构造应力与采动损害关系的数值试验研究

采用岩石破裂与失稳分析系统（RFPA），对不同构造应力条件下煤矿区地表环境损害特征进行数值试验，结果表明：处于伸展构造背景下的煤矿区，煤层覆岩受到拉张构造应力作用，在煤层开采过程中，覆岩运动、变形和对地表地质环境的损害相对比较强烈；而处于挤压构造应力作用下的煤矿区，覆岩运动、变形及其对地表地质环境的损害相对较弱，或表现滞后。     

基于声发射的岩石疲劳损伤演化

通过砂岩试件疲劳破坏的声发射实验,分析了砂岩疲劳破坏过程的声发射特性,研究了岩石的疲劳损伤演化规律.按岩石整个疲劳过程的声发射特征及损伤演化规律,并参考岩石不可逆变形发展的三阶段规律可以将其分为四个阶段.岩石疲劳损伤破坏具有突发性,在岩石失稳阶段损伤加速演化.如果以声发射监测和预测岩石疲劳破坏,在损伤量0.4左右即进入失稳阶段,在损伤量0.3左右即进入失效阶段.     

复杂应力条件下软岩巷道的返修支护

针对魏家地煤矿1070巷道返修工程,分析了复杂应力条件下软岩巷道破坏机理.研究表明,导致1070巷道出现顶板下沉量大、底板严重膨胀、两帮位移大的主要原因是巷道埋深大,构造应力高,采空区矿山压力显现显著.确定锚注锚网联合支护作为1070巷道返修方案.监测结果表明,1070的返修支护方案合理,效果良好.     

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。     

倾斜煤层采动影响下的挤压变形区移动变形特征分析

以重庆南桐矿区为工程背景,通过三维数值模拟方法,对倾斜煤层在三种不同开采宽度工况下上覆岩层移动挤压变形区特征进行了研究。结果表明:采宽由80 m增加到160 m时,煤层与岩层交接处应力变化较小,挤压变形区地表下沉速度较为缓慢;采宽由160 m增加到240 m时,煤层与岩层交接处应力变化非常显著,挤压变形区地表产生明显下沉;不同的开采工况下,挤压变形区沉陷位移都会出现一个峰值,且位于开采区下山方向,挤压变形区沉陷值受水平应力影响较小,走向和倾向方向的沉陷值以该峰值曲线呈中心对称。     

岩石受载记忆的声发射实验研究

在刚性试验机上，对花岗岩试样进行了单轴循环加载试验，分析了试验过程中试样的状态参数、物性参数及声发射（AE）信息的变化规律，得到了四个不同循环加载阶段应力、应变及损伤因子与AE事件累计数的关系，并以Fencity比评判各参数对Kaiscr效应值记忆的准确性和稳定性。结果表明：岩石试样的物性参数（应变、损伤因子）对Kaiser效应值记忆的准确程度和稳定程度均好于状态参数（应力），岩石材料在受压变形过程中，“生的塑性变形是应力记忆能力出现Felicity效应的主要原因。     

基于AE的煤岩破裂与动态失稳特征实验及综合分析

要进行大尺度采空区衍生动力学灾害的准确预测预报，必须进行煤岩破裂与演化为动力学失稳的定量化实验的前期研究。大柳塔煤矿1^-2煤处于厚风积沙、浅埋深、薄基岩工程与地质环境中，要实现6m厚煤层一次全厚开采，采后形成大范围采空区上覆煤岩破裂并演化为动力学失稳，极易诱发衍生灾害。基于对1^-2煤破裂失稳的声发射相关实验，综合分析煤岩破裂声发射总事件、能率与时间的之间的定量关系，包括加载上升阶段、初始破裂阶段、加速破裂阶段、破裂失稳后能量下降阶段与回弹阶段，这有助于确定合理的失稳前兆判据，以期对开采过程中诱发动力灾害的危险源在线辨识及预警提供定量化预报。     

