屈曲型岩爆的发生机制及其时效性研究

为分析深部巷道围岩层裂薄板结构的形成机制和屈曲型岩爆发生的力学机理,采用数值模拟方法对深部巷道开挖过程中围岩主应力的分异演化规律进行了研究。基于三参量黏弹性本构关系,以屈曲型岩爆的层裂薄板结构为力学模型,推导出了二向受力下屈曲型岩爆的压屈时效方程,探讨了不同应力状态下屈曲型岩爆的时效特征。结果表明:在以垂直应力为主导的巷道在掘进过程中,巷道顶部和底部的主应力水平在逐步减小,岩体能量逐步释放;而巷道两侧边墙的主应力出现严重的分异现象,切向应力变大而轴向应力减小,岩体能量向两侧转移并大量积聚。以水平应力为主的巷道在掘进过程中,围岩应力状态的演化过程及能量积聚特征与此相反。围岩层裂薄板结构形成后,在切向应力和轴向应力的二向应力作用下发生蠕变弯曲变形,经过一段时间,当变形达到某一限值时,层裂薄板结构就会发生屈曲失稳破坏并释放岩体内积聚的弹性变形能,产生延迟岩爆现象。     

古城煤矿原岩应力测试分析及与岩爆关联性研究

为分析古城煤矿32采区围岩岩爆现象频繁发生的原因,采用应力解除法,对采区原岩应力进行测量,得到该采区原岩应力场的分布特点,分析研究原岩应力与岩爆现象频发的关联性。结果表明:古城煤矿32采区原岩应力场中,水平应力占优势地位,并且巷道水平应力方向性显著,最大水平主应力与工作面巷道走向夹角为55°左右,在掘进方向右侧产生应力集中,这是导致岩爆现象频发的一个重要原因。     

红阳矿区地应力测量及其数值分析研究

红阳矿区主采8#,12#煤,最大开采深度已超过1 000 m,回采巷道掘进及工作面回采期间均发生过冲击动力灾害。为了研究灾害形成的原因及其控制技术,现场采用空芯包体应力解除法对矿区不同埋深的6个测点完成了地应力原位测量。结果表明:各测点均有2个主应力方向接近水平方向,另一主应力方向接近于垂直方向,最大水平主应力是垂向应力的平均1.395倍,地应力场以水平构造应力场为主;各测点垂向应力均略大于上覆岩层重量;分析了最大主应力、最小主应力、垂直主应力随深度的变化规律;实测最大主应力方向为NW-SE向,平均方位角NW47.9°,结合数值模拟结果,北三采区西侧工作面组为最大水平主应力峰值位置(岩爆发生区),而其他采区随着开采位置远离峰值区域应力水平相对降低,靠近断层或者断层交叉区则应力水平降低。     

工作面垂直过腰巷冒顶机理及防治措施研究

为研究8421工作面垂直过腰巷时的片帮冒顶机理,运用弹性力学理论进行分析,建立了腰巷围岩力学模型,计算得出在腰巷任意半径处的应力公式,分析得出随着工作面与腰巷距离的缩小,腰巷围岩受切向应力逐渐增大,极易因塑性变形发生煤壁片帮冒顶事故。结合理论与工作面的实际情况,采取了一系列片帮冒顶防治技术措施,保证工作面顺利过腰巷。     

西鞍山铁矿深部立井围岩稳定性数值模拟分析

针对西鞍山铁矿辅助井开挖诱致井筒围岩变形破坏问题,以700～1 000 m深度范围辅助井掘进为依托,运用FLAC3D有限差分模拟软件对竖井开挖过程进行了三维数值分析,阐明了不同深度辅助井开挖诱致井筒围岩变形破坏演化特征,揭示了辅助井掘进过程井筒掘进工作面支护效应下围岩应力及位移释放规律,分析获得了辅助井掘进诱致井筒围岩弹性应变能积聚、迁移与释放演化机理。研究表明：在辅助井开挖过程中,井筒围岩塑性区破坏方式以剪切破坏为主,塑性区范围随着竖井掘进深部的增加不断增加,且最大主应力峰值位置位于井筒围岩弹、塑性区交界处;井筒围岩径向位移随深度呈线性增加,最大径向位移值为90.64 mm,且最小水平主应力方向围岩位移大于最大水平主应力方向;随着竖井掘进深度增加,井筒掘进工作面以上距其2 m位置井筒围岩应力释放率达到95%,且井筒围岩径向位移随距井筒掘进工作面距离增加呈非线性增加,并在距井筒掘进工作面24 m处径向位移达到最大;受开挖扰动影响,井筒围岩弹性应变能密度呈非线性增加,并根据岩爆判据预测竖井掘进至1 050 m处井筒围岩存在岩爆发生可能性。     

