千米深井破碎顶板控制关键技术

采用"双端封堵测漏装置"探测了上行卸压开采时上覆岩层运动破坏的范围和裂隙扩展程度,同时采用RFPA数值分析软件对先行开采4层煤后对2层煤的卸压效果进行了预测;在此基础上综合考察了上位煤层的工作面顶板所处的应力环境和围岩稳定性;论述了采用上行卸压开采降低上位煤层工作面顶板应力的可行性;分析了2层煤条件下采用轻型综采支架的可行性并进行了支架选型;提出了工作面无矸石快速通过断层的新技术。上述技术方案的实施,彻底解决了深井破碎顶板的控制问题,实现了破碎顶板条件下工作面的安全、高效生产。     

不同岩性条件下巷道围岩变形破坏特征数值模拟研究

运用FLAC2D有限元数值模拟的方法,研究和分析不同岩性条件下围岩变形破坏的应力分布和破坏规律。模拟结果表明：无论巷道断面的哪个位置,都表现出巷道处于断层破碎带岩性下时,应力影响范围及塑l}生变形破坏范围较巷道处于正常岩性下时大,而应力峰值表现出较正常岩性下时小;巷道帮部肩窝处应力集中表现出较其他位置时应力峰值大。本文实验的研究对于井下煤矿开采巷道设计、工作面回采以及地质灾害的防治等方面具有一定的理论与实际意义。     

极软厚煤层综采面超前支撑压力的分布规律

针对极软厚煤层围岩控制问题,以河南神火集团梁北矿11151工作面煤层赋存条件为依据.采用Flac 5.0数值计算软件模拟分析了煤层采高和煤体强度对工作面超前支撑压力和围岩变形的影响规律,现场实测了梁北矿11151极软厚煤层大采高工作面超前支撑压力的分布规律,实测与数值计算结果相吻合.研究表明:在极软厚煤层大采高开采条件下,工作面围岩变形严重,煤壁破裂区和塑性区显著增大,影响范围和应力值增大,在工作面安全生产过程中应加强对煤壁片帮的控制,加大工作面超前支护范围.     

大倾角厚煤层软弱围岩煤柱支承压力监测分析

大倾角软弱围岩环境下,工作面巷道扰动区内煤柱应力变化及分布特征复杂.开采扰动、煤厚及倾角因素的影响易造成区域内巷道围岩局部附加变形失稳和支护失效,而理论推导和定量验证得到的护巷煤柱参数往往与实际差别较大.基于现场地质力学调查,借助钻孔应力探测仪对工作面主运巷下帮护巷煤柱纵向和倾向移动支承压力显现特征进行了监测分析.得出纵向和倾向移动支承压力峰值位置和分布范围,并根据弹塑性极限平衡理论对峰值位置进行了计算和对比分析,为改善巷道维护状态和提高煤炭资源采出率及类似条件下的厚煤层开采提供有益借鉴.     

基于FLAC3D五沟煤矿1019工作面采动围岩变形研究

垮塌和突水是严重威胁矿井安全的因素,五沟煤矿1019工作面属于深部煤层开采,开采难度较大,同时首次采用走向长壁开采的方式开采10煤。为实现安全绿色开采,根据五沟煤矿的工作面概况及水文地质资料,使用FLAC3D软件对煤层开采过程中的围岩变化进行模拟。通过对工作面推进过程中竖向应力、竖向位移、剪切应力云图的分析得出:煤层开挖后工作面围岩应力重新分布,在应力的作用下产生变形,但在渗流模式下煤层顶底板的应力和位移较小,工作面整体相对稳定。结合安全开采提高围岩性能的思路,提出对煤层顶底板实行监控及支护手段,进而为1019工作面安全开采提供理论可行性支持。     

基于微震监测的高强度开采工作面围岩响应规律

将微震监测系统引入西部高强度开采的典型矿区——小纪汗煤矿,实现了整个监测区域的"空间"监测,更为全面地捕捉围岩内部破裂信息,基于微震监测数据分析了煤矿工作面的矿压显现规律、岩层运动规律和围岩应力变形规律.结果表明:随着11203工作面的不断开采,微震事件的演化呈周期性变化,与工作面矿压显现规律密切相关,且周期来压平均步距为23 m.划分得到了工作面"三带"的范围及工作面开采扰动影响范围,为工作面的支护设计和灾害防治工作提供数据支撑.     

