深部松软煤层钻孔孔周煤体变形产渣特征研究

针对煤矿井下高瓦斯软煤顺层长钻孔排渣困难、成孔率低、施工困难等问题,通过数值模拟实验研究了井下深部软煤体变形破坏特征,分析了顺层长钻孔孔周松软煤体变形特征及应力变化,以揭示顺层长钻孔孔周松软煤体变形产渣规律。研究表明:深部高瓦斯软煤顺层钻孔孔周煤体的应力平衡临界条件破坏后将发生大体积突然垮落;钻孔水平最大变形位移为1.22mm,垂直方向最大变形位移为10.7mm;径向孔周煤体垂向变形呈现逐渐减小趋势,且垂向变形明显大于钻孔水平变形。在水平方向上,钻孔孔周煤体应力分布呈现先增大再逐渐减小的变化规律,径向距离对水平应力分布的影响逐渐减小;随着径向距离的增加,钻孔孔周煤体应力分布逐渐降低,钻孔孔壁处煤体的应力出现最大值,且垂直方向处应力值最大。     

深部巷道爆破卸压合理炮孔深度数值模拟

为节省深部巷道支护成本,降低巷道的围岩应力集中,利用有限元数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了深部巷道数值模型,考虑高地应力的存在,采用隐式-显示转换方式模拟了不同炮孔深度下巷道围岩的爆破卸压效果。在隐式部分通过静力学分析研究爆破前高地应力巷道围岩变形与应力,然后通过隐式-显式转换把隐式求解器的松弛文件附加到显式模型中模拟爆破作用。分析了不同炮孔深度下巷道变形及应力、位移分布变化规律。     

数值模拟水平应力对巷道稳定性的影响

水平构造应力是影响巷道围岩位移和应力变化及巷道围岩稳定的重要因素之一,为了解决水平构造应力对矿井巷道周围应力及应变的影响,采用ANSYS建模再导入FLAC3D软件进行数值模拟,研究巷道支护不同侧压作用下的动态变化,依据数值模拟结果,拟合出侧压力系数(λ依次取值1.0,1.2,1.6,2.0)与巷道变形的关系曲线,分析出巷道周边位移和应力的变化情况以及巷道周围塑性范围的分布,为巷道的安全开拓和合理维护提供可靠依据。     

高预应力与爆炸载荷耦合作用下的巷道围岩损伤破坏机制

近年来我国煤矿安全得到一定改善,但是瓦斯爆炸事故没有从根本上消除,依然是煤矿事故的重中之重。煤矿深部巷道发生的瓦斯爆炸造成的事故损伤巨大,爆炸冲击不仅造成人员伤亡,同时也造成巷道坍塌,这主要是因为高预应力和爆炸载荷的耦合作用。为了研究高预应力损伤与瓦斯爆炸载荷耦合作用下巷道围岩损伤规律以及多种载荷叠加的作用机制,基于ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,采用隐-显式耦合分析方法,模拟了0,5,10和15 MPa初始地应力和爆炸载荷耦合作用下巷道围岩的动态响应特征,通过研究巷道预应力损伤和位移的变化以及预应力与爆炸载荷耦合下损伤、位移和应力的变化,得出以下研究结果:在无地应力下,巷道几乎没有预应力损伤和初始位移,随着地应力的增加,巷道的预应力损伤程度和区域以及初始位移逐渐变大。爆炸载荷单独作用下巷道几乎没有位移,且损伤较小。在爆炸载荷和预应力造成的损伤耦合作用下,巷道位移和损伤随地应力增大而增大。地应力与爆炸载荷耦合作用下,爆炸产生的应力在巷道中的传播被抑制,且随着地应力增加,抑制效果也更加明显。地应力存在两种作用:在爆炸载荷作用前,地应力的存在造成了巷道围岩的预应力损伤,降低了围岩强...     

不同应力环境下巷道开挖卸荷岩爆模拟实验研究

采用Plaxis 3D数值模拟软件,以应力环境对巷道岩爆的影响问题为切入点,从位移云图、应力应变曲线和塑性点分布等方面开展不同应力对巷道岩爆问题的研究工作,为巷道岩爆预防及治理提供研究基础。研究结果表明,巷道开挖卸荷过程中,圆形巷道左右两侧同时出现了应力集中和位移集中,此部位最易发生岩爆。开挖过程中,根据周围岩体距巷道侧壁的厚度的关系,可将开挖操作对周围岩体的影响划分为"开始变大"、"明显增大"、"急剧增加"三个区域。巷道的左右两侧壁会产生高应力集中区和位移集中区,最大应力随着水平应力的增加呈线性增长,巷道发生位移集中区域的面积与水平应力呈指数型正相关关系变化。位移集中区域中心与巷道侧壁的距离是圆形巷道半径的2/5,随着应力的增加,位移集中区域向周围扩张,岩爆的程度及影响范围也随之增大。     

钻孔应力分布特征及卸压增透技术的数值模拟

对钻孔的应力分布进行了系统研究,采用FLAC3D软件建立三维模型,综合考虑巷道和钻孔的共同影响,分析了不同原岩应力、钻孔深度、钻孔直径及钻孔数目条件下钻孔围岩的应力分布情况,并对水平多孔随钻孔间距变化的应力分布规律进行分析.采用卸压增透技术消除多孔间的应力集中区,对煤体进行卸压增透,消除突出危险性,最后利用数值模拟和现场工业性试验对效果进行验证.     

