基于应力及能量条件的岩爆发生机理研究

为了研究深井硬岩巷道岩爆发生的机理,结合大台井玄武岩区岩爆工程实践,分析了区域构造应力场特征,研究了区域内煤岩体的弹性潜能分布特征.从构造应力和能量的角度出发,分析了具有岩爆倾向性的巷道围岩产生岩爆时应具备的应力条件和能量条件.研究结果表明,在具有岩爆倾向性的岩体中掘进巷道,岩爆的产生应同时具备所需的应力条件和能量条件,岩爆的位置和剧烈程度与最大主应力方向有关.研究成果将对大台井岩爆防治,深部开采的水平大巷布置和巷道支护等提供理论依据.     

深部掘进不同岩层圆形巷道力学特性分析

开磷矿业总公司的矿山逐渐进入深部开采,掘进并支护后巷道变形和锚喷层垮落现象极其严重,通过对三心拱和圆形巷道的应力对比分析,可知圆形巷道周边的切向应力值比三心拱巷道小.因此,当进入深部有岩爆倾向的巷道掘进时,应采用圆形断面进行施工.     

白音呼布矿区三维地应力测量及巷道布置优化研究

白音呼布矿区进入深部开采后,巷道岩爆、变形等地压灾害变得愈发严重。为保障生产安全,现场采用空心包体应力解除法测量了对矿区7个测点三维地应力,基于测量结果及地应力场构建对矿区深部巷道布置优化进行了研究。首先根据等应力轴比理论优化了巷道布置方向,给出了100m中段巷道轴向与最大水平主应力方向最优夹角为26°;然后采用数值模拟方法研究不同夹角时巷道围岩的应力、位移变化特征,并指导了新中段的巷道布置。结果表明:实测最大水平主应力是自重应力的1.57～1.89倍,矿区深部以水平构造应力为主导;夹角为26°时,巷道围岩变形最小,数值模拟与理论计算结果相符;新中段巷道优化布置后,围岩变形、位移明显变小,地压灾害得到有效控制。     

红透山铜矿深部斜坡道围岩发生层裂破坏数值分析

本文围绕红透山矿红透山矿深部-707m水平13#采场斜坡道围岩层裂破坏,通过现场工程地质调查、岩石力学实验、围岩应力分析,对13#采场斜坡道的围岩质量进行分析及岩体力学参数估算;在此基础上,应用FLAC3D分析回采对斜坡道围岩层裂破坏影响,开采矿体围岩在切向应力作用下,岩体微裂纹沿切向应力方向扩展、贯通,形成平行于开挖边界的宏观裂缝;数值分析采动过程斜坡道围岩层裂发生力学机制及其围岩应力场变化规律,数值模拟结果表明,深部斜坡道围岩高应力、采动应力以及爆破震动共同作用造成岩体产生层裂破坏。     

水防治岩爆的静力学机制研究

在对开阳磷矿砂岩自然风干和饱水状态下静力学特性试验研究的基础上,探讨了水对岩爆防治的静力学机制。饱水砂岩静载试验表明较硬岩石遇水后静态强度下降,变形量增大,岩体积聚弹性能的能力下降;三心拱巷道围岩遇水软化后,支承压力峰值应力明显减少,峰值位置向岩体深部转移,这样能有效降低岩爆发生的机率和等级。     

锚索支护前对红透山铜矿深部斜坡道围岩发生层裂破坏数值分析

围绕红透山矿红透山矿深部-707m水平13#采场斜坡道围岩层裂破坏,通过现场工程地质调查、岩石力学实验、围岩应力分析,对13#采场斜坡道的围岩质量进行分析及岩体力学参数估算;在此基础上,应用FLAC3D分析回采对斜坡道围岩层裂破坏影响,开采矿体围岩在切向应力作用下,岩体微裂纹沿切向应力方向扩展、贯通,形成平行于开挖边界的宏观裂缝;数值分析采动过程斜坡道围岩层裂发生力学机制及其围岩应力场变化规律,数值模拟结果表明,深部斜坡道围岩高应力、采动应力以及爆破震动共同作用造成岩体产生层裂破坏。     

利民煤矿巷道掘进过程中围岩破坏范围

巷道掘进过程中会破坏原始的应力场,出现应力积聚和重新分布现象,研究矩形巷道掘进过程中的围岩变形破坏范围对支护设计和支护材料选择具有重要意义。本文首先对影响巷道围岩变形破坏的影响因素进行分析,之后采用UDEC数值模拟的方法,对巷道掘进过程中的围岩破坏范围和应力分布特征进行试验研究。研究结果显示,巷道两侧会出现应力积聚,上方和底板会出现应力卸压显现;巷道上方的破坏范围是6 m范围,下方是4.5 m,巷道左右两侧的破坏范围是4 m。     