多重采动煤柱留巷累积损伤特征及围岩协同控制

采动应力影响下煤柱护巷呈现复杂的非稳定和非线性变形特征,煤体结构损伤导致支护系统失效现象频发。以寺河煤矿双侧开采扰动下盘区大巷留设问题为工程背景,数值模拟分析大巷从掘巷至双侧工作面回采全过程的围岩应力及变形破坏特征。结果表明双侧采空后大巷应力集中系数达3.55。基于巷道累积损伤破坏特征针对性提出"三主动"围岩协同控制方法,水力压裂主动切顶卸压,缩短侧向支承压力的作用时间,改变煤柱应力分配比例;注浆加固主动围岩改性,重塑煤岩体完整性,提升围岩承载能力;锚杆锚索主动高强支护,确保预应力向围岩深部传递,形成稳定的承载结构。井下工作面超前支护应力、围岩表面位移监测评价分析显示,协同方案有效控制了多重回采扰动下大巷围岩变形,确保了工作面安全高效开采。     

基于FLAC 3D数值模拟下软弱煤岩松动圈厚度分析

为分析各种因素对深部软弱煤岩松动圈厚度的影响程度,选用原岩应力、巷道断面尺寸两个因素进行数值模拟,分析不同条件下煤岩松动圈厚度变化范围。在理论上定性分析深部开采煤岩松动破碎变形影响因素基础上,以数值模拟为主,定性分析松动圈破碎范围。根据理论分析矩形巷道基本变形规律,确定巷道围岩破坏规律,对深部开采煤岩松动破碎变形理论定性分析。确定影响煤岩松动破碎变形的主要因素,选择合适数值计算模型。根据数值模拟结果,分析每个方向的粘结力变化的临界点,然后确定其点的坐标值以绘制每个正交实验的松动圈,找出巷道围岩断面最易发生变形失稳的关键部位,分析规律性的结论。确定了不同截面情况下松动圈随巷道埋深及断面尺寸的变化趋势和变化速率,分析得出规律性的结论。     

保护层开采过程中围岩应力演化规律研究

分析了冲击煤层上保护层开采过程中围岩应力演化规律,研究表明：在工作面开采前方0～20m范围煤岩体内纵向压力处于增长阶段,应力集中系数达到2.0,在20～60m为纵向压力逐步恢复阶段,应力集中系数达到1.7,应力集中峰值出现在工作面前方5m处左右,工作面开采50m之后,超前支撑压力有规律的呈现两次应力集中和两次应力释放现象;分析了保护层采空区及工作面下覆不同垂直高度处围岩应力随煤层开采进度演化规律,指出采空区纵向应力随采空区深入,呈现逐步增大趋势,在采空区两侧下方被保护层应力值升高幅度要大于其中间区域,保护层工作面的压实作用传递到被保护层工作面在空间上稍微滞后,这个滞后的距离在30～40m之间。     

构造应力复杂顶板变形演化特征

采用平面物理模拟实验,运用数字化声发射( Acoustic Emission,AE)技术对构造应力复杂煤层顶板在开采扰动中的局部损伤、变形及破裂过程进行了实时监测分析,对微裂隙结构及其与之对应的声发射动态参数进行了深入研究定量揭示了工作面不同开采技术条件下构造复杂顶板覆岩介质局部化损伤-破裂-失稳规律,为类似地质环境下工作面开采过程中矿山压力预警与围岩动力灾害控制提供有益借鉴     

