三维数值模拟在防水煤柱留设中的应用

根据某井田内各岩层的物理性质,结合防水煤柱的留设情况,对运用FLAC3D软件模拟三维状态下覆岩受采动破坏情况以及地下水的流动状态作了论述,从而更直观地解决防水煤柱留设问题。     

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制研究

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压具备高隐蔽性、强破坏性、难防护性和长延续性的破坏特征,煤矿现场难以有效预警和防治。以巨野煤田某矿2305S工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制。探讨了深厚表土综放采场岩–土地层初次、周期联动的空间结构和力学特征,设计了深厚表土综放采场断层煤柱承载地层传递载荷、上覆自重载荷和断层构造载荷的估算方法,提出了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压的力学判据。根据模拟应力增速演变规律将断层煤柱回采过程划分为蓄能阶段和临界阶段,其中临界阶段整体失稳冲击危险水平快速提升。揭示了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制：断层与沿空面斜交形成的断层煤柱具备高水平的基础应力,当工作面推进至岩–土地层初次联动阶段时,走向地层传递载荷提高了断层煤柱的应力水平,同时连续推采条件下其承载面积不断减小,当载荷量超过弹性承载区的失稳阈值时即发生整体失稳型冲击地压。设计了此类型冲击地压治理方案,包括采前整体冲击危险评估、井地联合区域监测–弹核应力局部预警、分级承载多层卸压设计。     

深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究

 针对断层区采掘时冲击矿压频频发生的严峻现状,运用理论分析、实验室试验、数值模拟以及工程实践等方法,研究断层区的冲击机制。主要研究内容及结论如下：(1) 建立断层闭锁与解锁滑移的力学模型,理论推导得出上行解锁和下行解锁的判定公式,公式表明断层解锁与断层摩擦强度、断层倾角以及水平应力和垂直应力之比有关。(2) 提出断层区断层煤柱型冲击矿压的概念,认为断层煤柱型冲击分为断层活化型冲击、煤柱破坏型冲击和耦合失稳型冲击,并阐释各自的冲击作用机制。(3) 分析跃进矿25110工作面20次冲击震源分布规律、冲击影响因素和冲击作用机制,认为大部分冲击为断层滑移、老顶断裂和煤柱破坏诱发的断层煤柱型冲击。(4) 从弱化断层滑移和减弱煤柱冲击破坏两方面提出针对25110工作面断层煤柱型冲击矿压的治理措施,现场实践表明,控制工作面推进速度可减少断层活化型冲击,提高巷道支护强度和爆破卸压、大直径钻孔卸压可有效降低冲击矿压灾害。     

防水隔离煤柱结构分区及合理宽度确定

 在现有煤柱合理结构分区的基础上,将其结构分为塑性区、弹性核区、水压破坏区。为求得各区宽度,首先,应用极限平衡理论和抛物线型强度理论,采用分离变量法确定了塑性区宽度;考虑矿压、水压作用,选用统一强度理论,采用半逆解法,确定了弹性核区宽度;考虑水的浸润软化作用,确定了水压破坏区宽度。之后,通过与以往经典模型各分区计算公式对比,验证了模型的合理性。最后,通过超声波探测技术,测量了煤柱内部的物理形态分布,验证了模型的正确性,并将研究成果应用于董家河煤矿防水隔离煤柱设计中,为煤矿安全高效生产提供了理论依据。     

断层倾角对断层活化及底板突水的影响研究

 针对含断层缺陷底板的受力特征,建立相应的简化力学模型,分析得到断层面上的剪切应力和法向应力表达式,并研究断层倾角对断层面上剪切应力、法向应力及断层活化的影响规律。同时运用RFPA2D-Flow软件,模拟不同倾角的正断层在采动影响下底板的裂隙分布、渗流分布及采空区底板涌水量变化特征。模拟结果在一定程度上揭示含断层构造底板突水通道的形成机制及断层倾角对底板突水的影响规律。研究表明,断层倾角越大,断层越容易活化与突水。研究结果对采场底板含断层缺陷时防水煤柱的留设具有重要的参考价值。     

