采场覆岩悬跨稳定性计算模型及其应用

本文在原有现场实测资料基础上，建立了将采场上覆坚硬岩层组视为多层组合含跨弹性基础岩梁的计算模型，并编制了专门计算分析程序。运用该计算模型着重分析了坚硬岩层组的各层挠度增减交叉特征、层间离层条件、层间作用力分布和岩梁载荷计算的新方法，使得顶板覆岩的极限跨距和老顶初次来压步距的计算预测方面取得新的进展。     

覆岩组合结构下导水裂隙带演化规律与发育高度分析

根据导水裂隙带发育规律与岩层结构及其运动特征的相关性,提出了基于覆岩组合结构与岩层拉伸变形计算的导水裂隙带高度预计新方法。研究发现覆岩导水裂隙带应是以岩层组为单位呈阶梯状向上发育的,每个岩层组由下部强度因素高的坚硬岩层与上部软弱岩层组成;通过理论分析,提出以岩层层向拉伸率为判据来判断岩层组的下沉变形及裂隙发育程度,只要确定各岩层组中的下位坚硬岩层的拉伸率变化拐点就可以较为准确地分析该岩层组的裂隙发育度,从而准确预测导水裂隙带发育高度。在考虑覆岩垮落碎胀特性的基础上,推导得到了较为合理的岩层层向拉伸率计算公式。经过现场实测验证,该方法理论预计的导高值与现场实测结果非常吻合。     

多层矿协同开采顶板稳定性研究

针对多层矿矿体赋存重叠,上下开采重复扰动,岩层稳定逐层下降等问题,采用协同开采以减少多层 开采对顶板稳定性的影响。基于能量释放理论,计算采场顶板和侧帮的能量释放率,确定采场顶板失稳时能量释 放规律,通过面能量释放计算顶板极限跨距。通过组合岩梁和第 n 层岩层对第一层岩层的载荷,计算顶板极限跨 距,并与能量释放顶板极限跨距比较,判断顶板稳定性。同时,建立分层开采顶板梁模型和薄板模型,得到梁模型 顶板最大拉应力与分层厚度的关系,分析顶板岩层和相邻矿层厚度对顶板稳定性的影响;通过薄板模型建立多层 矿采场顶板挠度和应力解析式,揭示薄顶板的应力分布规律。     

多层矿协同开采顶板稳定性研究

针对多层矿矿体赋存重叠,上下开采重复扰动,岩层稳定逐层下降等问题,采用协同开采以减少多层 开采对顶板稳定性的影响。基于能量释放理论,计算采场顶板和侧帮的能量释放率,确定采场顶板失稳时能量释 放规律,通过面能量释放计算顶板极限跨距。通过组合岩梁和第 n 层岩层对第一层岩层的载荷,计算顶板极限跨 距,并与能量释放顶板极限跨距比较,判断顶板稳定性。同时,建立分层开采顶板梁模型和薄板模型,得到梁模型 顶板最大拉应力与分层厚度的关系,分析顶板岩层和相邻矿层厚度对顶板稳定性的影响;通过薄板模型建立多层 矿采场顶板挠度和应力解析式,揭示薄顶板的应力分布规律。     

采场覆岩复合关键层的判别条件

当采场覆岩中存在两层邻近坚硬岩层时，在一定条件下会形成复合岩层，整体变形破坏，其强度和刚度将大大加强，将对整个采动覆岩变形、破断、移动全过程产生影响。利用现代力学原理，推导出了两层硬岩中间有一层软弱夹层时，能形成复合岩层的条件是软弱夹层与硬岩接触面上的剪应力不超过接触面上的抗剪强度，据此建立了能形成复合岩层的判别公式，将复合岩层用一等效单一岩层代替，即可用单一关键层的判别方法判别复合关键层。     

多煤层开采中间岩层对覆岩移动的影响研究

针对西部地区多煤层开采下组煤覆岩移动的问题,采用理论分析、数值模拟和现场验证的方法,研究了下组煤开采过程中,中间岩层厚度与岩性、中间岩层硬岩比例、上覆岩层与中间岩层厚度之比3个因素对覆岩移动的影响。通过理论分析计算了覆岩移动量,为工作面顶板裂隙发育高度理论计算提供了参考依据;利用数值模拟对覆岩移动及破断规律的模拟,验证了理论计算中采场裂隙发育高度及工作面硬岩破断距;最后通过现场实测顶板来压及破断数据验证了理论计算及数值模拟的有效性。研究结果表明:①提出了通过最大挠度与自由空间对比来计算裂隙带高度的方法。②工作面采高决定了顶板覆岩裂隙的发育高度,采高越大,其裂隙发育高度越大,且覆岩的性质对裂隙的发育也有明显影响。③下组煤开采过程中,上覆岩层与中间岩层厚度之比并不是控制覆岩移动的决定性因素,若中间岩层存在厚而硬的岩层,其覆岩移动剧烈程度将降低。④作为中间岩层,厚而硬的岩层的破断对上覆岩层移动起决定性影响。     

