基于动力系统结构稳定性的共轭剪切破裂-地震复合模型

地壳中岩体破坏、断层形成与地震诱发具有成因联系,其中"X"型共轭剪切破裂与地震发生关系密切。为此,基于动力系统结构稳定性理论和孔洞岩体蝶形破坏理论,构建了"X"型共轭剪切破裂-地震复合模型,推导了破裂尺寸计算公式,给出了地震释放能量的计算方法。用动力系统理论解释了破裂扩展尺寸与地震能量释放存在的定量对应关系,从理论上完整阐述"X"型、"V"型和"Y"型共轭破裂特征的生成及演化力学机理,推演出共轭剪切破裂扩展和伴随地震发生的重要物理力学现象及规律。研究结果表明:在高偏差应力场作用下的地下软弱异性体周围岩体满足摩尔-库仑剪切破坏条件发生破坏,形成蝶形破坏区,即花瓣形破坏区,随着蝶形破坏区的扩展,会形成以软弱异性体为中心的显性或隐性X型共轭剪切破裂;软弱异性体周围岩体强度特征变化,使得共轭破裂表现出"X","V","Y"型共轭特征;在一定地应力和围岩环境中,地壳软弱异性体及其周围岩体构成的非线性动力系统,对于地应力和地层强度的变化具有敏感依赖性,即共轭剪切破裂的扩展尺寸和地震释放的能量具有相互伴生的指数型变化特征,相同的应力扰动在不同的构造应力场作用下引发共轭剪切破裂一次性扩展的尺度不同,会引发不同级别的地震,存在着非敏感依赖区域向敏感依赖区转化的特征拐点。     

X型共轭剪切破裂-地震产生的力学机理及其演化规律

地震的发生是一个极为复杂且高度非线性的物理过程,基于乔建永、马念杰、马骥等提出的X型共轭剪切破裂-地震复合模型,进一步研究了共轭剪切破裂-地震发生的力学机理,阐明了共轭剪切破裂-地震发生及其演化的物理过程,从软弱异性体周围岩体应力、破坏形态与地震能量变化的角度出发,发现了共轭剪切破裂-地震具有"仿蝶存亡"规律,获得了共轭剪切破裂-地震生成的必要条件。研究结果表明:由于构造应力显现区域应力环境的剧烈变化,地壳岩体中会形成以软弱异性体为中心的性态极不稳定的蝶形破坏区,它的扩展最终会形成显性或隐性的共轭剪切破裂;蝶形破坏区蝶叶每次扩展释放的能量会在一定范围内引发地震,即地震是触发事件动载作用下蝶形破坏瞬态扩展所释放弹性能的非线性动力现象;共轭剪切破裂在不同应力状态下经历了圆形和椭圆形破坏、蝶形渐进破坏与蝶形剧烈破坏的孕育期、生长期与剧变期;依据地震里氏震级的强弱,在共轭剪切破裂动态生成过程中地震活动存在着弱震期,中强震期与强震期的"仿蝶存亡"特点;共轭剪切破裂—地震发生的必要条件主要有地壳中的软弱异性体存在条件,构造应力剧烈变化条件,软弱异性体及其周围岩体强度条件以及地震发生的应力触发条件。     

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...     

深部巷道群高静载低扰动冲击矿压发生机制及防治技术

针对深部巷道群高静载低扰动下突发性冲击矿压的难题,以某煤矿一盘区大巷为工程背景,通过力学分析和数值模拟研究了深部巷道群高静载低扰动诱发冲击矿压的发生机制。结果表明：大巷之间相互影响,导致巷道间煤柱区域应力叠加,高能量积聚在巷道顶底板内;巷道围岩蠕变使得围岩的长期强度降低,引起诱发冲击矿压的临界应力值降低,进而高静载水平下较小的动载扰动即可使叠加应力达到岩体承载极限,在能量达到岩体破坏的最小所需能量时,岩石产生自发性破坏,破坏后巷道围岩系统中的弹性余能转化为动能,造成巷道群冲击矿压发生。根据一盘区巷道群应力和能量分布区域和集中程度,采用大直径钻孔卸压和爆破卸压措施后,降低了应力和能量集中水平,卸压效果明显。     

辛置矿矩形巷道围岩变形与应力分布数值模拟研究

针对辛置矿矩形巷道开挖后围岩应力分布、塑性区范围与形态、围岩移动变形等问题,采用Flac3D数值模拟软件对其进行研究。结果表明:矩形巷道宽高比对围岩塑性区分布影响较小,破坏形状呈圆形,围岩移动变形量及最大应力分布随宽高比增大而增大;侧压系数对围岩塑性区的影响较大,随着侧压系数的增大,巷道开挖后塑性区形状由竖向蝶形-横向椭圆形-圆形-竖向椭圆形-横向蝶形规律性变化,巷道围岩变形量和最大应力值随着侧压系数的增加先减小后增大。     