大采高双巷布置工作面巷间煤柱合理宽度研究

巷间煤柱合理宽度的确定是确保大采高双巷布置工作面安全回采的关键。以亭南矿二盘区204大采高工作面双巷掘进运输顺槽和瓦斯抽放巷之间的煤柱为工程背景,首先通过现场应力监测的方法对巷间煤柱受双巷掘进及2次采动过程中的破坏规律进行了系统的研究,得出一次采动影响后靠近采空区侧煤柱的破坏区域宽度约为3 m;上位岩层低应力区域宽度约为18 m;一次采动后煤柱应力分布曲线呈不对称形态;二次采动影响后煤柱应力分布曲线呈不对称"马鞍状",巷间煤柱边缘累计破碎宽度略大于9 m;同时对2次采动影响后煤柱的破坏区域进行了划分,初步确定巷间煤柱优化范围在5.2~13.0 m之间。其次采用数值模拟的方法分别研究了2次采动影响下宽度为4,6,8,10,12 m的5种不同尺寸巷间煤柱的应力演化规律、弹塑性区域变化规律和巷道变形规律,同时综合考虑安全生产、资源回收率等因素,最终确定大采高双巷布置工作面巷间煤柱的合理尺寸为10 m。最后通过工程实践验证了巷间煤柱留设的合理性。该研究结果可以为类似开采条件下巷间煤柱的留设提供参考。     

神东矿区近距离煤层出一侧采空煤柱压架机制

 针对神东矿区石圪台煤矿1-2煤一盘区多个工作面在推出上覆1-2上煤一侧采空煤柱过程中发生的压架事故,采用现场实测、理论分析和模拟试验,对压架发生的机制及其防治对策进行研究。结果表明：下煤层切眼布置于上覆煤柱区下方,造成工作面回采期间经历由煤柱区进入采空区下的开采过程,即为出一侧采空煤柱的开采。在此过程中出现的压架存在2种类型,当切眼距煤柱边界较远而大于煤柱上方关键层的初次破断距时,则出煤柱时该关键层将处于周期破断状态,并与煤柱边界采空区一侧已断块体形成非稳定的三铰式结构,该结构的相对回转运动传递的过大载荷是压架发生的根本原因。当切眼距煤柱边界较近而介于煤柱上方关键层的初次破断距和周期破断距之间时,则出煤柱时该关键层将呈现悬臂式破断,由于其破断跨度较大,将造成支架载荷的过大而压架;同时,若此破断跨度超过该关键层1.7～1.9倍的周期破断距时,其压架强度将明显增高。模拟试验和工程实践表明,缩小下煤层切眼距煤柱边界的距离使得煤柱上方关键层不发生破断,可有效防治出一侧采空煤柱开采的压架。     

厚松散层及超薄覆岩厚煤层防水煤柱开采试验研究

通过对厚松散层及超薄覆岩的含、隔水层及基岩风氧化带工程岩组性质的分析,采用相似模拟试验与数值模拟等手段研究不同采放比条件下覆岩最大冒高和有效导水高度。研究结果表明:基岩风氧化带内粘土矿物含量高、渗透能力差、再生隔水能力强,具有阻止和抑制导水裂高发展的双重作用,采动后覆岩呈整体弯曲缓慢下沉运动,有效导水裂隙带的发育高度与冒落带高度基本一致。研究结果应用于芦岭矿810#采区,在防水煤柱内进行放顶煤开采,经过两个工作面的成功试采,已安全采出煤炭约40×104t,采出率达86.7%,取得了显著的经济效益。     

采场顶板稳定性动态工程分类

影响矿井工作面顶板稳定性的主要因素为岩石介质条件、环境条件以及工程因素3个方面，分类方案中尽可能考虑到上述3个因素，同时，要具有超前性和实用性。本分类方案选用了5个指标，即岩石单轴抗压强度吒、岩石质量指标RQD、煤体抗压强度σcm、地下水状况SW和工作面月推进速度v。前3个为煤、岩石介质条件，第4个为环境条件，第5个为工程因素。运用MATLAB软件包中的神经网络工具箱，构造5种网络拓朴结构，即5：5：1，5：8：1，5：11：1，5：15：1，5：20：1，对同一组样本进行学习。通过比较，虽优的网络拓朴结构为5：20：1。运用选定的最优网络结构，进行了顶板稳定性的动态分类，同时，对影响因素进行了帕累托表意义上的因素分析，按影响程度大小排序，依次为岩石质量指标(0．4382)、地下水状况(0．1988)、岩石单轴抗压强度(0．1472)、煤体抗压强度(0．1225)及工作面推进速度(0.0932)。     

采场覆岩运动仿真系统

采场覆岩的运动及采场周围支承压力分布的变化是导致采场顶板事故的最主要原因.通过对采场覆岩运动规律的总结和完善,开发了"采场覆岩运动仿真系统".该系统可以根据采场的覆岩条件及开采参数,预计采场覆岩的运动规律,为安全开采提供科学依据.     

