煤层水仓围岩变形破坏特征及控制技术研究

矿井永久硐室作为矿井重要设施,硐室围岩的长期稳定对于煤矿安全生产至为关键。针对益东煤矿煤层中央副水仓围岩失稳大变形难以控制的技术难题,梳理了副水仓硐室围岩现场变形破坏特征,建立UDEC数值计算模型,反演分析了原始混凝土砌碹支护下硐室围岩应力、裂隙发育程度、变形破坏特征,综合分析了副水仓硐室围岩变形破坏机理。结果表明:原始支护强度低、支护系统不协调、底板膨润土遇水膨胀是围岩大变形难以控制的主要原因。结合现场实际条件及数值模拟反演结果,提出了一种“注浆加固+锚杆、索+反底拱”联合支护技术应用于返修实践。现场监测表明:返修后45 d内,两帮收敛量最大为55.8 mm,顶底板移近量最大为46.5 mm,满足副水仓硐室安全使用要求,确保煤矿安全生产。

煤矿实测地应力与埋深关系的回归统计与分析

为深入研究煤矿地应力与埋深的关系,以“中国煤矿应力环境数据库”为数据统计来源,经过数据的转换和筛选,最终选取1147组地应力数据作为研究对象,采用数理统计和力学的方法重点对主应力、三向侧压比、水平剪应力等参数随埋深的变化进行了分析。研究结果表明:(1)1147组实测数据中,逆断型应力状态(σ_(H)>σ_(h)>σ_(V))占25%,走滑型应力状态(σ_(H)>σ_(V)>σ_(h))占55%,正断型应力状态(σ_(V)>σ_(H)>σ_(h))占20%;中低应力区数据较多,占65%以上。煤矿井下三向应力在埋深0~148 m时,为逆断型应力状态;在埋深148~1089 m时为走滑型应力状态;埋深超过1089 m时为正断型应力状态。(2)埋深越小,侧压比分布越离散,取值越大;埋深越大,侧压比越小并最终趋于固定值,平均主应力侧压比K_(av)趋近0.6,最大主应力侧压比K_(H)趋近0.8,最小主应力侧压比K_(h)趋近0.4。(3)K_(av)=1时对应的煤矿“临界深度”为329 m,即平均水平主应力与垂直应力相等时对应的埋深为329 m。(4)得到了水平剪应力相对大小μ_(m)随埋深变化的拟合公式,μ_(m)主要集中在0.15~0.35,平均为0.25左右;μ_(m)值越大,断层越容易滑动失稳,μ_(m)超过0.35的煤矿区域应重点监测其大型断层的稳定性。

煤矿井下地质构造对地应力场影响的研究

通过构建煤矿区三维地质模型,采用有限差分数值模拟软件FLAC^(3D)研究了煤矿井下地质构造对地应力分布的影响。结果表明:向斜构造和断层带均对地应力分布产生了比较大的影响。其中,向斜构造核部是水平应力集中区,并且煤层顶底板相比煤层内部应力集中程度更大。断层核心带由于岩体松软破碎,成为应力松弛区,不利于水平应力积累;但在断层两端部产生应力集中区,从断层中部到断层端部再到远离断层区域地应力场呈现“小-大-原”的分布趋势。

我国煤矿井下地应力参数数据库的开发和研究

搜集了我国煤矿井下1 357条地应力测量数据,其中水压致裂资料951条,应力解除资料406条,在此基础上建立了我国首套煤矿井下地应力参数数据库系统即"中国煤矿应力环境数据库";重点阐述了数据库系统的基本结构,包括基本数据类型、数据主要来源、数据库系统的框架和特点、地应力数据的展示(地应力分布图)等。

基于Rhino精准曲面建模的常村煤矿原岩地应力场反演方法

选取潞安矿区常村煤矿+470 m水平煤岩层为模拟研究对象,基于Rhino精准曲面建模软件构建三维地质曲面模型,通过有限差分数值模拟软件FLAC3D进行了常村煤矿原岩地应力场的计算和反演。研究结果表明:利用Rhino建模软件可以比较精确地对煤矿区的地质模型进行构建,以曲面代替岩层更加真实地反映了煤矿井下地层的实际分布情况,褶曲等地质构造可以被真实体现,原岩地应力场的数值模拟反演结果更加准确可靠;大型地质构造区域原岩地应力场与其他区域有较大的差异,向斜轴部原岩地应力场集中程度最大,从断层中部到断层端部再到远离断层区域地应力场呈现"小—大—原"的分布规律。通过对比常村煤矿现场实测的17个地应力测点量值与地应力反演量值,两者均显示,常村煤矿+470 m水平煤岩层内部最大主应力稳定在12 MPa左右,最小主应力稳定在6 MPa左右,垂直主应力稳定在9 MPa左右,属于走滑型应力状态,地应力实测和地应力反演具有高度的一致性。

煤岩体定向圆形孔楔形切槽水力压裂起裂分析研究

为了研究煤矿井下水力压裂初始裂纹起裂条件和起裂方向,在线弹性断裂力学的基础上,建立了圆形孔楔形切槽水力压裂断裂力学模型,模型切槽长度与钻孔直径接近,综合计算分析了水力压裂裂纹尖端应力强度因子。根据切槽尖端应力强度因子,运用复合型裂纹脆性断裂的最大环向拉应力理论,分析了裂纹在地应力场以及高压水下的起裂条件和起裂方向,给出了相应的计算方法。结合古书院矿15号煤的岩石力学参数和地应力场数据,计算出裂纹起裂压力17.6MPa,起裂角度12.8°。并且在古书院矿153303工作面进行了现场工业性实验,现场实际起裂压力与理论计算结果比较接近,从而验证了理论分析的可行性。