地面钻井双层套管剪切变形的应力传递特性

针对采动条件下钻井井身易失稳破断的难题,采用数值模拟的方法,研究了地面钻井双层套管剪切变形过程中的应力传递特性,结果表明:双层套管剪切变形过程中,外层套管的峰值应力和应力集中区面积均大于内层套管;随双层套管剪切位移增大,应力传递系数整体呈现先快速增大再缓慢增大的变化趋势;此外,随填充层厚度增大和填充材料弹性模量降低,双层套管的应力传递系数逐渐降低。在上述研究基础上,提出了增大填充层厚度和选择柔性填充材料的井身结构优化建议。     

轴向拉应力对钻井套管剪切变形时应力特征的影响规律研究

基于煤层开采条件下上覆岩层的运动规律,采用Ansys软件建立了钻井套管剪切变形数值模拟模型,研究了轴向拉应力对套管剪切变形时的应力特征的影响规律。结果表明随着套管承受拉应力的增大,剪切面上Mises应力最大值和套管上承受较大Mises应力的区域面积均增大,说明拉应力越大,套管越易发生剪切破坏,且套管易发生剪切破坏的区域也越大。研究结论解释了工程中套管剪切破断的区域主要位于软硬岩层交界处(上硬下软组合)和关键层区域的原因。     

地面钻井剪切变形破坏的时空规律分析

为有效预防地面瓦斯抽采钻井的剪切变形破坏,建立了基于采场上覆岩层层面剪切滑移效应的采场任意点地面钻井剪切变形破坏模型,并对套管变形随回采工作面推进的空间分布和时间变化规律进行了分析,同时运用3DEC数值模拟软件对模型进行模拟分析并与现场工程实例进行了对比验证。指出地面抽采钻井应优先布置在采场中部区域以减小剪切变形,模型描述的规律对地面钻井的施工布井和钻井防护具有较强的工程指导意义。     

地面钻井剪切变形破坏模型及其空间规律分析

抽采煤层瓦斯是解决煤矿井下瓦斯超限难题的根本措施.但受煤层回采的影响,当回采工作面推过地面瓦斯抽采钻井位置后钻井套管迅速发生破坏,无法充分发挥其抽采采空区瓦斯的效应.因此,基于采场上覆岩层层面剪切滑移效应建立了地面钻井剪切变形破坏模型,并对套管随回采工作面推进在采场倾向方向上的位移变化规律进行了研究,指出:钻井剪切滑移...     

边坡层状岩体三维横观各向同性数值分析

建立层状岩体的三维横观各向同性连续介质力学模型,把三维Hoffman强度准则引入到层状边坡稳定性分析中,模拟不同岩层倾角下三维边坡破坏模式。结果表明：岩层为水平分布,剪应力起主导作用,易发生以剪切为主的损伤破坏;岩层为竖直分布,主应力起主导作用,易发生以拉应力为主的倾倒破坏;当层状岩体的走向与坡面走向一致,岩层倾角在0°~90°变化时,岩体从剪应力为主的破坏到拉剪组合破坏再到以拉应力为主的破坏过渡。另外,顺倾岩层的边坡更容易发生剪切滑移型破坏,而反倾岩层的边坡整体不易发生剪切滑移破坏,多存在局部小范围损伤,整体相对较稳定。研究结果可为层状岩体边坡的设计、支护和监测提供借鉴意义。     

倾斜煤层沿空掘巷柔性锚杆控制技术研究

倾斜煤层沿空巷道围岩应力状态复杂,围岩控制难度增加。通过理论分析、数值模拟与工程实践相结合的研究方法,对不同倾角下巷道的围岩应力状态、破坏特征及控制技术进行研究。结果表明:随着煤层倾角的增大,巷道两侧侧向支承应力集中峰值不断增大,应力集中区逐渐扩大,且偏载效应明显;提出采用柔性锚杆高预紧长锚固的支护方式,增大巷道的有效承载圈层,确定了不同煤层倾角的2种支护方案。现场矿压观测表明,巷道顶板最大下沉量为22mm,两帮最大收敛变形量为31 mm,沿空巷道围岩结构稳定,整体变形量小,能够为相似条件下的沿空掘巷提供参考。     

