破碎围岩条件下开采扰动区LSMA的动力失稳

破碎围岩环境下大断面巷道开挖必然形成大尺度采空区（large scale of mined-out-area，LSMA），其围岩介质的变形与失稳行为及过程很复杂，主要涉及到开采扰动区（excavation disturbed zone，EDZ）范围内围岩力学性态及强度劣化特征、顶部岩层非稳态下沉与水平挤压变形耦合作用诱致动力失稳、深层围岩离层演化至局部化冒落失稳等，且其变形从微尺度演化为大尺度（寸）过程具有复杂的非线性特征，这为灾害治理带来挑战。基于现场调查，利用表面变形与深部离层规律综合监测与锚杆（索）力学性态试验及测试，结合室内物理相似模拟和数值模拟试验，深入分析复杂地质条件下松软破碎围岩局部化变形与演化失稳机理，为工程防灾和减灾提供科学依据。     

软弱破碎回采巷道变形特征监测分析

破碎围岩巷道的变形与失稳行为很复杂,巷道围岩局部变形易引起破坏失稳,而理论计算得到的支护参数与工程实际相差甚远。基于现场调查,通过表面变形与深部离层规律综合监测,深入分析了复杂地质条件下松软破碎围岩局部变形与演化失稳机理。监测表明:巷道开采深度较大时,围岩变形情况比较复杂,煤层裂隙发育,巷道顶底板和两帮变形大;巷道积水造成底鼓时,因现有的支护方式不适应围岩非线性、大变形的要求,而必然导致支护失效。研究成果对回采巷道支护方案的选择具有重要的借鉴作用,为工程防灾和减灾提供了科学依据。     

急斜煤层水平分段综放开采围岩失稳特征分析

针对急斜煤层水平分段综放开采围岩失稳特征,通过对围岩力学模型分析,研究围岩结构的失稳过程和演化途径.根据急斜煤层围岩的非对称分布特点,所产生的非对称作用极易使围岩发生局部变形.局部变形的不断扩展进而将导致围岩发生失稳,这种动力学失稳极易演化为灾害.为了控制这种灾害的发生,借助声发射和钻孔窥视实时监测围岩"损伤-破裂-失稳"的全过程,将为工作面开采扰动区围岩失稳与控制提供了值得借鉴的依据.     

多场耦合下急斜煤层开采三维物理模拟(2)

复杂环境与多场耦合作用下,采空区煤岩体非对称变形诱致局部化失稳极易演化为动力灾害.以乌鲁木齐矿区急倾斜煤层综放开采为背景,构建了大型立体地球物理模拟装置与"声-光-电"物理力学指标信息测试系统,完成了动态加载条件下顶煤与覆岩损伤与演化的AE规律、内部损伤变形、表面位移变化特征、支架工作特性等分析,为急倾斜厚煤层综放开采与灾害控制奠定科学基础.     

破碎围岩环境下巷道应力与变形监测

开采过程中,破碎围岩环境下巷道煤岩结构及应力与变形随时间演化行为直接影响其稳定性。通过理论计算,结合现场应力监测、声发射(acoustic emission,AE)和钻孔窥视等手段,定量确定了工作面煤巷的松动范围和塑性区范围,综合分析了破碎围岩环境下煤岩非对称变形特征,为工作面安全开采提供了依据。     

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     

基于变形场演化的洞室岩爆特征实验研究

为了研究洞室岩爆特征问题,在洞室围岩变形场演化特征实验研究基础上对洞室岩爆的力学机制进行解释.采用双轴加载方式,对一种含有洞室的砂岩岩板进行压缩实验,通过白光数字散斑相关方法作为实验监测手段,对洞室变形破坏过程中的位移场和应变场演化进行实时监测,根据实验结果对洞室岩爆特征进行分析.研究结果表明:洞室岩爆过程经历了洞室围岩的局部破坏和结构整体失稳破坏两个阶段,从洞室岩爆力学机制可以得出,洞室岩爆是由拉伸和剪切两种作用机制共同作用的结果.     

多场耦合下急斜煤层开采三维物理模拟(1)

复杂环境与多场耦合作用下,采空区煤岩体非对称变形诱致局部化失稳并演化为动力灾害.针对于西北强震作用下煤矿采空区(局部化)动力失稳定量预报,以乌鲁木齐矿区急倾斜煤层放顶煤开采为背景,首先系统分析了物理模拟复合材料损伤与破裂的"声-光-电"信号迁移途径与有效可靠的测试方法,继而构建了大型立体地球物理模拟装置与"声-光-电"指标信息测控系统,形成动力灾害源的识别技术和危险性分析技术(平台).这最终为急倾斜厚煤层放顶煤开采技术参数的合理确定、提高灾害识别能力和预测精度以及灾害控制奠定科学基础.     

