软弱夹层巷道围岩失稳特征分析及控制技术研究

为研究软弱夹层对煤矿巷道围岩失稳破坏的影响,基于3DEC离散元模拟软件,建立了不同工况条件下含弱层煤矿巷道数值计算模型,提出割底岩掘进方案，并对不同工况条件下方案进行对比分析及对软弱夹层作用下巷道围岩失稳破坏规律展开研究。结果表明:巷道变形特征与巷道在煤层中布置方式、煤层顶底板围岩强度有关，夹矸层在煤层中不同层位对巷道变形破坏影响也不同。弱层的存在改变了围岩中应力传递路径,软弱夹层与上下相对坚硬岩石交界层面处，因摩擦约束应力作用，导致夹层处的水平应力减小，从而该处位置的强度随之下降，夹层丧失承载能力发生破坏,进而加剧围岩的剪切破坏与水平滑移。通过不同工况方案对比，得出巷道掘进过程中控制割岩层位，夹层置于煤层底板下0.3 m工况方案满足要求。     

三软煤层巷道围岩变形机理及支护优化技术研究

为了解决15101工作面三软煤层巷道围岩变形破坏的问题,在确定巷道顶底板环境的基础上,对三软煤层巷道围岩侧向支承应力分布及变形机理进行了分析。研究表明:三软煤层巷道侧向应力呈现出应力峰值位置远离煤壁、应力最大值降低、侧向支承应力影响范围扩大等特点,巷道发生变形主要是由于力源集中区应力传递导致帮部剪切滑移破坏和底板挤压夹持破坏;建立了巷道围岩受力力学模型,理论分析了巷道围岩在横向变形和纵向变形的应力表达式,得出巷道变形受到巷道支护强度、底板支承能力、煤体应力传递衰减系数和底板剪切滑移等因素的影响。最后,提出了"控制顶板、加固两帮、强化底板和固定滑移"的巷道围岩控制原则,采取"长预应力锚索+帮部加密锚杆+底板注浆"的综合支护方式对巷道围岩进行了支护优化设计,确保了三软煤层巷道的安全稳定。     

深部厚煤层沿底巷道两帮变形破坏机理研究

为解决深部厚煤层沿底巷道变形大、围岩维护难题,以营盘壕煤矿2201工作面运输巷为工程背景,分析巷帮变形破坏特征及关键影响因素,基于巷帮应力状态分析,探讨巷帮围岩变形破坏机制,引入梁柱力学模型和剪切滑移破坏模型,确定巷帮综合破坏深度和锚杆长度,并运用数值计算方法对其进行系统模拟研究和论证。结果表明：两帮上部片状破裂,中上部层状开裂,中部块状剥落碎胀鼓起明显;支护系统欠合理、巷帮煤体性质变化、断面大、地应力高是造成巷帮变形破坏的主要原因;巷帮围岩变形破坏表现为浅部动态卸荷劈裂破坏、中深部(单侧无侧限)单轴压缩劈裂破坏(合称为“H”型破坏)和深部不完全共轭剪切破坏(“Y”型破坏)的“H+Y”型破坏机制,能够解释现场调研发现的煤巷变形破坏特征和现象;梁柱力学模型和剪切滑移破坏模型能够反映巷帮围岩的稳定性,综合破坏深度等于拉伸(劈裂)破坏深度与剪切(压剪)破坏深度之和;数值模拟与理论分析结果较为一致。     

叠加采动影响下保留巷道围岩破坏机理及其控制技术

以布尔台煤矿上下煤层叠加采动影响下保留巷道严重变形破坏为工程背景,采用理论分析、现场监测、实验室试验、数值模拟和工业性试验等综合研究方法,从巷道围岩塑性区形成和发展的角度,对巷道围岩破坏特征、采动应力时空演化规律、保留巷道塑性区恶性扩展破坏机理、应力调控围岩控制技术方面进行系统研究。结果表明:上下煤层叠加采动后,保留巷道处于高应力比值带,主应力比值为1.84～2.22,最大主应力与竖直方向夹角为39.7°～41.9°,导致巷道围岩塑性区恶性扩展,顶板破坏深度7.5 m,底板破坏深度4.5 m,煤柱帮破坏深度3 m,煤壁帮破坏深度2.25 m。基于塑性区破坏机理提出应力调控技术,通过改变煤柱尺寸或上下工作面开采布局等手段调控围岩应力,减小围岩塑性破坏范围,并进行工业性试验,取得良好的应用效果。     

