五阳矿西部扩区建筑物下压煤二次条带开采研究

针对五阳矿西部扩区建筑物下压煤资源需迫切回收的技术难题,结合五阳矿西部扩区的地质条件和条带开采实际,采用理论分析和数值模拟的研究方法对二次条带开采的可行性进行了系统研究,提出窄煤柱沿空掘巷的二次条带开采方案.结果表明:在条带开采地表移动变形稳定后对遗留煤柱进行二次条带开采是可行的;二次条带开采合理的采宽为40 m,留宽为55 m;二次条带开采后地表移动和变形值增大,但对建筑物的损坏仍然处于Ⅰ级损坏之内,遗留煤柱仍能长期保持稳定.二次条带开采为建筑物下压煤开采寻求到一条新途径.     

软岩矿井建筑物下特殊开采的可行性研究

以龙口市洼东煤矿蒂带开采的地质采矿条件为依据,建立了岩体蠕变的粘弹性力学模型,确立了其蠕变参数,利用ANSYS的三维立体模型对同一工作面务带开采不同采留宽度条件下的地表下沉和力学效应进行了数值模拟计算,分析了煤柱及其围岩的稳定性和安全性,提出了软岩矿井建筑物下条带开采的合理采留宽度,从而论证了软岩矿井建筑物下特殊开采的可行性,为决策者进行采矿活动提供了科学的依据。     

条带法开采控制地表沉陷的新探讨

本文以相似材料物理模拟、有限元数值模拟和力学分析为手段;对条带法开采控制地表沉陷进行了深入的研究.揭示了条带法开采顶板岩层的破坏过程、破坏形态、破坏范围及整个覆岩体的移动与变形规律,特别是对波浪状下沉在覆岩中的传播机理和传播高度进行了较深入的探讨.给出了覆岩中波浪状下沉传播高度与条带采留宽度尺寸之间的关系和条带法开采地表下沉系数的表达式.划分出了条采覆岩破坏的三个影响带.在此基础上,提出了控制地表沉陷条带来留宽度设计所遵循的三个原则:即地表允许变形原则,煤柱稳定性原则和回采率原则.根据这三个原则,得出了条带采留宽度合理尺寸新的确定方法.所得结论对条带开采设计具有指导意义.     

非均匀条带开采煤柱稳定性及地表变形规律分析

采用理论分析及数值模拟相结合的方法,分析了非均匀煤柱条带开采中的煤柱稳定性及地表变形规律,并与常规均匀条带开采进行对比。结果表明:条带开采中,煤柱受力存在明显的不均匀性,最中间的煤柱受力最大,两侧煤柱受力较小,塑性区宽度也稍小于最中间煤柱。随着最中间煤柱宽度的增加,所受应力逐步降低,煤柱弹性承载区面积逐步增大,煤柱的稳定性增加。从系统论的观点出发,要提高整个煤柱系统的稳定性,可以提高最容易发生失稳破坏的最中间煤柱的稳定性。同时,地表沉陷值从480mm减少为420,400mm,煤柱的冲击倾向性也降低。因此,非均匀煤柱条带开采有利于提高煤柱承载系统的稳定性,减少地表沉陷及冲击地压的发生。     

条带煤柱开采动压现象预测与防治技术研究

针对3200采区条带煤柱工作面的开采,分析了条带煤柱面开采动压现象的成因,通过数值模拟和现场实测掌握了矿压的基本参数,进行了条带煤柱面动压影响下围岩变形破坏和能量积聚规律的研究分析。     

条带开采保留煤柱宽度和采出宽度与地表变形的关系

应用条带开采进行建筑物下压煤开采,除保证留设煤柱要有足够的强度和稳定性,开采宽度不超过上覆岩层所形成稳定结构(托板、平衡拱、梁等)极限宽度外,条带开采还应保证地表不出现波浪型下沉盆地。以概率密度函数法为基础,从开采沉陷的角度分析了条带开采煤柱宽度、采出宽度和地表变形的关系,得出了条带开采煤柱宽度和采出宽度的最佳匹配计算方法,对条带开采地表移动和变形控制具有一定的借鉴意义。图6,参10。     

