沿空巷道围岩破坏规律研究

为研究回采条件下沿空留软岩巷围岩变形与破坏,采用理论分析方法总结了沿空留巷围岩应力场分布规律及围岩大变形的破坏机理,通过室内试验方法获得工作面不同围岩的物理力学性质,根据围岩的受力特征及岩性的力学特性,设计了矩形巷道断面的支护结构设计。采用有限差分方法建立回采条件下软岩巷道的数值模型,并数值模拟开采影响下不同支护条件的软岩巷道变形和破坏规律,通过建立锚杆和锚索的数值单元来模拟不同支护方案下围岩的变形和破坏规律,最终得出了一些有意义的结论。     

深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制研究

冲击地压与大变形协调控制是深井厚煤层开采面临的共性难题。采用现场监测、理论分析等方法研究深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制,建立沿空巷道侧向顶板二次破断的力学模型,并得到以下结论:(1)在新巨龙矿井条件下,施工直径120 mm、孔深25 m、间距1 m的大直径预卸压钻孔,形成的有效卸压保护带宽度为10~15 m;(2)深井厚煤层沿空巷道大变形的机制主要是强排煤粉诱发侧向顶板二次破断回转所致,并进行理论验证;(3)深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制为确定合理的卸压参数,通过大直径钻孔释放围岩膨胀变形,降低巷道围岩应力,同时尽量减少对围岩结构的破坏。现场实践表明,采取优化支护工艺和卸压参数等措施,能够在一定程度上缓解沿空巷道大变形问题。研究结论对深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制具有参考意义。     

埋深千米综放采场沿空巷道冲击地压防治研究

深井冲击倾向采场的沿空巷道是冲击地压易发难防治区域。针对华丰煤矿埋深千米强冲击缺少了上保护层的开采条件,研究其沿空巷道防冲机制,将下工作面回风巷置于已采上区段运输巷底板下方卸压区域,实现了埋深超千米无区段煤柱开采;通过建立端头覆岩结构模型计算胶结顶板巷道支护强度,采用广义库仑理论计算采空侧压力评估两帮支护匹配性,确定的支护设计确保覆岩、两帮稳定;通过支架承载变形特征阐述其对冲击载荷的有效防冲机制。采用微震、地音、应力在线预警系统和钻屑法监测,实现区域预警→点监测量化验证预警,评价沿空巷道无冲击危险,不需要采取以往繁琐且难以保证解危效果的爆破、大直径钻孔卸压等工艺,且支护效果良好。研究成果对深井防治沿空巷道冲击地压有借鉴价值。     

深部软岩巷道支护原理及应用

针对深部软岩巷道四周来压、整体收敛、变形强烈的特点,研究深部软岩巷道支护原理,提出了主动有控卸压的方法,释放围岩膨胀变形能,将高应力向围岩深部转移,减小浅部围岩应力。针对古汉山矿西大巷地质条件确定了合理的释放变形空间;提出应用高水速凝材料注浆加固遇水弱化、膨胀的泥岩;研究得到确定合理二次支护时间的方法;该成果成功地应用于工程实践,有效控制了深部软岩巷道大变形。     

沿空留巷采场围岩力学特征数值模拟研究

为揭示沿空留巷采场上覆围岩的力学特征,以谢桥煤矿12418工作面地质和开采技术条件为背景,采用数值模拟进行了计算和分析。研究表明:工作面上覆围岩存在应力壳(高应力束组成)和老顶岩层承载结构,共同承担、传递和转移上覆岩体的荷载,工作面位于两者保护的低应力区内。工作面围岩破坏场发育在高应力集中区下的卸压区内,而破坏造成的离层区域位移量最大。沿空留巷的刚性充填体导致其自身和覆岩处于高应力状态,形成完整未破坏区域,降低了采空区上方破坏区的高度和范围,使本工作面采空区上方破坏区不能与临近破坏区贯通,瓦斯得不到有效释放和卸压。在倾向方向,工作面中部垂直位移大于上部和下部,对充填体产生向巷道内的水平推力,充填体水平位移较大,不利于巷道围岩稳定性控制。因此,合理控制充填体的强度和刚度是沿空留巷开采取得最佳效果的关键。     

软岩巷道变形与压力分析、控制及预测

博士学位论文煤炭一直占我国能源的70%以上,在国民经济建设中占有举足轻重的地位。随着煤炭开采越来越向深部发展,矿井软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出。能否解决好软岩巷道的支护问题,是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键,迫切需要对其进行深入的研究和探索。本文系统地论述了软岩的特征及其力学属性、软岩巷道破坏的特点、围岩变形的影响因素和软岩巷道的支护原则及其巷道的维护方法等。从软岩巷道承载机理出发,分析了软岩巷道支护与围岩相互作用机理、锚杆与围岩的最佳匹配强度,并对软岩巷道围岩压力和支架载荷作出了解析分析,为软岩巷道围岩及支护变形控制分析和数值计算奠定了理论基础。本文重点应用矿压理论和非线性有限元方法,探索了软岩巷道支护变形和压力计算的反算法、内外边界元方法和开巷初期临时支护压力预测等新方法。这几种方法避免从正面直接研究问题的复杂性,而是以实测软岩巷道围岩位移(或压力)为依据,利用Hooke-Jeeves优化方法,将计算位移(或应力)向实测位移(或应力)逼近,从而反推算出作用于巷道支护上的围岩压力分布。实现边界罚单元与有限元法的结合,可直接预测开巷初期围岩压力的分布,推导了带有边界罚单元的有限元方程。论文中应用国际上著名的大型有限元分析SAP,ANSY     