大断面矩形和六边形煤巷围岩变形破坏试验对比研究

通过相似材料模型试验,对比分析了大断面矩形和六边形巷道在不同地应力环境下围岩的变形破坏规律。试验结果表明:六边形巷表面收敛率约是矩形巷道表面收敛率的40%,其帮深部内移量和顶板深部下沉量分别是同条件下矩形巷道的76.5%和67%。两种巷围岩以剪切破坏为主,裂隙在围岩上成环状分布。矩形巷顶板出现高度1.6m的冒落拱,巷帮出现大块楔形体并与帮脱离形成弧形帮;六边形巷右顶角附近有部分冒顶,其折边巷帮被压成弧帮,且部分出现楔形体脱落,片帮范围小于矩形巷巷帮。试验显示侧压力系数为0.75时,围岩突变破坏相对缓和,而侧压力系数为1.25时,围岩突变破坏较剧烈、破坏程度最大。     

孤岛工作面层状底板回采巷道底板破坏特征分析

曙光煤矿煤层底板层理发育,1208孤岛工作面回采巷道底板受支承压力影响大,引发底板产生剪切滑移。基于岩体力学理论,计算了巷道底板的破坏深度,分析了不同阶段孤岛工作面底板破坏的区域;运用FLAC3D软件分析了巷道围岩在不同回采阶段的支承压力集中系数,根据塑性区分布特征,得出了孤岛工作面回采期间巷道的破坏类型、巷道底板的破坏类型和破坏深度。     

水平应力不均衡系数对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响

为分析水平应力不均衡系数对矩形巷道围岩塑性区扩展的影响,采用FLAC3D软件对矩形巷道不同水平应力不均衡系数条件下的塑性区分布进行模拟研究。假设理想化的地质采矿力学环境,建立4组水平应力不均衡系数数值模型,分析水平应力不均衡系数对矩形巷道塑性区的影响。结果表明,水平应力不均衡系数为1.0、2.0时,塑性区呈圆形,水平应力不均衡系数为2.5时呈矩形,水平应力不均衡系数为1.5时,顶角和底角处几乎没有发生塑性破坏;水平应力不均衡系数为1.0、1.5、2.0和2.5时的破坏范围都是闭合曲线。随水平应力不均衡系数增大,顶板和底板的围岩塑性区扩展速度是先减小再增大,而两帮的围岩塑性区扩展范围是先保持不变,到深部时突然增大。     

松软煤层沿空掘巷围岩变形破坏规律研究

采用现场实测及数值模拟的方法,以恒源煤矿Ⅱ616沿空风巷为工程背景,对松软煤层中沿空掘巷围岩变形破坏规律进行了研究。结果表明,松软煤层中沿空掘巷两帮内挤变形约为顶底板移近的1.89～2.5倍,且煤柱帮移近变形占两帮总位移的60%左右,实体煤帮变形趋于稳定时间明显早于小煤柱帮。同时通过对围岩塑性破坏场的分析,揭示了沿空巷道的实体煤侧肩窝为沿空巷道的应力集中区及支护的关键部位。     

