考虑断层侧塑性区的煤柱留设及防渗方法研究

为解决煤矿开采中断层防水煤柱合理尺寸的留设及防水煤柱长期稳定性的问题,提出留设防水煤柱时应考虑煤柱断层一侧的塑性区;当存在断层时煤柱压力峰值高于没有断层时的峰值而在断层附近应力值减小,煤柱卸压。防水煤柱服务年限较长,因此应考虑水的渗透性对煤柱长期稳定性的影响。提出在断层一侧煤柱塑性区内打防渗井减小水的渗透性对煤柱核区的软化。应用Comsol Multiphysics软件进行模拟,并与没有防渗井时比较确定排水井的防渗作用。     

考虑煤岩体成拱效应时煤柱塑性区宽度确定

为了确定在考虑邻近采空区上覆煤岩体自重作用下煤柱最大塑性区宽度,采用理论推导、数值模拟以及现场监测三者相结合的方法,通过考虑采空区上覆煤岩体成拱效应,确定出煤柱受力,对煤柱进行弹塑性分析,得出煤柱最大塑性区宽度理论计算式;根据玉华煤矿工程条件,采用ANSYS模拟采深为500 m和600 m,采高为4、5、6、7 m的煤柱最大塑性区宽度,并对玉华煤矿2410工作面回风巷道护巷煤柱的最大塑性区进行监测。研究结果表明:在中等采高时,煤柱最大塑性区宽度的理论计算结果、数值模拟和现场监测结果一致。研究结果给出了中等采高时煤柱最大塑性区宽度的理论计算式,可为留设煤柱宽度设计提供依据。     

急斜煤层防水煤岩柱的失稳及留设

基于龙湖煤矿的水文地质条件,采用数值计算和相似模拟相结合的方法,研究了在不同煤厚和煤柱宽度时,防水煤岩柱的稳定性和失效形式,结果表明:采厚增加,导水裂隙的发育高度显著增大,裂采比增大;大煤柱不能明显降低导水裂隙的发育高度和煤柱塑性破坏宽度;防水失效主要有煤柱的塑性破坏和导水裂隙导通上部含水层两种形式;薄煤层防水煤岩柱留设应重点防止煤柱的塑性破坏,而厚煤层则应考虑导水裂隙的贯通情况.     

流-固耦合作用下防隔水煤柱留设的数值模拟

根据淮南某矿水文地质资料,利用FLAC3D对工程进行流-固耦合作用下的三维数值模拟研究.重点研究了在不同老空水工况下,工作面的回采对两工作面之间防水煤柱变形与破坏特性的影响.通过对比计算获得了煤柱留设存在合理宽度区间的计算结果,现场测试表明提出的煤柱设计建议具有良好的安全性和经济性.     

厚煤层综放面煤柱中布有巷道的煤柱宽度优化研究

 以陕西彬长矿区佛寺矿矿608工作面为依托，对工作面区段煤柱中存在巷道的煤柱计算方法进行研究。应用FLAC数值模拟软件建立相应的计算模型，分析了煤柱宽度不同时对煤柱中塑性区的影响以及煤柱中间开挖巷道与不开挖巷道时煤柱中塑性区的变化情况，结合理论计算结果进行分析，建议煤柱宽度由60m优化到52m，灌浆巷距离两条顺槽净距均为23.7m。     

弹塑性煤柱的应力场计算

为解决煤柱强度与刚度的计算问题,首先要进行应力场分析．现场观测结果表明,煤柱边缘存在塑性区,进行其应力场分析时考虑煤柱的塑性软化是非常必要的．根据煤样力学性能测试结果,把煤柱应力应变曲线的塑性软化阶段近似为三次曲线,应用煤层塑性软化理论,推导出了顸板弯曲方程．应用解析方法求解,得到采空区和煤柱弹性区的变形;采用数值方法——改进的欧拉法求解,得到塑性软化区的变形,进而得出了顶板的变形和弹塑性煤柱的应力场的分布规往并给出了算例。验证了分析结果的正确性．     

深部巷道围岩变形失稳的数值分析

采用Mohr-Coulomb塑性本构模型,Isotropic-Fluid-Flow本构模型,Fluid-MechanicalInteraction渗流计算模式,建立FLAC3D固流耦合的渗流计算模式的数值模型,采用"开挖-支护-再开挖"的模拟过程,模拟分析石嘴山一矿38区+600 m轨道巷的变形与破坏的机理,得出深部巷道变形破坏的关键部位,为深部巷道支护提供了新的理论依据。     