大尺度采空区围岩断裂失稳信号数据挖掘及破坏预测分析

随着监测技术数字化和信息化程度逐步提高，获得的大尺度采空区围岩损伤演化过程，以及包括各种数据格式的图形、矢量等信息量呈数量级增加．将小波变换、固体断裂非平衡统计和神经网络理论用于对非线性采空区围岩断裂失稳信号进行数据挖掘以及综合分析，有利于正确认识和理解采空区围岩体损伤演化的全过程．     

刀具侵入作用下节理岩体位移及应变场演化特征试验研究

为了研究在全断面岩石隧道掘进机(TBM)作用下节理岩体的变形破坏特征,采用DSCM方法,通过对加载过程中试件表面数字散斑图像进行计算分析,获得刀具侵入作用下临界状态不同节理参数(倾角和间距)试件表面的位移场以及应变场分布特征。研究结果表明:节理参数的不同对试件表面位移场和应变场分布有着明显的影响,节理的空间位置控制着试件表面变形局部化特征,进而影响裂纹的扩展模式。试件达到临界破坏状态时,其应变场的分布特征能够很好地反映损伤局部化的特点。     

循环载荷作用时不同实验条件下砂岩的声发射特征实验研究

通过循环载荷作用时不同位移速率、不同上限应力、不同下限应力以及不同水饱和度等实验条件下砂岩的声发射特性实验研究,探讨了循环载荷作用时不同实验条件下岩石的破坏损伤演化规律。研究结果表明,上限应力、下限应力、水饱和度等对岩石在承载过程中所发生的声发射事件数均有不同程度的影响,但位移速率对岩石在承载过程中所发生的声发射事件数的影响似乎不大。     

强开采条件巷道变形破坏与能量转移分析

为进一步研究强开采条件下巷道变形破坏与能量转移特征,采用了RFPA计算软件,对巷道变形破坏及能量传递特征进行分析,研究开采过程中巷道变形破坏规律。研究结果表明,巷道顶部及两端应力集中现象较严重,且随着开采的不断推进,应力值不断增加,在顶部中间部位和两端处易产生裂缝并不断发育,甚至发生局部破坏;从能量释放角度分析可知,随着开挖的推进,能量积聚发生在裂缝发生和扩展区域,也是应力集中部位,当岩体内能量达到材料破坏强度时,材料将发生破坏,表现为拉应力作用下的破坏。数值计算结果可为开采中巷道安全和稳定提供可靠依据。     

地铁线路穿越急倾斜煤层采空塌陷区相似模型试验

地铁线路穿越煤矿采空塌陷区问题为中国首例,因此进行急倾斜煤层开采岩移基本规律和地铁荷载作用下塌陷区及侧壁围岩稳定性研究具有重要意义。运用相似模型试验方法,模拟开采两组急倾斜特厚煤层,并用数码相机记录开采及加载过程中岩层破断及移动形态。试验反映了急倾斜煤层开采中垮落带形态、裂隙带形成与发展和地表移动特征等共性;此外,分别以顶底板移动角、边界角,表土层移动角、边界角参数计算煤层开采覆岩破坏边界范围,并以此划分不稳定区、基本稳定区和稳定区;考虑地铁及建筑荷载下,塌陷区破断岩体有闭合压实现象,地表最大下沉量为4~5 cm,顶板侧壁不稳定围岩最大离层量2 cm。所得结果对指导现场地铁线路穿越煤层采空塌陷区具有一定的参考意义。     

梯度加载下岩爆试验的声发射特性

为了研究岩爆过程中声发射特性参数与岩爆破坏的关系,通过自主研发的岩爆模型试验装置,对大尺寸(1 000mm×600mm×400mm)试件进行岩爆模型试验。采用声发射监测装置,获取了不同加载梯度下岩爆模型试验过程中的声发射监测数据。结果表明:梯度加载过程中,试件的声发射事件数及能量在不同加载时刻有所不同,表现为极大的梯度变化;加载初期,声发射信号极少,岩爆瞬间突变增大,试件集聚的能量越大,更易发生瞬间强烈的岩爆现象;声发射定位点能够反映试件内部裂纹的动态演化过程,梯度加载过程中,声发射定位点的分布及数量能够直观展现岩爆破坏的程度。     