浅埋综放工作面过空巷围岩变形规律数值模拟及方法研究

煤矿工作面开采普遍面临过空巷的技术难题，为研究浅埋综放工作面过空巷围岩变形规律，采用FLAC3D数值模拟的研究方法，研究了传统工作面调斜过空巷过程中围岩变形特征，同时提出一种综放面充填过大断面空巷方法，该方法以大断面空巷充填体为底板，通过仰采-平采-俯采三个过程完成工作面过空巷，避免了传统开采调斜、加强支护等难题，实现了工作面连续高效、安全开采。研究结果表明：调斜时在工作面距离空巷16 m时，空巷围岩逐渐受到影响，塑性区贯穿工作面与空巷之间煤柱，并发生破坏，而充填过空巷推进过程中仅在采场中部充填体及仰俯斜段煤体发生小规模破坏，塑性区发育面积较小，采场两端均未发生破坏，工作面调斜过空巷时超前应力最大达25 MPa，侧向应力最大达12 MPa；而充填过大断面空巷时受采动影响小，相比于工作面调斜过空巷超前应力峰值降低10 MPa，侧向应力峰值降低2.5 MPa，从围岩塑性区破坏及采场应力弱化角度证实了该方法的可行性。     

特厚煤层掘进巷道强矿压显现机理及防治技术研究

为确保特厚煤层巷道安全掘进,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,研究了掘进巷道强矿压显现的力学机制,进行了综合防治研究与实践。结果表明:在近距离煤层群开采条件下,受上部煤层工作面遗留煤柱的影响,造成下部煤层掘进巷道围岩产生高集中应力,是掘进巷道发生强矿压显现的主要影响因素;随着上部遗留煤柱水平距离的增大,掘进巷道围岩最大钻屑量呈降低趋势,回风巷(距离上部遗留煤柱10 m)是运输巷(距离上部遗留煤柱40 m)最大钻屑量的1.2倍。综合防治实践表明,采取的煤层卸压、加强支护、优化设计、加强监测等措施是合理的,可实现高应力条件下巷道围岩的有效控制,为类似条件掘进巷道强矿压防治提供了参考。     

极近距离煤层采空区下工作面两巷合理位置确定

为合理布置霍洛湾煤矿极近距离煤层下分层工作面两巷位置,采用弹塑性力学理论计算了上分层工作面开采底板最大屈服深度,得出了底板破坏深度为8．29m,应用FLAC叫数值模拟软件分析了上分层工作面开采对底板的影响,通过对邻近工作面开采过程及巷道掘进的模拟,得出了底板损伤过程及其内部应力变化,确定出下分层22104工作面两巷距上分层22102工作面回风巷水平距离分别为85和300m,并进行了巷道变形实测,在观测区域未出现较为明显的巷道变形破坏。结果表明,利用底板破坏深度及采空区下低应力区等结论确定下分层工作面两巷的合理布置方式是可行的.     

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.     

应用煤层注水防治瓦斯异常涌出

通过对夹河煤矿7445运输巷掘进工作面实施煤体注水防瓦斯的应用与研究，介绍了应用煤层注水防治瓦斯的机理及7445运输巷掘进工作面煤层注水的技术参数，并通过瓦斯监吨．测、测定煤体物理力学性质的变化等技术手段对煤层注水后在瓦斯涌出、煤体应力等方面取得的效果进行了分析和阐述。注水后，卸压带内的瓦斯得到了释放，减少了瓦斯异常涌出现象的发生；煤体抗压强度降低，塑性增强，消除了煤与瓦斯突出的危险性。     

中厚煤层窄煤柱沿空掘巷围岩稳定性研究

以恒源煤矿487工作面窄煤柱沿空掘巷为工程背景,基于该矿工程实况采用理论计算、数值模拟等手段综合确定487工作面回风巷最优护巷煤柱宽度为5m;基于数值模拟分析了487工作面回采后沿空掘巷超前段顶板、实体煤以及煤柱内围岩应力分布、围岩变形与塑形区演化特征,针对性提出了高强锚杆索组合非对称支护技术,并分析了巷道支护应力场的...     

