非等压应力场巷道围岩主应力差分布规律与稳定性分析

采用理论分析、数值模拟方法对非等压应力场巷道围岩主应力差分布规律与稳定性进行研究,重点分析不同侧压系数下巷道顶底板与两帮的主应力差分布演化规律、塑性区形态和变形演化规律.研究结果表明:侧压系数λ<1时,巷道两帮破坏范围大于顶底板;λ>1时,顶底板破坏范围大于两帮.基于数学拟合得到巷道围岩最大主应力差轨迹线方程,该式可计算出围岩破坏最严重区域.巷道在围岩四周会形成主应力差承载壳,λ 增大过程中,承载壳形态演化过程为:水平的类"8"字形→扁平椭圆形→圆形→瘦高椭圆形→类"8"字形.顶底板主应力差峰值随着 λ的增大而增大,并向围岩深部转移,两帮峰值随着λ的增大而减小,向围岩浅部转移.巷道围岩塑性区总是分布在主应力差承载壳内,其形态演化过程与主应力差承载壳保持一致.λ 增大过程中,巷道顶底板位移曲线离散程度不断增大,两帮位移曲线离散程度先减小后增大.λ<1时,两帮表面位移>顶底板表面位移;λ>1时,顶底板表面位移>两帮表面位移.λ越接近1,巷道围岩稳定性越好.以回坡底煤矿11-1021巷为工程背景,研究发现巷道围岩主应力差呈倾斜的类"8"字形分布,理论分析结果与巷道实际破坏情况吻合,验证了理论的正确性.     

侧压系数对半圆直墙拱形巷道稳定性的影响

为探究侧压系数对巷道稳定性的影响,利用有限差分数值计算软件研究了应力场中侧压系数对围岩应力场分布、巷道变形和塑性区分布的影响。结果表明,在λ1时,围岩应力集中于巷道两帮,巷道变形不大,塑性区随着λ的增大而减小;在λ1时,围岩应力由两帮向顶底板转移,并且随着λ的增大向围岩深部扩展,顶板变形量远小于底板和侧帮变形,塑性区在顶底板扩大而两帮变化较小;将淮北矿区海孜矿地应力实测结果和巷道变形破坏情况与数值模拟得出的规律进行对比,两者基本一致。     

下山穿煤巷道的围岩应力分布及变形破坏规律

基于新光集团淮北刘东煤矿下山穿煤层巷道的地质赋存条件,采用UDEC数值模拟方法,分析了埋深、煤层厚度、水平地应力及岩层角度对巷道围岩的应力分布及变形破坏规律。分析结果表明,顶底塑性区是沿着垂直于岩层的方向分布,两帮塑性区是沿煤层分布的方向分布;巷道围岩中的煤体最易发生破坏,且煤层越厚破坏就越严重;随着埋深增加,巷道表面位移量显著增大,塑性区范围扩大,顶底板的破坏程度尤为明显;随着侧压系数的增加,巷道围岩塑性区的分布范围由两帮向顶底板转移,造成巷道两帮塑性区范围呈缩小的趋势,而巷道顶底板、两底角、两肩的围岩塑性区范围呈扩大的趋势;随着岩层角度的增加,垂直应力分布由“椭圆形”分布向“矩形”分布转变,两帮煤体内的塑性区范围有明显的增加,底板变形破坏程度加大。     

极松软厚煤层简放开采回采巷道变形规律研究

淮北矿区芦岭煤矿8109工作面煤层为极松软厚煤层,采用简易放顶煤开采技术。为掌握简放工作面回采巷道受采动影响后围岩变形规律,对回采巷道围岩变形进行了观测。观测结果表明,运输巷围岩变形随时间整体上呈线性变化,支承压力影响区围岩的变形速率较原岩应力区巷道围岩的大,顶底板移近量和两帮移近量的变形速率呈现出一定的周期性变化;在支承压力影响区内,运输巷的两帮变形量和变形速率均大于顶底板移近量和移近速率。在采动影响下,回风巷围岩表现为明显的流变变形,变形随时间的增加而增长。在过支承压力峰值以后,随着离工作面煤壁越近,回采巷道变形表现越剧烈。回风巷围岩的顶底板移近量和两帮移近量大小相差不大,两帮移近量和速度大于巷道底鼓量和速度。     

侧压系数及埋深对巷道围岩应力分布的影响

运用FLAC3D数值模拟软件,分别对埋深600、800、1 000 m和侧压系数0.5、1、1.5情况下煤层底板岩巷顶底板和两帮的垂直、剪切应力分布规律进行了模拟分析。结果表明:随着侧压系数的增加,巷道帮部围岩垂直应力呈递减状态,剪切应力、顶底板围岩垂直应力呈增大趋势;随着煤层埋深的增加,巷道围岩垂直、剪切应力集中区范围不断增大,峰值点位置逐渐向巷道围岩深部移动。研究结果对巷道合理支护选择具有指导意义。     

