基于大范围岩层控制技术的大倾角煤层区段煤柱失稳机理

为了实现大范围岩层控制技术，提高大倾角煤层长壁工作面“R-S-F”系统稳定性，在分析区段采空区围岩失稳机制的基础上，建立区段间围岩失稳模型，研究了区段煤柱的应力分布规律和失稳破坏准则，确定了区段煤柱的合理尺寸。结果表明:大倾角煤层区段围岩联通运移可总结为“挤压-弯垮”与“压垮-倾倒”两种模式。而要实现大范围岩层控制技术，应使区段采空区围岩以“压垮-倾倒”模式进行失稳联通。覆岩结构以“梁-拱组合梁”形式存在时，区段煤柱强度决定了区段采空区的联通运移模式，以“双拱连续梁”形式存在时，区段煤柱尺寸决定了“压垮-倾倒”联通运移模式的矿压显现特征及变形破坏后的采空区三维空间形态。因而大范围岩层控制技术的关键在于区段煤柱的设计。结合区段煤柱自身强度及失稳破坏准则，确定其宽度k须在满足k>kZH条件的同时尽量满足k相似文献   

浅埋坚硬覆岩下开采地表塌陷机理研究

对浅埋坚硬覆岩下开采地表塌陷机理进行了数值模拟.结果表明，采场上方存在高应力束组成的“复合应力拱”，“外应力拱”承担覆岩及地表土的自重并将其传递至采场两侧实体煤内，“内应力拱”主要承担悬空顶板的重量并传递至煤柱.“复合应力拱”形态随时间推移而不断演化，“内应力拱”不断合并抬升直至与“外应力拱”重合，最终拱肩处岩体受拉压复合应力作用而首先开裂，从而破坏了“复合应力拱”成拱机制而导致采场上方覆岩断裂、地表塌陷.     

综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征

采用大型非线性三维计算机数值模拟、实验室相似材料模拟对综放工作面围岩应力分布进行了深入研究,发现综放工作面围岩存在高应力束组成的宏观应力壳,应力壳位于采场四周未采煤岩体和弯曲带内,其形态随工作面推进采场结构的变化而改变.应力壳承担并传递上覆岩体荷载和压力,是最主要的承载体,应力壳拱脚处应力形成采场四周围岩支承压力.砌体梁结构位于宏观应力壳下的减压带内,砌体梁仅承担壳体下岩层部分荷载.综放工作面主要力学特征是位于上覆围岩宏观应力壳保护下的低应力区内,这正是综放工作面矿压显现趋于缓和的根本原因.基于对应力壳体的发现和开展的一系列分析,揭示了综放采场顶煤“垫层”作用的力学本质.     

深部长壁开采采动应力壳演化模型构建与分析

结合走向长壁开采特点及深部开采采动应力壳演化和采动裂隙发育特征,构建了采动应力壳演化的三维分析模型,引入移动坐标系统和椭球面方程,获得了非充分采动条件下首采工作面和护巷煤柱宽度影响下采动应力壳演化形态方程和采动裂隙发育范围。基于影响采动应力壳演化和采动裂隙发育特征的因素分析,获得了采动应力壳壳体演化形态方程和采动裂隙发育各参量间的关系。分析表明,采动应力壳演化最易在煤柱侧壳基、壳肩或壳顶发生失稳,其演化失稳模式主要有压缩失稳模式、拉伸失稳模式、剪切失稳模式和复合失稳模式,整体揭示了采动应力壳演化特征及其与采动裂隙发育的动态效应。     

特厚煤层分层综放开采覆岩破坏规律数值模拟

 以华亭陈家沟煤矿综放采场实测导水裂隙带发育高度成果数据为基础,应用FLAC3D反演计算模拟分层综放开采引起的煤层覆岩破坏规律,并与实测数据进行了对比分析得出：分层综放开采后覆岩移动破坏形成“拱”式承载结构,拱脚压应力高度集中;导水裂隙带发育形态也近似为“拱形”,与实际探测高度拟合度较好;分析了开采过程中覆岩的位移场、应力场和塑性破坏区分布规律。研究结果可为深入研究分层综放开采覆岩破坏规律提供借鉴。     