高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤数值模拟研究

深部巷道围岩在频繁爆破扰动作用下微裂隙不断产生、扩展与贯通,形成宏观破裂,岩体失稳灾害日益突出。本文采用FLAC3D软件,考虑不同侧压力系数,开展高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤规律研究。结果表明：应力环境明显影响巷道围岩的损伤特征。初始应力条件决定巷道围岩的破坏区域和破坏形态分布,爆破扰动会加剧巷道围岩的损伤,加快破坏速度。与初始应力状态相比,爆破扰动造成巷道围岩松弛区变厚、应力集中程度和影响范围增大,同时改变围岩中位移的分布特征和范围,并增大围岩的最大位移量。巷道围岩所受双向载荷差值越大,爆破扰动作用后塑性区的深度就越深,破坏增量也越大,巷道围岩塑性区的范围远大于松弛区。支护工程应控制松弛区围岩,避免其发生垮落。研究为深部巷道围岩控制提供支撑。     

三巷道工作面巷道矿压特征分析

对小峪煤矿4801长壁工作面巷道在不同开采阶段,帮部支承压力分布特征进行了研究.研究结果表明:三巷道掘成后,中间巷道两帮围岩破坏深度大,且应力集中系数较高;两边巷道靠近中间巷的帮部围岩破坏深度比靠近外边的帮部围岩破坏深度要大,相应的应力集中程度也较高,但都小于中间巷道的两帮.上区段工作面采过后,由于巷道上覆破断块体的旋转下沉,靠近上区段采空区的煤柱压力增大,煤柱的塑性破坏区域加深,应力集中向岩体深部转移,在所有巷道和煤柱帮部中,靠近上区段采空区的破坏区域大,相应的应力集中程度也高;下区段工作面采过后,由于巷道上覆破断块体的旋转下沉,靠近下区段采空区的煤柱压力增大,煤柱的塑性破坏区域加深,应力集中向岩体深部转移.     

复杂顶板条件下巷道合理支护参数研究

葛泉矿1192工作面巷道顶板包含8~#和9~#两层煤及夹矸,顶板条件复杂多变,巷道支护参数的设计和稳定性存在难题。通过FLAC3D数值模拟软件分析了薄顶煤型和厚顶煤型两类顶板结构巷道围岩塑性区分布特征,当顶板由薄顶煤型变为厚顶煤型时,顶板围岩破坏深度随之增大,两帮和底板的破坏深度不变,顸板破坏深度最大值2.5 m,帮破坏深度最大值2 m。结合塑性区特征和悬吊理论提出合理支护参数,结果表明煤帮松动圈范围0.6~0.7 m,顶板和两帮位移量60~80 mm,巷道变形量小,基本能够维持稳定。     

一种基于应变软化模型的直墙半圆拱巷道开挖计算分析

为研究软岩直墙半圆拱巷道的变形破坏规律,以梅花井煤矿1110208工作面为研究对象,基于应变软化模型来反映软岩的泥化以及膨胀特征,计算了直墙半圆拱巷道开挖后围岩中塑性区及支承压力分布情况。研究结果表明,应变软化模型受巷道围岩中铅直应力影响显著,当埋深较大时,巷道围岩中铅直应力显著增加;基于应变软化模型计算得到巷道围岩中塑性区分布面积显著增大,巷道顶板及顶板中的拉应力分布区也显著增加,应变软化参数对巷道围岩中塑性区分布影响显著;随塑性剪切应变增加,岩石材料内聚力下降幅度越大,巷道围岩中塑性区分布面积越大;应变软化参数对巷道围岩中铅直应力最大值及最小值应变不显著,但对巷道顶板及底板中拉应力分布区影响显著;随塑性剪切应变增加,岩石内聚力下降幅度越大,巷道顶板及底板中拉应力分布区越大。     