孤岛工作面沿空掘巷巷道位置及支护设计研究

针对孤岛工作面沿空掘巷巷道位置及支护问题,结合2302孤岛工作面工程实例,采用理论分析、FLAC~(3D)数值模拟和现场实测等方法研究孤岛工作面应力分布特征,分析留设不同宽度煤柱对巷道安全生产的影响,确定巷道最佳位置及支护方案。结果表明,受两侧采空区影响,孤岛工作面应力呈现马鞍形分布;FLAC~(3D)软件分别模拟不同煤柱下巷道开挖情况,分析煤柱内应力分布与巷道顶板位移情况,确定沿空掘巷合理留设煤柱宽度为6 m;通过数值模拟与现场实测,得出巷道采用设计的支护方案,变形得到有效控制。     

加载与卸载过程瓦斯抽采钻孔变形特征

抽采钻孔的稳定性影响到抽采工程效果的好坏。工作面回采过程中,由于支承压力随工作面推进的移动,采动影响范围内的抽采钻孔受到加载、卸载应力的作用。为得到加卸载条件下抽采钻孔变形及破坏规律,采用数值模拟的方法对不同应力变化速率下钻孔的破坏进行了计算,共设计10种计算方案,得到了不同加卸载应力变化速率下的钻孔塑性区分布范围及孔壁位移曲线。同时依据数值计算得到的卸载应力变化速率与孔壁变形相互关系,建立了考虑卸载应力变化速率的钻孔周边切应力计算模型。研究结果表明:加载过程中,加载速率对钻孔周边的破坏范围及孔壁位移不产生影响;卸载过程中,钻孔周边破坏范围与初始卸载应力及卸载速率相关,在进行抽采钻孔布置时需综合考虑钻孔的受载力学特征。     

卸压钻孔对巷道煤体卸压效应的数值分析及应用

为研究卸压钻孔对巷道煤体卸压效应的作用,通过FLAC~(2D)数值模拟软件,分别模拟不同埋深条件下钻孔直径以及钻孔间距对钻孔卸压效果的影响。研究结果表明:1在实施钻孔卸压之后,钻孔左右两侧应力集中,钻孔上下两侧形成应力降低区;同时,钻孔孔径越大,钻孔卸压效果越好;钻孔间距越小,卸压效果越好;2相同钻孔孔径进行卸压,钻孔间距较小时卸压带高度和煤层埋深基本成正比例关系,随着钻孔间距的增大,卸压带高度基本不随埋深的变大而变化;3相同的钻孔参数进行钻孔卸压,煤层埋深越大卸压效果越好,同时为了更好地防治冲击矿压,不同的埋深的煤层应选择合理的钻孔参数。将模拟分析结果应用到徐庄煤矿7192工作面,起到了很好的卸压效果。     

采空区下软煤层回采巷道围岩稳定性控制技术

为分析采空区下松软煤层巷道围岩稳定性特征,基于新庄孜煤矿52207工作面巷道的典型围岩条件,依据锚杆支护长度和锚索的根数提出了3种可行性方案,采用数值模拟方法研究了采空区区域底板垂直应力分布特点及不同支护方案下巷道围岩的应力和位移分布及变化特征.模拟结果表明:巷道处于应力降低区,随支护强度的增加,巷道围岩应力状态改善,围压逐渐增加,位移场分布范围减小,巷道表面位移得到有效控制.根据围岩强度强化理论和数值模拟结果,提出采用以高强锚杆为基础、辅以高预紧力锚索的组合支护技术,巷道围岩变形控制效果好,围岩结构稳定.     

不同支护方式下巷道围岩变形破坏规律分析

为了维护巷道围岩的稳定性,确保矿井顺利安全开采,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,从理论上分析了体积应变为零、体积应变不为零、应变软化条件下圆形巷道围岩弹塑性力学特性,分析得出,巷道大变形力学模型应采用应变软化模型条件下圆型巷道弹塑性力学模型;数值模拟分析了不同支护方式下巷道两帮等效应力分布、锚杆轴力分布规律以及巷道围岩位移变化规律,研究表明,采用棚索耦合支护,能够有效控制围岩变形。     

深部水平主应力方向对煤巷围岩稳定性影响规律研究

为了保证深部巷道掘进过程中围岩稳定，深入分析巷道布置方向和深部水平主地应力分布之间的关系，以首山一矿为工程背景，利用理论计算方法求出最优角度，使用数值模拟方法分析煤巷布置轴向与最大水平主地应力σH不同夹角时模型的塑性区分布，最大主应力差变化和围岩变形特征。结果表明：煤巷掘进后从煤巷壁面到围岩深部围岩的最大主应力差大致可以分成“增长-降低-稳定”三区|当作用在煤巷两帮的水平法向应力σn与垂直主地应力近似相等时水平地应力对煤巷布置掘进稳定性影响最小，根据对现场数据的理论计算和模拟结果的分析，巷道轴向与σH夹角大小为30°左右时巷道较为稳定。     