木架山采空区处理方案研究

木架山地表允许发生岩体移动和沉陷。由于非法开采，在井下形成了375000m^2的采空区。为了避免冲击地压隐患，防止非法开采，必须崩塌上部采空区。提出用切顶与矿柱崩落法处理木架山采空区。应用ANSYS三维有限元程序，研究了极限跨度、悬臂状态下的极限跨度和切顶深度，分析了采空区处理对后续开采的影响。结论表明，覆岩较薄时，矿柱布置的变化必然引起采动应力的整体变化；应用102m的极限跨度或76．5m的悬臂极限跨度和8～11m的切顶垂直深度，可确保白云岩顶板自然塌落；采空区处理不会影响后续安全生产。在σc,γ确定的情况下，鹏计算部位的实际值差别越大，公式，l=1.25H[σc/(γH） 0.001 2k]^0.6的计算误差也越大。     

基于尖点突变模型的煤层底板突水预测研究

当煤层开采后,底板岩层承受的水压超过自身强度时,而发生的不连续的发散突变,即底板岩层失稳破坏形成底板突水的现象,属于突变理论研究的范畴,故煤层底板突水可以引用突变理论来研究。通过建立煤层底板突水的一个尖点(cusp)突变模型,对煤层底板失稳破坏发生突水的机理进行了分析。基于平衡曲面方程,可求得煤层底板水压应力比I_(p)。当I_p>1时,发生突水:当I_p<1时,不会发生突水。实例分析表明:尖点突变模型用于描述煤层底板水压应力比的发展规律是恰当的,用其进行煤层底板突水预测也是较准确的。     

隧道工程内軌道變形之相互安全對策實務探討

為避免鐵路軌道工程因土建隧道結構變形所導致之軌道變形,產生意外事故之潛在安全顧慮,特別針對軌道運輸上隧道與軌道間相互安全處理之對策,作一廣泛性之探討,並依實際軌道相關經驗及其他地区軌道安全養護規定,配合隧道設計作一整體歸類分析,將以台北捷運系統隧道結構及軌道系統為實例說明,最後做出建議與結論,因相關此類題材之論文並不多見,故希冀能給予海峡兩岸的隧道及軌道界未來實務執行時有所幫助。     

连拱隧道中隔墙设计与施工力学行为研究

在连拱隧道施工中，中隔墙扮演着至关重要的角色。中隔墙上方作用荷载大小，不仅关系着连拱隧道在施工期间结构的安全，还直接影响工程造价以及隧道建成后衬砌结构的长期安全性。结合连拱隧道施工期间中隔墙的实际受力过程，建立中隔墙作用荷载的计算力学模型；采用FLAC程序，在0．5～2．0D埋深条件下，采用三导洞法和中导洞法对连拱隧道施工力学过程的Ⅱ～Ⅳ类围岩的21种工况进行非线性数值模拟。同时，提出应用于中隔墙设计的作用荷载计算表达式及各类围岩相适应的施工工法。研究结果直接指导金丽温高速公路二期工程多座连拱隧道的变更设计，对今后国内连拱隧道中隔墙的设计施工有一定的参考价值。     

下凹地形下采空区处理方案的相似模拟研究

木架山露天开采结束后,形成了下凹地形。非法开采在井下形成了3.75×105 m2的采空区。为了避免冲击地压隐患,防止非法采矿,提出用矿柱崩落法处理木架山143#剖面附近的采空区。由于有限元适用于弹塑性介质,不能确定垮落角和移动角。借助相似模拟试验,研究了顶板自然垮落的最小跨度、移动角和垮落角。研究表明:应用110 m的极限跨度可确保含磷白云岩及白云岩顶板自然塌落,处理之后地表岩体移动不明显。若全部崩倒上部大矿柱,顶板跨度将达到140 m,会导致78°与65°的垮落角,地表移动角达64.4°。相似模拟的极限跨度介于有限元与本文所给公式之间所得结果。     

