岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。     

侧压力系数对临界荷载的影响分析

取消现有公式中与实际不符的假定,考虑土体实际应力条件,重新推导了临界荷载公式,给出对任意侧压力系数均适用的临界荷载计算公式,并将超固结比OCR引入临界荷载的计算中。在粘聚力、内摩擦角、基础埋深、基础宽度、土体重度、超固结比等因素变动的情况下,着重分析了侧压力系数对临界荷载的影响规律。     

巷道复合顶板层间离层稳定性量化判据选择

为选择合理的巷道复合顶板层结间离层稳定性量化判据,选用巷道宽度、复合顶板岩性、复合顶板厚度及结构面黏聚力和内摩擦角5个不同因素,设计5×5共25组正交数值计算模型,采用ANSYS数值模拟软件分析不同地应力各数值计算模型中结构面应力和层间离层分布,并用工程实测进行验证.在此基础上,分析巷道复合顶板离层失稳力学机制.结果表明:巷道中心位置复合顶板层间离层值并不能敏感反映层间离层稳定性,采用巷道中部复合顶板结构面法向拉应力引起的局部分离范围作为离层稳定性判据更趋合理,其临界容许值和巷道宽度显著相关,一般为巷道宽度的0.50～0.75倍.     

深部两软煤层沿空巷道冲击地压成因与防治研究

针对两软煤层的地质条件,建立了两软煤层冲击地压发生的力学模型。通过对模型的力学分析与现场实践,得出了深部两软煤层条件下冲击地压发生的主要原因,是受上部力源层和下部稳定层夹持下的软弱冲击层出现应力集中和能量积聚,采动活动诱发积聚的能量向破碎缓和区突然释放,造成煤岩块瞬时喷出,形成冲击地压。从深部两软煤层冲击地压发生的应力条件、能量条件、物质条件和冲击地压诱发因素等方面进行分析研究,制定了转移应力、保持护巷煤柱稳定性、巷帮加固、松动帮部、形成顶板支护体阻挡结构的冲击地压防治措施,并进行了现场实践,实现了工作面安全高效无冲击开采。     

特厚煤层大巷复合构造区重复冲击致灾机制及控制技术EI北大核心CSCD

针对日益严峻的煤矿大巷群冲击问题,以某矿中央大巷复合构造区为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测与工程实践相结合的方法,研究大巷群重复冲击致灾机制及防治方法,得到如下结论:(1)中央大巷复合构造区冲击地压是在特定地质环境和工程结构叠加作用下,以静载为绝对主导的自发型冲击;(2)冲击后巷道围岩抗冲击能力下降和煤体应力恢复性增长是冲击地压重复发生的根本原因,没有支护的厚底煤承受高集中应力,成为能量释放的突破口,表现为底煤冲击;(3)采用顶板超长孔水平分段压裂技术对中央大巷复合构造区进行区域卸压,通过压裂,使原本完整较好的坚硬目标岩层内形成数量众多、方位和长度不一的网状裂缝,大幅减弱岩层的整体强度,破碎后的岩层可视为塑性垫层,能起到吸收部分能量和减弱上覆顶板应力传递的作用,使应力由“硬传递”转化为“软传递”,进而降低压裂区域下方煤层的整体静载水平,使其无法恢复到冲击地压发生所需临界载荷,实现了降低冲击致灾风险的目的。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

煤柱尺寸留设与巷道围岩稳定性关系实验研究

煤柱尺寸大小影响巷道围岩稳定性,通过不同煤柱尺寸软煤巷道围岩变形与应力分布相似模拟实验,研究了不同煤柱尺寸下巷道围岩裂隙、岩层移动的演化特征与巷道围岩应力、支架载荷的分布规律,确定了巷道围岩初始扰动与临界失稳的煤柱尺寸。结果表明:软煤平巷围岩裂隙演化特征表现为两帮煤体裂隙水平扩展后的顶板裂隙产生,围岩失稳诱发点为巷道两帮上角部;当煤柱尺寸小于300 mm后,巷道两帮表现为非对称塑性破坏后顶板裂隙扩展的加剧,顶板下沉量、两帮移近量与巷道围岩应力、支架载荷变化剧烈,围岩与支架最大应力集中系数分别为2.53和1.67;当煤柱尺寸为150 mm时,煤柱两侧的巷道围岩裂隙与采区煤壁裂隙贯通,煤柱呈屈服承载状态,巷道支架载荷右侧大于左侧,巷道围岩稳定性降低;对巷道围岩稳定性产生影响的煤柱尺寸为300 mm,保证巷道围岩稳定性的最小煤柱尺寸为150 mm。     

