综放面顶板岩体稳定性地质动态评价及控制

运用地质学、岩体力学、开采沉陷学及工程物探技术等学科的理论和方法,在分析新集井田13煤层及其顶板岩层的地质条件基础上,用地震CT探测了工作面内的隐伏构造并评价了煤岩体地质力学参数。借助现场实测、相似模拟试验、数值模拟计算等手段,研究了弯曲下沉带内巷道变形破坏和岩层移动规律、综放面矿压显现规律。综合岩石介质条件、赋存环境条件、工程因素等,建立了13煤层顶板岩体稳定性动态模型。在此基础上,对综放面顶板岩体稳定性进行了动态评价与预测,并针对不同地质条件提出了顶板岩体控制的对策。研究成果已在现场得到应用。     

层状盐岩体非线性蠕变本构模型

 针对由不同岩层交替而组成的层状盐岩体,建立泥岩夹层和盐岩复合体代表单元,根据应变协调原理,从细观力学分析角度通过考虑泥岩夹层弹性性质、盐岩弹性及蠕变力学特性以及两相体积含量建立层状盐岩体宏观各向异性非线性蠕变增量型本构模型,分析层状盐岩在蠕变过程中因保持细观应变协调而产生的应力重分布问题,给出新本构模型ABAQUS有限元二次开发增量迭代算法实现方法,对一层状盐岩体简单试样算例进行初步计算分析验证,分析计算与试验结果吻合较好,表明该本构模型能反映细观应变协调时层状盐岩体宏观蠕变力学特性,该模型将为层状盐岩体内硐室长期稳定性分析提供理论计算基础。     

互层盐岩体的Cosserat介质扩展本构模型

针对由不同岩层交替而组成的互层盐岩体,如含夹层盐岩体,建立一种新的代表单元,考虑具有不同力学特性相邻岩层之间的细观位移协调,建立了宏观平均意义下考虑细观弯曲效应的Cosserat介质扩展本构模型,并对该模型进行了初步的试验验证。该模型为分析层状盐岩体提供了一条新思路:首先利用该模型求得平均意义下的Cosserat应力,然后再回到某材料点,得到传统意义上的各层岩体的不等梯度的甚至非连续的各层介质的应力应变;结合传统的材料强度理论,可以判断某层盐岩体介质是否开始破坏。该模型可直接推广到三维和非线性问题,将为层状盐岩体内硐室稳定性分析提供关键理论基础。     

盐腔形成过程对覆岩影响的相似材料模拟实验研究

应用相似材料模拟实验研究了盐腔成腔过程中上覆岩层移动、变形和破坏规律,上覆岩层损伤演化过程及规律,上覆岩层的层面效应及分层特性,上覆岩层破碎岩体尺寸特性等内容。通过这些研究,获得了上覆岩层在盐腔形成过程中的损伤演化方程、上覆岩层因岩层性质不同而产生的分层特性、上覆岩层移动变形过程中表现出来的层面效应以及岩层破碎岩体尺寸与岩层力学性质的关系。为进一步弄清开采沉陷的微观机理和建立新的预测模型打下了基础。     

上行开采层间岩层移动规律数值模拟实验研究

采用FLAC3D有限差分法分析软件模拟了白家庄煤矿上行开采的过程,通过改变层间岩层组合情况形成不同的数值模拟模型,计算分析上行开采前后层间岩层应力变化规律,在此基础上,进一步研究下、上煤层开采前后层间岩层的移动变形规律,最后通过层间岩层的力学关系及移动变形情况分析不同模型上行开采的可行性,与传统上行开采可行性理论判定结果及生产实际一致。     

基于界面黏结–滑移模型的等间距破裂层状岩体裂隙间距分析

等间距破裂是层状岩体中常见的一种地质现象，如何合理预测裂隙间距，对岩体的稳定性分析具有重要的理论及工程意义。考虑层状岩体界面剪应力在滑移过程中的应力软化现象，基于界面的三线式黏结–滑移本构关系，推导岩层界面处于不同黏结状态下破裂岩层内拉应力和的岩层界面剪应力解析表达式；建立考虑覆岩压力的岩体拉伸破坏准则并给出等间距破裂岩体的裂隙间距计算公式；通过有限元数值计算和现场实测数据验证所提出理论计算公式的可行性；并进一步分析影响层状岩体中裂隙间距的主要因素。结果表明建立的黏结–软化–滑移解析模型可用于分析岩体界面处于黏结、部分滑移、应力软化及完全滑移等不同状态下的裂隙间距计算。     