上山保护煤柱应力传递规律解析

为研究煤层下行开采过程中上山保护煤柱应力传递规律,防治深部开采中煤柱支承压力向下传递形成应力集中引起的动力灾害,采用理论分析和数值模拟方法,基于弹性力学原理推导上山保护煤柱应力传递规律函数,并应用于某矿煤柱应力传递;运用FLAC~(3D)数值模拟某矿1~#煤层遗留煤柱对2~#煤层巷道掘进的影响.研究结果表明:上山保护煤柱力学模型包括大煤柱和小煤柱2个部分,煤柱垂直应力传递具有扩散和衰减作用;2~#煤层处于煤柱下方时,煤体应力为19.93～22.39 MPa,垂直应力增量峰值为3.13 MPa,高出原岩应力13.6%,增大了动力灾害发生的危险;煤柱对2~#煤层影响范围为进煤柱前100m到出煤柱后100m.研究结论揭示了上山保护煤柱垂直应力传递规律,有助于防治由煤柱支承压力集中引起的动力灾害.     

基于扰动状态概念的煤蠕变本构模型

针对煤矿井下条带法开采留设的煤柱在覆岩压力作用下随着时间推移易发生蠕变现象,考虑到传统蠕变模型难以描述煤体蠕变各个阶段的损伤特性,基于扰动状态概念的理论,选用Kelvin模型描述材料的相对完整状态,将Burgers模型中的黏壶元件用非线性黏壶元件代替描述材料的完全调整状态,引入Weibull分布函数,选取以时间为自变量的扰动因子函数,建立了以扰动因子为权函数的煤体蠕变全过程的本构模型.同时,利用煤样室内蠕变试验数据对基于扰动状态概念下煤体的蠕变模型参数进行了辨识,验证了该模型的合理性,且相对于传统模型有较好的协调性,能够更有效地描述煤体的初始、稳定和加速蠕变阶段的蠕变规律.     

局部薄弱煤柱影响下临近煤柱应力分布规律研究

为了研究采空区煤柱—顶板结构安全稳定性,以白羊岭煤矿留煤柱开采为例,借助前期研究已建立多煤柱—顶板结构简化为连续梁力学模型,根据煤柱与顶板变形协调关系进一步建立了局部薄弱煤柱影响下相邻煤柱竖向应力分布函数,推导了局部煤柱承载力衰减影响下临近煤柱竖向应力分布计算公式,研究了煤柱—顶板结构荷载传递规律。结果表明:煤柱内部竖向应力分布理论计算结果和数值模拟结果较为吻合,但在煤柱外侧竖向应力相差较大;3#煤柱承载力由q0l衰减为q0l/2时,两侧相邻煤柱承载力增加了11q0/32,顶板和围岩共同分担了剩余的竖向荷载21q0/32;煤柱承载力的衰减,不但对临近其他煤柱形成了应力传递效应,同时转移的荷载增量对顶板稳定性威胁更大。     

基于颗粒流程序的非定常西原体模型

为实现岩石试样蠕变全过程的准确模拟,并从细观角度探究蠕变过程中微裂隙的发生和发展规律,在二维颗粒流程序(PFC2D)中开发出具有黏弹塑性特征的西原体流变接触本构模型,进一步提出包含两种非定常元件的非定常西原体模型,推导了模型本构关系和蠕变方程.在PFC2D中调用自定义西原体流变模型,通过参数调试,获得与真实试样具有相同强度特性的数值试样.以室内单轴压缩蠕变试验数据为基础,在Matlab中对模型非定常参数进行拟合反演分析.在此基础上,进行单轴压缩蠕变试验的模拟,计算过程中分别采用定常和非定常两种模型,并对微裂隙进行监测.对比分析结果表明:定常模型仅适用于衰减和稳定蠕变阶段;非定常模型也可用于描述加速蠕变阶段,从而准确模拟蠕变全过程;加速蠕变阶段主要是由微裂隙的加速发展而产生,加速蠕变将导致试样剪切破坏.     