圆形巷道两帮水平切槽对围岩卸压的数值分析

处于深部高应力的岩体中储存有大量的弹性应变能,它是引发深部硬岩巷道发生岩爆的内因。卸压法可以用于改变巷道和洞室附近围岩的应力场,使这部分围岩处于应力降低区,从而达到保持其稳定性的目的。本文用岩石破裂过程分析RFPA系统模拟圆形巷道周边开卸压槽前后巷道围岩的变形、损伤与破坏过程,分析了不同原岩应力状态(侧压力系数)和切槽长度条件下围岩的应力和损伤区的分布特征,揭示了围岩中开槽卸压的力学机理。数值模拟结果表明,数值模拟证实了当卸压槽深度为巷道直径的0.5倍左右时,围岩的卸压效果明显,但过长的卸压槽长度会导致整个巷道围岩结构体的承载力降低和变形过大。该项研究对于巷道卸压的工程实践具有一定的理论指导意义。     

禾二矿浅埋破碎顶板切顶成巷试验研究

针对浅埋薄煤层沿空留巷在工作面回采后垮落带内顶板不易垮落、沿空巷道动压显现剧烈的关键问题,通过关键理论分析、数值模拟、现场工程地质条件分析等手段,对浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件下的切顶成巷技术开展研究,并在该条件下的禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽进行现场应用。通过数值模拟,对比分析了切顶不充分和切顶充分时沿空巷道围岩应力分布及巷道围岩位移,结果表明:切顶充分时,采空区顶板对沿空巷道顶板动压影响大大减弱,巷道围岩变形较小,能够保证留巷效果。根据禾草沟二号煤矿浅埋、破碎顶板开采顶板运动模式和矿压显现特征,确定了切缝角度和恒阻锚索支护等关键参数,为浅埋、破碎顶板切顶卸压自动成巷的成功应用奠定基础,提出了切顶卸压自动成巷的预裂爆破参数设计、自动成巷支护技术;通过对禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽留巷的工程地质条件分析,运用切顶成巷技术原理进行了留巷设计,并应用到现场,取得较好的应用效果。     

煤矿巷道锚杆支护应用实例分析

 在分析锚杆支护作用机制的基础上,提出高预应力、强力支护理论,强调锚杆预应力及其扩散的决定性作用;指出对于复杂困难巷道,应尽量实现一次支护就能有效控制围岩变形与破坏;介绍煤矿开发出的锚杆支护成套技术,包括巷道围岩地质力学测试技术、动态信息锚杆支护设计方法、高强度锚杆与锚索支护材料、支护工程质量检测与矿压监测技术,以及锚固与注浆联合加固技术;在分析煤矿巷道类型与特点的基础上,介绍高预应力、强力锚杆支护理论与技术的典型应用实例,包括千米深井巷道、软岩巷道、强烈动压影响巷道、大断面开切眼、深部沿空掘巷与留巷、采空区内留巷及松软破碎硐室加固。基于这些复杂困难巷道的特点与地质力学测试结果,进行巷道支护设计,通过矿压监测数据分析与信息反馈,评价支护设计的合理性与围岩稳定性。实践表明,采用高预应力、强力锚杆支护系统,必要时配合注浆加固,能够有效控制巷道围岩的强烈变形,并取得良好的支护效果。     

浅析软岩巷道锚网索耦合支护

受采动影响,软岩巷道支护难度较大,从软岩分类及其工程力学特征和软岩巷道锚网索耦合支护策略两方面对软岩巷道锚网索耦合支护进行了探讨,分析了锚网索耦合、最佳支护时间、围岩结构耦合、支护系统耦合等关键问题,为支护方案确定提供理论基础。     

我国煤矿巷道围岩控制技术发展70年及展望

总结新中国成立70年来,我国煤矿巷道围岩控制领域取得的主要研究成果,涉及巷道围岩地质力学特性,围岩变形、破坏特征与机制,围岩控制理论及技术.介绍煤系沉积岩地层强度、煤岩体结构特征及煤矿井下地应力分布规律,采煤引起的采动应力场分布特征及对采动巷道围岩稳定性的影响.指出煤矿巷道围岩变形具有分阶段性、流变性和冲击性,巷道围岩...     