采动巷道软弱顶板塑性破坏演化规律与支护方案

软弱顶板条件下,巷道在原岩应力与采动应力叠加作用下会出现深度较大的塑性破坏区,引发剧烈的巷道围岩变形,甚至出现冒顶隐患。为掌握采动过程中塑性区在软弱顶板中的演化规律,以敏东一矿回采巷道为工程背景,系统研究了采动前后巷道围岩塑性区分布与演化特征,结果表明:在本工作面超前支承压力和上区段工作面采空区侧向支承压力的叠加影响下,采动巷道周边两个主应力比值急剧升高,同时,受邻近工作面覆岩移动影响,巷道围岩周边应力中的最大主应力方向也将发生大幅度的偏转。伴随着软弱顶板采动巷道围岩主应力大小和方向的不断演化,最大塑性破裂深度逐渐扩展且朝向顶板,塑性区扩展过程中会出现隔层分布现象,顶板剧烈变形主要是由塑性破坏产生,各层位顶板的破裂顺序依次为浅部塑性破坏、高位软岩塑性破坏和中位岩层的破裂。中部层位的断裂破坏一般滞后于高位穿透塑性区的形成。期间巷道围岩出现严重的非均匀性大变形,支护难度极大。据此提出了以注浆锚索为核心的顶板控制方法,注浆层位应主要集中在采动期间发生高位穿透塑性破坏的层位,注浆覆盖范围应不小于高位穿透塑性破坏的分布范围,巷道顶板变形监测结果表明,顶板控制效果良好,顶板未出现安全隐患且变形量在允许范围内。     

深部高地应力巷道塑性破坏特征及注浆支护

为探讨基于围岩塑性破裂区分布的深部巷道精准注浆加固技术,推导得高地应力下非等压二区破坏圆形巷道的应力和塑性破裂区范围的理论解,并结合COMSOL软件,揭示侧压系数、围岩软弱破裂程度和注浆加固对其的影响规律。结果表明:随侧压系数增大,顶底板内的环向应力和塑性破裂区范围显著增大而巷帮的却减小;围岩软弱破裂程度越高,其最大环向应力越小而塑性破裂区范围越大,故决定塑性破裂区范围的是最大环向应力所在位置距巷道表面的距离;塑性破裂区在侧压系数、黏聚力和内摩擦角的不同组合下将呈圆形、类椭圆形和近似蝶形;注浆加固对具有不同可注性和可改造性围岩的塑性破裂区形态、位置和范围的影响不同。其成果可为高地应力巷道注浆加固等设计提供参考。     

煤层底板采动破坏机制的岩性效应研究

为获取不同岩性的煤层底板采动破坏特征,建立了不同内摩擦角对岩体强度影响的莫尔圆解,构建了采场端部最大底板破坏深度/采空区最大底板破坏深度的比值与内摩擦角的关联公式;运用FLAC3D数值模拟软件,分析了不同岩性条件下的煤层底板塑性区、最大剪应力、弹性应变能分布特征;从能量积聚与耗散的角度,建立了煤层底板采动破坏形态的概化模型;最后,结合平朔19110工作面底板实测数据进行验证。研究结果表明,超前支承压力作用下底板岩性为软弱岩体易发生剪切破坏,而未发生剪切破坏的中硬岩或硬岩,在应力卸荷作用下仍存在进一步破坏的可能性;随着煤层底板岩体内摩擦角的不断增大,煤层底板采动破坏范围的最大值将逐渐由采场端部向采空区后方转移;与煤层底板岩性为中硬岩或硬岩相比,岩性为极软岩或软岩的煤层底板岩体在煤壁附近剪应力和弹性应变能存在明显的衰减,并向深部转移,导致采场端部塑性区范围较明显;将煤层底板采动破坏区域划分为能量释放区、能量承载区、能量平衡区,与煤层底板岩性为软弱或极软弱类型相比,中硬岩或硬岩类型下的煤层底板能量释放区分布范围较小甚至缺失,主要通过能量承载区和能量平衡区实现采动扰动能量的平衡。现场实测发现煤...     