非均匀竖向压应力作用下钢板剪力墙的剪切屈曲

采用有限元软件ABAQUS 6.10对非均匀压应力、剪应力共同作用时非加劲和竖向加劲钢板剪力墙进行屈曲分析,研究了非均匀竖向压应力对非加劲钢板剪力墙临界屈曲剪应力的影响,得到了竖向加劲钢板剪力墙临界屈曲剪应力随加劲肋加劲系数的变化曲线及阈值刚度。结果表明,非加劲钢板剪力墙临界屈曲剪应力随着钢板剪力墙宽高比、高厚比和非均匀压应力剪应力比的增大而减小,随着竖向压应力非均匀系数的增大而增加|加劲肋阈值刚度随着竖向压应力非均匀系数、小区格宽高比、加劲肋数目和加劲肋抗扭抗弯刚度比的增大而减小。     

巷道底板冲击地压诱发机理及影响因素

对巷道底板冲击地压诱发机理分析表明,水平应力是诱发底板冲击地压的最主要因素,并确定底板水平应力的计算方法。在对巷道底板岩层梁结构屈曲破断力学分析的基础上,建立了底板冲击地压诱发的判定准则。巷道有效宽度和底板岩层的分层厚度对底板岩层屈曲破断所需水平应力的影响较大,计算出最大水平应力作用下底板关键层以上各岩层屈曲破断的最大分层厚度。研究结果表明,巷道底板岩层层状特征较为明显且岩层分层厚度较小的区域易诱发底板冲击地压。     

倾斜煤层综放工作面沿空留巷围岩稳定性模拟研究

以倾斜煤层综放工作面为研究对象,运用数值模拟的方法,对不同煤层倾角、不同煤层厚度、不同巷旁支护体宽度及不同巷内支护阻力时,沿空留巷围岩应力和位移随工作面推进的动态分布和变化规律及围岩的塑性破坏进行了模拟研究,以揭示不同工况条件对巷道围岩稳定性的影响规律。结果表明:随煤层倾角的增大,两帮垂直应力和顶板垂直位移逐渐减小,底板垂直位移逐渐增大,巷道两帮水平位移量先增大后减小,留巷围岩的塑性破坏程度加剧,尤其是巷道两帮及底板塑性区范围增大;在工作面推进相同距离时,煤层厚度越大,两帮垂直应力及顶板和右帮位移量越小,底板和左侧煤帮位移量越大;随巷旁支护体宽度的增大,左帮的垂直应力逐渐增大,右帮垂直应力先增大后减小,顶板垂直位移和两帮水平位移逐渐减小,底板垂直位移逐渐增大;随着巷内支护阻力的增大,两帮的垂直应力均先增大后减小,巷道变形量先减小后增大,巷道底板和右帮位移量随支护阻力的变化并不明显。     

高应力区分层开采冲击地压事故发生机理研究

以某矿厚硬顶板条件下特厚煤层上分层开采发生的巷道与工作面同时冲击的事故为背景,研究事故发生的机理与治理方法。研究表明:引起事故的主要力源来自上层煤煤柱、不等宽区段煤柱、巨厚坚硬顶板和大断层等形成的集中应力;主要冲击灾害体是巷道和工作面内的底煤;底煤发生冲击的主要力学机理是底煤在水平应力突变条件下发生屈曲破坏,并在垂直应力作用下发生冲击性滑移。提出了上层煤柱对下层煤采动影响范围与冲击危险范围的评估方法,为制定恢复生产方案提供了科学依据。根据发生事故的机理,制定并实施了恢复生产的方案,通过实施危险区卸压措施和建立冲击危险实时监测预警体系,工作面恢复了生产,保障了安全开采。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩三剪应力统一强度理论解

为了研究渗流、应变软化和扩容对巷道围岩稳定性的影响,首先根据三剪应力统一强度理论建立了平面应变状态下的屈服方程,将巷道围岩从外往内依次划分为弹性区、塑性软化区、破碎区,然后综合考虑渗流影响、应变软化、扩容以及塑性软化区和破碎区内弹性应变的2种情况,推导了各个区应力、位移以及塑性软化区和破碎区半径的三剪应力统一强度理论解...     

直墙拱形巷道围岩应力场分析

为得出直墙拱形巷道围岩应力分布规律,应用复变函数弹性理论推导了直墙拱形巷道围岩应力分布的解析表达式。对直墙拱形巷道边界的围岩应力和巷道水平线方向的围岩应力分布规律进行分析,并考虑直墙拱形巷道断面高宽比和侧压系数对其影响规律。研究表明：在不同巷道断面高宽比、侧压系数下,直墙拱形巷道围岩应力集中区域主要集中在直墙底部底角处、拱形顶板中点附近和底板中部3个位置。不同巷道断面高宽比下,直墙拱形巷道沿水平线的应力分布规律基本相同。侧压系数大于1时,采用巷道断面高宽比小于1较有利于巷道稳定;侧压系数小于等于1时,采用巷道断面高宽比大于1较有利于巷道稳定。     