采动巷道稳定性数值模拟分析

阐述了岩体变形时的能量转化过程,指出巷道围岩体的失稳破坏是能量耗散与可释放应变能积聚共同作用的结果,提出以虚拟拉动力来表征掘进巷道围岩体表面径向支撑力的改变。引入能量密度概念,借助FLAC~(3D)软件,对付村煤矿采动巷道稳定性进行数值模拟,得出结论:工作面推进时,巷道围岩实帮肩部产生能量积聚核区,并向巷道表面扩展;采后稳定时,核区能量密度增加,有引起巷道围岩产生塑性大变形甚至引发冲击地压的可能。建议采用柔性+刚性联合支护的方法,控制围岩塑性圈厚度和变形。     

大红山铁矿深井大规模开采岩爆综合评价

大红山铁矿是特大型深埋矿床,在深井开采时遇到的一个技术难题就是岩爆。为评价岩爆倾向性烈度,对该矿深部5种岩样进行室内岩爆倾向性试验,并采用声发射方法确定岩石接近峰值强度时的卸载点;通过地应力现场实测和三维有限元数值模拟,获得深部最大主应力和巷道开挖后最大切向应力;采用最大主应力判别法、切向应力准则、强度脆性系数法、变形脆性系数法、弹性应变能储存指数法这5种评价方法,对岩样的岩爆倾向性进行单项指标评价,分别得到各矿岩岩爆倾向性烈度。然后采用模糊数学法,对各单项指标评价结果进行综合评价。结果表明:深部主要矿岩体总体上具有发生中等岩爆和强烈岩爆的倾向性。最后,通过评价结果,在岩层图上绘制典型水平岩爆倾向性分布区域,可为深部开采和岩爆防治提供参考依据。     

深部岩体大变形规律:金川二矿巷道变形与破坏现场综合观测研究

针对深部高应力下硐室和巷道时效大变形问题,重点开展了金川二矿深部巷道大变形破坏调查、多手段原位综合观察、大变形灾害安全管理标准等方面研究工作。首先针对不同围岩支护类型下大变形巷道破坏问题,从破坏表现形式的角度总结提炼了金川二矿巷道10种典型变形破坏模式并阐明其形成机制;进而依托1 150 m水平大巷的大变形试验研究段,采用巷道表面的三维激光扫描测量、岩体内部开裂的钻孔摄像观测、围岩不同深度变形的位移计自动量测相结合的方式,揭示了深部巷道表面变形的空间非对称性、围岩内部浅层与深层变形的非均匀性、时效变形增长的跳跃递进性等不同于浅部岩体变形特点和破坏方式的新特征,表明了金川二矿碎裂围岩时效大变形本质是高应力下巷道开挖诱发表层围岩开裂,并在重分布应力驱动下围岩开裂深度逐步向深部转移进而导致巷道围岩自身承载性能逐步劣化的机制,从而表现出持续的时效大变形;最后提出基于功能失效和结构失稳原则的深部巷道大变形安全管理标准,并在现场反馈分析与应用实践基础上总结出了控制二矿深部巷道变形灾害的"双层喷锚网+锚注"和"喷锚网注+单筋砼"复合支护技术,充分利用喷网混凝土的表面柔性支撑与围压效应、锚杆对围岩内部的抑制开裂效应、水泥浆的充填并粘合开裂缝效应、钢筋混凝土的强刚性抗压和恢复围压效应等组合功能,从而形成一种"由表及里、表里结合"改善围岩受力状态、重构围岩承载圈的支护理念。     

巷道围岩层裂板结构稳定性分析

巷道围岩层裂板结构的屈曲失稳是巷道冲击矿压的一种重要形式。根据层裂板结构形成机理,系统分析了巷道围岩变形及破坏特征,建立了巷道围岩层裂板结构稳定性分析的力学模型,通过裂纹扩展理论、数值模拟和实验模拟的结论展示了巷道围岩层裂板结构的存在性;围绕围岩层裂板结构屈曲失稳特征,应用弹性稳定性理论、弹性体系的动力稳定性理论,研究了层裂板结构的静力稳定性以及动力稳定性;给出了供实际工程情况参考的层裂板结构失稳的临界载荷及其动力不稳定区域。一定程度上揭示了煤矿巷道冲击矿压发生的力学机理。     