不同侧压下底板切槽对围岩稳定性影响模拟研究

底板切槽是一种通过改变围岩应力状态抑制底鼓的主动防治措施。采用数值模拟研究不同侧压系数条件下底板切槽对围岩变形及应力演化规律的影响,研究结果表明:底板切槽会引起帮、顶位移的增加,从控制围岩变形的角度,底板切槽更适合于侧压系数较大的巷道;底板切槽对顶板围岩应力分布没有明显影响,随切槽深度的增加,帮、底围岩应力峰值向深部转移同时峰值降低,帮部以应力峰值降低为主,底板以应力峰值向深部转移为主;侧压系数越大,帮、顶应力峰值向深部转移的距离越小。     

软岩巷道围岩破坏特征的中间主应力效应研究

为了研究中间主应力对软岩巷道围岩变形的影响机制,以淮北矿区朱仙庄矿Ⅱ1053工作面软岩运输巷为工程背景,在地应力原位测试的基础上,采用FLAC3D软件构建了不同中间主应力条件的数值计算模型,开展了软岩巷道围岩破坏特征的中间主应力效应研究。结果表明:中间主应力的改变,使巷道开挖后的应力分布、表面位移与塑性区发育情况都呈现一定的阶段性特征,表现出明显的"区间效应"。现场监测数据及钻孔窥视表明,该模型能反映现场实际情况。     

基于地应力的巷道围岩支护设计及校核

以赵庄二号井2301工作面两侧巷道为工程背景,通过地质勘测、地应力测试、力学分析、数值模拟及矿压观测的方法,对巷道掘进方向及围岩支护方案进行了设计。结果表明:巷道掘进方向与水平构造应力方向相一致时有利于防范底板冲击的发生;第二偏应力和塑性区分布结果验证了支护方案设计的合理性。现场巷道表面收敛位移量均控制在5%以内,为类似条件巷道支护设计提供了借鉴意义。     

底板深孔爆破卸压机理及底臌控制技术研究

高河矿E2305工作面胶带巷由于底板岩层强度低,在高应力作用下导致巷道底臌严重。利用FLAC3D分析了底臌发生的主要机理,经过理论计算和数值模拟计算,提出了底板深钻孔松动爆破方案。通过相似模拟,研究工作面回采过程中矿压显现、回采巷道附近围岩的应力分布、位移、巷道的破坏方式及程度的规律。对回采巷道底板岩层进行深孔爆破卸压处理后与原支护不爆破卸压的巷道底臌现象和规律做出对比,结果显示底板深孔爆破卸压能够解决底臌问题。工程实践表明:巷道最大底鼓量为55mm,最大底鼓速率为26mm/d,变形速率及底鼓量在巷道正常使用允许范围之内,底板卸压爆破后巷道变形尤其是底臌得到了有效控制,可以为相似条件下巷道底臌治理提供借鉴。     

基于条带置换开采方法的煤柱留设与充填技术研究

为了提高资源采出率,缓解煤柱常见的高应力集中现象,降低冲击地压灾害发生概率,并实现矸石不上井直接处理和地面矸石的零排放,以阳城煤矿-650 m水平大巷保护煤柱条带置换开采方法煤柱留设与充填为背景,运用理论分析方法分别对回风巷右侧保护煤柱、1307巷道保护煤柱、充填巷两帮煤柱宽度进行计算;采用FLAC^3D数值软件对不同类型煤柱宽度的多种设计方案进行应力及变形情况模拟,并以4号充填巷为例,对充填后的应力分布、塑性区范围、位移等进行数值模拟与分析。结果表明:回风巷保护煤柱和1307巷道的保护煤柱均为15 m;按照矸石充填巷4.5 m计算,储矸空间两侧煤柱的宽度至少14.8~15.8 m时才能保证有一个稳定的柱核区的存在;与4号巷开挖未充填时相比,充填后的水平应力与垂直应力影响范围减少5 m,峰值应力影响范围减少3~4 m。     

逆断层倾角对断层两侧巷道围岩稳定性的影响

运用UDEC数值模拟软件,建立40°、60°、80°3种倾角的逆断层模型。通过分析巷道围岩塑性破坏特征、顶底板和两帮的移近量以及围岩垂直应力分布特征,研究逆断层倾角和上下盘关系对两侧巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明:巷道在逆断层上盘时,随断层倾角增大,围岩稳定性有降低的趋势;若巷道布置在逆断层下盘,断层倾角为60°时巷道围岩稳定性最差;若巷道布置在逆断层下盘,则顶底板移近量均小于在上盘时,而围岩塑性区范围、两帮移近量和巷道两侧应力的集中程度大于上盘,且断层倾角越大差值越大。     

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。