基于3DEC的块体尺寸及形状对再生顶板稳定性影响模拟研究

为分析块体尺寸、形状对再生顶板稳定性的影响,采用离散元软件3DEC建立不同块体尺寸、形状的再生顶板结构模型,模拟了不同条件下顶板的变形失稳过程。结果表明:顶板冒落系数反映了再生顶板的冒落程度,块体冒落区域呈等腰梯形且冒落仅发生在再生顶板层;再生顶板的失稳是巷道中部及两侧块体开裂导致的;块体高度为0.5 m时,再生顶板稳定的块体长度同巷道跨度的极限比为1∶4;由于横向挤压力的存在,纵向块体尺寸对再生顶板稳定性的影响大于横向;块体截面为三角形、平行四边形时,巷道跨度范围内再生顶板层全部冒落,块体易沿节理面产生滑移;锚杆平均轴力在巷道中部达到最大值。

寺河矿采场覆岩结构及运动规律数值模拟研究

应用"关键层"理论与离散元数值模拟相结合,研究寺河矿大采高综采采场覆岩结构及运动规律,结果表明,顶板离层量的增加、顶板断裂线的前移是大采高工作面覆岩运动的两个特征。

岳家沟隧道塌方机制与数值模拟

过对岳家沟隧道RK74+010处塌方前超前地质预报结果与塌方后揭示的实际围岩情况相比较得出:塌方前的掌子面的地质超前预报结果存在一定的局限性,而与实际塌方后揭示的围岩状况存在偏差,并未发现隐藏在隧道上方的软弱破碎围岩,从而导致施工中人们对该处围岩施加了较低的支护强度,致使在掌子面向前推进的过程中,隧道发生塌方.通过3DEC离散元数值模拟,从塌方处围岩受力及位移特征上分析了岳家沟隧道的塌方机制。

综放开采覆岩破坏特征与导水断裂带高度模拟研究

为了研究煤矿综放开采覆岩破坏规律与导水断裂带高度,通过数值模拟分析了采动覆岩破坏过程,采用理论分析方法建立了直接顶破坏与基本顶砌体梁失稳力学模型,揭示了直接顶与基本顶失稳机制。基于盛泰煤矿15201综放工作面采矿地质条件,研究了不同采高、工作面倾向长度、煤层倾角条件下导水断裂带最大高度。研究结果表明:导水断裂带高度与煤层采高、工作面倾向长度、煤层倾角呈正相关关系;导水断裂带高度数值模拟结果位于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中经验公式计算结果范围之内,验证了该数值模拟模型及岩性参数的合理性。

滕县煤田太原组薄煤层开采覆岩破坏高度及规律研究

滕县煤田下组煤为典型的深埋薄煤层,导水裂隙带发育规律不明显,高度难以预测。为研究滕县煤田导水裂隙带发育情况及覆岩破坏规律,以滨湖煤矿21603工作面为研究对象,采用理论公式与3DEC数值模拟的方法,对采掘扰动后的覆岩破裂高度及规律开展研究,并采用“双端封堵侧漏”实测法进行了验证。3DEC数值模拟通过分析覆岩裂隙发育特征、塑性区变形特征、顶底板应力分布特征以及位移监测,多方位确定采掘扰动对导水裂隙带发育高度的影响。研究结果表明:滨湖煤矿21603工作面覆岩导水裂隙带实测高度为22.98 m,3DEC模拟结果相较于传统经验公式准确率较高,达91.92%,3DEC模拟的多方位分析方法对滨湖煤矿以及滕县煤田开采扰动下导水裂隙带发育高度的预测具有指导意义。

大数量非贯通节理岩体离散元数值模拟实现方法研究

为了研究大数量非贯通节理岩体的力学行为,以3DEC离散元软件为平台,提出适用于数值模拟的连通率定量计算的具体方法,其大小等于非贯通节理面积与切割贯通节理面积的比值。其中,非贯通节理面积可由三维岩体结构面网络模拟技术获取的薄圆盘直径,通过面积计算而得,而贯通节理面积与切割岩体形状密切相关,可分为规则岩体与非规则岩体两种情况。规则岩体由联立方程组进行求解,非规则岩体可根据本文提出的点数据搜索法进行获取。采用案例分析对计算结果进行对比验证,结果显示:所提方法能够实现大数量非贯通节理岩体力学行为的离散元数值模拟研究,采用的点数据搜索方法能够解决规则和非规则岩体切割截面面积求解难题,提高数值模拟效率,并且取得了较为可靠的模拟结果。

近距离煤层群上行开采可行性研究

为研究近距离煤层上行开采的可行性,从具体实例出发,以9#煤层和15#煤层为研究对象,分别通过4种不同理论计算方法进行分析,并结合3DEC数值模拟进行对比验证。结果表明:该矿下位煤层开采垮落带高度远小于上下位煤层层间距,同时下位煤层开采过程中,仅在上位煤层顶底板产生少量微小裂隙,且上位煤层与上覆岩层同步经历“裂隙发育—弯曲—下沉—裂隙闭合—重新稳定”的过程,最终上位煤层的最大下沉量为1.15 m,其完整性未发生破坏,采动后仍保持稳定状态。从而明确了该矿进行15#煤层至9#煤层上行开采的可行性,为其高效开采提供了理论依据。

