均匀围压下圆形巷道开挖孕冲能量分析

为了探讨巷道发生冲击矿压的能量机制,对巷道开挖及形成支护结构后煤体内的能量变化进行了研究.基于弹性理论,分析了均匀围压下圆形巷道松动区、弹性区及原岩应力区的能量积聚、释放及转移情况,探讨了巷道冲击的内在机制和远场震源的扰动影响,提出了巷道冲击的状态方程和能量判据.研究结果表明:均匀围压下圆形巷道开挖后随着松动区半径的增大,弹性区煤体始终在吸收能量;巷道松动区煤体塑性变形和破坏是巷道冲击的内在机制,远场震源起扰动作用.结合研究冲击状态方程和能量判据提出了巷道远、中、近的立体防冲体系并在现场得到了运用.     

矿震诱发巷道冲击地压力学机制及判别准则研究

针对目前矿震诱发巷道冲击地压机制不清晰、理论研究不完善的问题,建立圆形巷道弹塑性软化力学模型,基于巷道围岩软化区能量和矿震波能量,提出矿震诱发巷道冲击地压的软化区能量极值判别准则。将软化区外边界矿震波能量与临界软化区能量之比定义为统一能量指数,并作为矿震能否诱发巷道冲击地压的判别依据,当统一能量指数小于等于1时,表明没有多余能量推动软化区煤体冲向巷道内,即矿震不会诱发巷道冲击地压;当统一能量指数大于1时,表明有多余能量迫使软化区煤体冲向巷道内,即会诱发巷道冲击地压。冲击地压发生时,用巷道快速收缩位移表征冲击地压破坏程度,且巷道快速收缩位移随着围岩临界软化区能量呈指数下降,随着软化区外边界矿震波能量呈线性上升。通过相似模拟试验和数值模拟,验证了理论分析的合理性和正确性。     

陈家沟煤矿冲击地压巷道支护抗震性能评估

基于冲击地压能量理论,推导冲击地压巷道在震源扰动时失稳冲击破坏的能量判别准则,提出冲击地压巷道支护能量评估方法,以支护系统吸收能量与冲击发生后巷道围岩释放能量为评价指标,对陈家沟冲击地压巷道支护能力进行计算评估.通过能量评估方法,结合陈家沟煤矿8514工作面巷道支护工程实践,假设发生最大能量为9.81×104 J矿震事...     

动力挠动对回采巷道冲击危险的数值模拟

煤矿开采过程中,顶板断裂等动力挠动常会导致冲击矿压等动力现象的发生.根据弹性力学理论,探讨了扰动波诱发煤层巷道冲击的机理.采用有限差分软件FLAC20模拟程序中动态模块,研究分析了挠动波在不同加载水平、挠动波强度以及频率影响下,从巷道一侧上方传入时内、外帮围岩的应力和塑性区动态响应变化情况,对开采工作面巷道内帮易发生冲击的现象进行了分析和解释.研究表明:动力扰动不仅使巷道周边煤体发生层裂破坏降低其侧向约束阻力,而且在煤体中形成了高应力.处于工作面支承压力带内的巷道内帮煤体,相比外帮而言,受到动力挠动时其最大垂直和水平应力上升较快,开采过程中更易发生冲击.     

煤矿冲击地压巷道三级支护理论与技术

建立了冲击地压巷道"应力-围岩-支护"力学模型,得到了考虑巷道支护作用下冲击地压启动应力条件为远场应力大于临界应力,停止的能量条件为近场围岩吸收能量和支护吸收能量大于远场释放能量。基于巷道围岩与支护体动力响应分析发现,冲击地压发生过程中围岩阻尼特性、锚固岩体的抗冲击吸能特性及巷内支护体的阻尼及刚度对冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性具有重要影响。提出巷道冲击地压防冲支护应从静-动力学两个角度,同时考虑"启动—破坏—停止"全过程。①在冲击启动前,依据冲击启动的应力条件降低煤体应力,减少弹性能积聚,提高支护阻力,增加启动难度;②依据冲击停止的能量条件,在冲击过程中,通过改变煤岩体结构与介质属性,吸收或消耗冲击能;③在冲击应力波传播的末端,通过提高巷内支护结构阻尼吸收剩余冲击能,减弱冲击应力波对巷道支护结构的破坏。提出冲击地压巷道支护结构应具有让压可缩与吸能特性,防冲支护应根据冲击地压能量特性进行分级设计。研发了吸能锚杆索、吸能O型棚、吸能液压支架等吸能支护装备,利用吸能构件的结合及功能互补特性建立了三级吸能支护体系,三级吸能支护系统具有径向让位、环向可缩以及轴向稳定特性,实现了冲击地压巷道三维立体吸能支护。     

煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制

为实现对褶皱构造区冲击矿压震源机制的有效分析,基于震源机制矩张量反演方法,在优化震动波远场位移及破裂面产状求解方法的基础上,对甘肃华亭矿区砚北煤矿250204工作面回采期间冲击矿压震源破裂类型、破裂面产状及视应力等地震学参量进行系统分析,揭示了砚北煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制。研究结果表明:工作面回采扰动影响下,褶皱构造区冲击矿压震源破裂类型以拉张破裂为主,其矩张量以非双力偶部分占主导,表现为水平挤压构造应力、超前支承压力共同作用下煤岩体的应力释放;震源破裂面产状有明显分化趋势,小倾角(35°)震源破裂面走向多垂直工作面推进方向,而大倾角(35°)震源破裂面走向多平行于工作面推进方向且倾向实体煤一侧;褶皱构造区冲击矿压震源辐射能量和地震矩基本分布在一包络线内,随震源辐射能量增大,其地震矩大小分布更加集中;通过震源视应力计算,得到了回采扰动下工作面及其周边应力演化情况,与冲击矿压震源时空分布及巷道冲击显现结果基本吻合。     

深部巷道群高静载低扰动冲击矿压发生机制及防治技术

针对深部巷道群高静载低扰动下突发性冲击矿压的难题,以某煤矿一盘区大巷为工程背景,通过力学分析和数值模拟研究了深部巷道群高静载低扰动诱发冲击矿压的发生机制。结果表明：大巷之间相互影响,导致巷道间煤柱区域应力叠加,高能量积聚在巷道顶底板内;巷道围岩蠕变使得围岩的长期强度降低,引起诱发冲击矿压的临界应力值降低,进而高静载水平下较小的动载扰动即可使叠加应力达到岩体承载极限,在能量达到岩体破坏的最小所需能量时,岩石产生自发性破坏,破坏后巷道围岩系统中的弹性余能转化为动能,造成巷道群冲击矿压发生。根据一盘区巷道群应力和能量分布区域和集中程度,采用大直径钻孔卸压和爆破卸压措施后,降低了应力和能量集中水平,卸压效果明显。     

震源扰动型巷道冲击矿压破坏力能准则及实践

针对震源扰动型巷道冲击矿压破坏机理进行研究,建立了巷道围岩冲击震源扰动型冲击破坏的动力分析模型,推导了巷道围岩承载结构在“静载+动载”组合作用下动力破坏的应力判据和能量准则。基于该力学模型及其机理分析,提出合理设置弱结构消波吸能的防冲理念,并从理论角度分析了弱结构消波吸能的作用机理。最后通过工程实例,应用能量准则进行了冲击煤层巷道的支护设计及其防冲性能核算,理论研究成果初步得到了应用和检验。     

坚硬顶板回采巷道冲击地压的卸载滑脱机制

冲击地压严重威胁煤炭安全高效开采,研究冲击地压发生机制具有重要意义.首先对矿井回采巷道冲击地压显现特征进行了归纳和总结,认为坚硬顶板和坚硬煤体是回采巷道发生冲击地压的关键地质特征,水平应力是冲击地压力源,巷帮煤体滑脱是回采巷道冲击的破坏特征.基于弹性地基理论,分析了坚硬顶板条件下回采工作面前方和临空侧顶板向上挠曲、导致...     

