基于地质概化的坚硬厚基岩覆岩裂隙场演变特征研究

精准掌握采动覆岩导水裂隙带演化特征是防止工作面突水灾害发生的重要基础,尤其对于西部矿井高强开采条件尤为重要。以榆树湾煤矿201西翼盘区为背景,以各砂岩层单轴抗压强度、RQD、砂岩层厚度作为系统聚类分析指标提出了厚基岩地质概化方法,系统研究了不同基岩层厚度对导水裂隙带发育高度、裂隙角度、频次、节理应变能演变规律的影响,确定了导水裂隙带高度与节理总应变能的量化关系。研究结果表明:基于地质概化方法模拟所得导水裂隙带发育高度随基岩厚度增大呈现对数正相关增大趋势,且增加速率逐渐减小,该规律通过与邻近矿井实测结果对比分析,验证了其准确性;随着基岩厚度的增大,导水裂隙带内垂直裂隙发育频次显著增大,水平裂隙反之,这表明基岩厚度的增大对导水裂隙带内水平裂纹的萌生与扩展具有一定抑制作用;导水裂隙带发育高度与覆岩能量释放程度密切相关,随节理最大应变能和总应变能的增加呈指数增加特点,且增加速率逐渐增大。

井壁径向极限承载及应力应变模型试验研究

为探究砼井壁径向极限承载及其应力应变关系,基于统一强度理论的井壁径向承载极限解公式,求解得到井壁径向极限承载,考虑混凝土多轴强度特性,对塑性极限解公式进行修正,给出高强砼井壁径向塑性极限承载力的修正公式,提出了砼井壁径向应力应变关系的数学模型.通过试验,理论预测值与试验的最大误差为2.85%,研究成果对井壁破坏的预测有一定指导作用.

西鞍山铁矿深部立井围岩稳定性数值模拟分析

针对西鞍山铁矿辅助井开挖诱致井筒围岩变形破坏问题,以700~1000m深度范围辅助井掘进为依托,运用FLAC3D有限差分模拟软件对竖井开挖过程进行了三维数值分析,阐明了不同深度辅助井开挖诱致井筒围岩变形破坏演化特征,揭示了辅助井掘进过程井筒掘进工作面支护效应下围岩应力及位移释放规律,分析获得了辅助井掘进诱致井筒围岩弹性应变能积聚、迁移与释放演化机理。研究表明:在辅助井开挖过程中,井筒围岩塑性区破坏方式以剪切破坏为主,塑性区范围随着竖井掘进深部的增加不断增加,且最大主应力峰值位置位于井筒围岩弹、塑性区交界处;井筒围岩径向位移随深度呈线性增加,最大径向位移值为90.64 mm,且最小水平主应力方向围岩位移大于最大水平主应力方向;随着竖井掘进深度增加,井筒掘进工作面以上距其2m位置井筒围岩应力释放率达到95%,且井筒围岩径向位移随距井筒掘进工作面距离增加呈非线性增加,并在距井筒掘进工作面24m处径向位移达到最大;受开挖扰动影响,井筒围岩弹性应变能密度呈非线性增加,并根据岩爆判据预测竖井掘进至1050m处井筒围岩存在岩爆发生可能性。

采动影响下井筒安全评估研究

针对升富煤矿周边煤矿工作面开采对其井筒安全影响问题,通过理论分析、现场实测和经验类比相结合的研究方法,划定了井筒保护煤柱范围,分析了工作面正常开采、区段煤柱开采和井筒煤柱压覆区域不开采三种方案下井筒不同位置处的移动与变形情况,提出了井壁采动损害等级、损坏分类及结构处理方法的评价指标分类,评价了采动影响下井筒安全稳定状况。结果表明:3煤01工作面正常开采和井筒煤柱压覆区域不开采两种情况下,主、副斜井不受采动影响,风井分别在距地面[0,50]m范围和[0,41]m范围为Ⅰ级(轻微)损坏,对井筒安全影响较小;若区段煤柱也开采,最不利情况下,主斜井在距井口[0,70]m和(70,250]m范围分别为Ⅱ级(一般)损坏和Ⅰ级(轻微)损坏,风井在距地面[0,33]m、(33,58]m和(58,90]m范围分别为Ⅲ级(较重)损坏、Ⅱ级(一般)损坏和Ⅰ级(轻微)损坏,风井损坏等级最高为Ⅲ级,将影响风井正常使用。

