深部节理岩体TBM滚刀破岩效果及最优刀间距研究

为了优化深部岩体中TBM刀盘滚刀的布置,提高TBM掘进效率,采用二维离散元软件UDEC分别研究了节理间距、倾角及贯入度对滚刀破岩的影响。研究结果表明:节理间距为50 mm时,裂纹均扩展到节理面,但节理面对裂纹的扩展有阻隔作用,不管节理的倾角如何,裂纹仍然沿着其倾斜的方向扩展;节理间距不大于100 mm时,岩石的裂纹可以扩展到节理面,节理对裂纹扩展起到控制作用;当节理间距不小于150 mm时,裂纹的扩展无法到达节理面,节理基本不影响裂纹扩展;对于水平节理,节理间距较小时,节理的存在不利于滚刀破岩,随着节理间距的增加,这种不利影响逐渐减弱、直至消失。节理倾角为30°时,由于节理倾角较小,节理间距的减小导致最优刀间距也在减小。节理倾角为60°时,节理间距越小越有利于滚刀的破岩。最佳贯入度随着节理倾角的变大存在逐渐上升的变化趋势,倾角0°变大至90°时,最佳贯入度从2 mm左右比较迅速地增大至7 mm左右。     

综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征

采用大型非线性三维计算机数值模拟、实验室相似材料模拟对综放工作面围岩应力分布进行了深入研究,发现综放工作面围岩存在高应力束组成的宏观应力壳,应力壳位于采场四周未采煤岩体和弯曲带内,其形态随工作面推进采场结构的变化而改变.应力壳承担并传递上覆岩体荷载和压力,是最主要的承载体,应力壳拱脚处应力形成采场四周围岩支承压力.砌体梁结构位于宏观应力壳下的减压带内,砌体梁仅承担壳体下岩层部分荷载.综放工作面主要力学特征是位于上覆围岩宏观应力壳保护下的低应力区内,这正是综放工作面矿压显现趋于缓和的根本原因.基于对应力壳体的发现和开展的一系列分析,揭示了综放采场顶煤“垫层”作用的力学本质.     

软破矿岩条件下无底柱分段崩落法拉槽方案研究及实践

如何安全快速形成切割槽一直是无底柱分段崩落法应用于软破矿岩条件时的一项技术难题。首先分析了传统“先形成切割天井、再形成切割立槽”的拉槽方案在软破矿岩条件下的不适应性,并归纳总结了当前常用的几种无井拉槽方案的优缺点及适用条件。针对金川龙首矿西二采区软破矿岩下无底柱分段崩落法的开采条件,采用了一种“切割平巷+楔形炮排掏槽+直立平行炮排扩槽”的无井快速拉槽方案,同时该方案还可实现在整个分段只进行一次楔形掏槽爆破,便可快速便捷地完成整个分段的拉槽工作,从而大幅度提高了软破矿岩条件下的崩落法拉槽效率和可靠性。最后,在现场对该方案进行了应用,并根据实际应用情况对方案进行了优化,取得了较好的应用成效。     

三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析

通过大南湖一矿三软煤层工程地质条件及煤岩物理力学参数的综合分析与测定,开展了对应条件下的物理相似模拟,分析了综放工作面围岩运移及覆岩破坏高度,探索了现场支架实测阻力与覆岩裂隙导水位置、导水量间的关系。综合分析表明:1303综放工作面顶板垮落带高度为20 m,模型表面裂隙延伸高度观测结果与3D钻孔电视合成的钻孔内壁破裂剖面揭示出的裂隙延伸高度均为98 m,与经验公式计算基本一致。工作面超前影响范围随开采范围而增大,最终趋于稳定。1303综放面工作面划分为两个较为明显的压力集中区,工作面裂隙导水量、导水位置与压力集中区中支架压力变化相关,覆岩裂隙导水显现的位置处在工作面中下部顶板压力集中显现区(2区)的位置几率较大。建议1303工作面提前疏放上覆含水层以及老窑积水的同时,加强对两个压力集中区(1区和2区)的监测,尤其是2区,密切关注架后顶板垮落情况与工作面淋水量变化,及时的给出来压预警与导水位置及导水量预测。     