集中胶带大巷围岩稳定性控制技术验证

为验证集中胶带大巷优化后支护设计的围岩控制效果,在工作面内均匀设置了测站,定期对工作面两帮位移量和巷道顶板位移量进行观测。结果表明,在矿压观测的前9d,巷道的变形增大的相对快;随着监测时间的增加,巷道表面的变形速度开始逐渐减少;矿压观测38 d后,巷道的顶底板变形速度及两帮变形速度开始趋于稳定。但是巷道顶底板的位移量与巷道两帮的位移量都在增大,巷道顶底板总的位移量约255 mm,两帮位移量约150 mm。总的来说巷道围岩变形量都在50d内趋于稳定,有效控制了围岩的变形,满足了安全生产要求。     

不同地应力环境下巷道破坏变形特征数值模拟研究

利用坐标转换法将原岩应力转换为巷道轴向为基准的应力分量,通过调整转换后的应力分量,实现原岩应力方向的变化,并以此结合利用有限差分计算软件FLAC~(3D)分析原岩应力大小与方向对巷道围岩破坏变形的影响。研究得出,随着侧压系数增大,巷道破坏变形由顶底板为主向两帮为主过渡,当侧压系数为1时,巷道顶底板及两帮的破坏变形程度相近。当巷道轴向与水平最大主应力呈角度相交时,巷道两帮围岩破坏变形呈不对称分布,且当相交角在0°～15°或75°～90°时巷道围岩的不对称破坏变形程度最低,相交角为45°时最大。     

不同岩性穿层巷道围岩变形特征分析

巷道穿层掘进时需对不同岩性区域巷道围岩稳定性进行分析,针对不同岩层情况确定合理的支护参数。随着巷道所处位置由上部向下部移动,两帮的垂直应力呈增大的趋势,巷道顶底板变形量要大于两帮。8个计算模型中,上半部分岩层区域巷道围岩变形量明显较大,在进行支护设计时,可将巷道分为两部分区别对待。     

不同侧压系数下综放切眼围岩变形规律研究

切眼是大跨度、大断面回采巷道,其失稳与巷道围岩变形密切相关。文章以潞安集团某矿7801切眼为研究对象,采用FLAC~(3D)数值模拟方法分析不同侧压系数下,围岩塑性区和位移变形规律,并对变化曲线进行多项式拟合。结果表明,随着侧压系数的增大,围岩塑性区半径、顶板下沉量、底鼓量、顶底板移近量、两帮移近量均增加,围岩变形严重,其变化曲线符合多项式,拟合度分别为0.942 91、0.983 6、0.999 97。     

软岩巷道围岩控制数值模拟

赵固二矿软岩巷道变形严重,采用数值模拟软件FLAC3D,对工钢棚+喷浆+注浆支护下的巷道围岩应力、位移特征和塑性区范围进行了计算分析。结果表明,随着侧压系数地增大,围岩位移、应力和塑性区范围都有增大的趋势,且塑性区由巷道两帮向顶底板转移。现场试验结果表明,采用工钢棚+喷浆+注浆支护,巷道两帮移近量和顶板下沉量分别为145和112 mm,围岩控制效果较好,为类似条件下的巷道支护提供了参考依据。     

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。     

动压影响下纵跨巷道力学分析与围岩裂隙控制技术

采用力学分析、数值模拟、现场监测等手段研究了动压条件下煤矿工作面纵跨巷道围岩的稳定性。基于岩石材料的流变特性,采用弹塑性理论分析纵跨巷道的围岩受力特征,求出了巷道围岩的应力各分量的解析解;数值计算表明,巷道受工作面前方支承压力和侧向应力的叠加应力影响,随着工作面的推进,超前支承压力对其影响逐渐减弱,侧向应力将长期影响巷道围岩的稳定性。确定了煤层工作面端头侧向应力作用下的流变效应是影响跨采巷道稳定性的重要因素之一。采用注浆封堵技术,确保了巷道围岩不被软化,保持了巷道围岩的强度和承载能力,达到了控制巷道围岩稳定性的效果。     

地应力与巷道轴向夹角对巷道围岩稳定性影响研究

以晋煤集团赵庄矿变形破坏严重的5302工作面回采巷道为工程背景,研究地应力与巷道布置轴向夹角的变化对巷道围岩移近量和巷道稳定性的影响,采用理论分析确定合适的角度,并利用FLAC3D数值模拟软件对不同角度关系情况下围岩情况进行模拟和对比,最后通过现场实测所得数据对分析结果作了现场实证,确定出巷道布置时与地应力角度的合理范围,从而优化巷道的支护效果,提高巷道的稳定性,为以后类似条件巷道的布置提供指导。     