倾斜煤层开采地表沉陷规律模拟分析

为了研究倾斜煤层开采时地表下沉及其上覆岩层的破坏影响规律,以安阳煤矿的地质条件为原型,利用软件模拟不同倾角下特厚煤层的开采。研究表明:在工作面前端出现应力升高区,随着倾角的变大应力拱逐渐向地表延伸,拱型结构逐渐向岩层上方移动,垂直应力集中系数随倾角的变大而减小;对于倾角小于30°煤层而言,上覆岩层垮落后就地堆积;当煤层倾角大于40°时,上覆岩层垮落并向煤层下山方向移动,从而使得采空区上山方向地表下沉值增大,而下山方向地表呈相对上升趋势,由于地下岩层破坏使得地表总体呈现U型塌陷坑。     

多重采动下大倾角上覆煤岩移动及地面井变形规律

地面井在煤层开采引起的采动作用下极易发生变形直至失稳破坏,这也是制约采动卸压区地面井瓦斯抽采技术应用的关键性问题。以新疆1930煤矿大倾角煤层群开采为背景,开展了大倾角煤层群开采下地面井变形的相似模拟试验,通过监测覆岩移动、煤层应力变化、地面井管道不同位置的轴向与环向变形,揭示了大倾角煤层群采动下地面井变形规律,研究表明：首先地面井在采动过程中处于剪切、挤压、拉伸的复合应力状态,但由于煤岩层倾角的存在,环向的剪切变形大多时间大于轴向的拉伸变形,即地面井受到的剪切作用占主导地位,同时采动过程中,地面井环向的剪切变形与轴向伸缩变形存在一定的负相关关系,在一定程度上说明地面井所受的剪切作用和拉压作用存在相互制约的关系;其次地面井轴向变形规律整体呈现增大趋势,但过程中出现拉缩交替的现象,与近水平煤层重复采动时的一直增大存在较大差异,而环向的剪切变形的变化趋势则与近水平煤层重复采动时较为相似,出现了反复错动的特点,但最终剪切位移的方向始终为煤层的倾斜方向;最后研究也发现在主关键层上部地面井变形规律整体呈现“增大—减小”反复三次交替,在主关键层及下部呈现“增大—减小”反复四次交替。研究成果可以为大...     

倾斜煤层煤柱覆岩结构特征及应力分布规律研究

为研究倾斜煤层煤柱覆岩结构及应力分布规律,采用理论分析、数值模拟、现场实测的方法,分析了倾斜煤层采场倾向岩体运移特征及煤层倾角与煤柱应力之间的关系。结果表明:倾斜煤层煤柱边缘直接顶岩层几乎不冒落,破断后有序排列形成小结构模型,其稳定性差,且失稳破坏为基本顶运动提供了空间,促使基本顶大结构模型的形成,大结构模型形成滞后于小结构模型,且与小结构模型存在空间上的差异;区段煤柱垂直应力集中程度随煤层倾角的增大而减小,水平应力集中程度则随煤层倾角的增大而增大;应力峰值与煤壁距离以及支承压力影响范围均随着煤层倾角的增大而减小。     

515108工作面回风顺槽巷道底板变形分析与控制

为了分析杨家村煤矿515108工作面回风顺槽底板变形情况,建立了巷道力学模型分析变形原因.应力模型显示,采空区存在较大应力集中区,导致上覆岩层稳定性不高,后续回采导致顶板应力分布逐渐加剧,并传导至底板岩层,使其应力增加发生剪切破坏产生底鼓.采用“底板注浆改造+底板锚杆”的方案对其进行改造,经数值模拟验证,该方案可以有效...     