深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理与技术

针对深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压显现难题,分析了深部冲击地压巷道围岩变形破坏特征,确定了导致深部冲击地压巷道强冲击显现的防控难点,揭示了巷道冲击破坏机制。在分析深部冲击地压巷道破坏机制的基础上,建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型,分析了动、静叠加载荷、支护应力、围岩力学属性与莫尔圆间的相互作用关系,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理。通过对巷道围岩远、近场进行卸压,从动、静载荷角度降低巷道冲击能量和所受应力;利用高预应力、高强度、高延伸率及高冲击韧性“四高”锚杆(索)主动支护,结合围岩结构重塑技术,提高巷道围岩自承载和抗冲击能力;结合钢棚、缓冲垫层及防护支架,通过高阻尼作用快速抑制巷道围岩的冲击震动。通过协调“卸压-支护-防护”3种技术手段的时空关系,改变冲击地压巷道能量释放、传播及耗散形式。基于“卸压-支护-防护”协同防控原理,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控技术,开发了长、短孔分段水力压裂工艺,研发了配套的压裂机具和设备;研制了高冲击韧性锚杆(索)系列支护材料,大幅度提高了支护材料的强度和韧性;提出了以钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的巷道复合防护结构,复合防护结构能有效吸收巷道围岩内的冲击动能,抑制围岩震动。研究成果在蒙陕和义马典型冲击地压矿井开展了工业性试验,“卸压-支护-防护”协同防控技术改变了厚层坚硬岩层冲击能量释放形式,有效抵御了高动、静叠加载荷,减小了巷道围岩整体冲击变形,控制了深部冲击地压巷道围岩稳定。     

底板型冲击危险巷道深孔断底爆破防冲原理及实践研究

通过采用弹性薄板小挠度理论对巷道底板受力分析,弄清冲击危险巷道底板冲击的主要影响因素,采用理论分析、数值计算相结合的方式研究断底爆破的防冲机理和优化方案,并对深孔断底爆破的防冲效果进行现场验证。研究发现,采动水平应力是造成巷道底鼓的主要原因,而底板的分层厚度、力学性质以及巷道两侧围岩的支护强度是巷道底鼓的主要影响因素。当底板岩层为致密厚质岩层时,当其断裂过程中所释放的弹性变性能会造成底板型冲击动力显现。深孔断底爆破其防冲实质为钻孔卸压法与振动爆破法防冲技术的有机结合。采用底板中部断底爆破与煤层断底爆破相结合的方式,不但可以释放底板内积聚的高应力,破坏其连续传递应力和积聚高能量的能力,也可使巷帮煤体的应力得到释放,卸压效果更为明显。     

深部开采高地应力区钻孔卸压数值模拟及应用

为防治三山岛金矿深部开采高应力作用下诱发的岩爆灾害,设计卸压钻孔方案减小水平地应力对围岩的影响。运用FLAC3D建立深部高应力巷道钻孔卸压的数值模型,分析了巷道钻孔卸压过程中采场周围岩体的应力和弹性应变能的变化。结果显示:钻孔卸压后,巷道水平和垂直方向最大应力有效转移,使巷道顶板和两帮应力均有显著下降,巷道围岩整体变形量减小,对缓解岩爆等地压灾害具有明显效果。现场布设的围岩应力监测系统显示,随着卸压钻孔的推进,围岩应力明显减小,证实钻孔卸压方案达到了卸压效果,提高了围岩稳定性。     

基于数字散斑技术的深部巷道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

借助数字散斑观测技术,采用相似材料模拟方法通过对深部岩巷开挖过程中围岩应力演化特征、变形破坏规律的分析,揭示了深部岩巷围岩稳定性控制机理。分析不同支护作用下开挖速度影响的围岩变形破坏规律,寻求岩爆发生与深部岩巷变形破坏的内在联系。分析实验结果得如下规律：开挖速度加快后,围岩变形塑性区逐渐扩大,深部岩巷岩爆倾向和围岩破坏程度逐渐增大;弱锚网支护对围岩变形有一定的控制作用,强锚网对围岩支护作用明显,支护强度提高,深部岩巷抵抗塑性变形的能力增强,整体变形减小、围岩稳定性提高。     

非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律

通过理论分析对受三向应力非静水压力条件下的巷道围岩偏应力场与应变能密度分布规律进行了深入研究,以此来探究巷道围岩破坏规律,巷道塑性区数值模拟结果与现场工程实例验证了理论结果的正确性。研究结果表明:①非静水压力条件下,不同的主导型应力场中,巷道围岩偏应力场分布规律差异较为明显。σ_x主导型应力场中,巷道顶底板偏应力大于两帮;σ_y主导型应力场中,巷道顶底板与两帮偏应力大小差别不大;σ_z主导型应力场中,巷道两帮处的偏应力大于顶底板。主导应力值的变化会引起巷道围岩偏应力分布数值上的变化,不引起偏应力分布形态的改变。②等p、等q时,在σ_x与σ_y主导型应力场中,巷道顶底板应变能密度大于两帮,而在σ_z主导型应力场中,巷道两帮应变能密度大于顶底板。等p、不等q情况下,3种主导型应力场中,巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的增大而增大;等q、不等p情况下,巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的减小而增大。③三向应力状态下,巷道围岩应变能密度分布规律可以反映塑性区形态。M<1时,任意主导型应力场中,巷道围岩应变能密度呈椭圆形分布,M>1时,巷道围岩应变能密度呈“8”字形或“X”形分布。处于σ_x主导型应力场中的巷道需注重巷道顶底板的支护;对于σ_y主导型应力场,巷道在围岩条件较差时,应注重全断面支护;对于σ_z主导型应力场,需注意围岩塑性区出现“X”形扩展。④回坡底1021巷围岩偏应力场与应变能密度均呈倾斜的“8”字形分布,工程现场与巷道围岩偏应力场及应变能密度分布规律相互验证。基于理论分析结果,对回坡底1021巷提出非对称性支护技术,现场应用效果良好。     

