基于覆岩曲率变形的导水裂缝带发育高度研究

为了研究覆岩导水裂缝带最大发育高度，以小保当矿区2^-2煤层为研究对象，通过理论分析、相似材料模拟实验、实例验证等方法，在应用极限曲率预计导水裂缝带发育高度的基础上，借助概率积分法将导水裂缝带上部岩层与煤层的间距、下沉系数η₍(z))、开采高度m与导水裂缝带上部岩层最大曲率变形值K₍(z) max)有机结合，给出了以导水裂缝带上部岩层最大曲率变形值K₍(z) max)为关键参数的覆岩上行裂缝发育高度关系式和以地表最大水平拉伸变形值ε_xm为关键参数的下行裂缝发育深度关系式。在此基础上给出了一种基于概率积分法的导水裂缝带发育高度理论预计方法，应用该预计方法对小保当矿区2^-2号煤层开采覆岩导水裂缝带最大发育高度进行了预计，其最大发育高度为160.1 m，与现场实测152.01～175.57 m基本吻合，研究成果可为相似工况下实现保水开采提供理论依据。     

基于弹性理论的煤帮极限平衡区宽度确定方法探讨

回采巷道开挖后,其围岩应力重新分布,两侧煤体在上方集中应力的作用下产生变形后形成极限平衡区,其理论宽度是合理确定巷道煤帮支护方案及其参数的重要依据,目前,计算煤帮极限平衡区的主要方法有:利用松散介质平衡理论建立煤帮应力平衡微分方程来求解极限平衡区宽度;或考虑工程扰动程度和煤体地质强度,运用非线性摩尔-库伦准则建立极限平衡区宽度方程。本文在总结现有研究成果的基础上,建立了回采巷道煤帮在高支承压力作用下体的力学计算模型,运用弹性力学理论分析了帮部任一点煤体的应力应变分量。基于弹塑性界面煤体在峰值支承压力发生片帮的柱条模型,确定该界面上发生最大水平拉应变的单元煤体位于距离底板0.65倍巷道高度处,进而提出了该单元煤体极限拉应变与煤帮极限平衡区及其破裂区宽度的理论计算公式。分析表明,煤帮极限平衡区宽度不仅取决于煤体的极限拉应变、泊松比及弹性模量,而且与原岩应力大小及巷道开挖后发生重分布的最大支承压力及煤帮弹性区宽度密切相关。具体表现为煤帮极限平衡区宽度随巷道埋深增大而不断增加,但随煤体弹性模量及其极限拉应变的增加却快速减小。在此基础上,利用所提出的理论公式计算了百良矿14501工作面运输巷350～400 m区段的煤帮极限平衡区和破裂区宽度,进而优化了巷道帮部锚杆支护参数,取得了良好的支护效果。结果表明,上述研究成果能够较好地进行深埋煤层巷道煤帮极限平衡区的预测分析。     

基于锚杆受力分析的深埋洞室围岩分区破裂演化规律研究

合理确定深埋洞室围岩破裂区厚度及数量可以为洞室开挖及支护提供重要的理论依据。根据围岩分区破裂条件下锚杆拉-压交替分布的受力变形特点,提出一种通过锚杆受力规律反演分析围岩分区破裂的新方法:基于杆体与围岩的协调变形原理,建立全长锚固锚杆与围岩相互作用的力学模型,推导锚杆中性点沿杆体分布位置及其最大轴力的理论公式,分析各分区范围内围岩的破裂区与非破裂区厚度;基于格里菲斯强度理论,提出围岩应力重分布后弹塑性界面岩体发生拉裂的力学判据,进而确定围岩的破裂区数量。结果表明:洞室开挖后围岩应力发生重分布,当弹塑性界面上的岩体在最大切向支撑压力下所产生的拉伸应力超过其极限抗拉强度时,岩体将产生径向拉裂并出现多个破裂区和非破裂区交替分布现象;破裂区和非破裂区内岩体位移速率的差异将导致锚杆沿长度方向出现多个中性点;基于各中性点半径反演分析得到的围岩破裂区厚度大致呈依次递减的趋势,直至围岩破裂停止。最后,运用实例计算结果对上述认识进行验证,研究成果对深埋洞室开挖及围岩支护具有重要参考价值。     

黄土-粉煤灰基新型充填材料性能研究

充填开采是实现矿山安全绿色开采的重要途径,要求充填材料来源广泛,成本低,且必须能满足充填工艺需求。为探究黄土含量对膏体充填材料流动性和力学性能的影响规律,通过室内试验测定了不同类型粉煤灰、不同黄土含量条件下膏体充填材料的屈服应力和抗压强度等参数。研究结果表明:用黄土替代粉煤灰制作充填体,取材方便,成本低,且黄土颗粒能很好地包裹大颗粒,减少颗粒输送中对管道内壁的磨损,提升料浆流动性;随着黄土含量增加,充填体抗压强度会逐渐增大,但当黄土含量超过12.5%(质量分数)后,黄土细颗粒会阻碍水泥和其他物料之间的黏结,导致抗压强度有所降低;黄土与粉煤灰质量比为2∶8、3∶7,养护期为28 d时,充填材料既符合充填工艺要求,又能最大程度降低充填成本。     

双煤层开采地表下沉影响因素分析

煤炭开采所引起的地面塌陷问题严重影响矿区生态环境,与单一煤层开采相比,双煤层开采所导致的地表下沉更为复杂.以不同矿区地表移动实测数据为基础,采用灰色关联度分析、理论分析及相似模拟试验等研究方法对基岩厚度、松散层厚度、上下煤层采高及煤层间距对地表下沉的影响展开研究.研究结果表明:基岩厚度和松散层厚度对地表下沉影响最大,上煤层采高和煤层间距影响次之,下煤层采高影响最小;考虑到各矿区地质条件的差异及各因素之间的交互作用,将基采比c、基载比z 和间采比j作为关键参数研究地表下沉的变化规律,得出单一煤层开采地表下沉系数随基采比c和基载比z 的增大而减小,双煤层开采地表下沉系数随三个关键参数的增大呈减小趋势;相似模拟试验结果与理论分析结果基本一致,说明研究结果是可信的.     

切顶条件下“煤柱-充填体”协同承载性能及巷道稳定性分析

为了分析在切顶条件下不同“煤柱-充填体”支护对巷道围岩稳定性的影响，以某矿1226综采工作面运输巷为研究背景，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，对切顶条件下应力转移过程和不同“煤柱-充填体”支护时垂直应力变化规律展开研究。研究结果表明：“煤柱-充填体”支护条件下，切顶时运输巷实体煤侧巷帮的垂直应力相对于未切顶时降低了9.5%,护巷煤柱侧巷帮的垂直应力降低了45%,运输巷两帮水平变形和巷旁支护压缩变形分别降低了21%和30.8%,即利用切顶卸压技术可以实现运输巷围岩应力及变形的双重优化，有利于运输巷围岩的长期稳定；巷旁支护垂直应力是影响巷道围岩稳定的主控因素，巷旁支护垂直应力平均降低速率随着充填强度的增加呈线性增加趋势，最大为5.8%,巷旁支护垂直应力平均降低速率随着煤柱宽度的增大呈先增后降趋势，最大为13.6%;根据“煤柱-充填体”协同承载性能变化对巷旁支护垂直应力的影响规律，拟合了不同煤柱宽度和充填体强度与巷旁支护垂直应力之间的函数关系式。在切顶条件下，留设护巷煤柱宽度为7.5 m、充填体强度为6.5 MPa时，对巷道围岩稳定的控制效果较好。