采空区悬顶岩梁模型及其流变分析

选取采空区顸板岩层的关键层，简化为岩梁模型进行分析；通过考虑两帮岩因挤压顸板岩层使之产生的弯曲变形，即发生屈曲延迟失稳；选用能反映岩石破坏特性的蠕变模型，运用流变力学的一般解法，由对应性原理得出改进的临界载荷可反映顶板岩层的流变特性，讨论了蠕变屈曲栽荷时间的特性及其失稳条件。这对研究采空区顶板延迟失稳及岩层移动和破坏规律都有重要意义。     

采动覆岩力学模型及断裂破坏条件分析

根据覆岩破坏的机理建立了采动覆岩初次断裂前,后的力学模型,并根据此力学模型,运用梁曲变形理论分析了采动覆岩断裂破坏的条件,在考虑上覆岩层的岩性,厚度,埋深等因素的基础上,建立了上覆岩层断裂时临界开采长度的计算模型,并以此模型进行了实例计算分析。     

软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素及失稳机理研究

软硬互层顺层岩质边坡的稳定性受多种因素影响,并且失稳机理十分复杂,难以进行针对性的防治。针对软硬互层顺层岩质边坡稳定性的影响因素,通过FLAC3D进行数值模拟,从岩层倾角、软硬岩层厚度比和岩性组合进行了研究。计算结果表明:随着岩层倾角的增大,顺层边坡从整体呈推移式破坏转向沿软硬岩接触面分层滑动;软岩和硬岩厚度的增加均会导致边坡稳定性下降,但是硬岩厚度大时,边坡主要沿软岩夹层滑动;黏聚力对边坡稳定性的影响要比内摩擦角大。     

充分采动阶段覆岩多层空间结构支承压力研究

将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震定位监测,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,建立覆岩空间结构走向支承压力模型;利用力学方法,得到走向支承压力计算公式;利用上述计算方法,研究了新汶矿业集团华丰煤矿1410工作面走向超前支承压力分布规律,并与现场微地震监测结果进行了对比分析.研究表明：上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的充分采动阶段采场走向支承压力的估算和预测.     

顺层边坡岩体结构变形分叉灾变特性研究

视顺层边坡岩层为岩梁结构，讨论了岩梁变形的前屈曲状态和后屈曲稳定状态的分叉特性，建立了岩层结构发生灾变的判据。     

开采沉陷地区下沉系数分析

地表沉陷值的大小取决于开采矿层上覆岩层中各控制层的破坏形式。根据岩石力学理论，研究了岩梁极限跨度的计算方法，分析了地表下沉的基本模式，并且给出了计算下沉系数的实用公式。     

浅埋煤层群裂隙演化规律及组合承载结构载荷研究

浅埋煤层群高强度开采导致承载岩层破断形成组合承载结构，使覆岩裂隙分布形态复杂化，并对地表造成严重损害。为了研究浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律与承载岩层承载结构关系及承载岩层保持稳定的支架工作阻力，以陕西北部神府矿区韩家湾煤矿2-2和3-1煤开采为研究背景，通过现场观测及相似模拟试验得到煤层群开采裂隙演化规律、承载岩层组合承载结构及两者相互关系，采用理论计算的方法建立了组合承载结构力学模型，研究组合承载岩层保持稳定的支架工作阻力。研究表明，煤层群开采覆岩裂隙演化过程可划分为4个阶段，分别为上煤层开采快速增长阶段、上煤层开采平稳增长阶段、下煤层开采快速增长阶段、下煤层开采稳定增长阶段；不同承载结构导致地表产生不同的裂隙演化形态及沉降特征，“台阶岩梁”结构地表产生台阶下沉，“铰接岩梁”结构地表产生连续下沉；通过地表沉降形式可间接判断上煤层承载岩层破断结构，由层间岩层充填率和采高得到了下煤层承载岩层破断结构，并揭示了浅埋煤层群开采承载岩层破断组合结构分为“台阶-铰接”结构、“铰接-铰接”结构、“铰接-台阶”结构、“台阶-台阶”结构的组合形态。由承载岩层破断组合结构建立了浅埋煤层群开采承载岩层承...     