基于FLAC~(3D)的露天矿采场边坡破坏机理研究

以凤城市某露天采矿场边坡为例,通过工程钻探、物探、大型剪切试验等得到各岩层属性参数。利用FLAC~(3D)软件对该边坡进行三维数值模拟,分析应力应变关系,得出变形较大及应力集中区域,给出了边坡破坏的机理,验证数值模拟可靠性,为边坡抗滑设计提供依据。     

陷落柱影响采场围岩破坏和底板突水的数值模拟分析

为探讨陷落柱在围岩破坏及突水中所起的作用,采用FLAC^3D模拟分析了陷落柱影响下采煤工作面推进的全过程．采动影响下采场围岩的应力应变数值模拟充分说明,陷落柱的存在使底板的应力应变分布极不均匀,应力集中系数增大,陷落柱附近位移明显,远离陷落柱其影响逐渐减小,但对底板岩层破坏范围及破坏形式影响较小;陷落柱顶面上方岩层的应变较大,与周围不协调,容易产生局部剪切变形．陷落柱边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时,是剪切破坏的最佳状态,最容易发生底鼓突水．陷落柱影响下的底板破坏深度为15—18m．     

几何因子作用下反倾边坡倾倒变形响应规律研究

为分析层状反倾岩质边坡在坡度、岩层厚度、岩层倾角等3种常见几何特征因子作用下的倾倒变形响应规律,选取总位移指标作为倾倒变形评价指标,对几何特征因素下的144种组合方案进行了数值模拟研究,结果表明:随着坡度增加,反倾边坡易倾倒区变化路径为一条"C"型曲线,且总位移值逐渐增加;随着岩层倾角增大,易倾倒区面积逐渐减小、数值逐渐增加,在岩层倾角由30°增加至40°过程中,易倾倒区位置发生较明显的变化,岩层倾角增大到40°以后,易倾倒区位置相对较固定,变化较小;当岩层厚度为0.1,0.4 m时,易倾倒区主要平行坡度坐标轴呈条状分布;当岩层厚度为0.2~0.3m时,易倾倒区向坡度80°附近迁移,岩层厚度为0.2m时易倾倒区的总位移值最大。     

软弱岩层巷道围岩控制的数值模拟分析研究

大倾角"三软"破碎带内巷道围岩失稳问题是矿山开采所面临的主要问题之一。以青海某金矿的软弱围岩巷道为背景进行有限元模拟,发现大倾角破碎带巷道开挖后应力重新分布,且应力变化范围较大,其中拱腰和低边墙出现应力集中,发生拉应力破坏。通过对应力集中区进行锚杆支护,有效地控制了围岩变形。     

煤层底板加固中浆液充填套管的空间受力特征及其应用

为研究底板加固中浆液充填套管对底板岩层变形影响,以套管为主要研究对象,建立采动作用下浆液充填套管在底板岩层中的力学作用模型,理论分析浆液充填套管的应力分布和作用机制并进行验证。将采空区四周支承压力分区,根据集中力作用下半空间体内应力解,通过角点法积分得到矩形基底三角形分布支承压力角点下的一点应力状态,并运用辅助线法和叠加法得到了采空区下方底板岩层中任一点的空间应力分布。然后,基于浆液充填套管破断形态和抗弯刚度,结合采动作用下底板岩层变形破坏特征及套管布置方式,建立以浆液充填套管为中心的套管与岩层耦合作用力学模型,阐明了弹塑性极限平衡条件下浆液充填套管的空间受力特征及对底板岩层变形影响机制,得到了浆液充填套管在准破坏区界点处的弯矩公式和基于抗弯刚度和许用应力的套管容许最大变形公式。最后,根据工程实例建立数值模型,计算结果表明轴向上套管垂向位移形态以破坏区为界分为2段,破坏区内套管位移较大,套管位移形态阐明套管发生弯曲变形过程。施加套管时监测点位移变形量小于未施加套管时的变形量,且套管长度越大变形量越小,验证了浆液充填套管具有抵抗岩层变形的作用。数值计算结果与理论分析相符,组合浆液充填套管...     