大倾角煤层长壁开采空间应力拱壳形态研究

大倾角煤层特殊的赋存条件,造成在大倾角煤层开采中顶板空间应力场的演化规律、顶板破断垮落后所形成的围岩结构等较缓倾斜煤层开采时异常复杂,导致维持顶板稳定性的难道加大。基于大倾角煤层开采物理相似材料模拟实验和数值仿真结果,分析了在大倾角煤层开采中围岩结构的基本特征和应力拱壳的基本特性,认为非对称空间应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后,上覆岩层在自我组织能力作用下所形成的主应力迹线的空间展布形态,空间应力拱壳沿走向对称,沿倾向非对称,且当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳中间区域沿倾向的形态基本保持不变。据此,在考虑冒落矸石非均匀充填效应的基础上,建立了沿倾向和沿走向的三铰拱力学模型,推导给出了沿倾向非对称拱和沿走向对称拱的轴线方程,并通过算例对研究结果进行验证。结果表明,文中给出的轴线方程能较好的描述采场空间应力拱壳的基本形态;当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳沿走向两端对称区域的形态基本保持不变;沿走向对称应力拱的拱高和跨长在倾斜方向上呈先增大后减小的趋势;最大垮落高度在倾向方向的中上部区域,该区域走向应力拱的跨长和拱高也最大。     

厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征

采用相似条件采场类比、现场实测和数值分析综合研究方法,研究了厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征,研究表明：厚冲积层薄基岩采场矿压显现与基采比密切相关,随着基采比增大,采场矿压趋于缓和。按基采比大小可将采场划分为“有板有壳”、“有板无壳”和“无板无壳”3种类型。“有板有壳”类型采场,应力壳为采场第1掩体,其下位的断裂带板（梁）结构为第2掩体,采场矿压显现缓和;“有板无壳”类型采场,断裂带板（梁）结构为采场惟一掩体,其上位无“应力壳”承载,板（梁）结构失稳后采场矿压显现剧烈;“无板无壳”类型采场,无板（梁）结构和“应力壳”的掩护,冲积层荷载直接传递在液压支架上,该类采场易发生压架事故。“无板无壳”类型采场的覆岩结构沿竖向划分为两带,即“垮落带”和“弯曲下沉带”。并对形成3种类型采场的力学机理进行分析。     

复杂环境下围岩变形大型三维模拟实验

以宁夏宁东矿区复杂环境(历史性强震区内破碎围岩与富含水)下围岩局部化变形演化规律为目标,综合分析地球物理特征、加载框架及其力学性能、围岩变形指标与定量识别方法、围岩结构与缺陷以及相似模拟材料复合特性等,构建了三维物理模拟装置与“声-光-电”多元指标实时测试系统,完成了恒定与可变围压下的“动-静”耦合加载实验,对围岩局部化损伤的声发射特征规律与开采扰动下实验模型中扰动区内岩体径向和切向应力分布进行辨识。结果表明：复杂岩体破裂与变形经历“振荡-沉寂”后,极有可能会出现持久性破坏,进一步揭示了复合煤岩体变形具有局部化失稳特征。     

U型约束混凝土拱架力学性能及变形破坏机制试验

针对深井高应力巷道支护难题，基于常规U型钢拱架设计了一种U型约束混凝土(UCC)支护系统。为明确支护系统核心构件UCC拱架的力学性能及变形破坏机制，采用自主研发的地下工程约束混凝土拱架1∶1力学试验系统，并结合数值计算方法，开展了系统的试验研究。结果表明，均压加载条件下，室内试验UCC29拱架的屈服荷载为1 230 kN，极限荷载为1 310 kN，数值模拟与室内试验结果相差仅为8.86%和12.5%，拱架整体呈现“拱顶上升，拱腿内敛，整体变瘦高”的变形形态，最大变形部位在拱腿中部至起拱点位置。拱架变形破坏机制为局部强度破坏造成拱架整体失稳。现场应用效果显示，UCC拱架具有显著的围岩控制效果，为深井高应力巷道提供了一种新型支护形式。     

露天转地下挂帮矿开采边坡稳定性及失稳模式研究

为研究露天转地下挂帮矿的开采工作面倾角的布置方式对工作面上覆岩体应力与边坡失稳破坏模式的影响,以海南矿业公司露天边坡挂帮矿井采为例,采用理论计算和数值模拟相结合的方法对其进行了分析。结果表明:露天边坡下开采时工作面倾角的布置对边坡稳定性影响显著;工作面倾角由30°到-30°逐渐减小的过程中,工作面上覆岩体及露天边坡台阶变形量越大,边坡内上覆岩体内剪切应力集中程度和最大主应力集中程度越来越高,边坡失稳破坏的趋势增强;边坡围岩上部压力拱成拱机制较弱,开采工作面右端位移临界区域岩体的抗剪强度对边坡整体稳定性起到关键作用;露天边坡下开采边坡岩体不同区域可能发生的失稳破坏模式主要为张拉破坏—垮落破坏—剪切滑移破坏—剪切错动破坏—挤压鼓胀破坏。     