邢东矿深部回采巷道围岩塑性区“蝶形”扩展特征及稳定性控制

深部回采巷道围岩塑性区分布特征是围岩稳定性控制的关键。以邢东矿深部回采巷道为研究背景,根据巷道围岩"蝶形"塑性区理论,结合数值模拟分析发现,邢东矿2225工作面运输巷受采动应力影响后围岩塑性区出现了"蝶形"扩展的特征。通过研究深部条件下不同支护阻力对巷道围岩塑性区的影响,提出深部巷道围岩的稳定性控制思路:提供适当支护阻力减小围岩拉伸破坏,保证巷道围岩塑性区内破碎岩体的稳定性;制定了针对邢东矿2225工作面运输巷围岩"蝶形"塑性区特征的支护方案。该方案现场应用效果良好,为深部回采巷道围岩稳定性控制提供一定借鉴。     

深井强冲击矿压煤层巷道控制技术数值模拟研究

为探索具有强冲击危险性的深井煤层巷道控制技术,以某矿7121工作面为工程背景,基于FLAC~(2D)数值模拟软件对4种巷道控制方案的围岩应力、位移及塑性区等特征进行分析。数值计算结果表明:方案3巷道应力峰值最小,其最大应力值为30.68 MPa,应力峰值降低约5 MPa;方案4巷道变形量最小,两帮收敛量为21.36 mm,顶底板移近量为16.70 mm;大直径钻孔使围岩提前产生塑性区,释放积聚在煤岩体中的弹性能。"三结构"控制技术的卸压效果好、围岩变形量小、能量释放多,破坏了发生冲击矿压的强度和能量条件。工程实践表明,现场巷道围岩变形控制效果明显,验证了数值模拟结果的合理性。研究成果可为深井煤岩强动力灾害防治提供借鉴和指导。     

均质圆形巷道蝶型冲击地压发生机理及其判定准则

从均质圆形巷道围岩塑性破坏区的产生、发展和爆炸式破坏的力学机制入手,揭示了巷道蝶型冲击地压的发生机理:在一定的应力和围岩环境中,由于触发事件的诱导作用,使巷道区域应力场突然发生某种改变,导致围岩蝶形塑性区瞬间出现急剧、跳跃式扩展,并以震动、声响和煤岩体抛出的形式释放存储于体内和围岩系统中的大量弹性能,出现爆炸式破坏的动力现象。巷道蝶型冲击地压理论阐明了冲击地压的发生条件,给出了"蝶型冲击三准则",为巷道冲击地压的预测、预报及其防治提供了新的思路。     

深部矿井动压回采巷道围岩大变形破坏机理

针对深部动压回采巷道的大变形失稳破坏及其控制难题,建立了深部动压环境下圆形巷道力学模型,导出了塑性区边界隐性方程式。在此基础上,对深部动压巷道塑性区形态演化规律进行深入分析,阐明了第I类及第II类蝶形塑性区形成的力学条件,界定了塑性区恶性扩展及其临界的定义,揭示了深部动压回采巷道的变形破坏机理。结果表明,开采动压影响比常规条下围岩更易产生蝶形塑性区,且蝶叶发育尺寸、塑性破坏范围更大。随着动压影响的增强,巷道区域应力场成为超常规的超高应力场,巷道顶底、两帮的塑性破坏进一步向深部扩展,变形加剧,致使塑性区恶性扩展,最终造成围岩大变形破坏。对于深部动压回采巷道的设计、支护应充分考虑如何避免或降低动压的影响,改善围岩应力环境,减小蝶叶塑性破坏深度,以便更好地维护巷道。     

巷道顶板蝶叶塑性区穿透致冒机理与控制方法

针对高偏应力环境下层状顶板巷道冒顶事故频发、支护困难等问题,采用理论分析、数值模拟、现场探测和现场工程试验等综合研究方法,揭示了层状顶板巷道蝶叶塑性区的分布规律,阐明了蝶叶塑性区穿透分布致使巷道冒顶的力学机制,结果表明：蝶叶塑性区具有隔层穿透发育的特征,未发生塑性破坏岩层的存在不能阻断蝶叶塑性区在软弱岩层形成;顶板蝶叶塑性区穿透分布伴有强烈的变形压力,使软弱岩层塑性区下位未发生塑性破坏岩层受到持续巨大的“挤压”载荷,致使其发生断裂破坏,是巷道存在冒顶隐患的内在原因。据此提出了防止此类巷道冒顶的关键在于维护塑性区围岩稳定,需锚杆(索)长度大于塑性区边界,且具备可承受大变形而不破断的能力。基于以上研究,对神东保德矿81306二号回风巷进行了支护补强设计和试验,试验结果表明该支护对策能够有效维持巷道顶板稳定。     