过断层巷道修复技术研究与实践

针对东欢坨矿-230 m辅助回风大巷过断层段巷道围岩变形严重,影响矿井安全生产的不利局面,深入分析了该段巷道围岩变形机理。研究表明:该段巷道围岩碎裂现象严重,遇水膨胀软化,兼有工程软岩和地质软岩的特点,巷道围岩以破碎软岩大变形为主要特征。提出了超前注浆,高密锚喷联合支护的巷道修复技术,并利用数值模拟的方法进行了论证。工程检测表明,修复完成后巷道顶底及两帮收敛变形均低于210 mm,收敛速度均低于2 mm/d,巷道很快达到整体稳定,围岩变形得到了根本控制。     

沿空动压巷道围岩稳定性数值模拟研究

为了对沿空动压巷道围岩稳定性进行研究,分析了静压作用下和动压作用下围岩失稳机理,采用FLAC3D数值模拟软件,根据工作面和巷道的力学参数,建立模型,研究了上区段巷道围岩稳定性变化情况、沿空巷道开挖后围岩稳定性分布情况以及不同回采位置处,下区段巷道围岩主应力、位移变化、塑性区分布情况。研究得出,围岩的位移和主应力变化均在可以控制的范围内,表明在邻近工作面的采动影响下,沿空动压巷道不会受到很大程度的影响,能够满足工作面回采的影响。     

联井型巷道布置的三维数值模拟及掘进顺序优化

巷道掘进顺序是影响围岩稳定性的关键因素,运用有限元分析软件建立3个水平的局部巷道分布模型,上两水平巷道已掘进完毕,通过对第3水平采准巷道掘进及其不同掘进顺序下的围岩力学特性分析,为采准巷道的合理掘进提供参考,以便尽量减少因巷道掘进对围岩造成的不利影响。模拟结果表明,掘进顺序不同,交叉点的围岩应力分布情况及安全系数有明显的差别,间隔双条进路同时掘进对围岩扰动的影响最小。     

深井节理化围岩巷道破坏机理及控制技术

针对平顶山矿区深井巷道稳定性控制问题,以典型节理化围岩巷道为研究对象,采用离散元数值模拟方法研究了巷道围岩的变形破坏过程,分析了其破坏机理,提出了巷道围岩控制技术。研究表明：巷道首先在拱顶、底板中央区及两侧边墙受张拉破坏,拱肩及两侧底角受剪破坏,破坏区范围逐渐向深部扩展直至失稳。现场实测数据表明：在方案实施2个月后,锚杆、锚索受力在较高值趋于恒定,充分发挥了支护作用;水平收敛、拱顶下沉和底臌趋于稳定,大规模松软巷道围岩稳定性得到有效控制。     

倾斜产状软弱夹层贯穿巷道围岩稳定性分析

 研究倾斜产状软弱夹层从不同部位贯穿巷道对巷道围岩稳定性的影响,利用数值仿真软件Flac3D分析相同条件下无软弱夹层、软弱夹层贯穿巷道顶部、中部、底部四种模型中软弱夹层对巷道围岩位移场、应力场以及塑性区的影响。数值结果对比表明：软弱夹层的存在导致巷道围岩整体位移场、应力场分布不均匀,塑性区范围增加,存在软弱夹层的部位容易发生大变形,相对来说软弱夹层贯穿巷道顶部时巷道的顶板稳定性最差。针对现场的巷道变形观测也验证了数值模拟的分析结果。若巷道中有软弱夹层贯穿时,应采取相应的支护措施控制软弱夹层引起的位移、应力集中以及塑性区的增加,对今后相应条件下的支护措施有一定的指导意义。     

金川矿区深部高应力破碎岩体巷道支护技术研究及应用

针对金川矿区深部高应力破碎岩体巷道围岩变形量大、支护难、使用周期短等特点,基于以往巷道围岩变形破坏特征,从工程地质条件、地应力特征、采动影响等三个方面,分析了深部高应力破碎岩体巷道变形破坏原因。针对典型的巷道破坏特征与工程地质条件,提出了四类相应的新型支护方案,分别开展了现场工业试验;通过巷道围岩收敛变形监测,验证新型支护形式的支护效果。结果表明,新型支护形式有效地控制了深部高应力破碎岩体巷道围岩变形,实现了维护巷道围岩长期稳定的目的。     

顾北矿沿空掘巷临空活动段围岩变形控制技术研究

为了分析临空活动段对沿空巷道围岩支护的影响,以顾北矿南一采区1322(1)工作面为工程背景,通过UDEC数值模拟及现场试验,对临空活动段沿空掘巷煤柱的应力分布及围岩稳定控制技术进行了研究,结果表明：临空活动段留设煤柱存在应力集中现象,不同支护工况下可能发生压剪破坏,并且巷道帮部压力大于顶压。现场应用表明锚网索联合槽钢梁加强支护顶板和巷帮的围岩控制技术能有效提高临空活动段沿空巷道围岩稳定性。