基于损伤力学的砂岩蠕变模型研究与参数辨识

在Burgers模型的基础上,应用损伤力学的原理,通过引入3种不同的损伤变量演化规律,建立了改进Kachanov蠕变损伤模型、应变控制蠕变损伤模型和统计损伤模型,模拟向家坝砂岩三轴蠕变试验,并进行模型参数辨识及参数敏感性分析.3种蠕变损伤本构模型都能够较好地模拟蠕变全过程曲线,且各模型对曲线的模拟有着各自的特点.对比分析各个蠕变损伤模型,说明了提出的3种蠕变损伤本构模型都能够很好地反映砂岩的流变特性,但相比而言统计蠕变损伤模型更具有优势.本文研究为岩石工程的长期稳定性分析提供了理论参考.     

改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型研究

一般情况下,岩石蠕变分为3个阶段,即衰减阶段,稳态阶段及加速蠕变阶段,目前用于描述岩石蠕变的传统元件虽然可以较好地模拟蠕变的前两个阶段,但是对岩石蠕变第3个阶段的模拟效果并不是很好.因此,本文在Poyting-Thomson模型的基础上,引入一种非线性流变元件并对其进行改进,将改进后的元件与Poyting-Thomson模型进行串联,形成四元件流变模型,该模型不仅能够较好地模拟出岩石蠕变全过程,而且具有结构形式简单,参数较少等优点.然后,本文推导出四元件模型的本构及蠕变方程,并研究加速蠕变阶段的参数辨识方法.其次,利用前人所研究的岩石蠕变试验曲线对本文提出的蠕变模型进行参数确定及模型验证,最后将得出的理论蠕变曲线与试验曲线进行比较,结果表明,本文所构建的四元件非线性蠕变模型具有一定的正确性与可行性.     

基于Burgers模型的流变损伤本构模型

在三维Burgers黏弹性流变模型的基础上,引入基于等效应变的损伤变量,建立了三维非线性流变损伤模型.推导了三维非线性流变损伤模型在三轴压缩下的轴向和侧向蠕变方程,并通过对向家坝砂岩三轴压缩蠕变试验结果的模拟,验证了模型的有效性.结果表明,基于Burgers模型的流变损伤模型,不仅可以反映砂岩的初期衰减和稳态蠕变阶段,而且也可以很好地反映砂岩的加速蠕变损伤过程.     

密集建筑物下首采区条带充填开采方法研究

根据密集群建筑物下首采区煤层赋存的特点,确定采用条带开采采煤方法,同时,采用概率积分法,研究了不同回采率和采煤方法对地表移动特征的影响,采用超高水材料充填开采回收条带煤柱的方法,提高了煤炭资源回采率,为其它类似矿井提供借鉴。     

基于应力和时间双重影响下岩石蠕变模型研究

为了更好地描述岩石蠕变的全过程和表征加速蠕变阶段的变形特性,研究岩石蠕变力学机理并引入弹塑性损伤体,改进广义开尔文蠕变模型,进而构建1个可反映岩石加速蠕变变形特征的弹塑性损伤体蠕变模型,并提出一种确定蠕变模型参数的方法;通过室内三轴蠕变试验计算出不同时间和应力作用下的蠕变参数,分析不同应力作用下蠕变参数与时间关系,揭示蠕变参数劣化的实质和岩石蠕变变形破坏的机理。研究结果表明:当岩石的体积压缩状态转化为扩容状态后,体积模量的绝对值随蠕变应力增大而减小,且随应力水平增大以及时间推移,岩石的蠕变扩容效果越来越明显;而损伤影响程度系数反映了在蠕变变形过程中岩石内部损伤程度,当损伤影响程度系数增大时,岩石内部的损伤程度以及岩石的加速蠕变变形也越大;通过分析蠕变参数在时间作用下劣化规律,验证了该方法是合适可行的,且建立考虑应力和时间双重影响的蠕变模型,也较好地模拟了岩石从衰减蠕变到加速蠕变的变形全过程,同时更加准确地反映了岩石的衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性。     