软弱顶板煤巷围岩变形破坏特征数值分析

为了研究软弱围岩巷道变形破坏特征及其变化规律,借助FLAC^2D软件建立数值分析模型,模拟软弱顶板巷道围岩变形破坏全过程,分析得到在巷道从开挖初期到围岩失稳及后期达到新稳定过程中围岩应力场、塑性区分布情况及破坏特征的变化规律．结果表明,解决顶板问题是维护软弱顶板巷道整体稳定性的关键,巷道底鼓与两帮收敛两者是相互关联,并同时受到顶板下沉的影响．     

急倾斜互层厚大磷矿体的采矿方法优化研究和数值分析

为解决急倾斜互层厚大磷矿的采矿工艺,详细叙述矿体及围岩的禀赋情况,结合矿山提供的开采技术条件、矿岩及围岩的岩石物理力学性质和RQD值,运用RMR分类方法对岩体质量进行分级,确定岩石质量为Ⅲ级,为采矿方法选择提供理论依据。采矿方法中采用剔除夹石的方式提高出矿P_2O_5的品位,并推荐阶段空场法和无底柱分段崩落法开采本复杂矿体,利用FLAC3D建立开采的计算模型,从压应力状态和拉应力状态分析开采过后,矿柱和围岩受力情况;按岩体塑性分布情况分析,得出矿房间柱和顶柱处于高应力塑性屈服状态整个采场大部分矿柱均出现剪切塑性区和不同程度的拉伸破坏塑性区,有利于开采区顶板岩层垮塌和冒落,为最终确定合理的采矿方法提供了理论依据。     

强动压“三软”煤层巷道“卸-转-固”围岩控制技术

针对强动压影响下“三软”煤层巷道围岩控制难的问题,以仲恒煤矿“三软”煤层115-101回风巷为工程背景,通过现场调查、围岩松动和地应力测试,采用UDEC数值软件根据实际建立数值模型,研究了巷道变形破坏原因,并基于应力控制原理,提出受强动压影响的“三软”煤层巷道“卸-转-固”围岩综合控制理论。研究结果表明:115-101回风巷围岩松动圈范围0~5 m,应力峰值在深入围岩5~6 m处,采用“卸-转-固”围岩控制技术,在原有的29U型钢支护条件下,降低支护排距,根据煤层倾角及厚度设计并施工爆破卸压孔,在孔底连线安装炸药,利用自制的封孔设备将加固材料通过高压风压入钻孔进行封孔,实施爆破。爆破后,围岩应力重新分布,重新形成破碎区、塑性区和弹性区,并使应力集中的弹性区转移到围岩更深处,降低巷帮及底板浅部围岩应力集中,在巷道周围表层一定范围内形成低应力卸压圈,而在围岩深部形成了应力集中的自承载圈,集中应力主要由该自承载圈的岩体承担。该自承载圈的岩体处于围岩深部,基本处于三向应力状态,降低集中应力对巷道的破坏作用,稳定性得到很大提高。巷道围岩顶底板移近速率降低了79.43%,两帮移近速率下降了54.17%,巷道围岩变形量明显减少,有效控制了强动压影响下“三软”煤层巷道围岩变形。     

剪应力对巷道破坏影响的研究

根据岩石破坏的库仑-莫尔强度准则,分析了巷道围岩的剪应力分布规律及其导致岩体破坏的机理.研究表明:在巷道围岩内存在一个应力剪切带,剪切带内具有较大的主应力差值,该区域岩体有发生破坏的趋势.剪切带是围岩应力状态的过渡区域,它使围岩从单向、双向应力状态过渡到稳定的三向应力状态.巷道支护的原则就是控制剪切带的发展.在锚杆支护设计中,若锚杆主要起悬吊作用,而锚杆的锚固区若处于剪切带内,那么对围岩的支护将是不可靠的.     

松软煤层水力压裂钻孔失稳分析及固化成孔方法

分析了煤矿井下松软突出煤层钻孔失稳变形机理,指出巷道围岩应力和钻孔二次应力是煤层施工压裂钻孔后孔壁弱结构易产生破坏失稳、易塌孔和成孔难的主要根源。提出了一种有效的区域固化成孔方法,模拟分析了松软煤层和采用高强度材料固化后钻孔周围应力场和位移变化。结果表明：松软煤层中钻孔位移变形量和塑性区范围大,钻孔易发生失稳破坏;对封孔段采取固化成孔措施后,浆液渗透填充到煤岩体的裂隙中,起到加固、充填密实裂隙作用,增强孔壁围岩的强度,钻孔变形量和塑性区范围减小,有效防止了钻孔发生失稳破坏,提高了成孔率。