煤矿矿井混凝土井壁腐蚀的调查与破坏机理

为研究煤矿矿井混凝土井壁腐蚀破坏机理,结合黄淮地区井筒破裂实例,采用超声回弹法对井壁过水面、干湿交替面及未过水井壁混凝土进行腐蚀深度及回弹强度的检测,并通过SEM,EDS,XRD对不同深度被腐蚀的井壁混凝土进行微观分析,研究环境介质对水泥石中C-S-H凝胶结构的影响。结果表明:垂深304.8 m至马头门位置的井壁混凝土破坏严重,井壁混凝土的强度由原来的C30降低到10~15 MPa;马头门附近四含水过水面的井壁混凝土受到了溶解性腐蚀,水化产物Ca(OH)2,Aft等基本消耗殆尽,大部分C-S-H已被分解,其主要物相是Ca CO3以及少量的低碱度的水化硅酸钙凝胶;垂深346~430 m过水的井壁外附着黑色糜烂状沉积层,主要是水泥石中C-S-H凝胶碳化生成的无胶凝性的硅胶和结晶度较差的Ca CO3;地下水中的SO2-4和Na+对井壁混凝土的腐蚀主要是膨胀性的化学腐蚀,生成的钙矾石、石膏以及析出的芒硝、石盐结晶体,产生较大的膨胀压力,可导致井壁混凝土胀裂而成片剥落。

深部粘土高压K_0蠕变试验及其微观结构各向异性特点

为研究山东省巨野矿区埋深近700m的巨厚土层中煤矿立井水平地压大小计算方法,本文自行设计了最大固结压力可超过20MPa的高压K0蠕变试验系统。以取自巨野矿区埋深为300～600m的6组原状粘土样为例,进行了固结压力为6,8,10,12,14,16MPa下的K0蠕变固结试验,得到了相应的K0值大小,分析了K0值随深度的变化规律。用扫描电镜图像分析,结合计算机影像分析技术,对同一粘土试样在不同高压固结荷载下K0蠕变稳定后的微观结构进行了分析,发现随着埋深加大,固结压力增加,粘土的微观结构各向异性越明显;并根据这一微结构性变化特点解释了深部粘土K0值宏观变化的本质。

深厚冲积层高强钢筋混凝土井壁力学特性研究

通过实验和理论计算,对在均匀荷载作用下高强钢筋混凝土井壁的力学特性进行分析。实验结果表明:高强钢筋混凝土井壁具有很高的承载力,影响其承载力的主要因素依次为混凝土的强度等级、厚径比和配筋率;在均匀外荷载作用下,混凝土强度提高10MPa,井壁的极限承载力提高4MPa左右,配筋率对井壁的极限承载力影响很小;高强钢筋混凝土井壁结构破裂时,环向钢筋沿破坏面发生塑性弯曲,混凝土破坏面与最大主应力方向的夹角为25°～30°,属压剪破坏。理论分析时,采用线性软化本构模型以及符合混凝土强度特性的Mohr-Coulomb强度准则,推导出高强钢筋混凝土井壁极限承载力的理论计算公式,并且其计算结果得到实验验证。

金属矿山底部结构巷道群开挖扰动稳定性分析

为了研究开挖顺序和布置形式对底部结构巷道群稳定性的影响,借用三维FLAC3D数值计算软件,结合大冶铁矿-180 m阶段底部出矿结构巷道群的工程实例,分析了交叉型巷道群围岩由于不同的开挖顺序而产生不同的应力状态、位移变形以及塑性屈服变化特征;对比了不同布置形式的底部结构在开挖影响下的稳定性.结果表明:交叉型巷道的应力、变形分布与开挖扰动的顺序和布置形式相关,开挖顺序和布置形式不同,巷道围岩的应力、位移变化程度有明显的差别;交替式开挖顺序对底部结构巷道群围岩的扰动程度最小;对称布置的底部结构在施工形成过程中表现的稳定性更高;依据上述研究结论,指导了大冶铁矿底部结构设计和施工顺序,同时对类似矿山具有借鉴意义.

沿空留巷充填体的流变特性分析

将充填体视为黏弹塑性介质,利用最小势能原理,在分析充填体与顶板的相互关系以及充填体受力状况后,建立了考虑顶板刚度及充填体软化与流变特性的分析模型.结果表明:不考虑失稳的时间效应,充填体失稳发生的必要条件取决于充填体内部特性,即几何尺寸、材料性质等;充填体发生流变后其稳定时间随黏滞系数增大而增大,随弹性模量和塑性区宽度的增加而减少.工程中充填材料配比m水泥∶m碎煤∶m水=1∶2.34∶0.81,实测最大载荷7.6 MPa,充填体稳定期为8个月,与理论预计值基本吻合.

附加力和温度共同作用下井壁附加应变变化规律

以华东地区姚桥煤矿老矿主井井壁安全监测系统的实测资料为基础,通过对实测附加应变、井壁温度及地表沉降结果进行综合对比分析,结合井壁受力特点,得出井壁附加应变变化规律。井壁附加应变受竖直附加力和温度共同作用,在数值上表现出正弦波动并逐渐积累的态势,具有明显的周期性和可预见性。