基于矿山工程地质特点的岩爆防治措施研究

以宜昌某磷矿工程的岩性和地质环境为基础,结合现场的岩爆特性和室内试验,分析引起该矿山开采时产生岩爆的主要原因,并提出岩爆防治措施。研究结果表明:(1)矿山在水平构造应力环境下,顶板含有硅质白云岩的岩体具有较强的岩爆倾向性;(2)由于开拓巷道的几何尺寸比采区的几何尺寸要小很多,采区的围岩应力受开采引发的多因素影响,致使采区的岩爆率与岩爆烈度相对比其在开拓巷道的大;(3)针对矿区特殊的初始应力与地质构造环境,可通过降低开采引起的围岩应力集中程度和加强矿山安全管理措施对矿山岩爆进行防护。     

巷道围岩应力壳力学特征与工程实践

综合采用数值模拟、理论分析和现场观测,深入研究了巷道围岩力学特征及其对围岩稳定性的影响规律。研究发现,巷道开挖后围岩存在连续包络的高应力束组成的应力壳,巷道处于应力壳内的低应力区,巷道围岩矿压显现受控于应力壳的存在及其空间演化;巷道围岩应力壳的空间分布对巷道围岩稳定性有关键性影响,且存在"稳定"和"非稳定"两种形态,维护巷道围岩稳定性的实质是保证巷道围岩应力壳形态的稳定;通过科学的巷道布置和有效的支护手段"控制围岩最小变形",优化围岩应力壳形态是保证巷道围岩稳定性的关键所在。研究和工程实践均表明:巷道轴向与最大水平主应力方向平行时易维护,在于巷道围岩中易形成稳定态应力壳;两者垂直时巷道难于维护,在于巷道围岩中易形成非稳定态应力壳。揭示了最大水平主应力方向对巷道围岩稳定性影响的内在力学本质。     

不同围压巷道开挖应力场演化规律模拟试验研究

在实验室利用自制模具对模型边界进行约束,采用微机控制电液伺服万能试验机进行加载,采取卸除前约束板模拟煤矿井下煤层巷道开挖,得出了不同应力煤层开挖前后轴向应力变化特征,探讨了低应力、中等应力、高应力条件下巷道围岩开挖前后的应力场变化特征。研究结果表明:在低应力条件下,模型开挖造成应力的重新分布,在开挖面附近形成拉应力区,但模型内应力值较小,整体处于弹性状态,围岩抗开挖扰动能力较强;在中等应力条件下,模型开挖造成围岩浅部拉应力区进一步加大,岩体接近或达到屈服状态,围岩受开挖扰动比较强烈,开挖后应力场开始呈现"拉—压—拉"交替现象;在高应力条件下,围岩出现明显的塑性破坏,模型内部整体处于受拉状态。受到开挖扰动,围岩表面迅速恢复到受压状态,并再次向深部转移,形成明显的动态"拉—压—拉—压"交替现象,围岩破坏深度大、抗扰动能力差,呈现深部开采特征。     

基于屈服等值线模型的巷道冲击地压发生判断

为研究材料失稳型冲击地压在巷道内的发生机制,采用应力场理论分析、煤体破坏实验和有限元模拟的方法,分析围岩弹塑性转化特征,得出基于双屈服等值线模型的巷道煤壁冲击地压发生的判断条件。研究表明:运用莫尔-库仑屈服准则判定屈服函数等值线呈类双曲线分布;若竖直应力为均匀荷载,则屈服等值线数值向深部逐渐减小,巷道围岩将由浅部向深部逐渐破坏;若竖直应力向深部逐渐增大,则屈服等值线数值向深部逐渐增大,预示巷道围岩将在深部先行破裂,浅部围岩保持完整,该情况下巷道易发生冲击地压。室内单轴压缩实验和数值模拟验证了理论分析结果,证明通过屈服等值线模型可以表征巷道冲击地压发生的临界状态。