采动煤体损伤-渗透特性差异的内在机制.研究结果表明:不同的力学路径使煤体表现出截然不同的变形与强度特征,在高围压作用下试样的变形特性逐渐从脆性向塑性转变;受加卸载方式的影响,3种力学路径下的试样分别发生主剪切破坏、拉剪破坏和X型共轭剪切破坏;不同的力学路径对试样造成不同程度的损伤扩容和渗透率变化,且具有明显的时效特性,按响应速度排序依次是:同时增加轴压卸除围压恒定轴压卸除围压恒定围压增加轴压;煤体损伤、渗透具有协同演化特性,但渗透率变化相对于损伤扩容具有滞后性;差应力比是导致加卸载煤体损伤-渗透特性差异的本质原因,承受较大差应力比的深部采动煤体极易诱发煤岩瓦斯动力灾害,为避免动力灾害发生,需采取相应措施减小采动煤体所受的差应力比.研究结果对于揭示煤岩瓦斯动力灾害机理、实现深部煤炭精准开采与动力灾害防治具有指导作用.