煤层巷道预排瓦斯带的流固耦合效应数值模拟

针对在研究本煤层瓦斯涌出规律时,没有准确方法确定煤层巷道预排瓦斯带宽度的问题,基于瓦斯渗流和煤岩变形理论,建立含瓦斯煤岩体瓦斯渗流方程和煤岩巷道变形场方程,确立了煤层巷道预排瓦斯带流固耦合数学模型,以沁水煤田综掘煤层巷道作为实例进行数值模拟计算,研究得出含瓦斯煤岩巷道损伤的时空演化规律.提出基于示踪原理的实测煤层巷道预排瓦斯带宽度的方法,实测考察与数值计算结果具有一致性.研究提出的方法能够解决煤矿工作面瓦斯涌出量预测精度问题.     

动荷载作用下采空区地基稳定性分析

安太堡露天矿东北角的井阳煤矿开采造成了大面积的地下采空区,为避免施工设备陷入采空区,须研究地面施工时动荷载对采空区的影响。本文按照时间顺序把该采空区划分三个区域,通过数值模拟计算分析了在动荷载作用下采空区内的变形、塑形破坏和应力分布状况,并对采空区上方施工安全性作出评价,最后提出采空区地基的处治对策。     

西山隧道1号竖井煤层采空区治理

太古高速公路西山隧道1号竖井穿越龙池煤矿采空区。针对龙池煤矿开采范围广、开采无规律等特点,叙述了此类煤层采空区的治理工作。     

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.     

基于应变理论在采空区管道失效分析中的应用

长输油气管道下伏采空区是一类复杂的管-土耦合作用问题,由于采空塌陷作用造成的地表变形给管道安全评价带来了特殊的困难。针对采空区空间位置的变化和不同的开采工况,采用基于应变理论的Ramberg-Osgood本构关系,建立采空塌陷区油气管道的有限元仿真计算模型,分析不同开采条件下管道的变形规律,讨论采用基于应变和基于应力两种不同理论对采空塌陷区管道失效判据的影响。结果表明:管体应变与采深H呈负相关,与采厚M呈正相关;采深采厚比H/M一定时,采深对管体应变的影响更大,多层重复采动方式更容易引起管体发生较大的变形;采用基于应变设计理论作为管道失效判据,可充分发挥管道的抗大变形能力。     

诱导冒落的声发射特性研究

采用RFPA软件,模拟不同应力场、不同节理分布的岩体冒落过程中声发射特征.研究表明:水平节理顶板声发射集中分布于采场上拱角处;竖向节理顶板声发射沿着竖向损伤破坏面和剪切破坏面分布;共轭节理顶板声发射沿着空区与水平面呈45°+φ/2方向,位于节理端部;高应力岩体声发射沿着采场竖墙发生,声发射沿着冒落拱形迹线分布.冒落过程声发射的能量变化分为两个阶段,第一阶段为平稳阶段,第二阶段为突变阶段,结果表明突变阶段的能量变化率为第一阶段的5倍以上时,可作为顶板冒落的判据,为工程预测塌陷及冒落提供指导.     

高等级公路下煤矿采空区注浆处治效果分析

大量的实践证明,煤矿采空区残余变形期长达几年甚至几十年,其残余移动变形会对高等级公路的正常运营产生影响。目前对高速公路下的采空区的处治方法一般为钻孔注浆,但是如何有效地判断注浆的效果,目前还没有一个统一的标准和具体的方法。文中结合采空区的具体特征和注浆的数据资料,通过对山西某高等公路下煤矿采空区处治过程中的注浆实践分析研究,提出通过计算采空区未密实等效高度和注浆量等效高度可以对采空区治理的效果进行分析评价。