采场围岩应力壳力学特征的岩性效应

应用计算机数值模拟结合现场实测,对软岩、中硬岩和硬岩采场围岩应力壳力学特征的岩性效应进行了分析和研究。研究表明：岩性变化对应力壳力学特征有显著影响,随岩性增强,应力壳高度降低,且由拱形壳向扁平壳转变;壳体内最大应力峰值和高应力集中范围逐渐增大并向工作面上隅角近场围岩和煤柱逼近,冲击性失稳的动力灾害危险性增大。岩性不同,工作面围岩的主要承载力系亦不同,软岩工作面最主要承载力系是围岩应力壳;中硬岩工作面,上覆岩层荷载由围岩应力壳和基本顶承载岩层共同承担;硬岩工作面,围岩应力壳与基本顶承载岩层重合在一起。随岩性增强,工作面围岩破坏场、位移场的分布范围和强度均减小。因此,根据工作面围岩固有的力学属性采取相应的措施,通过改善采场围岩应力分布,对缓和矿压显现实现安全开采有积极作用。     

冲沟地貌近距下位煤层综放面进出煤柱期间顶板结构稳定性研究

针对冲沟地貌条件下近距离煤层群下位煤层综放面进出煤柱期间矿压显现剧烈问题,以上榆泉煤矿9#、10#煤层为工程背景,采用数值模拟方法分析了上位9#煤层遗留煤柱集中应力的分布规律,探究了下位10#煤层综放工作面进出煤柱期间采动应力与煤柱集中应力的叠加效应,结合工作面进出煤柱顶板结构模型,明确了顶板结构失稳方式为回转失稳与滑落失稳,回转角度与岩层断裂度为失稳的关键影响因素,针对顶板块体破坏方式提出煤柱下掘进工艺巷和减小采厚两种的进出煤柱期间压架灾害防治措施。可为冲沟地貌近距离煤层开采顶板控制与灾害防治提供借鉴。     

特厚倾斜复合顶板巷道破坏特征与稳定性控制

大倾角特厚复合顶板巷道因其围岩原位强度低、层间黏结力弱,在复杂应力作用下巷道围岩具有非对称破坏特征。结合具体工程实例,采用相似模拟试验、FLAC3D数值模拟和工程测试等方法,分析不规则梯形与拱形巷道在常规对称支护和非对称强力支护条件下围岩应力、位移等变化规律,揭示特厚倾斜复合顶板巷道的非对称破坏机理。研究表明:受岩层赋存特征影响,巷道围岩结构和应力分布的非对称性是造成巷道非对称性破坏的根本原因;复合层状岩层结构面法向约束力减小与钝角部位应力集中直接导致弱面剪切滑移失稳;采用拱形巷道与非对称强力支护能有效改善围岩应力状态、减小围岩变形,提高巷道支护体系的平衡承载能力。     

孤岛综放工作面沿空掘巷围岩变形因素研究

基于孤岛工作面地质条件、开采工艺及原始矿压显现规律,运用关键层理论研究两侧极不充分采动条件下基本顶关键层效应对巷道围岩稳定性的影响,并通过数值模拟软件UDEC,详细分析了煤层硬度、基本顶断裂位置、护巷煤柱尺寸及孤岛工作面开采等因素对综放沿空掘巷顶板垂直应力分布和围岩变形特征的影响,并指出沿空掘巷支护重点。     

窄高水材料巷旁充填沿空留巷围岩偏应力演化及控制

为了解决高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩破坏严重及难以控制的问题,以登茂通公司2202综采工作面1.4m窄高水材料巷旁充填沿空留巷为工程背景,基于实验室实验测试了水灰比为1.6∶1高水材料的强度特征,通过数值模拟及现场工程试验研究了高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩偏应力分布规律及其失稳破坏机制。结果表明：①随着超前工作面距离的不断增加,偏应力峰值带位置逐渐发生偏转,偏应力峰值大小逐渐减小,越靠近工作面采动影响越剧烈|②超前工作面40m范围内的巷道围岩偏应力峰值带主要集中在巷道右上肩角与左下肩角,超前工作面距离大于50m时的围岩偏应力峰值带主要集中在巷道顶底板围岩深部处,且近似呈对称状分布|③工作面回采且留巷完成后,留巷围岩偏应力峰值主要集中于实体煤帮与实体煤侧顶板处,支护时需保证锚索杆体穿过实体煤帮及顶板围岩偏应力峰值带位置。基于此提出高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩采用“顶板全锚索支护+巷内三排单体支柱+实体煤侧补强锚索加固+巷旁高水材料充填墙”对拉预紧锚杆并辅以单体柱护墙+采空区侧单体柱撑顶并辅以锚杆加固顶板的分区域非对称综合控制技术,通过现场工程实践证明了留巷围岩控制技术的合理性,保障了高水材料窄巷旁充填沿空留巷的稳定性。     

