基于弹性理论的煤帮极限平衡区宽度确定方法探讨

回采巷道开挖后,其围岩应力重新分布,两侧煤体在上方集中应力的作用下产生变形后形成极限平衡区,其理论宽度是合理确定巷道煤帮支护方案及其参数的重要依据,目前,计算煤帮极限平衡区的主要方法有:利用松散介质平衡理论建立煤帮应力平衡微分方程来求解极限平衡区宽度;或考虑工程扰动程度和煤体地质强度,运用非线性摩尔-库伦准则建立极限平衡区宽度方程。本文在总结现有研究成果的基础上,建立了回采巷道煤帮在高支承压力作用下体的力学计算模型,运用弹性力学理论分析了帮部任一点煤体的应力应变分量。基于弹塑性界面煤体在峰值支承压力发生片帮的柱条模型,确定该界面上发生最大水平拉应变的单元煤体位于距离底板0.65倍巷道高度处,进而提出了该单元煤体极限拉应变与煤帮极限平衡区及其破裂区宽度的理论计算公式。分析表明,煤帮极限平衡区宽度不仅取决于煤体的极限拉应变、泊松比及弹性模量,而且与原岩应力大小及巷道开挖后发生重分布的最大支承压力及煤帮弹性区宽度密切相关。具体表现为煤帮极限平衡区宽度随巷道埋深增大而不断增加,但随煤体弹性模量及其极限拉应变的增加却快速减小。在此基础上,利用所提出的理论公式计算了百良矿14501工作面运输巷350～400 m区段的煤帮极限平衡区和破裂区宽度,进而优化了巷道帮部锚杆支护参数,取得了良好的支护效果。结果表明,上述研究成果能够较好地进行深埋煤层巷道煤帮极限平衡区的预测分析。     

文家坡煤矿回采巷道底板破坏深度研究

针对文家坡煤矿回采巷道,建立了回采巷道煤帮的弹性地基梁受力模型,分析了煤帮任一界面上的剪力计算方法,推导了巷道埋深、顶板上覆岩层容重、煤帮应力集中系数、煤帮极限平衡区及弹性区的宽度、煤帮下卧底板的弹性特征值及煤帮弹塑性界面上煤体抗剪强度的关系式。以文家坡煤矿4102运顺巷道为例,运用上述理论计算了煤帮极限平衡区宽度和底板破坏深度,为巷道底板的支护设计提供了科学可靠的理论依据。     

掘进工作面应力松弛区宽度的计算方法研究

分析了掘进工作面前方煤体的受力特点,理论研究了掘进工作面应力分布特征,得出了掘进工作面前方应力松弛区宽度的计算公式,通过实例计算结果表明,掘进工作面前方应力松弛区的宽度与巷道高度、巷道埋深、煤层与顶底板的摩擦系数及煤岩材料的内摩擦角有直接关系,加大巷道高度、减小煤层与顶底板岩层的摩擦系数可有效增大应力松弛区的宽度.     

动力扰动下不同硬度煤层巷道围岩响应特征研究

为了探讨动力扰动对不同硬度煤层巷道围岩稳定性的影响规律,对动力扰动下不同硬度煤层巷道围岩力学响应进行了数值分析。结果表明：动力扰动对软硬煤煤层巷道围岩稳定性显著影响时间为0.4 s;在巷道顶板水平应力波动幅值、顶板及帮部围岩变形程度方面,软煤大于硬煤,而在帮部垂直应力波动幅值、底板水平应力波动幅值、底板变形程度及帮部和底板的塑性区面积方面,硬煤大于软煤;软硬煤煤层巷道顶板变形程度均大于底板和帮部,软煤帮部变形程度明显大于底板;在巷道变形位移显著上升时间段内,软硬煤煤层巷道帮部和底板位移变化速率不一致,而顶板位移变化速率一致。     

下山穿煤巷道的围岩应力分布及变形破坏规律

基于新光集团淮北刘东煤矿下山穿煤层巷道的地质赋存条件,采用UDEC数值模拟方法,分析了埋深、煤层厚度、水平地应力及岩层角度对巷道围岩的应力分布及变形破坏规律。分析结果表明,顶底塑性区是沿着垂直于岩层的方向分布,两帮塑性区是沿煤层分布的方向分布;巷道围岩中的煤体最易发生破坏,且煤层越厚破坏就越严重;随着埋深增加,巷道表面位移量显著增大,塑性区范围扩大,顶底板的破坏程度尤为明显;随着侧压系数的增加,巷道围岩塑性区的分布范围由两帮向顶底板转移,造成巷道两帮塑性区范围呈缩小的趋势,而巷道顶底板、两底角、两肩的围岩塑性区范围呈扩大的趋势;随着岩层角度的增加,垂直应力分布由“椭圆形”分布向“矩形”分布转变,两帮煤体内的塑性区范围有明显的增加,底板变形破坏程度加大。     