坚硬顶板煤层条带开采的采留宽度

针对坚硬厚层顶板煤层采用长壁开采容易形成大面积悬顶的问题,根据黑龙江省某矿地质条件,采用理论计算和数值模拟方法,研究了条带开采的合理采留宽度。结果表明,该矿条带开采采出宽度为30 m,煤柱留宽为21.73 m较为合理,条带煤柱稳定性较好。理论计算和数值模拟结果一致,为避免顶板大面积垮落、保护地面建筑物安全和矿井生产安全提供了依据。     

粉质粘土直剪蠕变特性试验研究

以淮南市地区粉质粘土为研究对象,采用分级加载的方式对试样进行了直剪蠕变试验。试验结果表明:剪切应力较小时为衰减蠕变,剪切应力较大时为非衰减蠕变,随蠕变时间的增长,剪切模量在逐渐变小,剪切模量随时间的变化符合幂函数形式。绘制出的剪切应力-应变曲线,在应变为1.4%左右具有明显的转折点,此点所对应的剪切应力值可作为长期强度值的参考值,长期强度值约为短期强度值的77.5%,时间效应对土的内摩擦角影响较小,对粘聚力影响较大。根据本次试验结果,建立了符合本次蠕变试验的本构模型,经验证,该模型能够较好的模拟淮南市地区粉质粘土的蠕变特性。     

煤岩非线性损伤蠕变模型探析

为了研究煤岩蠕变特性,分析前人煤岩蠕变特性实验结果,在广义Kelvin模型的基础上建立了煤岩非线性损伤蠕变理论模型。假定煤岩损伤演化是应力和时间的函数,同时引入非线性硬化函数推导了煤岩非线性损伤衰减蠕变方程和蠕变全过程方程。任意给定方程中材料参数和加载条件,理论得到了煤岩衰减蠕变和蠕变全过程随时间变化曲线,对比前人煤岩蠕变实验结果,验证了用理论模型去研究煤岩的蠕变特性是可行的。     

窄煤柱护巷机理的数值模拟分析

窄煤柱护巷机理的数值模拟分析以沈阳煤业集团红阳矿的"孤岛"工作面为例,基于岩体的渐近损伤模型,应用RFPA程序计算分析了不同尺寸护巷煤柱的变形场和应力场,着重探讨了窄煤柱沿空掘巷的护巷机理.研究结果表明了护巷煤柱宽度对回采巷道的围岩变形有很大的影响,当煤柱宽度为3-5m时巷道最容易维护.     

海陆交互相黏性土蠕变试验与经验模型研究

海陆交互相沉积土是在复杂的沉积环境下形成的,其力学性质与其他沉积土有所区别.针对大连海陆交互相黏性土原状样,采用三轴排水蠕变试验对黏性土的蠕变特性进行了研究,分析了轴向应变、体应变、轴向应变速率与蠕变时间、偏应力间的关系.基于蠕变试验结果,耦合Mesri模型与三次多项式,建立了可以描述土体衰减蠕变与加速蠕变过程的经验模型.结果表明,该地区土体具有典型的非线性蠕变特性,随着偏应力的增加,非线性蠕变特性愈加明显.在低偏应力作用下,蠕变过程表现出衰减蠕变与剪缩特性;在破坏偏应力下表现出加速蠕变与剪缩、剪胀交替特性.轴向应变速率随着蠕变时间的增加而减小,随着偏应力的增大而增大,而偏应力对m值(曲线斜率)的影响较小.试验结果与模型计算结果吻合较好,表明新建模型适用于描述该地区海陆交互相黏性土的蠕变特性.