软岩地层深部开采地表下沉分析

针对软岩地层深部地下大面积开采岩体移动变形预测问题,利用弹塑性力学理论建立了相应的预测分析理论模型。用所建立的弹性理论模型对某铁矿地表移动变形进行了计算分析,并将理论预测结果和实测资料进行了对比。文中用弹塑性有限元法分析了不同弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等物理力学参数对地表下沉的影响;对软岩地层深部开采地表移动进行了计算分析。结果表明,弹性模量对地表下沉影响较大,而其他参数影响较小。结果表明,弹塑性力学方法适用于分析软岩地层大面积开挖岩体移动预测问题。     

采场动态结构力学模型的仿真及其应用

以“以覆岩运动为中心的矿压理论”体系为核心内容,兼容当代最新的矿压理论研究成果,运用最新的信息技术手段,建立了采场动态结构力学模型;推导了覆岩裂隙带运动方程;导出了计算采场支承压力分布范围和计算内应力场分布范围的力学表达式。建立了采场上覆岩层(运动)数字化模型,并实现了动态可视化仿真系统。论文所取得的主要结论如下: (1)采场四周煤体上的支承压力主要来源于采场上方已经发生运动的岩层。从形状上看,该部分岩体为一上大下小的截头方锥体。在工作面开始回采初期,该截头方锥体的上下端面是相同的,可以看作是一个长方体,随着工作面的推进,该截头方锥体的上下端面都在不断扩大。在上端面上表现为地表移动范围的不断扩大;在下端面表现为支承压力分布范围的逐渐增加。大量的实验和现场工程实践证明,在工作面从开切眼开始推进到推进距离大约为工作面长度左右时,该截头方锥体的上下端面相对于中部以采空区边界为断面的长方体的扩展发展到最大。根据三维结构力学模型建立采场四周煤体上支承压力平衡方程,推导出了支承压力和内应力场分布范围的计算表达式。 (2)在建立了采场上覆岩层数字化模型的基础上,采用具备OOP特征的程序设计语言Visual Basic 6.0,开发了采场上覆岩层运动规律动态仿真系统。该     

岩体弹塑粘损伤力学模型及其工程应用

由于岩体受开挖卸荷作用，导致岩体损伤以及质量的进一步裂化，因此，有必要考虑岩体的损伤蠕变。将岩体损伤作为一种元件来考虑，将其和弹性元件、塑性元件和粘性元件串并联建立一种岩体弹塑粘性损伤力学模型。根据建立的力学模型，推导模型的本构方程，分析其蠕变特性，并得到该模型的等效蠕变模量的计算式。将其应用于工程实际中；并将所得结果与实测数据进行比较，其变形趋势相近。     

岩层移动的组合岩梁理论及其应用研究

提出了采场上覆岩层移动的组合岩梁模型，将岩层移动的关键层、岩层组合以及层间离层统一在组合岩梁模型的体系中，建立了关键层、岩层组合以及层间离层的统一判别准则，并进行了实例分析。对组合岩梁模型在岩层移动规律研究、地表沉陷控制以及在矿井瓦斯防治中的应用进行了深入地分析。组合岩梁模型的建立，为采场矿压和岩层移动的研究提供了一种新的思想和方法。     

关于综放开采的岩层运动和矿山压力控制问题

应用内外应力场理论，根据鲍店煤矿的生产实践，结合实验室相似材料模拟研究，对分层开采，网下综放，全厚综放三种不同开采条件下的冒落岩层厚度、导水裂隙带高度、地表沉陷特征以及支承压力大小及分布特点进行了分析和探讨，并建立了相应的计算模型，为现场综放回采工作面、回采巷道矿压控制以及综采放顶煤完全开采提供了理论依据     

深部隔离煤柱对岩层与地表移动的影响规律

焦坪矿区大采深、厚煤层综放开采条件下,地表下沉量较小,呈现非充分的采动影响现象。通过相似材料模型试验,分析了本区地质开采条件下工作面宽度、隔离煤柱尺寸、上覆岩层岩性与地表移动的内在关系,揭示了岩层移动的基本特征。研究证实了深部开采条件下工作面间留设一定宽度的隔离煤柱对地表沉降起到有效的控制作用,这可为本区及类似条件的其他矿井提供参考。     

厚硬顶板硬顶煤压缩性分析与综放开采方案选择

顶煤的运移与垮落，尤其是内部微观裂隙的扩展，与其直接项和老项岩层的活动规律密切相关。张双楼煤矿主采煤层为7煤和9煤，两层煤之间赋存唯一一层厚硬岩层，即9煤层的直接项也是7煤层的直接底。9煤较硬，其项煤的可放性和开采方案的选择是其成功应用综放开采技术的关键。采用实验室物理模拟，分析厚硬岩层的破断特征，并根据开采不同布置方式与厚硬岩层的不同断距提出9种上层煤与下层煤不同开采方案，系统分析下层煤项煤压缩量的变化及其可放性。计算机数值模拟与现场实践表明，7煤与9煤的工作面成交错布置方式，先采7煤后采9煤，一次采全高，最有利于9煤工作面的顶煤冒放，保证9煤综放开采的成功。研究结果可为类似条件下的厚硬煤层推广综放开采工艺提供设计指导。     