基于3DEC的多节理顶底板失稳过程分析及应力重新分布研究

为分析多节理顶板失稳过程及应力重新分布规律,采用离散元软件3DEC建立了工作面回采模型,模拟分析了工作面回采过程中多节理顶底板的失稳机理及支承压力、节理法向应力的分布规律。模拟结果表明:多节理顶板的失稳是块体三铰拱结构沿节理面破坏导致的;由于横向挤压力的存在,只有铰点处的节理面才会发生开裂;多节理底板较完整岩体而言,底鼓现象更加明显;顶板发生初次跨落之前,最大支承压力出现位置随工作面推进而距工作面越来越远,最大、最小节理法向应力相对工作面位置基本相同;节理面正应力反映了块体间的相互挤压程度,数值上大于支承压力。

基于MATLAB多元非线性特厚煤层导水裂隙带高度预计

为解决特厚煤层待采工作面导水裂隙带运用现有规程条件难以计算的问题,依据导水裂隙带与各主要影响因素之间的关系,结合正交试验法,构建不同影响因素下的工作面组合方案,利用3DEC软件模拟分析各工作面开采后的最大导水裂隙带高度,将其计算结果运用MATLAB软件进行多元非线性回归拟合,得到特厚煤层综放工作面导水裂隙带高度的计算模型。以大平矿已采工作面导水裂隙带高度监测数据为例,研究结果表明:计算模型预计结果与实测结果的最大相对误差为6.47%,最小相对误差为0%,平均误差为2.93%,误差结果较小,计算模型可用于特厚煤层待采工作面导水裂隙带高度的预计。

浅部矿体开采覆岩运移及导水裂隙带发育高度分析

为研究浅部矿体开采覆岩运移及导水裂隙带发育特征,以红柳矿I020308工作面为研究对象,采用理论试验、数值模拟、理论研究与现场实测方法,分析采动覆岩运移规律以及导水裂隙带发育高度。结果表明:1)覆岩裂隙呈“采场上方裂隙扩张-采空区上方裂隙闭合”趋势,岩块破断呈“下位岩体垮落-上位岩体咬合-叠层同步下沉”趋势,覆岩下沉量峰值达3.268 m。2)导水裂隙带高度发育过程为极缓慢-逐步扩展-迅速发育-增速递减发育;伴随采动影响,含水层水量间歇性释放,采空区涌水量交替增-减且整体呈下降趋势,直至工作面充分采动后稳定,实测导水裂隙带高度为58 m。3)基于矿物成分及微观结构分析,覆岩内富含亲水性黏土矿物且广泛分布粗颗粒,水-岩反应下将加剧裂隙发育,造成理论与实测导水裂隙高度形成误差。

浙东南火山岩矿山边坡整体变形破坏机制及稳定性研究

为进一步探究浙东南火山岩矿山边坡整体变形破坏机制及稳定性,以浙江温州市某海岛矿山边坡为例,在全面调查边坡岩体结构特征和变形破坏特征基础上,结合变形监测结果,分析了此类边坡的变形破坏机制,并运用3DEC离散元程序进行数值模拟验证。结果表明:火山岩矿山边坡的变形破坏主要受自身结构及区域主要结构面产出状态控制;与坡面大角度相交的裂隙多演化为变形侧边界,与坡面小角度相交、倾向坡外的裂隙面或其组合则演化为变形底边界;边坡凸出部位是边坡稳定性的薄弱点,在矿山边坡设计中应尽量减少平面线形的变化,增强边坡整体稳定性。

不同工作面推进速度下上覆岩层运移破坏规律研究

为了实现煤矿安全高效开采,研究了不同工作面推进速度下上覆岩层运移破坏规律。基于煤矿工程概况,采用3DEC数值模拟软件,模拟分析了不同工作面推进速度下上覆岩层垂直位移、顶板的运动矢量、推进速度和上覆岩层应力与位移关系以及不同工作面推进速度下基本顶失稳运动情况。研究为快速推进下采场矿压特征提供了理论支撑。

裕兴煤矿15205工作面“两带”发育高度研究

为保证裕兴煤矿15号煤层的安全回采,准确探测出采煤工作面回采结束后上覆岩层“两带”高度范围,以留设相应的防水安全煤岩柱,采用3DEC数值模拟、双端堵水测漏装置观测和钻孔成像轨迹仪观测等方法,对裕兴煤矿15205工作面“两带”发育高度进行研究,确定了导水裂缝带高度为54.45 m,为裕兴煤矿类似地质采矿条件下地表水体及含水层下工作面开采时提供参考依据。