侧压系数及埋深对巷道围岩应力分布的影响

运用FLAC3D数值模拟软件,分别对埋深600、800、1 000 m和侧压系数0.5、1、1.5情况下煤层底板岩巷顶底板和两帮的垂直、剪切应力分布规律进行了模拟分析。结果表明:随着侧压系数的增加,巷道帮部围岩垂直应力呈递减状态,剪切应力、顶底板围岩垂直应力呈增大趋势;随着煤层埋深的增加,巷道围岩垂直、剪切应力集中区范围不断增大,峰值点位置逐渐向巷道围岩深部移动。研究结果对巷道合理支护选择具有指导意义。     

含弱层巷道围岩滑移破坏规律的模拟研究

为研究弱层对煤矿巷道围岩滑移破坏的影响,基于UDEC岩土模拟软件,建立了含弱层煤矿巷道数值计算模型,对弱层与侧压力系数共同作用下巷道围岩滑移破坏规律展开研究。结果表明:弱层的存在改变了围岩中应力传递路径,减弱了围岩深部向煤帮的应力传递,促进了顶板向煤帮的应力传递,进而加剧围岩的剪切破坏与水平滑移;随弱层厚度增长,围岩临界破坏深度随之增大,煤体的剪切破坏也愈明显,围岩塑性区深度与水平滑移值也会进一步扩大;侧压力系数对含弱层巷道围岩的稳定性也具有重要影响,当侧压力系数为1.0时,煤帮围岩最为稳定,当侧压力系数介于1.0～2.0时,随侧压力系数的增大,围岩塑性区深度也会进一步增长,围岩滑移值呈非线性增长。     

一种基于弹性理论的大采高区段煤柱合理尺寸计算方法

不同工况下区段煤柱两侧支承压力分布及岩体变形存在显著差异，考虑煤柱两侧不同支承压力对煤柱整体稳定性的影响，基于大采高区段煤柱的弹性力学计算模型，分析了支承压力下煤柱任一单元岩体的应力应变分量。通过建立大采高煤柱弹塑性界面上岩体的柱条模型，确定在0.65倍煤柱高度处单元岩体将首先发生水平拉伸破坏，利用虎克定律提出了该单元岩体极限拉应变与煤柱极限平衡区宽度的关系式。依据煤柱破裂区岩体的受力特征，运用摩尔库伦准则推导了煤柱破裂区宽度的计算公式。结果表明：(1)煤柱极限平衡区宽度与岩体极限拉应变和弹性模量反相关，与煤柱埋深和煤柱高度正相关；(2)煤柱高度及其与顶底板的界面摩擦角是影响破裂区宽度的关键性因素；(3)煤柱两侧不同工况下，煤柱岩体极限拉应变与其所受侧压呈正变关系，区段煤柱采空区侧所受侧压较巷道侧偏大，采空区侧岩体的极限拉应变也相应较大，表现为采空侧极限平衡区宽度较巷道侧偏小。最后，将上述理论公式应用于陕北某矿30109工作面大采高区段煤柱极限平衡区和破裂区宽度的分析计算，给出了该工作面两侧区段煤柱的合理宽度及其支护方案。工程应用表明，30109工作面区段巷道围岩变形控制效果良好，满足...     

煤矿大断面托顶煤巷道变形机理及控制技术研究

为了解决煤矿大断面托顶煤回采巷道支护问题,以王庄煤矿7105工作面运输巷为工程背景,通过数值模拟分析了大断面托顶煤巷道裸巷平衡时围岩塑性区形态、位移及应力演化规律;基于普氏自然平衡拱理论,建立了两帮稳定时大断面托顶煤巷道顶板冒落拱力学模型,通过数学计算得到了分层冒落拱高度,运用两帮塑性区力学模型计算托顶煤巷道帮部塑性区宽度,结合数值模拟方法,设计了锚杆锚索联合支护参数和支护方案,并应用于工程实践。研究结果表明:巷道周边出现"蛙形"塑性区,顶板拉伸破坏区呈规则穹隆形,与巷道顶板普氏拱效应相吻合,托顶煤离层严重,冒落拱高度超过托顶煤厚度;两帮在该工况下塑性区发展有限,帮部较为稳定;在厚顶煤存在情况下,大断面托顶煤巷道变形特点是顶板最大,帮部次之,底板最小。现场监测结果证明,借助大断面托顶煤巷道顶板冒落拱力学模型、两帮塑性区力学模型理论计算,结合数值模拟比选的巷道锚杆支护参数和支护方案,能有效控制围岩变形,保持巷道稳定。     