常村煤矿厚煤层分层开采减冲优化设计

针对常村煤矿2113₂工作面下巷在掘进过程中频繁发生冲击矿压问题,分析了2113₂工作面下巷冲击矿压产生原因,即Z型煤柱高应力的叠加,致使冲击地压频发;采用FLAC^3D数值模拟软件,分析Z型煤柱区域的应力叠加程度及应力分布。同时针对21采区进行了巷道布置的优化分析,从如何避免应力集中、最大限度回采出煤炭资源等方面考虑,提出了3个工作面巷道系统减冲布置方案并分析优缺点,最终确定方案二为最优方案,为下分层工作面安全回采提供了坚实的基础。     

动力挠动对回采巷道冲击危险的数值模拟

煤矿开采过程中,顶板断裂等动力挠动常会导致冲击矿压等动力现象的发生.根据弹性力学理论,探讨了扰动波诱发煤层巷道冲击的机理.采用有限差分软件FLAC20模拟程序中动态模块,研究分析了挠动波在不同加载水平、挠动波强度以及频率影响下,从巷道一侧上方传入时内、外帮围岩的应力和塑性区动态响应变化情况,对开采工作面巷道内帮易发生冲击的现象进行了分析和解释.研究表明:动力扰动不仅使巷道周边煤体发生层裂破坏降低其侧向约束阻力,而且在煤体中形成了高应力.处于工作面支承压力带内的巷道内帮煤体,相比外帮而言,受到动力挠动时其最大垂直和水平应力上升较快,开采过程中更易发生冲击.     

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。     

采动巷道围岩非均匀变形特征及稳定性控制技术研究

受到原岩应力与采动应力叠加影响的巷道会产生非均匀变形,甚至发现顶板事故,采动巷道围岩稳定性控制是实现矿井安全高效开采的关键。针对长岭一号煤矿152106工作面轨道巷受到采动影响变形严重的问题,采用现场监测、数值模拟等研究方法,分析了采动巷道围岩变形特征及塑性区演化规律。结果表明：在采动影响下,巷道围岩变形呈非均匀特征,工作面前方巷道围岩变形量小于工作面后方,巷道煤柱侧变形量大于煤壁侧,顶板出现离层并且靠近煤柱侧底鼓量更大,局部可达400mm|工作面前方最大主应力、主应力比值、塑性区范围均小于工作面后方,塑性区呈椭圆形分布,巷道围岩位移量与塑性区范围具有一致性。据此提出了补强支护方案,即顶板补打锚索、煤柱对穿锚索及打设单体液压支柱,现场试验结果表明轨道巷煤柱帮变形减少了65%,巷道底鼓量260mm,工程应用效果较好。     

沿空动压巷道围岩稳定性数值模拟研究

为了对沿空动压巷道围岩稳定性进行研究,分析了静压作用下和动压作用下围岩失稳机理,采用FLAC3D数值模拟软件,根据工作面和巷道的力学参数,建立模型,研究了上区段巷道围岩稳定性变化情况、沿空巷道开挖后围岩稳定性分布情况以及不同回采位置处,下区段巷道围岩主应力、位移变化、塑性区分布情况。研究得出,围岩的位移和主应力变化均在可以控制的范围内,表明在邻近工作面的采动影响下,沿空动压巷道不会受到很大程度的影响,能够满足工作面回采的影响。     