复采工作面条带煤柱临界破坏尺寸研究

在平面应变状态下利用Mohr-Coulomb准则推导了采空区支承应力和采准巷道支承应力叠加时中央弹性核区的宽度,同时在计算中考虑了防水煤柱的宽度。在平面应变状态下利用Druker-Prager准则计算采准巷道塑性区的宽度,弥补了Mohr-Coulomb准则塑性区宽度未考虑中间主应力和静水压力两因素。计算结果表明,贺西矿三采区采准巷道侧的塑性区宽度3.1 m,中央弹性核区的宽度1.7 m,旧采空区的塑性区宽度按风化后计算为16 m,在现场试验取得了较好的效果。     

厚煤层综放面区段煤柱中布有巷道的煤柱宽度优化研究

以陕西彬长矿区大佛寺矿608工作面为依托,对工作面区段煤柱中存在巷道的煤柱计算方法进行研究。应用数值模拟软件建立相应的计算模型,分析了煤柱宽度不同时对煤柱中塑性区的影响以及煤柱中间开挖巷道与不开挖巷道时煤柱中塑性区的变化情况,结合理论计算结果进行分析,建议煤柱宽度由60m优化到52m,灌浆巷距离两条工作面巷道净距均为23.7m。     

浅埋厚煤层区段煤柱合理尺寸优化与研究

针对浅埋厚煤层区段煤柱合理尺寸留设难题,结合某矿具体实际工程地质条件,采用理论分析、数值模拟和现场工业性试验等手段,从煤柱支承应力和塑性区分布等方面进行了研究。结果表明:随着煤柱尺寸的减小,支承应力集中程度逐渐增大,且出现支承应力最大值的位置越靠近采空侧;当煤柱尺寸过小时,巷道周围塑性区与煤柱内塑性区连接,不利于巷道稳定;综合理论分析计算、数值模拟和经济角度考虑确定煤柱合理的留设尺寸为12m。现场工业性试验验证了12m宽煤柱巷道变形量能够满足安全生产的要求。     

基于FLAC3D的破碎围岩巷道支护效果分析

为了解破碎围岩分别采用锚杆支护、锚喷支护以及锚喷+锚索耦合三种支护方式下的支护效果,进而为破碎围岩巷道选择合理的支护方式提供参考。通过借助FLAC^3D软件建立数值模型,分析不同支护条件下的破碎围岩巷道位移量、应力分布以及塑性区的时空演化特征。结果表明,采用锚喷+锚索耦合支护时,可以较好的控制巷道围岩的位移量、减小应力集中效应、缩小塑性区的影响范围。     

Nonlinear coupling analysis of coal seam floor during mining based on FLAC<Superscript>3D</Superscript>

Based on the hydro-geological conditions of 1028 mining face in Suntuan Coal Mine, mining seepage strain mechanism of seam floor was simulated by a nonlinear coupling method, which applied fluid-solid coupling analysis module of FLAC^3D. The results indicate that the permeability coefficient of adjoining rock changes a lot due to mining. The maximum value reaches 1 379.9 times to the original value, where it is at immediate roof of the mined-out area. According to the analysis on the seepage field, mining does not destroy water resistance of the floor aquiclude. The mining fissure does not conduct lime-stone aquifer, and it is less likely to form damage. The plastic zone does not exactly correspond to the seepage area, and the scope of the altered seepage area is much larger than the plastic zone.     

天然纤维水镁石阻燃剂的复合性能研究

以硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂和磷酸酯偶联剂对天然纤维水镁石(FB)阻燃剂进行表面改性.将未改性与改性的FB分别填充聚丙烯(PP),研究了未改性与改性的FB及填充量对PP的力学性能和阻燃性能的影响,结果表明:未改性与改性的FB填充量在37.4%以下时,磷酸酯偶联剂改性FB填充PP的熔体流动速率和钛酸酯偶联剂改性FB填充PP的断裂伸长率下降最小;未改性与改性的FB填充量在28.5%时,硅烷偶联剂改性FB填充PP的抗拉强度增强最多;FB的填充量为41.2%时,有明显的阻燃效果,PP的氧指数[O_Ⅰ]为28.5%,当改性FB以此填充量加入PP时,酸酯偶联剂改性FB填充PP的力学性能较好,PP的拉伸强度和缺口冲击强度分别在21.10～22.51MPa和4.25～4.98MPa之间.最后,对纤维水镁石的阻燃机理进行了研究.     