沿空顺槽注浆加固技术探究

针对沿空顺槽巷道顶底板与煤层位移不同步造成的巷道围岩大变形,基于提高围岩强度理论,进行了煤体锚杆注浆加固支护方式探究,结果表明,该支护方式能够将巷道周边煤体形成煤岩混合胶结物,大幅提高煤体弹性模量,提高锚杆支护效果,有效控制沿空顺槽因顶底板与煤层位移不同步造成的巷道大变形。     

六边形进路开采围岩稳定性的多因素影响分析

针对大屯锡矿进入深部开采后巷道围岩稳定性差的问题,为了保证矿山安全高效开采,本文采用数值模拟的方法分析了采场埋深、六边形矿房跨高比和侧压系数对围岩稳定性的影响。研究表明：（1）各影响因素对围岩的位移和应力均有影响,且各影响因素之间存在显著的交互作用;（2）采场埋深和侧压系数对采场围岩位移的影响较跨高比更加显著;（3）六边形矿房宽度大于高度时,两帮应力呈线性增长,跨高比对围岩应力的影响大于采场埋深和侧压系数。据此,当确定采场埋深和侧压系数后,改变六边形矿房的尺寸可以提高围岩的稳定性,研究结果对开采设计具有一定的参考价值。     

非均匀应力场下巷道围岩弹塑性分析

根据岩石材料的变形特性,引入了在实际工程中对巷道围岩具有一定影响的参数,采用岩石应力-应变三线段力学模型,分析了非均匀应力场下圆形巷道围岩弹性区、塑性软化区、塑性残余区的力学形态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的理论解。在此基础上给出具体算例,分析了不同的影响因素对巷道围岩的影响。通过实例表明：岩石的侧压系数、应变软化、支护压力对围岩的力学形态、塑性区大小都有很大的影响;随着侧压系数的增加,巷道两帮处的塑性区范围在减小;软化模量的降低可以减小塑性区的半径;支护压力增加也可以减小塑性区半径。了解岩石的侧压系数,控制岩体的软化模量,适时加大支护压力均能有效地控制巷道围岩的稳定性。     

掘进工作面卸压区宽度及其主控因素研究

针对煤巷掘进过程中易发生煤与瓦斯突出的问题,对煤巷掘进工作面煤体的卸压区宽度范围进行了理论分析,得出了卸压区宽度受煤层界面摩擦因数、煤体抗拉强度、煤层厚度、煤岩容重、侧压系数及煤层开采深度等多种因素的影响,采用灰色关联分析法确定了煤体的侧压系数为卸压区宽度的主控影响因素,并采用现场实测的方法验证了卸压区宽度数值分析的正确性。提出了煤巷掘进工作面进行煤与瓦斯突出防治措施应用时,应主要以施加外部荷载的防突措施为主,提高煤体的侧压系数以破坏煤体完整性并增大卸压区宽度,使卸压煤体厚度增大从而抵御煤与瓦斯突出。研究结论可以为煤巷掘进面煤与瓦斯突出的研究提供理论指导。     

特厚煤层综放开采沿空掘巷煤柱合理宽度研究

针对特厚煤层综放开采沿空掘巷时宽煤柱护巷效果不佳,煤壁片帮、围岩变形量大、煤炭资源浪费严重等现状。以伊犁潘津工业煤矿2302工作面回风巷为工程背景,基于极限平衡理论探究了侧压系数、采高、埋深及煤柱支护阻力等因素对窄煤柱宽度的影响规律。结果表明,随着前三者逐渐增大,煤柱宽度也随之增大,后者反之|煤柱合理宽度取值范围的上下极限差值也随之增大,而后者几乎不发生变化。此外,结合现场地质条件,确定了窄煤柱宽度为6m,同时采用数值计算验证了其合理性,并在2302工作面回风巷进行了工业性试验。现场结果表明,6m窄煤柱在沿空掘巷期间,巷道断面开拓轮廓无明显变形,围岩控制效果显著。     