深部开采沿空巷道冲击危险性的工程判据研究

为研究深部开采沿空巷道冲击地压的发生条件,以沿空巷道应力场分布为切入点,建立了相应的工程力学模型,分析得到沿空巷道围岩高应力区附近的高应力差区是发生冲击地压的主要区域。以高应力差区的煤体为研究对象,分析得到了沿空巷道冲击地压发生的应力条件、应力梯度条件及煤体的冲击倾向性条件,并推导了冲击危险性的工程判据。结果表明：决定冲击地压危险性的关键因素是高应力差区域的应力峰值、应力差值、应力梯度和煤岩体强度以及冲击倾向性;通过调整沿空巷道实体煤巷帮与高应力峰值位置的间距,合理布置沿空巷道位置,可以有效控制沿空巷道的冲击地压灾害。     

考虑塑性区强度参数劣化的圆形巷道冲击地压临界条件研究

针对大量冲击地压事故发生于巷道的实际情况,综合考虑开挖面空间效应、中间主应力效应、塑性区剪胀特性、塑性区强度和变形参数的变化5个影响因素,得到了巷道围岩应力与位移分布规律,基于统一强度理论和塑性软化本构模型,应用扰动响应判别准则,建立圆形断面巷道冲击地压发生的临界条件,结合试验模拟验证分析,结果表明:巷道冲击地压的临界条件与围岩支护方式、初始强度参数及塑性区强度参数的变化密切相关;临界塑性半径、临界载荷均随支护力的增大而单调增加;在开挖面附近,虚拟支护力较大,巷道围岩以发生弹性变形为主,发生冲击地压概率较低,只有在距开挖面一定距离位置处,虚拟支护力逐渐降低,巷道围岩出现塑性区,且塑性区达到一定值时,冲击地压才具有发生的可能性;临界塑性半径随初始黏聚力增大而降低,临界载荷随初始黏聚力增大而增加;当塑性区黏聚力劣化较快时,容易发生冲击地压。     

煤层压裂卸压防冲机制研究

针对彬长矿区高地应力厚煤层开采时冲击动力灾害严重问题,采用理论分析和现场试验等方法,对压裂煤层卸压防冲机制进行了研究。研究表明：煤层压裂破碎后,煤体裂纹扩展表面能降低,产生碎块数量增多,耗散能占比越大,可释放弹性能减小;煤层压裂区应力存在往非压裂区转移现象,巷道侧煤体由压裂前的塑性-弹性2区变为压裂后的塑性-弹性-塑性-弹性4区分布;压裂煤层裂隙发育,应力集中系数降低,塑性区范围显著扩大,煤体弹性能得到释放,有效地预防了冲击地压的发生。     

基于UDEC软件煤矿巷道断面离散元分析

针对煤矿深部开采条件下,不同巷道断面形状开挖引起的围岩体能量变化规律,采用通用离散元UDEC软件建立不同巷道断面形状模型,并选择软件自带的能量模块分析巷道能量释放特征,分析巷道冲击地压危险性,根据煤矿巷道能量释放离散元分析结果,为掘进巷道断面设计及煤层冲击倾向性评价提供依据,对巷道断面形状选择冲击地压预防具有重要意义。     

超深井厚煤层下山孤立煤体冲击机理研究

为研究巷道切割形成孤立煤体冲击失稳机理,以古城煤矿32采区下山区域冲击地压事故为工程背景,通过现场调研、理论分析和数值模拟等方法,研究了巷道卸压后孤立煤体的应力演化规律,建立了巷道卸压后孤立煤体承载能力估算模型和支承压力分布简化模型,揭示了超深井下山孤立煤体整体失稳冲击机理:巷道卸压后孤立煤体弹性承载区应力集中,当该集中应力与采掘活动等其他应力叠加后的孤立煤体平均支承压力超过发生冲击临界值时,易诱发冲击。在此基础上提出了孤立煤体整体失稳冲击力学判据,事故案例及数值模拟计算验证了理论计算的正确性。在此基础上提出了降低孤立煤体平均支承压力和增强巷道围岩综合抗压强度的具体防治措施。     

冲击矿压巷道支护能量校核设计法

基于冲击矿压能量理论提出了冲击矿压巷道能量校核设计法:首先采用现代先进巷道设计方法进行巷道初步设计,再以巷道支护系统的变形能是否足以消耗巷道围岩破坏过程中释放的剩余能量作为判据,对冲击矿压巷道支护设计进行校核.其设计程序为:巷道冲击危险性评价;计算剩余能量;提出初步设计;支护系统吸能校核.计算得出了我国煤矿锚杆支护主要...     