基于峰后特征的深部隧道围岩分层断裂数值分析

为了揭示深部隧道工程围岩的分层断裂机理而展开数值实验研究.分析了深部地层岩体历史及赋存环境,认为深部岩体在力学上处于峰后阶段,根据岩石峰后应力-应变特征选定了围岩的峰后特征指标及其开挖响应方程.建立了数值实验模型,设计了开挖数值模拟的围岩响应监控方案.完成了大量的开挖数值模拟,实现了深部围岩分层断裂现象在数值模拟中的重现.基于实验中围岩应力、变形分布的全程监测结果,在确定围岩分层断裂产生条件的基础上,进一步研究得到了围岩分层断裂层数、分层断裂圈半径、最大峰值应力等参数与峰后特征指标的关系.根据地下结构开挖围岩应力重分布及岩石力学破裂机理,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制.所得数值模拟结果,为深部工程围岩的分层断裂提供了验证依据,消解了长期以来数值模拟中没有观察到分层断裂现象的困惑.     

深部软岩巷道破坏分析及其稳定性控制

随着煤矿开采深度的加大,越来越多巷道围岩呈现软岩变形特性,变形破坏非常严重。针对石嘴山一矿深部高应力复杂软岩巷道围岩破坏特点,从地质赋存条件、水对岩石的软化影响和支护结构方面分析,制定了相应对策,提出了锚、网、喷、注全封闭联合支护,用FLAC3D2．0对支护效果进行数值模拟可视化计算,确保巷道的稳定性,对巷道支护实践有一定参考价值。     

深部软岩巷道爆破卸压技术及工程应用研究

为控制深部软岩巷道的变形,利用爆破卸压技术,对淮南矿业集团谢桥矿高应力软岩巷道进行了爆破卸压工程试验,充分改变围岩应力状态,使巷道的变形量及稳定时间得到了很好的控制。     

动态原位监测技术在顺层岩体隧道的应用—以六汉隧道为工程实例

为明确六汉隧道浅埋顺层岩体开挖后围岩应力变化规律及特征。基于FLAC_^3D数值模拟分析顺层围岩隧道变形特性,对岩层节理面处偏压应力及二衬结构变形特征进行了施工期动态原位监测。结果表明：浅埋顺层岩体地形隧道开挖致使岩层节理面两侧局部应力不均衡,出现较大偏压应力和剪切应力;基于近9个月的监测点数据显示开挖20~30 m与80~90 m后,隧道初支与围岩接触应力变化明显,前者应力变化速率达到峰值,而后者开始趋于稳定;二衬混凝土结构应变随时间变化的响应规律表明初支结构承受围岩变形大部分有效荷载,二衬分担围岩变形传递的局部不均衡应力。其现场监测结果为今后该类型隧道设计与支护荷载的计算奠定了理论基础。     

基于块体理论的围岩稳定性分析及数值模拟研究

岩体的完整性及节理裂隙的发育程度是影响围岩稳定性的主要因素。潜在失稳块体将引起围岩掉块、剥落、滑移甚至坍方等失稳现象。以小三岔口隧道为依托,基于块体理论研究,借助围岩结构分析和数值模拟相结合的方法,从岩体结构特征入手,定位隧道开挖潜在失稳区域,寻找可动块体,确定关键块体,深入分析围岩失稳变形模式,揭示无支护条件下围岩的变形、受力特征并提出针对性施工建议。研究结果显示:岩体节理裂隙发育、节理面相互切割成不利组合和岩块结构面结合性差是围岩失稳的根本原因;关键块体的运动是造成围岩失稳的直接原因。     

深部倾斜岩层巷道变形特征模拟与控制技术

对深部倾斜岩层巷道存在的变形不对称和采用对称支护方式不能有效控制围岩变形的问题,在巷道围岩受力分析的基础上,结合曲江煤矿工程实践运用离散有限元模拟软件UDEC建立深部倾斜岩层巷道受力模型,对模型进行掘巷后不支护和采用传统方式支护的数值模拟.根据现场变形和模拟结果,提出采用非对称强化支护结合全断面锚索支护扩大围岩应力承载圈来保证巷道稳定,并对改进后支护方案进行数值模拟,数值模拟和现场工程实践均表明改进后支护方案能够有效地减小巷道围岩变形.     

