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。     

采高对工作面及围岩应力壳的力学特征影响

以谢桥矿1151(3)综放工作面工程地质和开采技术条件为背景，应用实验室相似材料模拟和计算机数值模拟（FLAC3D），对不同煤层厚度采场围岩应力分布规律进行系统的分析和研究，获得了采场围岩宏观应力壳力学特点和变化规律，即随开采煤厚的增大，应力壳的几何高度增加，壳基应力降低，分布范围增大且离工作面煤壁越远；揭示了煤层厚度对该力学特征的影响和综放与综采工作面及围岩宏观应力壳力学特征的差异，也正是综放工作面矿压显现不同于综采工作面的根本所在. 表明合理调整开采厚度和采场结构可改善采场围岩宏观应力壳的动态平衡，对保护工作面、减小矿山压力影响和显现有积极作用.     

巷道围岩应力壳力学特征与工程实践

综合采用数值模拟、理论分析和现场观测,深入研究了巷道围岩力学特征及其对围岩稳定性的影响规律。研究发现,巷道开挖后围岩存在连续包络的高应力束组成的应力壳,巷道处于应力壳内的低应力区,巷道围岩矿压显现受控于应力壳的存在及其空间演化;巷道围岩应力壳的空间分布对巷道围岩稳定性有关键性影响,且存在"稳定"和"非稳定"两种形态,维护巷道围岩稳定性的实质是保证巷道围岩应力壳形态的稳定;通过科学的巷道布置和有效的支护手段"控制围岩最小变形",优化围岩应力壳形态是保证巷道围岩稳定性的关键所在。研究和工程实践均表明:巷道轴向与最大水平主应力方向平行时易维护,在于巷道围岩中易形成稳定态应力壳;两者垂直时巷道难于维护,在于巷道围岩中易形成非稳定态应力壳。揭示了最大水平主应力方向对巷道围岩稳定性影响的内在力学本质。     

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.     

采场围岩三维力学特征与冲击地压的联系

阐述了采场围岩三维力学特征及其影响因素,在分析冲击地压发生机理的基础上,初步探讨了综采采场围岩应力壳演化特征与发生冲击地压的联系,认为随开采特点及影响因素的改变,采场围岩应力壳的演化及发展为冲击地压的孕育发生创造了力学及能量条件,强调充分认识采场围岩应力壳的演化特征对防治冲击地压等煤矿动力灾害具有重要意义。     

大倾角采场围岩应力分布特征

采用三维有限元数值计算方法模拟大倾角煤层采场围岩应力分布,详细介绍了大倾角采场支承压力、底板应力、顶板应力分布的基本特征,据此可进行大倾角采场围岩应力分布的预测,为采场周围有关矿压控制问题提供依据。     

综放工作面煤层及围岩破坏特征的采厚效应

综合采用数值模拟、相似材料模拟和现场实测的方法,着重研究采厚变化对综放工作面煤层及围岩破坏特征影响规律。研究表明:工作面煤层及顶煤的破坏范围与采厚成非线性正比,即煤层和顶煤的破坏范围随着采厚的增大而增加;工作面前端煤层破坏最为发育,同一采厚顶煤中的破坏范围明显大于工作面内煤层的破坏范围;采空区煤柱侧巷道破坏区明显大于工作面实体煤侧巷道,且留设的窄小煤柱临近工作面全部进入破坏状态,因此综放工作面回采巷道稳定性应从控制变形角度重点加强采空区煤柱侧的巷道支护。     

采场围岩应力壳对破坏场的影响规律及应用

为获得高瓦斯工作面采动应力场对煤岩破坏导致渗透性变化的影响规律,进而指导瓦斯抽采的工程应用,采用计算机数值模拟对长壁工作面围岩应力壳分布及对破坏场的影响进行了研究和分析,获得了采场围岩应力壳对破坏场的影响规律。研究表明:长壁工作面围岩应力壳是煤层和围岩的破坏和裂隙发育的主控因素,破坏和裂隙一般发育在应力壳高应力集中带下方的卸压区内,在应力壳高应力集中带及其上方岩层破坏和裂隙并不发育;受应力壳壳基的影响,工作面煤壁前方、回风巷下帮及运输巷上帮煤体的破坏发育区域均分布在壳基内侧的低应力区内;高瓦斯低透气性煤层距工作面煤壁15 m内破坏和裂隙发育,此区域渗透性强,应加强煤层顺层钻孔的抽采力度。高抽巷、地面钻井及穿层钻孔的布置均应考虑应力壳的形态和破坏场的发育,钻孔抽采位置宜选择在应力壳下低应力区内。     