深部巷道围岩能量耗散与支护调控效应

煤岩破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象,从能量角度描述围岩破坏特征是评价巷道稳定的有效方法之一。基于双向等压圆形巷道弹塑性解析,以时间为轴线,提出利用弹性和弹塑性变形时的应变能差量表征围岩耗散能,研究初始应力、开挖半径和围岩强度等因素对耗散能演化的影响规律,耗散能随围岩强度增加呈负指数衰减,高强度围岩耗散能小,大量弹性能积聚不利于动力灾害防控;相反,耗散能随初始应力和开挖半径增加呈近似指数关系增长,超过临界值后围岩耗散能急剧增加,从能量角度解释了煤矿巷道临界深度和断面尺寸的物理意义。依据锚杆支护预应力扩散原则,研究支护对围岩能量耗散的调控效应,得到耗散能随支护强度加大呈近似负指数关系衰减,其中,大部分耗散能由围岩破坏分担;在“支护-围岩”协同变形条件下,给出锚杆支护结构吸能和极限储能的表达式,建立支护调控围岩稳定的能量判据,反演巷道支护参数,成功应用于现场工程实践,取得良好控制效果。研究成果从调控围岩能量耗散角度给出巷道支护设计的一条新途径,具有较强的工程应用价值。     

动静载作用下区段煤柱能量响应特征及动力失稳机制

针对综放工作面回采过程中高静载及强动载扰动下区段煤柱动力失稳问题,以陕西蒋家河煤矿为工程背景,采用理论分析、数值模拟、实验测试及现场实测等方法研究区段煤柱失稳能量判据、极限能量解析解、静载作用下区段煤柱应力、极限能量演化规律及动力能量响应特征,从能量角度阐明区段煤柱动力失稳机制,并对煤柱动力失稳危险区进行精准预测。结果表明：煤柱动力失稳应满足煤体单位时间内释放能量>煤体耗散能量,静态失稳则满足煤体单位时间内释放能量≤煤体耗散能量。区段煤柱极限能量与最小主应力呈二次正相关关系,煤体损伤的加深会降低煤体极限能量。动静载组合影响下区段煤柱应力、弹性能均增大,超前采动应力影响范围约为工作面前方80 m,塑性区范围内区段煤柱弹性能>极限能量,验证了理论分析的正确性。以弹性能与极限能量负向差值表征煤柱动力失稳危险性,负差值越大,动力失稳危险性越高。动载荷作用下,区段煤柱竖向应力峰值由41.87 MPa增至43.02 MPa、弹性能峰值由0.22 MJ/m³增至0.24 MJ/m³、塑性区逐渐延伸以至贯通,最大负能量差约为0.02 MJ/m     

镇城底矿煤层巷道煤体应力及变形规律研究

 摘要：为分析煤层巷道开挖后两帮煤体应力分布及变形规律,进而确定合理、有效的支护方式,采用弹塑性理论计算以及现场实测相结合的研究方法,以镇城底矿生产实际为背景,理论分析得到该矿煤层巷道两帮煤体的应力分布形式、煤体应力极限平衡区范围;实测分析煤层巷道两帮煤体应力值及巷道围岩收敛变形规律,理论及实测结果较为吻合。得知巷道围岩开挖充分变形后,煤体应力及围岩变形量在实践观测的后期阶段所受煤层采动影响较弱。     

近距离采空区下巷道循环掘进的应力扰动特征

为探究近距离采空区下的巷道在重复性开挖过程中对邻近顶板的扰动影响，基于葫芦素煤矿2-1煤开采后22103运输巷的采掘环境，模拟巷道多次开挖推进过程，得到了卸载扰动应力与邻近锚固区顶板之间的扰动关系。结果表明，邻近顶板受到循环开挖的扰动应力呈现波形递减趋势，由应力波传播特点将扰动区域分为近场扰动区、中场扰动区及远场扰动区。顶板所受的扰动应力与距离两者之间的联系可视为“指数函数”关系式。同一位置顶板所受到的当次开挖卸载的扰动应力比前一次开挖卸载的扰动应力小，且每次的应力变化量近乎相同。现场钻孔窥视效果表明，厚锚固圈层的建立可大大提高顶板岩层整体性。     

矿震扰动作用下巷道冲击破坏研究与防治

基于某矿1306工作面运输巷冲击地压事故,结合SOS微震监测系统矿震能量统计结果,分析研究了静载荷和动静载叠加作用下巷道围岩破坏规律。结果表明:随着震源的远离巷道,底板所受扰动影响急剧衰减,而两帮所受扰动影响成比例下降。研究成果为受矿震扰动巷道围岩控制提供了一定的指导。