煤层瓦斯流固耦合渗流的数值模拟

将渗流力学与弹塑性力学相结合,考虑煤层瓦斯和煤体骨架之间的相互作用,建立了煤层瓦斯运移的数学模型,并给出其数值解。对煤层瓦斯渗流方程和煤体变形场方程分别进行离散,得到其相应的泛函方程。根据有限元法原理推出其耦合求解方法,最后进行了实例计算,证明所建立了理论是正确的。     

深部高应力巷道充填式释压刚柔耦合支护技术适用性研究

针对深部高应力巷道在卸压孔支护技术中对围岩扰动严重并且卸压变形量不易控制问题,以北京长沟裕矿为背景,综合运用理论分析与数值模拟的方法,在分析巷道矿压显现特点以及巷道大变形机理的基础上,提出了高应力巷道充填式释压刚柔耦合支护方法。对原始支护方案与充填式释压刚柔耦合支护方案进行对比分析。结果表明:充填式释压耦合支护方案较原始支护方案在围岩塑性区以及变形量方面都有较为明显改善,巷道围岩卸压变形量基本可控。     

轴向静载压缩作用下深部砂岩的变形破坏规律

为探究深部砂岩的变形破坏规律,建立塑性区发育、裂纹扩展情况和声发射特征之间的关系。以深部砂岩岩样为研究对象,开展轴向静载压缩声发射试验,并采用数值模拟分析岩样塑性区和内部裂纹的演化规律。研究结果表明：内部能量密度在压密和弹性阶段耗散比较平稳,塑性阶段耗散能逐渐增大,在破坏前瞬间全部释放。塑性区、裂纹和声发射特征间具有很强的关联性,压密阶段振铃计数、能量均是先增大后减小,弹性阶段前处于平静期,塑性区和微裂纹均从岩样两端侧面出现。弹性阶段,振铃计数和能量继续增大,后者涨幅大于前者,塑性区沿对角线向内发育,裂纹数量增多。塑性阶段,振铃计数持续增大,能量激增,塑性区向外发育。破坏阶段,振铃计数和能量均出现激增,模拟试验为“y”状剪切裂纹,与实际破坏裂纹形态一致。     

膨胀软岩巷道底鼓机理与耦合支护技术研究

巷道底鼓是造成巷道变形破坏的常见形式之一,是制约矿山安全高效生产的重要因素和关键难题,这一问题在深部开采和复杂地质条件下的矿山中尤其严重。针对高地应力破碎膨胀软岩条件下的巷道底鼓进行了研究,分析了巷道底鼓的机理,建立了复杂条件下复合型底鼓的力学模型,根据动压理论推导了巷道底板塑性区范围及底板压力的本构方程。通过矿山实例,提出了锚杆锚索耦合支护设计方案,并利用FLAC－3D软件对巷道支护的稳定性进行了数值计算。研究结果表明,对巷道底板塑性区域内的滑移体进行关键部位加强支护,可以有效控制巷道底鼓的发生和发展。     

充填法开采矿体三维模型构建及井筒稳定性分析

采用3DMine-Rhion-Griddle-FLAC^3D耦合构建矿区三维模型,研究了矿体回采过程中井筒变形、应力、塑性区变化规律,并对开采过程中井筒变形进行实时监测以分析验证井筒稳定性。结果表明,基于3DMine-Rhino-Griddle-FLAC^3D分析方法,可以对采矿过程中井筒稳定性进行有效分析; 矿体回采结束后,仅在采场周围区域产生较大变形量,井筒变形量均小于10 mm; 采场周围均出现了明显的塑性破坏,但塑性区范围仅存在于采场附近,并未延伸到地表及井筒周围,井筒周围基本处于原岩应力状态。     

近距离跨上山开采巷道加固支护技术

锚网喷(高应力让压锚杆+网喷)+鸟窝锚索+W钢带的支护模式既可以适应巷道开掘后围岩的巨大塑性变形能量需要得到一定释放的要求,又可以适应初步稳定的围岩,控制其过分变形,是一种刚柔并济的、新型的、主动的支护模式。     

锚喷支护条件下膨胀岩巷道稳定性研究

采用侧限膨胀率试验对某钼矿矿岩的膨胀特性进行研究,分析了膨胀岩巷道易膨胀变形的原因,基于莫尔-库伦强度准则对轴对称膨胀岩圆巷进行弹塑性分析,提出湿喷+树脂锚杆+钢拱架支护手段,并对巷道收敛变形及周边围岩移动进行监测。研究结果表明:支护力p₁越小,膨胀力σ_s越大,则塑性区半径R₀越大,膨胀岩巷道越不稳定;湿喷+树脂锚杆+钢拱架支护能有效控制膨胀岩巷道变形并大幅降低支护成本。研究成果为同类或相近条件下的膨胀岩巷道支护设计提供了依据。