复杂破碎围岩状态下大断面巷道稳定性综合分析

复杂破碎围岩状态下大断面巷道开挖后,巷道围岩出现应力集中。受开采扰动的影响,岩体强度大大降低,围岩呈现不稳定变形破坏,如冒顶、片帮等,给煤矿安全生产带来极大威胁。依据我国西部强震区复杂围岩环境下某煤矿大断面巷道顶板离层、巷帮压力等监测数据,结合钻孔窥视,围岩松动圈监测系统,对该区顶板离层、巷帮压力变化规律进行了声-光-电多元指标参数综合研究,较全面的对复杂破碎围岩状态下大断面巷道的稳定性进行综合分析。     

单拱四车道公路隧道施工方法的三维数值研究

单拱四车道公路隧道由于跨度特大、断面形状扁平、施工方法复杂,造成其在施工过程中应力分布不均匀,拱脚应力集中,从而极易导致围岩发生失稳乃至坍塌.利用大型有限差分软件FLAC3D对单拱四车道隧道在不同围岩条件下采用不同施工方法的施工动态过程进行三维数值模拟,得到了各种施工方法下隧道围岩应力、位移和塑性区的力学特征.通过比较分析这些力学特征,得出了不同围岩条件下最合适的施工方法.     

Comprehensive assessment on dynamic roof instability under fractured rock mass conditions in the excavation disturbed zone

The damage process of fractured rock mass showed that the fracture in rocks induced roof collapse in Yangchangwan Coal Mine, China. The rock mass was particularly weak and fractured. There occurred 6 large-scale dynamical roof falls in the excavation disturbed zone (EDZ) with the collapsing volume of 216 m3. First, the field detailed geological environment, regional seismic dynamics, and dynamic instability of roadways were generally investigated. Second, the field multiple-index monitoring measurements for detecting the deep delamination of the roof, convergence deformation, bolt-cable load, acoustic emission (AE) characteristic parameters, total AE events, AE energy-releasing rate, rock mass fracture, and damage were arranged. Finally, according to the time-space-strength relations, a quantitative assessment of the influence of rock-mass damage on the dynamic roof instability was accomplished.     

开采扰动区(EDZ)内层状围岩变尺度损伤及失稳预计实验及综合分析

在地下开采中常遇到层裂影响围岩力学行为,考虑到安全支护载荷及衍生动力灾害的可能性及工程应用,基于现场工程调查和室内多尺度煤岩动力破坏规律实验观察,建立了物理相似模型,完成了基于声发射(AE)的采空区覆岩变尺度损伤与断裂的模拟实验,对开采扰动区工作面周期来压(4个阶段)、围岩破裂与损伤的声发射特征参数(总事件与能率以及隐含的临界敏感性)等多元信息进行了综合比较,获得了老顶来压强度及支护阻力的定量化指标,这为工程现场EDZ内顶板大范围破断、围岩稳定性、破碎岩体失稳垮落等监测与控制提供依据。     

基于支架-围岩力学场的综放面支架变形研究

针对极软厚煤层综放工作面支架-围岩相互作用关系,通过数值模拟计算,研究了基于支架-围岩力学场的支架受力和变形特征.通过对顶梁受力、位移等力学现象的动态分析,可以看出围岩对支架的作用是一个渐变的过程.研究得出极软厚煤层综放开采不同支架参数对支架变形的影响,提出了轻放支架架型设计的基本原则.图8,参10.     

王洼矿区软岩回采巷道破坏机理分析

在现场调查的基础上,对巷道的表面变形和深部围岩变形规律进行了监测,分析了王洼矿区软岩回采巷道围岩变形与破坏机理。监测表明:煤层开采深度较大,围岩变形情况复杂,因现有的锚网支护条件下围岩不能保持平衡,难进入稳定状态,满足不了该条件下的围岩变形,采用锚棚联合支护后最终进入稳定。原支护主要是没有考虑到软岩全煤巷道裂隙发育,锚固长度对锚固支护的有效性差的特点,采用锚棚联合支护或加长锚固能够有效控制巷道的变形和破坏。     