采动影响下底板岩体及巷道破坏时空演化特征分析

明确工作面底板采动应力分布规律,实现采动影响下底板岩体及巷道破坏程度的精准把握,能有效防止底板巷道的变形失稳。为此,根据极限平衡理论,构建煤岩体超前采动应力力学模型,获得支承压力扰动阶段和采空区卸压阶段底板岩体的力学分布规律,并基于压剪破坏准则及岩体卸荷损伤机制,得到底板岩体及巷道围岩破坏时空演化特征,进一步采用数值模拟进行可靠性验证。结果表明：采高增大,工作面前方煤体塑性区范围增大,超前支承压力集中系数减小;超前采动支承压力越大,底板岩体内主应力差越小,莫尔应力圆半径小,对底板的影响强度减弱,具体表现为底板岩体压剪破坏深度的减小;卸荷后底板岩体受力状态相同,岩体卸荷起点的增大,卸荷量增加,卸荷张拉破坏加剧,底板岩体塑性区呈“马鞍形”;推进过程中巷道围岩塑性区发生由“椭圆形”-“蝶形”-“竖直椭圆形”时空演化特征,采动支承应力越大,巷道破坏越严重,破坏主要集中在顶板及肩角位置。设计初采高度为3.5 m,通过布设光纤测试系统,得到采动过程中底板岩体及巷道随工作面推进变形与破坏的时空演化规律,测得底板岩体破坏深度最大为16.7 m,巷道围岩破坏深度最大为5.2 m,巷道围岩体在整个监测期间...     

基于3DEC的大采高回采巷道围岩变形特征研究

为探究大采高回采巷道围岩变形失稳特征,通过3DEC数值模拟软件,以22204辅助运输平巷为背景,分别分析了巷道围岩裂隙发育、应力分布、位移分布以及塑性区分布特征。研究结果表明：大采高回采巷道围岩裂隙发育、变形具有非对称性,随着工作面向前推进,巷道围岩位移量不断增大,其中较大水平位移向巷帮中上部及顶板位置转移,且靠近煤柱一侧巷帮水平位移、裂隙发育较为显著;采动影响下巷道围岩发生了一定程度的剪切破坏,导致其煤岩体应力释放,且煤柱长期处于高应力状态,因而靠近煤柱一侧的巷帮及巷道顶板塑性破坏较为严重和频繁。基于此,明确了大采高回采巷道围岩变形的重点防控区域,为该类巷道围岩稳定性控制提供参考。     

回采巷道煤体荷载传递机理及其极限平衡区的研究

基于支承压力作用下回采巷道两帮煤体的力学模型,分析了煤体与顶底板界面应力、煤体轴力的基本分布规律,首次对煤帮水平位移进行了力学推导,建立了极限平衡区宽度新的理论计算公式,讨论了塑性条件下煤帮极限平衡区宽度的主要影响因素。结果表明：① 极限平衡区煤体的垂直应力、顶底板与煤层界面的剪应力及其水平压力均呈双曲函数分布;② 煤帮处煤体垂直应力的大小随巷道高度及顶底板与煤层界面力学参数的改变而改变,其水平位移与弹塑性界面的侧压力系数、峰值应力及煤体极限平衡区宽度成正增长关系,与煤体综合弹性模量成反比;③ 煤体极限平衡区宽度与巷道埋深、上覆岩层平均容重、煤体与顶底板界面的强度参数、应力集中系数及侧压力系数、巷道高度及煤体综合弹性模量密切相关,随巷道埋深和巷道高度的增加而增大,随煤体与顶底板界面内摩擦角和黏聚力的增加而减小。最后,通过工程实例,验证了分析结果的合理性。     

松软煤层高帮巷道巷帮控制技术

针对松软煤层高帮动压巷道围岩变形特点,以阳泉上社煤矿地质条件为对象,分析了巷帮破坏机理和解决对策。松软高帮在不均衡应力和顶帮不同强度的作用下,发生剪切破坏,并在巷道四角处产生剪应力集中区;高预应力锚索支护松软高帮时,可减小塑性破坏范围和剪应力集中程度。结合注浆加固作用特点,提出松软高帮的高预应力注浆锚索支护技术。井下实践表明,松软高帮巷道巷帮高预应力注浆锚索全高支护可有效控制巷帮大变形,提高围岩稳定性,试验效果良好。     