综放开采沿空留巷围岩变形特征

为研究综放开采沿空留巷围岩变形特征,以山西铺龙湾煤业有限公司4102综放工作面为工程背景,从理论层面分析了沿空留巷围岩大变形机理,发现4102综放工作面沿空留巷围岩发生大变形主要原因是基本顶关键块体断裂回转使留巷位置由低值应力区变为高值应力区,在此基础上采用FLAC3D软件对沿空留巷围岩应力分布规律及变形特征进行分析。结果表明在支护初期巷旁支护体垂直应力为1.5 MPa,巷道围岩水平位移极小,当基本顶发生断裂后,巷旁支护体垂直应力增加,最大达3.22 MPa,此时的变形速率也达到最大,随着上覆岩层触矸,巷道围岩垂直应力及两帮变形速率也逐渐稳定。     

TBM破岩机理的三维FEM-SPH耦合算法

采用改进的有限元-光滑粒子流体动力学耦合（FEM-SPH）的方法,建立了TBM单滚刀和双滚刀破岩的三维数值耦合模型,研究了TBM破岩机理,研究结果表明,压碎区形成阶段,在单滚刀推力的作用下,微裂纹向下扩展形成扇形破坏区;在切向力的作用下,微裂纹向前扩展形成另一个扇形破坏区,两个扇形破坏区组成了锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,侧向裂纹的扩展速度大于中央裂纹的扩展速度;在微裂纹扩展阶段,中央裂纹的扩展速度大于侧向裂纹的扩展速度;当滚刀向岩体的边缘滚动时,边缘部位的岩石以扇形失效;压碎区形成阶段,每个滚刀单独作用在岩石上,在每滚刀的下方形成一个锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,由于滚刀之间的相互作用,赫兹裂纹改变扩展方向;在微裂纹扩展阶段,赫兹裂纹连接和贯通,形成岩片。     

直剪条件下含裂隙岩石变形特征研究

为研究直剪条件下含裂隙岩石破坏过程中的变形特征,使用PFC^2D对含裂隙岩石进行直剪试验,分析试验中岩石的破坏位移、破坏功、抗剪强度之间的关系,并从细观角度分析试验过程中试样内部的位移情况。结果表明：裂隙使得岩石在破坏过程中产生了更大的变形;破坏功与破坏位移具有正相关关系;含单裂隙岩石两侧的位移方向和大小各不相同,越靠近裂隙中部,裂隙两侧的位移差越大,挤压情况越严重;含交叉裂隙岩石分为多个不同的区域,各区域内的位移大小、方向不相同,存在裂隙两侧张拉和挤压情况,在直剪条件下,内部各区域发生张拉破坏和挤压破坏。     

放矸工艺在综采放顶煤工作面的应用

通过对综采放顶煤工作面的丢煤分析，提出了减少丢三角煤的方法。     

直接顶岩层力学特性对综放采场煤岩破坏的影响规律

通过相似模拟实验 ,分析研究了综放采场在直接顶岩层相对于顶煤具有不同厚度和强度时 ,直接顶与顶煤的宏观破坏特征、位移特征、相互作用的影响规律 ,以及对支架围岩关系的影响 ,分析了直接顶在相对于顶煤不同赋存条件下的介质属性 ,研究结果对于采场支架与围岩关系的深入研究具有重要意义     

综放沿空巷道围岩系统稳定性的UDEC模拟分析

厚煤层综采放顶煤开采的沿空巷道顶、帮均为煤体或煤柱,其稳定性问题十分突出。本文以南屯煤矿综放沿空巷道为原型,进行了围岩稳定性的离散元数值模拟,提取表征巷道围岩系统的顶板下沉量ydis、煤柱表面水平位移xdis、煤柱垂直应力syy等指标,判断巷道的稳定性,确定合理的煤柱尺寸和支护方式。通过综放沿空巷道稳定性的离散元数值模拟分析,得到了一定地质条件下,综放沿空巷道稳定性与煤柱尺寸及支护方法的一些关系,对煤矿成功解决综放沿空巷道的支护,提高围岩稳定性,具有一定的现实意义。     

复杂不稳定煤岩综放开采不规则来压顶板垮断机理研究

复杂不稳定煤岩开采,由于涉及因素复杂,无法建立统一模型,现场实测数据分散,来压规律不易总结,需顶板垮断机理解释和指导.以同发东周窑矿复杂不稳定煤岩综放开采实测不规则矿压规律为切入点,通过理论分析,提出了该矿复杂不稳定煤岩综放开采顶板的8种典型垮断机理,从理论上解释了该区特殊矿压规律,对复杂不稳定煤岩顶板垮断机理进行了探...     