SUPPORT THEORY OT RESTRAIN AND STABILIZE SURROUNDING ROCKS OF ROADWAY

~~SUPPORT THEORY OT RESTRAIN AND STABILIZE SURROUNDING ROCKS OF ROADWAY@周华强     

围岩承载层分层演化规律及“层-双拱”承载结构强度分析

以信湖煤矿典型深部软岩巷道为工程背景,依据巷道围岩应力变化趋势及围岩强度变化,按照深部软岩巷道四线段全应力-应变曲线划分围岩次生承载结构为"流动层-塑性软化层-塑性硬化层-弹性层"耦合承载层,塑性软化层、塑性硬化层组成塑性承载区。并根据巷道围岩承载层划分提出动态补强支护方案:一次支护采用锚网喷支护,二次补强选取浅、深孔注浆锚杆锚索联合支护,结合支护方案特点提出"层-双拱"承载结构力学模型,在极限平衡条件下对"层-双拱"承载结构进行受力分析得到其极限承载强度解析式,工程计算得到信湖煤矿一水平回风石门经"层-双拱"承载结构支护后极限承载强度可达29.30 MPa,理论验证了支护方案的可靠性。同时,现场监测结果表明:回风石门在动态补强支护后巷道围岩变形趋于平稳,巷道顶板最大下沉量仅为36 mm,两帮移近量为67 mm,巷道能够保持长期稳定。     

浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义

根据3个不同条件的浅埋煤层工作面矿压实测，得出了中国特大浅埋矿区顶板破断规律与普通采场不同，主要特征是顶板切落式破断和台阶下沉，顶板垮落一般形成冒落带和裂隙带。并初步提出了以关键层、基载比和埋深为指标的浅埋煤层定义，为正确建立顶板结构模型和进行顶板控制奠定了基础。     

岩样单轴压缩轴向及侧向变形耗散能量及稳定性分析

首先从能量的角度分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向塑性变形的耗散能量及其联系。根据梯度塑性理论,局部化带的尺寸由特征长度确定,得到了单轴压缩岩样由于剪切局部化而引起的轴向及侧向塑性变形所耗散能量的解析解。研究结果表明:剪切带消耗的能量等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;轴向塑性变形消耗的能量与侧向塑性变形消耗的能量成正比,其比例系数与剪切带倾角有关;轴向塑性变形消耗的能量要大于侧向塑性变形消耗的能量;当流动应力为0时,剪切带消耗的能量达到最大值;轴向外力对试件作功等于侧向及轴向塑性变形消耗的能量的总和;增加剪切带倾角,侧向塑性变形消耗的能量占剪切带消耗的能量的比例增加。然后分析了单轴压缩岩石试件轴向及侧向变形的不稳定性。将剪切带及带外弹性岩石所受到的剪应力分解为水平及垂直剪应力,剪切带的塑性剪切变形也分解为水平及垂直变形。建立了水平剪力与侧向塑性变形及垂直剪力与轴向塑性变形的理论关系。水平剪力与侧向塑性变形曲线的斜率等于垂直剪力与轴向塑性变形曲线的斜率。由于这些关系依赖于结构尺寸,因此,不能被看作本构关系。将剪切带视为“试件”,将带外弹性体看作“试验机”。根据刚度理论,可以得到“试件”–“试验机”系统在水平及垂直两个方向上     

煤巷强帮支护理论与应用

 在分析煤巷帮部破坏机制和加固机制的基础上,通过建立煤巷力学模型、分析支护力与莫尔圆的关系、研究帮部极限平衡区宽度及巷道耗能机制,提出强帮护顶概念设计,从理论方面对煤巷强帮支护理论进行论证。应用FLAC3D软件对煤巷进行模拟,详细分析巷道开挖引起的围岩力学响应情况,阐明帮锚杆对帮部强度的影响,从数值模拟角度对煤巷强帮支护理论进行论证。最后,煤巷强帮支护理论被成功应用于马兰、官地等矿山煤巷支护设计,在实践中取得良好效果。研究结果表明：(1) 提高煤巷帮部支护强度,一方面可提高帮部对顶板的承载力,另一方面会减小帮部极限平衡区宽度和顶板广义跨度。(2) 提高煤巷帮部结构体与顶板结构体的强度比值和刚度比值,有利于减少帮部结构体塑性铰的数量,使巷道结构体形成合理耗能机制,提高整体稳定性。(3) 针对帮部比顶板岩体强度低的巷道,采用强帮护顶概念设计形成强帮护顶良性作用机制与合理耗能机制,以保证巷道的安全性。(4) 增加煤巷帮锚杆直径、长度或增大帮锚杆布置密度,可达到有效控制围岩变形、减少极限平衡区的效果。(5) 数值模拟与现场应用均表明,提高煤巷帮部的强度可以提高巷道的整体稳定性,煤巷强帮支护理论在工程实践中具有良好的适用性。     

地基临界荷载的探讨

阐述了临塑荷载与临界荷载的概念，应用弹性理论和太沙基塑性区发展的理论，推导了较为精确的临界荷载公式，并得出了当静止侧压力系数不等于1时，地基临界荷载的大小。