相邻空区影响下三软巷道变形破坏规律与煤柱留设宽度研究

为了探究相邻空区影响下三软煤层巷道掘进时不同煤柱宽度下巷道围岩变形破坏规律,采用理论计算、数值模拟、物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,分析存在临空区后不同区段煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏范围以及位移分布特征。结果表明：临空区是造成巷道掘进后非对称破坏的主要原因,使煤柱主应力方向与垂向夹角增大,巷道两帮应力呈煤柱侧大于实体煤侧的非对称分布特征;三软巷道破坏形式以剪切破坏为主,破坏主体为两帮,随着煤柱宽度增大,主应力方向与垂向夹角减小,巷道围岩破坏程度降低,临空区对巷道不同位置的影响程度不同,巷道中部围岩破坏程度大于端头处且煤柱侧破坏程度大于实体煤侧;煤柱宽度增大对巷道围岩应力以及煤柱破坏的改善程度有限,现场结果显示当煤柱宽度为20 m时巷道正常维护满足需求。     

巷道围岩侧压力系数位移反演及应用

侧压力系数是与巷道围岩稳定息息相关的重要参数,其在一定范围内波动时围岩塑性区变化不大。当超过一定区间时,巷道围岩塑性区将对侧压力系数的敏感度提高,塑性区急剧扩展。侧压力系数并非一成不变,随着煤矿采动应力变化,侧压力系数也将发生变化。研究过程中,对常规侧压力系数计算方法进行评价,弹性介质模型忽略岩体的弹塑性;静水压力模型认为侧压力系数为1,与实际情况不符;散体介质模型和粘性介质模型定义侧压力系数的范围,没有给出侧压力系数的具体值,实际应用存在困难。为取得较为准确的侧压力系数,以非等压圆形巷道应力和位移分量表达式为基础,设计一种利用位移反演侧压力系数的方法,利用该方法可根据实时位移数据获得侧压力系数实时数据。以寸草塔煤矿实测数据反演得到侧压力系数,并根据实测数据进行理论计算和数值模拟。2种方法得到塑性区范围与现场观测高度吻合,从而验证侧压力系数反演方法的可行性和适用性。     

不同强度动载叠加下巷道围岩力学特征数值模拟研究

为研究不同强度叠加动载作用下底板巷道围岩力学特性,以朱仙庄煤矿Ⅱ5采区879瓦斯抽采巷道为工程背景,运用数值模拟软件FLAC~(3D)对不同强度叠加动载作用下,巷道围岩应力、位移及塑性区分布规律进行研究。结果表明:巷道应力集中系数随扰动强度增加以不规则简谐运动波形形式增加,巷道顶底板及两帮应力集中程度加剧,峰值位置朝围岩深部转移;巷道顶板及两帮变形量随着扰动强度增加呈增加—下降—增加的变化趋势,其中右帮变化速率最大,顶板次之,左帮最小;巷道在剪切破坏的主导作用下产生破坏,且当扰动强度小于40 MPa时,巷道围岩塑性屈服网格数增量每兆帕0.2个,强度超过40 MPa时,塑性屈服网格数平均增量为每兆帕0.6个。     

非均匀应力场圆形巷道塑性区研究

为了研究巷道开挖后巷道围岩的塑性区分布规律,首先分析巷道围岩的应力分布特征,在计算出围岩应力分布规律基础上,依据摩尔库伦强度准则推导出圆形巷道围岩的弹塑性区。通过理论计算得出侧向应力、地应力、黏聚力、内摩擦角参数变化时巷道围岩的塑性区范围,从而总结出巷道围岩塑性区的演化规律,结果表明,侧压力系数λ对圆形巷道围岩的塑性区有很大影响,当λ=1时,巷道围岩塑性区为圆形;当λ<1时,塑性区在两帮较大,顶部小;当λ>1时,塑性区在两帮较小,顶部大,且角部塑性区发展迅速;随着地应力的增加,塑性区的范围也随之增大;随黏聚力增大塑性区范围减小;随着内摩擦角φ的增大塑性区范围随之减小,但影响较小。