复杂地形下缓倾斜磷矿床条带充填分区协同开采技术

如何实现复杂地形下缓倾斜矿体安全高效开采是目前亟待解决的关键问题。以宜昌某磷矿为工程背景,根据地应力不均匀分布特征构建分区采场结构,基于“协同开采”理念,提出了与其相适应的条带充 填分区协同开采技术,实现了同一盘区回采与充填协同作业。运用物理相似模拟试验方法,研究了分区协同回采过程中顶板及围岩矿柱的受力变形特征及其变化规律,探讨了分区充填过程中采场矿柱的承载机制。结 果表明：采区之间相互干扰程度较弱,围岩应力转移程度受埋深和开采步骤的影响较大;随着开采与充填的协同进行,不同采区条带上方顶板受拉与受压交错性分布;分区协同回采过程中,围岩及充填体矿柱并未发 生明显破坏,其中一步骤充填体和围岩矿柱是采场内的主要承载体,二步骤充填体的承载作用相对较弱;盘区矿柱之间及隔离间柱发生了非对称性变形。为了进一步降低充填成本,在原有协同充填模式的基础上适当 降低二步骤充填体的力学强度,并通过数值模拟方法验证了优化后采场充填模式的可行性。条带充填分区协同开采技术有助于实现复杂地形下缓倾斜矿床安全、高效、经济开采。     

深部厚煤层巷道失稳破裂演化过程离散元模拟研究

为研究深部厚煤层巷道围岩失稳破裂演化过程,以某煤矿厚煤层巷道为工程背景,采用离散元中随机分布三角形单元块体集合模型研究巷道开挖失稳。对深部厚煤层巷道围岩失稳破裂过程中位移、应力演化规律分析发现:两帮围岩水平应力释放相对于顶底板剧烈,竖向应力反之;围岩竖向应力释放的主要部位是巷道中部。结果表明,深部厚煤层巷道失稳破裂演化的2个主要特征为:1)顶板出现"尖顶型"垮冒,巷中是围岩失稳的关键部位;2)顶底板离层破坏严重。并对其相应机制进行分析:顶底煤岩松散破碎,自稳能力差,顶底板径向应力释放相对剧烈,巷道矩形断面顶、底板受力能力差等因素,导致围岩顶底板离层变形。基于深部厚煤层巷道失稳破裂的演化规律,给出锚索悬吊组合支护方式,结果表明该支护方式可有效地控制厚煤层巷道变形。     

香山矿倾斜煤层动压巷道支护方法

针对平煤集团香山矿22140工作面倾斜煤层动压巷道合理支护方案设计,首先进行了围岩松动圈测试,得知上帮围岩松动圈范围普遍比下帮大;之后进行了采动作用下围岩应力变化的数值模拟分析,计算结果显示动压作用下上帮中部的应力增大值最大。综合分析结果,得知对于倾斜煤层动压巷道变形控制的关键在于针对围岩应力分布的非对称性进行设计,并给出了22140工作面巷道的合理支护方案,现场监测结果表明支护方案能够维护巷道在采动过程中的安全使用。     

近距离煤层上行开采围岩应力演化特征分析

基于潘一东煤矿地质概况及原始地应力测试数据,采用相似模拟与数值模拟相结合的方法,分析了近距离煤层上行开采过程中两煤层采场超前支承压力变化规律和覆岩裂隙发育特征。结果表明:下保护层开采弱化了覆岩关键层的承载能力,采空区后方形成的覆岩断裂线对上覆被保护层基本顶初次垮落步距具有一定影响;下保护层采场超前支承压力峰值呈线性增长趋势,而被保护层采场超前支承压力峰值受保护层采动影响呈增大—稳定—减小的趋势,工作面推进距离达到1/2“见方”及“见方”时,悬顶岩梁会发生大面积垮落失稳,应注重采场动力灾害防治工作。     

链臂锯切顶卸压小煤柱留巷开采围岩稳定性分析

在大同矿区"三硬"煤层条件下,随着浅部煤炭资源的日益枯竭,采矿活动不断走向深地,地应力逐渐增大,塔山煤矿8311工作面和8312工作面间仅留设6m小煤柱,2312巷会遭受两工作面的重复采动,为保证两工作面重复采动影响下巷道的围岩稳定性,同时保证煤炭采出率,采用同煤集团自行研发的链臂锯进行机械切顶,以达到顶板弱化效果。为研究该技术使用条件下留巷在两工作面回采期间受重复应力扰动下围岩稳定性,运用数值模拟、力学分析等手段对切顶及未切顶后的巷道围岩应力及变形分布规律等进行研究。研究结果表明:链臂锯切顶卸压能有效切断基本顶间的应力传递,使留巷内顶底板应力峰值下降,应力分布均匀,小煤柱内应力集中峰值大幅降低,提高了留巷围岩稳定性;同时针对小煤柱留巷实体煤侧仍会受超前应力和侧向应力影响形成叠加应力集中区域及小煤柱产生的塑形变形等问题,本文相应提出了改进意见。