综放工作面煤柱巷道软岩底板非对称底臌机理与控制

针对综放工作面煤柱巷道非对称底臌剧烈、支护维护困难、起底工程量大等难题,以大南湖一矿综放工作面煤柱巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验等综合研究方法,分析了煤柱巷道围岩周边应力环境特征及其作用下的变形破坏形态。结果表明:煤柱巷道底板强度低下以及在采动影响下围岩应力环境出现非均匀现象,进而导致巷道底板塑性区出现非均匀分布,是造成非对称底臌的内在原因;底臌变形规律监测结果显示,非对称底臌程度与放煤厚度有内在联系,放煤厚度在5.9 m范围内,放煤厚度越大,基本顶岩层破断偏转角度亦越大,巷道围岩周边主应力比值、主应力旋转角度等参数越大,底板塑性破坏引起的非对称底臌变形越剧烈;底板最大塑性破坏深度位置随着主应力方向旋转角度的增加,逐渐向巷道中部位置移动,导致底臌变形最大位置分布不同,同时,煤柱巷道的这种底臌变形可控性较差,现有技术条件下企图采用高强支护是不可行的,控制上应以适应底臌变形为主;然而,当放煤厚度超过5. 9 m,基本顶岩层有沿煤柱边缘失稳切落的可能,巷道围岩应力环境趋于原岩应力状态,巷道围岩塑性区分布范围大幅降低,底臌变形较小。据此,以巷道非对称底臌规律为依据,提出了以调整采掘关系、优化巷道底臌硬化方案为主的底臌控制对策,现场应用效果良好,底臌变形量有效减少的同时,巷道底臌处理工作量亦大幅降低。     

向斜构造区内动压巷道围岩水射流防冲技术研究

针对砚北矿区向斜构造区内2502采区内巷道围岩动压显现频发难题,通过现场调研、实验室测试和理论分析的方法对动压巷道围岩冲击机理进行了研究,基于此,阐释了水射流防冲机理并进行了现场工业性试验。研究结果表明：煤样经过饱和水软化处理后,冲击倾向性由强冲击转变为弱冲击|采动引起的动载荷和巷道围岩内积聚的静载荷叠加作用是导致围岩诱发冲击的根本原因,且可划分为动载荷主导型和静载荷主导型2种类别|水射流防冲技术能够在巷道两帮内形成弱结构区,有效地转移和释放两帮内原有高集中静载荷,进而实现对于巷道两帮和底板的冲击防治目的。现场实施水射流防冲技术后电磁辐射信号平均值由49.7mV减小至15.6mV,同时巷道两帮和顶底板移近量均控制在5%以内,有效保证了巷道围岩的应力环境和支护控制效果。     

深部巷道底鼓原因及治理技术研究

为了对深部巷道底鼓进行治理,分析了研究区原岩应力,得出了研究区最大主应力方向大致为东向西分布,研究了巷道底鼓原因,主要有最小水平主应力的影响、巷道底板泥岩等软弱层的影响、巷道底板和底角缺少有效支护、相邻巷道掘进的动压影响和围岩蠕变变形。然后采用反底拱+大直径锚索束+深浅孔注浆技术,使巷道底板得到了有效的控制,减少了底板变形。研究为类似工程条件的巷道底鼓的治理提供了技术支持。     

倾斜薄煤层切顶巷预裂顶板防治冲击矿压技术研究

针对倾斜薄煤层坚硬顶板型冲击矿压灾害的预防及控制问题,提出了切顶巷预裂顶板防治冲击矿压技术。采用理论分析、相似模拟、微震监测等研究方法,分析研究了切顶巷预裂顶板防治冲击矿压机理、切顶巷控制顶板破断减弱煤层应力集中的效果,并对切顶巷布置参数进行了优化。研究结果表明：切顶巷在坚硬顶板中形成了预裂弱化区域,工作面回采过程中,坚硬顶板因预裂弱化而破断步距减小,切顶巷控制了坚硬顶板的来压步距;同时减小了煤体应力集中,单个切顶巷区域,应力最大降幅可达29.4%,两个切顶巷协同作用时,应力最大降幅可达49.7%;同时在切顶巷预裂弱化作用下,矿震向工作面中下部转移,减弱了动载与工作面上部静载的叠加效应,有效降低了冲击危险。切顶巷间距应小于基本顶周期来压步距,按容许的来压步距在需要顶板预裂的区域进行成对布置,但其间距不宜小于10 m。