综采工作面顶板围岩应力特征相似模拟研究

为揭示采动影响下上覆岩层变化规律,以淮南矿业集团谢桥矿1232(1)综采工作面地质条件为工程背景,采用相似材料模拟实验和理论分析的方法,对综采工作面顶板围岩应力特征进行研究。相似模拟研究结果表明：随着采煤工作面的不断推进,工作面前方煤体内应力与超前支承压力峰值不断增大,当工作面由30 m推进至150 m,工作面顶板围岩各监测点处超前支承压力达到峰值时的最大应变量由14增大到292;工作面前方煤岩体经历了由原岩应力到应力升高再到应力降低的过程,其中80 m范围之外为原岩应力区,10~80 m为应力增高区,10 m范围内为应力降低区;随回采推进,各区逐渐向内部转移,对于地质变化不大的煤岩体而言,“三区”会逐渐扩大前移,但整体变化范围不大。研究结果可为中厚煤层的实际开采提供一定的理论指导。     

微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态

中澳联合课题组采用微地震定位监测技术,观测和研究了煤矿长壁工作面围岩的空间破坏规律,分析得出：地层进入充分采动阶段前,岩层的破裂高度近似为采空区短边长度的一半;证实了采空区“见方”时顶板破裂高度达到最大值,且采场顶板容易来大压(异常压力),解释了国内外部分综采、综放采场支架压坏的岩层运动机理;根据微地震监测结果,提出了工作面长度为200—250m时底板破裂深度的估计曲线以及岩层离层与破裂的微地震显现的差异;初步描述了采场围岩空间破裂的形态,即在采空区周围顶、底板及四周煤体破裂后形成的三维空间破裂形态．     

千米深井超长工作面采动应力旋转特征及应用

千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结果表明:千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高,稳定性受到采动应力大小和方向的双重影响,含裂隙围岩存在优势裂隙扩展角,采动应力旋转造成围岩承载能力降低,采动应力旋转角度愈大,围岩稳定性愈差;采动后,121304工作面采动应力发生旋转,旋转轨迹与采动影响程度、工作面推进方向密切相关,距采空区边界愈近,采动应力旋转速度和旋转角度愈大;煤层和低位岩层最大主应力在平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,倾角减小,最小主应力则首先向平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,然后在上述平面内与最大主应力同步旋转,倾角增大;岩层位态升高,采动应力旋转角度先增大后减小,高位岩层采动应力旋转轨迹受121303工作面采空区影响,采动应力旋转轨迹向临近工作面采空区偏转;根据工作面推进方向与采动应力旋转轨迹的关系,提出围岩中存在一组、多组优势裂隙及裂隙随机分布条件下工作面推进方向确定原则,并分析了采动应力旋转现象对覆岩“砌体梁”结构稳定性的影响。     

多煤层开采采场围岩内部应力光弹力学模拟研究

应用相似理论和光弹性力学模拟实验方法,对多煤层同采条件下采场围岩应力场特点以及相互影响关系进行了研究,得出了3组4层煤开采时采场围岩应力分布规律、应力集中程度及其相互之间的影响范围和影响程度。模拟结果对合理确定煤层群开采顺序以及回采巷道和区段煤柱合理布置具有理论和实际意义,同时为多煤层同采采场矿山压力理论研究和生产实践提供了可靠的参考依据。     

综采工作面回撤通道围岩支护稳定性分析

综采工作面回撤通道围岩支护的稳定性,直接影响综采工作面回撤通道的使用,决定煤矿生产效率。为此,以某煤矿为例,分析其地质、综采工作面和回撤通道情况后,采用锚网索支护结构,完成回撤通道围岩的支护构建。利用三维有限差分程序,设置回撤通道围岩支护结构模型的边界结构,并确定岩土力学计算参数。通过逐步开采阶段分析方法,分析回撤通道围岩支护的稳定性。研究结果表明,该方法具备良好的应力模拟和分析效果,顶板的位移和变形较为平稳,可提高主回撤巷道围岩应力和巷道支架承载压力,保证设备的安全撤回,验证该方法的可靠性。     

12103综采工作面回撤通道围岩控制研究

针对综采工作面末采阶段回撤通道矿压显现剧烈的问题，采用了数值模拟和现场观测的方法，研究了德泉煤矿12103综采工作面回撤通道围岩应力演化规律特征，数值模拟结果表明:当工作面距离回撤通道20 m时，回撤通道两帮应力呈现非对称应力现象，随着工作面和回撤通道距离越来越近，应力峰值不断增加。现场观测结果表明，12103回撤通道顶底变形量为279 mm，两帮变形量最为158 mm，保障了工作面回撤期间的安全，现场应用良好。