影响巷道顶板稳定的关键块体的受力分析

针对巷道开挖后,围岩体中成因各异、种类不同的弱面将巷道围岩体分割成不同几何形状、不同尺寸的块体,且部分块体暴露在巷道的临空面上,由于相互摩擦及挤压形成不稳定平衡。其中某关键块体的受力、结构形状以及裂隙弱面的强度性质决定该巷道顶板的变形及稳定性。针对该关键块体可能的组合运动趋势(滑动、倾倒),用矢量分析理论给予受力分析,给出了巷道稳定平衡的条件,为完善巷道支护提供了理论依据,并在实践中得到应用。     

急倾斜煤层煤岩变形局部化特征现场监测

急倾斜煤层开挖扰动区煤体动态变形具有明显局部化特征,易诱致动力学破坏。以大洪沟矿巷道动压防治为目标,通过煤岩局部化变形指标分析,室内测试、现场光学观测和表面变形监测等方法,定量分析了动压巷道两帮和顶板不同深度的侧向与垂直变形及演化特征。结果表明:巷道局部化变形差异性显著,在两巷交汇区域,B3巷道最大侧向变形达0.5 m,顶板最大垂直变形达0.6 m.确定动压破坏严重区域范围为15.0～20.0 m.这为现场灾害预测和调控提供判据。     

锚网锚索支护技术在综采工作面大断面切眼的应用

根据现场工程地质条件调查分析、岩石物理力学特性和复合顶板大断面综采切眼围岩力学变形机制及其转化研究，提出了复合顶板综采工作面巷道锚网锚索耦舍支护设计方案。施工结果证明其在技术上是可行的，安全上是可靠的，经济上是合理的。     

裂隙岩体巷道顶板失稳的块体力学分析与支护强度设计

受完全切割性裂隙影响的地下岩体巷道顶板失稳问题具有与众不同的显著特点,由贯通性构造裂隙切割形成的块体结构形状以及裂隙弱面的强度性质决定着顶板的变形破坏过程和支护强度确定.应用关键块体的力学基础理论,研究了顶板岩体常见的"楔形块体"和"六面体块体"失稳准则和滑动力大小,由此探讨了该条件下合理支护强度参数的设计确定,用2个现场实例证明了该设计方法的实用性.图5,参6.     

Comprehensive evaluation of high-steep slope stability and optimal high-steep slope design by 3D physical modeling

High-steep slope stability and its optimal excavation design in Shuichang open pit iron mine were analyzed based on a large 3D physical simulation technique. An optimal excavation scheme with a relatively steeper slope angle was successfully implemented at the northwest wall between Nos. 4 and 5 exploration lines of Shuichang Iron Mine, taking into account the 3D scale effect. The physico-mechanical properties of rock materials were obtained by laboratory tests conducted on sample cores from exploration drilling directly from the iron mine. A porous rock-like composite material was formed for the model, and the mechanical parameters of the material were assessed experimentally; specifically, the effect of water on the sample was quantitatively determined. We adopted an experimental setup using stiff modular applied static loading to carry out a visual excavation of the slope at a random depth. The setup was equipped with acoustic emission (AE) sensors, and the experiments were monitored by crack optical acquirement, ground penetrating radar, and close-field photogrammetry to investigate the mechanisms of rock-mass destabilization in the high-steep slope. For the complex study area, the model results indicated a clear correlation between the model's destabilization resulting from slope excavation and the collected monitoring information. During the model simulation, the overall angle of the slope increased by 1-6 degrees in different sections. Dramatically, the modeled excavation scheme saved over 80 million tons of rock from extraction, generating enormous economic and ecological benefits.     

粒径对破碎岩石力学性质影响模型试验研究

地下开采诱发顶板冒落的破碎岩石力学性质直接影响上覆岩层的移动规律。针对破碎岩石力学性质的研究,往往采用理论分析结合室内试验的方法,而室内试验的结果往往与真实现象之间往往存在尺寸效应,并不能直接应用到生产指导中去。本文采用模型试验的方法,对冒落带破碎岩石进行缩尺,利用自主设计的破碎岩石压实仪进行破碎岩石力学特性试验,得到4种不同粒径下碎石压实试验的应力–应变关系,分析岩石块径、压实应力对碎石压实力学特性的影响。研究结果表明：极限轴向应变随粒径的增大而增大,并且增长速率逐渐减小;岩样粒径越大应变增长率越大,所有岩样变形初期的应变增长率大于后期应变增长率;初始切线/割线模量随粒径的增大而减小,降低速率也逐渐减小,随着轴向应力的增大,割线/切线模量受粒径变化影响越大;轴向加载应力相同时,粒径越大的岩样压实度变化越明显,随着应力的增大,压实度呈对数增长。