不同断层倾角下煤系断层应力场演化规律研究

为深入了解煤系断层构造带应力场演化特征，以重庆石壕煤矿为例，通过物理相似模拟研究不同倾角断层在水平应力作用下破坏形态及内部的应力变化规律，同时结合数值模拟软件PFC分析不同断层倾角下应力增高区范围与断层破坏的影响。结果表明：断层倾角较小时发生滑动破坏，随着倾角的增大，断层两端应力无法通过滑动卸载，破坏形式逐渐变为剪切破坏；加载时断层下盘区域产生应力集中，断层倾角增大使得应力增高区因不同的破坏形式从下盘煤层区域向下盘顶、底板区域转移；通过PFC数值模拟，可以有效观测到模型内部裂缝，并对试件内部微裂缝进行考察研究与物理试验有着较好的一致性；通过力链分析发现，断层倾角变化会诱使应力增高区从煤层过渡到力学性能较强的顶、底板。     

寺河煤矿采动区地面钻井破坏特征研究

为了提高寺河煤矿采动区地面钻井的稳定性,研究采煤过程中地面钻井的失效特征具有重要意义。研究通过相似试验模拟煤层开挖过程,以分析地面钻井的高危破坏期、高危破坏位置及相应的钻井失效模式。结果表明,当采煤工作面推过寺河煤矿的采动区地面钻井150 m后,地面钻井处于高危破坏期;在破坏期内,钻井高危失效位置易出现在上覆岩层中的硬-软岩层交界处以及厚-薄-厚组合岩层中;其中,钻井在硬-软岩层交界处遭受剪切错断而失效,在厚-薄-厚组合岩层内遭受挤压堵塞而失效。     

直角梯形巷道围岩应力非对称特征数值模拟研究

针对石炭井二矿区倾斜煤层直角梯形巷道围岩出现非对称变形破坏,给巷道的稳定性控制和支护带来很大困难的问题,采用数值模拟方法,对该矿区巷道垂直应力、水平应力及水平位移进行了系统分析研究,给出了倾斜煤层直角梯形巷道围岩应力的分布规律及破坏特征。研究结果表明:巷道两帮、顶板及尖角处均呈现明显的非对称应力集中现象,主要表现为两帮应力集中峰值和距帮部侧壁的距离差异明显,并随着倾角和地应力增大而增大,当倾角为18°～27°,低帮应力集中峰值为高帮的1.07～1.33倍,高帮到巷道帮部侧壁的距离比低帮大1.26～3.79 m。其次沿煤层倾角相同方向对称的两尖角处表现为明显的压应力区,而相反方向两尖角处则表现为明显的拉应力区,且压应力和拉应力的最大值均出现在巷道顶板的两尖角处,其破坏特征表现为低帮一侧及底板严重的变形破坏。     

掘进过断层巷道围岩动力响应数值分析

运用UDEC软件分析了掘进巷道工作面接近落差大于3 m的断层时,随着工作面的推进,断层对巷道周边应力场的影响。数值模拟结果表明:随着工作面的推进,在断层带上会出现应力集中现象,在工作面上部岩层的剪应力逐渐增大,水平应力趋于定值。上述模拟结果为工作面及巷道布置提供了依据,有助于避免应力集中对巷道造成的破坏,延长巷道的服务年限。     

磷矿层状边坡变形失稳的灾变分析

以云南磷化集团有限公司尖山磷矿为工程背景,依据其陡倾层状斜坡变形失稳特征,采用尖点突模型分析了斜坡失稳的演化过程和内在控制因素,并结合层状岩体受力分析特点,对露天矿边坡开挖稳定性进行了研究。结果表明：①岩层厚度的增加可提高岩体的抗弯刚度,能有效控制边坡溃屈破坏的发生。采用岩土体锚固技术或分级顺层清方可降低该类边坡失稳的风险。②当斜坡岩层厚度一定时,斜坡的临界坡长随着岩层倾角的增大呈减小趋势,且岩层厚度越大,该递减的趋势越加显著;当岩层倾角一定时,斜坡的临界坡长随着岩层厚度的增加呈增大趋势,且岩层倾角的增大,该增大的幅度减小,同时,当岩层倾角大于40°时,随岩层厚度增加而致使斜坡临界坡长增大的幅度趋于一致。相关的研究成果可为该矿或类似条件下的露天采场运输工艺提供理论和技术上的指导和建议。