特殊软岩软化的微观机制研究

软岩软化的机制问题是涉及到软岩力学变异性和工程设计的重要问题。针对华南地区广为分布的“红层”——红色砂岩、泥岩以及炭质泥岩等特殊软岩，结合广东省东深供水改造工程建设，设计了该类软岩的系列饱水试验。通过扫描电镜、偏光显微镜、能谱分析、粉晶X射线衍射以及岩石的物理力学测试等手段测定软岩微观结构、矿物成分、物理力学性质、水溶液的化学成分及其随时间的变化特点，揭示软岩性质软化的动态变化规律，探时其软化微观机制。研究表明，该类软岩的软化主要是由于粘土矿物吸水膨胀与崩解机制、离子交换吸附作刚、易溶性矿物溶解与矿物生成、软岩与水作用的微观力学作用机制、软岩软化的非线性化学动力学机制的综合作用造成的。分析认为，粘土矿物吸水膨胀与崩解机制、离子交换吸附机制及软岩与水相互作用的微观力学作用机制在该类软岩软化中起主导作作。向软岩软化的非线性动力学机制是软岩软化定量研究的重要方向之一。     

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。     

软岩与水相互作用的非线性动力学过程分析

软岩与水相互作用的非线性动力学过程的研究不仅对软岩软化的研究方法具有探索价值,而且对于合理确定软化的参数及其应用具有重要的实践意义。结合东深供水改造工程中灰白色泥质粉砂岩不同饱水时间后的试验数据分析,发现该类软岩的软化具有非线性特点。将时间序列的分维分析方法应用于软岩与水相互作用系统中,通过重建相空间,确定了描述该系统所需的最少变量数。试验中发现,软岩的微观结构、力学参数是反映软岩软化的控制性因素,因而取微结构孔隙分布分维值Ds、粘聚力c和内摩擦角?值作为描述该系统的3个变量。在此基础上,应用反演分析理论,确定了软岩软化的非线性动力学模型,再将以上3个变量的时间序列值通过求残差平方和极小值的方法与模型进行逼近,得到模型中各个未确定的参数,从而对软岩与水相互作用过程进行非线性动力学分析。结果表明:所给出的非线性动力学模型计算得到的微结构孔隙分布分维值Ds、粘聚力c和内摩擦角?值与试验获得的相应参数值的分布曲线非常接近,说明软岩与水相互作用具有显著的非线性动力学特点;同时,利用所建立的模型可较好地预测软岩在饱水条件下,一定时间后的微观结构参数和力学性质变化规律。     

大阳煤矿3100工作面回风顺槽支护技术研究

针对山西兰花集团大阳煤矿3100工作面回风顺槽的实际地质状况，对于不同的地质状况采用了不同的支护形式，并对支护参数和支护工艺进行了详细的描述，最后对安全施工提出了一些要求。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

考虑结构性的软岩热弹塑性本构模型研究

 在核废料贮存、地热和深部采矿等领域中,温度对软岩力学特性的影响不容忽视。基于上负荷面和温度等效应力概念,提出一个考虑结构性的软岩热弹塑性模型。该模型比上负荷面模型仅多一个参量,即线性热膨胀系数。计算分析及其与试验结果对比表明,该模型既能够统一描述软岩热增强和热减弱2种现象。软岩初始结构性愈强,强度愈大,且初始结构性的变化可使软岩在热增强和热减弱之间相互转换。无论热增强或者热减弱,线性热膨胀系数越大或者温度越高,结构性状态变量的消散均会加快;并且,当线性热膨胀系数和温度均较高时,这种加速趋势会更为显著;相较于热减弱和热增强情况下的结构性更容易消散,即消散速率更快。     

软岩层引起的套管外载计算方法研究

在我国部分油田中,软岩层流变致使套管挤毁,造成巨大经济损失。以黏弹性流变模型理论为基础,建立软岩层、水泥环和套管流变耦合的力学模型。从材料本构关系、几何变形协调、静力平衡三方面进行分析,推导出均匀地应力下水泥环和套管流变外载的表达式。编制相关计算程序,研究软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变和水泥环对套管外载的影响规律。研究结果表明,软岩层流变力学特性、井眼的初始蠕变、水泥环力学参数对套管外载的影响较大。井眼的初始蠕变可释放部分流变载荷,改善套管受力;水泥环使套管受力恶化,在井眼环空不注水泥能延长套管使用寿命。所得结论与一些油田的现场实践相吻合,研究成果已成功应用于江汉油田岩盐层固井和套管设计。     

Critical issues in soft rocks

This paper discusses several efforts made to study and investigate soft rocks, as well as their physico- mechanical characteristics recognized up to now, the problems in their sampling and testing, and the possibility of its reproduction through artificially made soft rocks, The problems in utilizing current and widespread classification systems to some types of weak rocks are also discussed, as well as other problems related to them. Some examples of engineering works in soft rock or in soft ground are added, with emphasis on their types of problems and solutions.     

锚注软岩巷道流变研究

建立了双向不等压锚注软岩巷道计算模型，将巷道围岩分为锚注加固区和未注围岩区，分别采用不同的粘弹性模型，解出锚注软岩巷道围岩应力，位移粘弹性解，同实际观测得到的锚注软岩巷道位移曲线作比较，证明了其粘弹性解是正确的，研究结果对软岩巷道锚注设计具有一定的参考意义。