近水平岩层边坡工程地质模型及稳定性研究

边坡工程地质模型是研究边坡破坏模式和稳定性计算的基础。说明了边坡工程地质模型的内容、露天矿层状边坡的基本工程地质模型、近水平岩层边坡的破坏模式。在工程地质工作的基础上,划分工程地质岩组,研究岩体结构和地下水影响,建立了某露天矿东南帮边坡的工程地质模型,分析了可能的破坏模式是圆弧滑动和圆弧-顺层滑动,对不同破坏模式下的安全系数进行计算,评价了16#煤开采前后边坡的稳定性。     

高位硬厚岩层采动覆岩结构演化特征及致灾规律

针对工作面赋存高位硬厚岩层的地层条件,采用相似材料模拟试验方法,制作了工作面上覆单层和两层高位硬厚岩浆岩的相似模型,研究了开采过程中的覆岩结构及其演化特征;通过力学理论分析,揭示了上覆岩层的破断规律及覆岩结构的形成机制;分析了典型采动覆岩结构的致灾规律,并采用工程实例进行验证。研究结果表明:单层硬厚岩层初次破断前、周期破断阶段分别形成"梯"型、"Γ"型覆岩结构;两层硬厚岩层条件下,下位硬厚岩层破断前形成"梯"型覆岩结构,上位硬厚岩层破断前后分别形成"梯-Γ"型复合覆岩结构、"F"型覆岩结构;工作面上覆岩层破断角α在(45°,90°)区间内,破断迹线总是与岩层层面成一定夹角。高位硬厚岩层条件下集中应力高、积聚能量大,易诱发静载型动力灾害;"梯"型覆岩结构失稳易诱发动力灾害及离层水(气)突涌现象;"Γ"型覆岩结构失稳易诱发动力灾害,但不易发生离层水或瓦斯突涌。     

嵌岩桩桩端岩层抗冲切安全厚度研究

通过对嵌岩桩桩端岩层破坏机理的分析，建立了桩端持力岩层抗冲切的计算模型，并在此基础上导出了一套能考虑冲切锥体自重及岩层剪、拉应力的岩溶及采空区桩端持力岩层安全厚度计算公式。然后，通过对公式计算结果的比较分析，提出了便于应用，且经济合理、安全可靠的桩端持力岩层安全厚度计算公式，并对该公式的计算参数及其合理安全系数的选取等进行了深入讨论。图8，参12．     

充填开采临界充实率理论研究与工程实践

充实率的良好控制是充填采煤技术成功实现岩层移动及地表沉陷精准控制的关键,基于充填采煤岩层移动及控制特征,给出了临界充实率的定义,具体包括关键层破坏临界充实率、关键层弯曲下沉临界充实率、基本顶弯曲下沉临界充实率、整体弯曲下沉临界充实率等。以有周期来压的顶板类型为例,建立了不同上覆岩层逐层破断的临界充实率求解力学模型,分析了覆岩逐层破断与其对应岩层抗拉强度的关系,求解了4层覆岩逐层破断的临界充实率。翟镇矿工程实践表明:7203W固体充填工作面覆岩整体弯曲下沉临界充实率计算值为92.0%,实际控制值为92.5%,上覆所有岩层均被控制在整体弯曲下沉的临界状态,实测与理论计算吻合。可为定性定量研究不同覆岩结构下实施固体充填采煤技术的工程设计提供参考。     

层状岩体中矩形巷道顶板破坏高度

为计算层状岩体中矩形巷道冒落高度,考虑到层状岩体中矩形巷道顶板各层物理力学性质的不同,对其进行分层研究,建立岩梁计算模型同时应用结构力学两端固支梁模型计算层状顶板整体受力,再用弹性力学对每层岩层进行内力计算。考虑到岩梁两端固支处集中力作用对岩梁整体内力分布的影响即岩梁端部效应,利用弹性力学中半平面体受集中力作用的内力解,推算出岩梁上侧受拉破坏点位置,从而得到各层破坏面与垂向夹角,进而可推算出冒落拱的高度。通过与实际巷道冒落拱高度测试结果的对比,验证此公式较为符合实际工程情况。     

采场上覆复合岩层剪切滑移模型的相似模拟验证

受煤层回采的影响,采场上覆岩层将发生剧烈的调整,产生水平和垂直方向的位移。由于煤系岩层属于沉积岩系列,具有明显的分层性,这使得基于均匀介质或者松散体理论获得的岩层位移具有很大的局限性。因此,建立了承受非均匀荷载的等效复合岩梁模型对上覆岩层的层间剪切滑移进行描述,并通过相似材料模型试验对复合岩层层间滑移相对位移在水平和垂直方向上的分布规律进行了验证分析,证明该模型是适合描述采场上覆岩层层间剪切滑移规律的。     

极软岩巷道锚注加固数值模拟及应用研究

针对极软岩巷道具体工程地质条件，应用FLAC计算程序，建立急倾斜岩层极软岩巷道锚注加固数值计算模型并进行了计算；对极软岩巷道锚注加固效果进行了分析；最后介绍了现场应用试验情况。数值模拟计算结果表明：适宜的注浆孔深度应为2．5m，锚注加固围岩强度提高值取60％在技术经济上是合理的。