考虑空间和锚固效应的硐室围岩弹塑性分析

为研究圆形硐室围岩在开挖-支护过程中的力学机制,根据围岩力学特征将围岩划分为弹性区、软化区及残余区,考虑围岩软化、扩容和空间、锚固效应,引入软化模量、扩容系数和剪胀角,推出了围岩弹塑性区应力、位移和范围的解析表达式。通过算例分析了不同因素对塑性区范围、应力和硐室周边位移的影响。结果表明:对于软化模量较大的围岩,锚固效应可有效地减小塑性区半径和位移;而考虑空间效应时,当开挖面到计算面的距离x值越小,围岩应力、位移越大,当x值大于10 m时,空间效应基本失效;锚固残余区扩容系数h3对硐室周边位移的影响大于锚固软化区扩容系数h2;根据不同长度锚杆支护下的硐室周边位移为支护结构围岩预留变形量设计提供了参考。     

粘弹性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性研究

为了研究粘弹性岩体位移反分析的唯一性问题，本文根据弹性岩体径向位移推导了粘弹性岩体中符合Maxwell模型的圆形巷道位移解析解，并根据参数可辨识性条件对粘弹性岩体中圆形巷道位移反分析的唯一性进行了研究。结果表明，无论布置多少个测点都不能唯一地反分析出所有的5个参数；必须至少已知2个参数，才有可能唯一地反分析出其他参数；侧压力系数是否为1和地应力是否为0对反分析唯一性有明显的影响；随着已知参数的增多，参数的可辨识性增强；地应力和侧压力系数的可辨识性最好，弹性模量、泊松比和粘滞系数次之。研究结果对于岩体参数的反演计算具有一定的指导意义。     

沿空留巷顶板下沉规律及其影响因素分析

针对沿空留巷顶板下沉量大、控制十分困难的问题,在分析沿空留巷顶板下沉规律的基础上,利用能量守恒原理,建立了沿空留巷顶板下沉力学模型,推导出顶板下沉量的计算公式,并对顶板下沉的影响因素进行了定量分析和灰色关联度敏感性分析。结果表明：某矿沿空留巷顶板下沉量计算值为371.45 mm,较好地吻合现场测量值,理论计算公式是准确的。顶板下沉随巷道宽度、采高的增加而增大,随直接顶厚度、巷内支护阻力、煤帮侧向支护阻力、巷旁充填体宽度和充填体弹性模量的增加而减小;对沿空留巷顶板下沉的敏感度大小的影响因素依次为采高、充填体弹性模量、充填体宽度、直接顶厚度、巷内支护阻力、巷道宽度、煤帮侧向支护阻力,其关联度分别为0.96、0.73、0.68、0.52、0.28、0.13、0.04。研究结果可为有效控制沿空留巷围岩变形提供依据。     

深部软岩巷道围岩变形特征及数值模拟分析

针对深部煤矿开采条件下软岩巷道围岩出现持续流变时间长、变形大、地压高、巷道难以维护等特点,首先分析了深部软岩巷道变形特征,采用FLAC^3D数值模拟软件,分析了不同埋深条件下巷道围岩垂直应力分布、水平应力分布以及巷道围岩塑性区扩展规律。研究得出,深部软岩巷道的围岩岩块呈松散破碎形态,相互翻转和滑移,岩体的模量和强度低;随着巷道埋深的逐渐增加,巷道围岩应力集中系数逐渐减小,巷道垂直、水平应力峰值逐渐变大,塑性破坏范围扩展速率逐渐增加。研究为深部软岩巷道支护提供理论基础。     

圆形水平冻结壁弹性设计理论

针对目前水平冻结壁设计中存在的不足,在考虑冻结壁内侧岩土体开挖卸荷作用的情况下建立了圆形水平冻结壁与围岩相互作用弹性力学模型,得到了其应力、位移解析解,着重分析了冻结壁内缘的受力情况,并基于不同屈服准则建立了冻结壁厚度的计算公式,分析了各因素对冻结壁厚度的影响。研究结果表明:考虑与围岩相互作用可有效降低水平冻结壁厚度,相互作用越强,厚度越小;冻结壁厚度随水平侧压力系数增大而减小,随其埋深增大而增大,与此相比,泊松比的影响可忽略不计;考虑到冻土为摩擦型材料,建议计算时采用Mohr-Coulomb屈服准则。