疏水沉降地层中井筒附加力理论分析

根据桩基理论 ,采用广义剪切位移法 ,考虑时间、土性及井深等因素 ,求解出疏水沉降地层中井筒附加力的理论解 ,得到疏水地层井筒附加力的大小和分布规律 。

深埋软岩巷道破坏机理与控制技术研究

基于闫布煤矿主下山巷道的地质条件和破坏特征,分析了巷道围岩变形破坏机理,提出了巷道围岩稳定性控制对策及支护备选方案。采用数值模拟方法对5种不同方案进行了优化选择和耦合设计,提出了由初次高性能锚网喷支护、二次注浆及底板锚注支护形成的耦合支护方案,并给出了详细的技术参数。通过耦合支护进行修复加固,可实现与巷道围岩的共同承载,提高支护结构的整体性和承载能力。工程试验结果表明:该耦合支护技术有效地控制了巷道变形,技术经济效益十分显著,为矿井的安全高效生产创造了条件。

软岩大断面硐室动态施工与耦合支护技术研究

基于软岩大断面硐室的地质条件和破坏特征,采用FLAC3D软件分析了硐室围岩力学形态变化特征与破坏机理,结合软岩大断面硐室稳定性控制理论,提出了由初次高性能锚网喷支护、二次注浆及底板锚注支护形成的耦合支护方案,并给出了详细的技术参数。通过耦合支护技术,实现了硐室围岩的共同承载,提高了支护结构的整体性和承载能力。工程试验结果表明:该耦合支护技术有效地控制了硐室变形,满足了软岩地层条件下大断面硐室的支护要求,取得了较好的技术与经济效果。

矿井冲击地压分类、机理和预测预报研究进展

本文综述了近几十年来矿井冲击地压的分类和发生机理理论的研究进展,对矿井冲击地压预测预报与防治方法做了简要说明,介绍了国内外学者在预测预报方面的先进经验,指出了矿井冲击地压今后的研究重点。

岩盐溶腔顶板稳定性分析及其控制

岩盐水溶开采溶腔顶板稳定性及其控制的研究对保证卤井的安全生产和生产效益,对岩盐溶腔储备库的建造和使用都具有十分重要的意义.为此,分析了岩盐溶腔顶板动态平衡过程及失稳发展机制,并利用突变理论研究了岩盐溶腔顶板失稳机理,探讨了溶腔顶板稳定性的影响因素,从而为溶腔稳定性控制打下一定的理论基础.

竖井开挖过程的FLAC^(3D)数值模拟

针对山西某矿竖井开挖过程中的变形和破坏问题,以该矿竖井检查孔资料为地质背景,以地下300~400 m地层为研究对象,基于有限差分软件FLAC3D对竖井开挖过程进行了三维数值分析,分别计算出未开挖前和每步开挖3 m后的应力和位移状态,进行井筒侧壁和底部变形规律的研究。数值计算结果表明:该竖井在开挖过程中底鼓的竖直位移最大值出现在开挖深度约为60 m处的低强度砂质泥岩,竖直位移最大值为12.99 mm;竖井开挖过程中侧壁变形在泥岩段明显大于砂岩段,侧壁变形的最大位移出现在开挖深度24 m的泥岩处,水平位移最大值为2.48mm。在泥岩和砂岩接触部位易出现应力集中,建议在泥岩和砂岩分界处和泥岩段的井壁提高永久支护的强度。研究结果对该矿竖井的开挖具有较重要的参考价值。

坚硬顶板弱化技术综述

针对坚硬顶板的特点,归纳总结前人控制该类顶板的工程实践经验和实验成果,提出了高压注水和预裂爆破两个弱化顶板的措施,可为具有该类顶板的矿井在顶板控制方面提供一定的参考和借鉴。

考虑岩体中间主应力效应的竖井稳定性分析

采用统一强度理论对岩体中圆形竖井的稳定性进行了研究。导出了竖井稳定性的判据和极限深度的算式,利用所得的公式探讨了岩体的拉压强度差效应和中间主应力效应对竖井极限深度的影响。结果表明,当考虑岩体的拉压强度差效应和中间主应力效应时,竖井的极限深度将明显提高。

不均匀侧压力对井筒受力的影响分析

立井井筒所受的水平侧压力沿井筒周边分布的不均匀性导致井筒井壁可能出现拉应力,这对混凝土井壁来说是很不利的,因而有必要求解分析井筒的受力状况。论文通过对井筒的弹性分析,判断不均匀受压下井壁的受压受拉状态,推导了井壁刚好不出现拉应力时井壁厚度的计算公式。

煤矿长斜井井筒外荷载特征研究

采用地压平衡条件和应力坐标变换的方法,对煤矿长斜井井筒外荷载演化规律进行理论分析,建立了圆柱坐标系下的斜井井筒外荷载计算模型。斜井井筒受有径向荷载、环向和轴向剪切荷载等三类荷载。径向荷载、轴向剪切荷载对称于Y轴,环向剪切荷载反对称于Y轴;三类荷载在井筒两帮均为最小,其中剪切荷载为零,径向荷载等于相应垂深立井井筒水平侧压力;在环向角45°和135°两个斜对称轴位置,环向剪切荷载达到最大;轴向剪切荷载以断面水平轴呈上、下反向分布,即水平轴以上方向向下、水平轴以下方向向上。在工程常见的倾斜角0°~30°范围内,外荷载随倾斜角几乎呈线性增加;井筒外半径b对荷载的影响较小,可以忽略。