综放切顶沿空留巷围岩变形特征分析及防治

为了掌握高地应力条件下综放沿空留巷围岩变形与破坏特征,以古汉山矿1604工作面为工程背景,采用理论分析的手段研究分析了综放沿空留巷围岩变形破坏形成机制,并提出采用预裂爆破切缝、强帮护顶等围岩控制措施,总结了综放沿空留巷技术原理,确定了沿空留巷支护参数,最后在现场进行了工业性试验。研究结果表明:沿空留巷巷道整体稳定性好,顶底板最大移近量为240～320mm,两帮最大移近量为360～410 mm,支护效果良好,成巷效果较好;解决了采掘接替紧张、巷道维护困难的难题,满足了安全生产需要,提高了煤矿生产效率。     

节理倾角对岩石隧道掘进机破岩特性影响的数值研究

为研究节理特征对岩石隧道掘进机（TBM）盘形滚刀破岩特性的影响,采用颗粒离散元法（PFC）建立了不同节理倾角下双滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同节理倾角对应的岩石破碎模式、裂纹数目和破岩比能。结果表明:（1）倾斜节理的存在改变了裂纹扩展规律,裂纹呈现不对称性扩展模式。节理的存在改变了裂纹的延伸方向,限制主裂纹向下扩展。节理倾角越大,对主裂纹的萌生与扩展起到的阻碍作用越明显。节理倾角较小时,裂纹沿节理倾向延伸,有利于双滚刀间裂隙的贯通,有利于岩石碎屑的剥落;（2）节理倾角对剪切裂纹的影响较小,主要影响拉裂纹数目。总裂纹数随节理倾角的增大先增大后减小,当节理倾角为30°时达到最大。从滚刀破岩效率来看,节理岩体存在一个最优节理倾角。当节理倾角在30°附近时,破岩比能最小,破岩效率最高。基于颗粒离散元法PFC2D可以较好地模拟节理岩体双滚刀破岩过程,弥补室内试验无法进行细观特性研究的缺陷。     

Strength characteristics and shear acoustic anisotropy of rock core subjected to true triaxial compression

Results are presented from an initial experimental programme aimed towards evaluating the capabilities of a new true triaxial cell, designed to apply independent and unequal principal stresses to the curved surfaces of cylindrical core plugs. A series of discrete failure tests on dry specimens from two sandstone lithologies exhibiting different deformation, strength and poroperm characteristics, were conducted under azimuthal stress anisotropy (σ₂>σ₃) with σ₁ being applied axially. The true triaxial cell consistently orientates induced brittle shear fractures so that they strike parallel to the direction of σ₂, and slip against the direction of least confinement, σ₃. Both peak (fracture) and residual (friction) strengths are shown to be strongly dependent on the magnitude of the applied σ₂, as well as on that of σ₃. Results from multi-failure state testing using the conventional “triaxial” compression configuration are contrasted with discrete failure tests conducted in the true triaxial cell, by means of the familiar von Mises and extended 3-D Griffith criteria. Digitised records of shear-waves obtained at 40, 60 and 80% of peak failure strength during true triaxial testing, show clear evidence of progressively increasing stress-induced “splitting” or birefringence between the arrival of the faster S1(∥σ₂) and the slower S2(∥σ₃) shear-wave. Microseismic data and macroscopic observations from discrete failure tests performed within the true triaxial cell, are thus supportive of a brittle deformation mechanism involving stress-induced dilatant microcracks extending parallel to σ₂ and opening against σ₃, progressively coalescing with increasing σ₁ to form a pervasive fault also oriented by the applied 3-D stress field.     

三软煤层放顶煤支架-围岩关系分析

根据支架围岩关系的基本原理,对王村矿"三软"煤层采面的支架围岩关系进行了分析,确定了该采区的采面直接顶刚度具有关键作用,为中间型刚度直接顶,P-△ι为双曲线关系,支架的合理工作范围为600～2000kN/架,原设计的直接选型合理.     

综放开采冒落带特征探测研究

本文以鲍店煤矿1310综放工作面为研究对象,采用钻孔基点位移、钻探等综合方法,对中硬覆岩厚煤层综放开采冒落带特征进行了探测,获得了综放开采条件下冒落带发育特征,研究成果对于提高资源回收率及矿井安全生产具有重要意义.     

松软岩层巷道施工和冒顶的处理方法

以煤矿回采巷道的掘进维护理论为基础，结合海城滑石矿及架子铀矿开采等几个矿山巷道掘进的实践，归纳总结出，在松软岩层中，巷道掘进所采取的切实可行的措施，以及冒顶的处理方法。     

充填体特性对综放沿空留巷围岩稳定性的影响

针对综放沿空留巷围岩控制关键技术 ,分析了充填体宽度和材料特性对综放沿空留巷围岩稳定性的影响 ,探讨了提高充填体抗变形能力的措施