建筑荷载下浅埋长壁老采空区地表移动变形规律与机理

针对采煤塌陷地新建建筑物时老采空区覆岩活化运动导致地表移动变形并威胁建筑物安全的问题,现场勘测和物理模拟分析了浅埋长壁老采空区覆岩长期状态,数值模拟研究了建筑荷载作用下浅埋长壁老采空区地表移动变形规律,探讨了建筑荷载作用下浅埋长壁老采空区地表移动变形机理。研究结果表明:采空区边界覆岩不稳定区域在采空区封闭后长期存在;相似物理模拟实验中,煤柱长期承载失稳破坏后,煤柱支承区高度增加、宽度增加了32.5%,矸石压缩区高度增加、宽度增加了80.4%,煤壁支承区高度增加、宽度增加了67.2%,侧向裂隙区高度增加、宽度减小了23.3%。当新建建筑物位置不变时,随着荷载的增加,地表移动变形量和范围也增加。各加载位置中,侧向裂隙区地表新建建筑物导致地表移动变形量突增的荷载阈值最小,建筑物高度阈值为18层,与建筑物高度12层时相比,地表最大下沉量增幅为91.4%,地表最大水平移动量增幅为62.1%。当新建建筑物位于侧向裂隙区上方时,由于侧向裂隙区内部不稳定结构多,且建筑荷载下侧向裂隙区中关键块出现回转和滑落失稳,覆岩下沉量大,此时地表移动变形量最大;当新建建筑物位于煤柱支承区上方时,煤柱在建筑荷载作用下继续产生塑性变形,覆岩下沉量较小,此时地表移动变形值次之;当建筑荷载作用于煤壁支承区时,煤壁在建筑荷载作用下继续产生压缩变形,覆岩下沉量小,此时地表移动变形值较小;当建筑荷载作用于矸石压缩区时,覆岩下沉量小,老采空区垮落矸石在建筑荷载作用下发生二次承载压缩变形,此时地表移动变形值最小。建筑荷载宽度增加初期地表最大移动变形量呈加速增长趋势,当建筑荷载宽度大于50 m时,地表最大移动变形量呈减速增长趋势。当建筑荷载附加应力对老采空区覆岩承载结构造成影响时,老采空地表产生移动变形;当建筑荷载传递至关键块的载荷超过关键块回转失稳或滑落失稳的临界载荷时,老采空区地表移动变形产生突变。

条状缺陷倾角对砂岩力学特性影响的模拟研究

为探究不同倾角条状缺陷对砂岩强度及其破坏演化过程的影响,利用PFC 2D离散元模拟软件,设置倾角φ为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的7种方案,对含有条状缺陷砂岩的裂纹扩展过程、损伤演化特征和强度特征进行了研究。结果表明:条状缺陷对试样起裂位置及裂纹扩展路径均有影响,并在一定程度上决定试样最终破坏形式;条状缺陷倾角φ=30°时试样初始损伤应变最小,φ=45°时试样初始损伤应变最大,φ=90°时试样损伤应变范围最大,φ=60°时试样脆性破坏程度最高;条状缺陷对砂岩的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有明显劣化作用,不同倾角条件下砂岩劣化程度不同,破坏时缺陷结构上端部峰值应力相对较高。

煤系地层逆断层形成过程数值模拟

为揭示煤系地层中逆断层的形成过程,利用UDEC6.0数值模拟软件,根据逆断层形成的力学机制,研究了逆断层形成过程中岩层变形破坏特征、应力演化及位移变化规律,并对逆断层产状影响因素进行了分析。结果表明:煤系地层中逆断层形成过程可分为岩层压缩、起裂发育、断层贯通、两盘滑移、整体稳定5个阶段;逆断层形成后,近断层处岩层仍存在较高的水平构造应力;以断层为界,逆断层形成后上盘岩层的位移较大,且在靠近断层处变化幅度最大,而下盘岩层位移基本未发生变化;逆断层产状与水平加载速率和地层深度有关,水平加载速率越大,上盘岩层的竖向位移越大,逆断层发育越快,而随着地层深度的增大,上盘岩层竖向位移越小,两盘错动滑移量也越小,不易于逆断层的发育。

松散层拱结构及其对采动覆岩稳定性的影响

结合我国华东和华北矿区广泛分布的厚松散层地质条件,在松散层拱承载结构力学模型的基础上,建立了松散层拱条件下关键块稳定性力学模型,揭示了松散层拱对采动覆岩稳定性的影响规律,得到了松散层拱下关键块回转变形失稳和滑落失稳的力学判据,在此基础上建立了支架-围岩力学模型,得到了适用于松散层拱条件下的工作面支架工作阻力的计算公式.结果表明:由于松散层拱的载荷传递作用,关键块只承受松散层拱以下垮落的松散层和基岩的载荷,与传统的将松散层按均布载荷计算相比,松散层拱条件下关键块的水平推力增大、最大剪切力减小,关键块能够保持稳定而不发生回转变形失稳和滑落失稳.研究结果得到了祁东煤矿7130工作面实测数据的验证.

松散层拱结构模型及其对覆岩运动的影响

针对传统上采动覆岩承载结构研究时主要集中于基岩而将上覆松散层简化为均布载荷作用于基岩顶界面而忽略了松散层中承载结构的问题,结合我国华东和华北矿区广泛分布的厚松散层地质条件,建立了松散层拱承载结构力学模型,揭示了松散层拱的形态方程、矢跨比方程和厚度方程,得到了能形成松散层拱的临界松散层厚度的理论表达式,进一步分析了松散层拱形态特征随侧压系数、松散层内摩擦角和内聚力等参数的变化特征。通过相似物理模拟实验揭示了松散层拱对采动覆岩运动的影响规律。研究结果得到了鲍店煤矿1312工作面厚松散层条件下开采时地表沉陷实测数据的验证。