穿越断层破碎带时隧道掌子面稳定性分析

对于穿越断层破碎带段的隧道,其施工难度大,风险高,在施工中会遇到各种复杂的问题,其中最突出的问题是掌子面的稳定性问题。针对这一现状,文章基于3DEC数值模拟,对穿越断层破碎带掌子面的稳定性进行系统分析,分析不同位置处隧道掌子面的稳定情况,对保证隧道断层破碎带段的施工安全意义重大。

大采高工作面局部煤壁片帮特征及其稳定性控制

为探究大采高工作面局部煤壁片帮特征并提出有效的煤壁稳定性控制措施,通过对工作面煤壁片帮形态的统计,结合3DEC数值模拟研究了大采高工作面推进过程中煤壁片帮特征,并提出大采高工作面煤壁稳定性控制措施。结果表明:大采高工作面煤壁片帮形态主要为煤剪切滑移诱发煤壁破坏、剪切滑移破坏、拉裂破坏、压裂破坏以及板裂破坏,且各片帮形态出现的频率依次较小。采动影响下煤壁较大水平位移分布和片帮范围以工作面中上部为主,大约占据采高的3/4,由上部不断蔓延至中下部,最终贯穿整个煤壁,且不断向煤壁深处延伸,最终大采高煤壁片帮呈现程度大、范围广、深度大的特点。总结并分析了大采高工作面煤壁片帮的12个主要影响因素,并分别从直接可控因素和间接可控因素角度提出大采高工作面煤壁稳定性控制措施。

近距离薄煤层联合开采顶板初次来压研究

西山矿务局官地矿2号煤、3号煤层均属于较薄煤层,两层煤平均距离为6.5m,运用理论计算、数值分析和现场跟踪观测等手段,研究了3318工作面顶板初次破断机理。通过建立力学模型,从理论上计算了顶板初次来压步距为21.4m。采用数值软件对工作面开采进行模拟,发现工作面顶板初次来压步距在20～25m。在工作面开采期间现场跟踪观测表明顶板初次来压步距在22.95m左右。该顶板初次来压研究可为其他类似近距离煤层矿井顶板管理提供一定的参考。

大面积充填体下崩落采矿法覆盖层形成技术研究

针对金川公司低品位矿石由高成本的下向进路充填采矿法转化为低成本的崩落采矿法的开采工艺难题,分析了崩落覆盖层的必要性,采用理论分析以及3DEC数值模拟研究方法,开展了大面积充填体下崩落采矿法覆盖层形成技术研究。结果表明:首采分层出30%崩矿量,第二层出80%崩矿量的设计方案,结合大面积充填体的破坏诱导机制与模式,可以成功形成覆盖层。

锚杆支护对软岩巷道顶板稳定性的提升作用

采用离散元软件3DEC建立了巷道开挖及工作面回采数值计算模型,模拟分析了软岩巷道开挖及工作面回采过程中锚杆支护对顶板稳定性的提升作用及锚杆受力状态。结果表明:巷道开挖过程中,锚杆支护对顶板稳定性的提升程度为66%,锚杆受到的拉伸力较小;工作面回采过程中,锚杆支护对顶板稳定性的提升程度为16.2%,部分锚杆达到极限拉伸力并伴随部分锚杆产生较大变形,并以山西潞安慈林山煤矿巷道开挖为工程实践,验证了锚杆支护对顶板稳定性的提升作用。

薄层状岩体隧道冒顶机制及支护方案优化研究

以山东省临淄—临沂高速公路曹家顶隧道为工程背景,采用三维离散元数值计算软件3DEC建立分析模型,探究薄层状岩体条件下隧道冒顶机理。通过拱顶岩体离层监测及塑性区分析,指出原有锚杆支护体系无法有效控制冒落高度是造成拱顶冒落的根本原因。据此,提出锚索支护方案并进行支护参数优化分析,包括不同锚索长度、顶板锚索根数及边墙锚杆数量比3个参数。通过对数值计算结果进行分析,确定顶板范围内施作5根锚索,长度为5.5 m,边墙锚杆数量比0.5的锚索支护优化方案。选取具有冒顶风险的隧道区间开展锚索支护试验,监测数据显示,试验断面锚索平均轴力值比常规断面同位置处锚杆平均轴力值在拱肩下、拱肩上、拱顶位置分别提高65.1%、31%和8.5%,说明锚索支护体系相比锚杆支护体系可有效控制拱顶冒落。

复杂地质条件下某特大桥陡崖岸坡稳定性关键技术研究

在河谷深切的峡谷区修建特大桥,主塔选址通常受陡崖岸坡稳定性控制。针对某特大桥陡崖岸坡工程地质特点,应用三维激光扫描技术对陡崖发育的结构面进行统计分析,通过室内试验、结合规范法选取了合理的岩石及结构面的物理力学参数,采用3DEC数值模拟对陡崖区卸荷裂隙带、变形破坏模式及规模进行了预测分析。研究结果表明,陡崖前缘30m为强卸荷裂隙发育带,30~50m为弱卸荷裂隙发育带,50m以外岩体完整,主塔应设置在距离陡崖崖口50m以上的区域。