工作面动压影响下老窑破坏区煤柱应力状态研究

通过调研汾西矿区内老窑破坏区地质条件、顶底板岩体特性及水文条件,利用瞬变电磁法对汾西矿区新柳煤矿典型老窑破坏区进行精细地质探测,并在地质探测基础上构建破坏区相似模型,分析破坏区内煤柱应力状态受工作面回采动压影响的变化规律.结果显示,工作面回采过程中,开始阶段煤柱应力一直维持在初始状态,基本无变化.当距工作面62.5 m左右时,煤柱应力开始增大;距离工作面12.5～25.0 m时,煤柱应力骤然增大.回收煤柱时,由于受工作面动压的影响,工作面前方煤柱内的弹性核处于高度受压状态,一直处于较高的应力水平,而且弹性核随着工作面的推进逐渐前移,对工作面的安全回采造成极大危害.因此,应当采取超前卸压的措施破坏煤柱内的弹性核,以保证煤柱回收工作安全高效地进行.     

基于事故树分析的煤矿潜在突水危险评价研究

基于事故致因理论建立煤矿突水事故模型.煤矿突水事故危险源被分为突水水源、突水通道、突水诱因和应急失效4类;建立煤矿突水事故树模型,并提出基于事故树方法的煤矿突水危险性专项评价方法.以杨庄矿及其周边6个地方煤矿为例,识别周边地方煤矿可能诱发杨庄矿发生地表洪水、太原组灰岩水等突水的4类突水事故危险源,并以此建立杨庄矿突水事故树模型,求最小割集评价最危险突水路径,利用最小径集优化最有效防治措施.研究结果表明,有306种可使杨庄煤矿发生煤矿突水的基本事件组合,防止杨庄矿突水事故发生的有效途径是加强监管,杜绝地方煤矿穿层、越界等违规操作.事故树方法可以完成复杂煤矿突水危险性专项安全评价.     

边坡和采场围岩变形破裂响应特征的相似模拟试验研究

 以云南磷化集团晋宁磷矿6#坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿层为研究对象,依据相似模拟原则,利用重庆大学资环学院矿山压力平面应力相似模拟试验台,进行晋宁磷矿6#坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿露天转地下开采的相似模拟模型试验。试验结果表明：(1) 受地下采动影响后,露天矿边坡顶部、腰部和底部的应力分布进行重新调整,随着开挖范围的扩大,整体上呈受压-压缩应力增大-受拉伸的动态变化趋势。受境界顶柱的保护支承作用,开挖后其垂直下沉变形很小。(2) 地下磷矿体开挖后,在采空场前后方顶板一定区域内形成顶板支承压力集中区,而在采空场上方靠近磷矿层的顶板区域形成卸压区,同时在采空场下方靠近磷矿层的底板区域则形成底板卸压区。随着采空场沿磷矿层倾斜延伸方向的推进,采空场顶板和底板卸压范围逐渐增大,顶板支承压力区动态前移。(3) 受采动的影响,采空场附近顶底板围岩均有不同程度的变形,顶板岩层有不同程度的下沉,底板岩层有不同程度的隆起。顶板下沉和底板隆起最大点均位于采空场中点偏下部分,随着开挖的推进而动态前移,达到充分采动后岩层整体下沉和隆起曲线趋于稳定的碗状。以采空场为中心,随着距离其纵向和水平方向距离的增加,顶底板岩层位移变形量单调递减。(4) 开挖推进至断层破碎带及其影响区域时,在采动应力的影响下,断层破碎带被“活化”,沿断层接触面发生滑移和剪切破坏。该研究成果对云南磷化集团晋宁磷矿6#坑口东采区深部矿体及类似条件下矿山露天转地下开采现场工程实施有重要理论指导意义。     

综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究

在较薄厚煤层综放面倾向煤柱支承压力现场实测的基础上，应用弹塑性极限平衡理论，考虑煤层厚度及倾角的影响，分析得出综放面倾向煤柱支承压力峰值位置的计算式及分布规律。该研究为综放回采巷道的合理布置及护巷煤柱参数的合理确定提供了依据，有利于改善巷道维护状态和提高煤炭资源采出率，并为类似条件下的综放开采提供有益借鉴。