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛典型特征与规律

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛特征与规律对其稳定性评价与灾害防治具有重要意义。基于地下水封洞库工程特征与典型洞库工程实例,整理分析了大量洞室围岩内部变形、表层变形、波速与锚杆应力等监测数据。结果表明：预埋的多点位移计测点位移主要为0.5-3mm,收敛位移监测值主要为4-8mm,拱顶沉降监测值主要为3-6mm,围岩时效变形不明显;围岩变形与爆破开挖有关,当掌子面或后续台阶开挖面接近监测断面时,变形出现陡增;围岩质量越差,开挖面空间效应越不明显;基于典型围岩特征曲线经验公式,结合预埋的多点位移计监测数据与数值模拟,提出了地下水封洞库洞室围岩损失位移确定方法,发现损失位移占最终收敛位移50%-60%;基于波速变化率提出围岩松弛程度评价指标,发现围岩最大松弛程度约为0.47,松弛深度为1.5m;洞室围岩锚杆受力普遍较小,锚杆拉应力与围岩变形基本同步变化。     

大型地下洞室群变形实测与数值模拟

以某水电站大型地下洞室群开挖为例,建立了三维数值分析模型,研究了洞室群开挖后洞周围岩的变形特性并分析了锚索应力损失对周围岩体变形和应力状态的影响;通过模拟结果与实测结果进行对比,分析模拟方法的合理性和支护方案的可行性.结果表明,围岩水平位移在洞室边墙中部最大,竖向位移在洞室拱顶最大,在洞室交叉部变形也较为显著;模拟结果与实测结果较接近,能良好地反映洞室实际开挖的过程和围岩的变形规律;锚索预应力损失达到某一程度时会使围岩水平位移显著增大.     

深井岩巷破坏机理与支护优化研究

岩巷的稳定性评价与支护设计对深井岩巷掘进和维护十分重要。为了开展深埋煤矿岩石巷道围岩稳定性分析和锚网支护参数优化分析,以文家坡煤矿深埋一号辅助运输大巷为工程背景,采用多种监测手段完成了岩巷变形特征的实测分析,然后运用数值模拟的方式从巷道围岩塑性区发展规律和围岩应力变化特性两方面分析了巷道围岩变形破坏机理,最后根据现场监测和模拟结果优化了该巷道的支护方案,并进行了模拟验证。结果表明:随着巷道不断地向前掘进,巷道两帮围岩塑性区厚度先增大直到逐渐稳定,自重引起的水平应力使巷帮向巷道内收敛,顶板产生剪切破坏,两帮产生劈裂破坏;原支护方案作用下巷道围岩变形量非常小,锚杆(索)支护方案过于保守。将帮部锚杆长度由2.7 m优化到2.3 m后,在其他支护参数保持不变的情况下支护可以满足巷道稳定性的要求。     

高地应力破碎围岩隧道变形受力特征试验研究

高地应力破碎围岩地层在开挖隧道过程中极易发生大变形、钢架扭曲、局部垮塌等灾害。以天平铁路关山隧道为依托,通过监测两个试验段内的围岩压力、初期支护受力与变形、二次衬砌混凝土应力的分布特征,来探讨高地应力破碎围岩地层中不同断面形式和支护参数情况下隧道支护结构的变形与受力特征。结果表明:在以水平地应力为主的破碎围岩地层中,隧道开挖引起的变形以边墙水平收敛为主,拱顶沉降次之;高边墙小曲率断面形式的单线铁路隧道受力和变形均较大,而增大边墙曲率可有效抑制隧道开挖引起的变形,使支护结构受力更为均匀,受力状态明显改善。研究可为高地应力破碎围岩地层中隧道设计提供一定的参考。