关键层运动对邻近层瓦斯涌出影响的研究

煤矿覆岩中的关键层控制着上覆岩层的移动和采动裂隙的动态发展过程,进而也必将影响到邻近层瓦斯在采动破裂岩体内的动态涌出规律.利用阳泉矿区2种不同覆岩结构综放面的实测数据,对比研究关键层运动对邻近层瓦斯动态涌出的影响,研究结果表明：不同覆岩关键层结构条件下,邻近层瓦斯涌出的动态过程是不一致的,进一步证实了关键层运动对邻近层瓦斯动态涌出的控制作用.分析不同覆岩关键层结构条件下初采期邻近层瓦斯抽采技术方案的适应性,提出初采期邻近层瓦斯抽采方案的确定必须结合具体覆岩关键层结构特征,才能取得预期的抽采效果.     

采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析

具有良好分层性的采场覆岩破断规律己被基本掌握，但对于厚关键层(特厚层砂岩老顶)覆岩的采场矿压规律还需深入研究。运用岩体破裂过程分析系统，结合某矿区实际覆岩构造特征，分析了具有厚关键层的采场覆岩的破断与冒落规律。研究表明：厚关键层的破断、垮落规律与长梁(或薄板)矿压理论存在根本差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈不等长的短块状。厚关键层来压具有多样性和随机性，不同形式的采场来压对支架的作用不同，大块滑落失稳对采场支架的威胁最大，对采场矿压控制提出了严峻的挑战。该研究成果为实际采矿设计与矿压控制提供了理论依据。     

大采高多断层工作面综放诱发地表沉陷观测及数值分析

 从现场监测出发,分析近年来的监测数据,获得王庄矿大采高工作面在高强度综放开采条件下的地表沉陷规律,通过打孔观察冒落带、裂隙带的分布规律,得到最大下沉高度。然后基于不连续变形数值分析方法建立地表沉陷模型,模拟和分析多条断层对工作面综放开采的影响规律,并获得最大下沉高度。模拟最大沉陷值约为4.5 m,要小于实测值4.9 m,可能的原因是数值模型中只考虑该区4条较大的断层,而实际该区还有很多小的断层和小构造,并且实际地质情况远远比数值模型要复杂。最后比较相似条件下有无断层的地表沉陷规律,获得有无断层影响下的覆岩破断规律及移动规律,并比较两者的异同。     

采矿工程相似材料及模型试验研究

根据某矿工程地质条件,选用河砂、石灰和石膏为相似材料,进行了相似材料力学性质配比实验和平面物理模型试验。研究结果表明：所用相似材料能够反映原型材料力学性质;平面模型试验再现了综放工作面覆岩运动和破坏的情景,覆岩冒落过程与工程实际相符较好。     

软岩地层地下铁矿开采岩体移动影响范围及变化趋势分析

 在我国官庄东矿北采区,采用分段崩落法进行回采,虽然矿区地表建筑物远离设计的地表移动影响范围,但仍受到影响。结合官庄东铁矿北采区进行分析,对深部开采引起的动态岩体移动变形问题进行具体计算,分析深部开采的岩体移动变形规律及特点,实际观测和理论分析均表明,深部开采工作面的覆岩破坏,具有整体移动变形均匀的特点;软岩地层深部铁矿开采引起的地表移动变形发展缓慢且周期较长。     

综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究

 基于砌体梁理论提出综放面覆岩运动的双向发展模式,分析综放面冲击矿压的能量来源和力源,利用微震监测技术对综放面覆岩运动的矿震效应进行监测。结果表明：覆岩运动的矿震活动呈周期性,冲击发生前矿震能量持续增大,冲击发生时达最大值,之后产生突降;冲击发生前,矿震频次先增大后有一定程度减小,冲击发生在频次下降沿,之后急剧下降;平均标高能够反映覆岩运动的空间形态,冲击发生前,平均标高逐渐增大,冲击发生或临近发生时,达到最大值,之后产生突降;矿震活动周期内,矿震空间分布先逐渐向上层位发展,冲击发生前,矿震空间分布达到最大值,工作面近距离岩层矿震活动强烈。指出综放面冲击矿压主要发生在覆岩运动下发展过程,可通过覆岩运动上发展过程的监测预防冲击矿压。     

急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验

针对新集三矿急倾斜煤层开采复杂的采矿地质条件，运用实验室相似模型试验方法，对西三采区煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积层岩体移动基本特征和地表沉陷的相关参数。所得结果对现场开采及地表沉陷治理具有一定的指导作用，对于同类地质和开采条件的矿区具有重要参考价值。