眼前山铁矿冒落冲击风险评价

为研究眼前山铁矿露天转地下首采分段区域冒落冲击风险,应用应力监测、微震监测、数值分析方法获得了首采分段围岩的开采扰动响应特征,提出了眼前山铁矿冒落冲击风险评价方法。研究结果表明:随着与采场距离的减小,岩体的应力变化量、累计微震事件数逐渐上升,当前的回采活动引起岩体内应力集中区及破裂区的局部贯通;利用应力集中程度、应力集中区范围、应力集中区贯通程度、岩体断裂路径贯通程度4个指标综合量化眼前山铁矿地下首采分段区域冒落冲击风险为低等级。

循环荷载下干燥与饱和砂岩力学特性及能量演化

对取自陕北榆横矿区小纪汗煤矿顶板砂岩的干燥及饱和试件进行单轴循环加、卸载试验,分析了干燥与饱和状态下岩石的强度和变形特征以及岩石破坏过程中的能量演化与能量分配情况。结果表明:(1)循环加、卸载导致干燥试件的峰值强度较单轴压缩时下降19.47%;(2)饱水对砂岩的强度和变形均有影响,饱和试件的平均峰值强度比干燥试件低39.55%,同时饱和试件具有更加明显的压密阶段;(3)循环加、卸载下砂岩的加载和卸载弹性模量均呈现增大趋势,但饱和试件的弹性模量低于干燥试件;(4)通过峰值强度归一化处理后发现,在应力加载的不同阶段,饱和试件的弹性应变能Ue和耗散能Ud均低于干燥试件;(5)加载过程中,饱和试件弹性应变能Ue的占比高于干燥试件,该比例随着加载过程逐渐下降并在破坏前与干燥试件的Ue的占比达到近似水平。

西部煤层开采覆岩垮落及矿压显现影响因素研究

西部矿区高强度开采引起覆岩变形-移动-破断是造成顶板大面积切落、突水溃沙等地质灾害以及水土流失等环境损伤的根源。采用数值模拟、现场微震监测和理论分析相结合的方法开展西部矿区煤层覆岩垮落及矿压显现规律影响因素研究。以小纪汗煤矿为例,开展了覆岩层变形、破断、垮落、"三带"形成规律的研究,以及不同开采速度下矿压显现规律研究,揭示了不同采高和开采速度对煤岩破坏的影响规律。现场微震监测结果表明,不同的推进速度会造成工作面不同的应力调整范围和不同的应力调整完整程度。通过2者综合分析,系统揭示了西部煤层覆岩垮落特征及"三带"形成演化规律,为建立高强度开采下覆岩结构破断规律及其稳定性判据的提出提供了科学依据。

不同高度比煤岩组合体的力学特性及裂纹演化数值模拟

为探究不同高度比煤岩组合体的力学特性和裂纹演化规律,利用UDEC数值模拟软件,开展了煤岩高度比分别为2∶1、1∶1、1∶2的“煤-岩”组合体模拟试验。研究结果表明:不同高度比煤岩组合体的强度均介于煤、岩单体强度之间,且煤岩高度比越小,组合体的抗压强度越大,两者之间呈负相关;随着煤体所占比例的减小,组合体煤体部分从倾斜45°角破坏转为“N”型破坏,岩体部分保持较好的完整性;组合体的裂纹演化可以分为裂纹平稳发育阶段、裂纹快速发育阶段以及残余破坏阶段,裂纹主要集中在煤体部分,并且逐渐积累发育扩展到上部岩体,最终造成组合体的失稳破坏。

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式——以陕西小纪汗煤矿砂岩为例

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式,对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验,并进行声发射监测。试验表明:对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种,前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少,屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增,破坏后仍有部分声发射活动;后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者,屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长(至峰值),峰值前有声发射平静期。试件破坏形式,可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种,前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。

基于微震监测的高强度开采工作面围岩响应规律

将微震监测系统引入西部高强度开采的典型矿区——小纪汗煤矿,实现了整个监测区域的"空间"监测,更为全面地捕捉围岩内部破裂信息,基于微震监测数据分析了煤矿工作面的矿压显现规律、岩层运动规律和围岩应力变形规律.结果表明:随着11203工作面的不断开采,微震事件的演化呈周期性变化,与工作面矿压显现规律密切相关,且周期来压平均步距为23 m.划分得到了工作面"三带"的范围及工作面开采扰动影响范围,为工作面的支护设计和灾害防治工作提供数据支撑.

基于声发射的岩石破裂应力场动态反演

为获取岩石在破裂过程中的动态应力场,首先进行室内物理试验获取声发射数据,在此基础上基于能量耗散原理,利用实测声发射信息建立起岩石细观损伤表征方程,并通过FLAC^(3D)内嵌FISH语言进行二次开发,自动搜索声发射损伤影响范围内岩石单元并对其力学参数进行弱化,计算得到较为真实的岩石破裂动态应力场。结果表明,计算得到的岩石破裂应力场与实测结果有良好的对应关系,验证了岩石细观损伤表征方法的合理性。同时,获得的岩石动态破裂应力场不仅可以从岩石力学的角度解释破坏产生的原因,也对预测岩石下一步破坏具有指导意义。但这种方法仍具有一定的局限性,需要进一步的探索研究。

中生代砂岩细观结构对强度和能量耗散的影响

对取自东北部和西部侏罗白垩系煤矿中粒砂岩进行镜下观察,对比其矿物颗粒,胶结成分和结晶程度上的异同点,进行了三轴压缩试验和循环加载声发射试验,分析东北部和西部砂岩的强度和能量耗散特征,并用Kaiser效应和加卸载响应比理论研究了循环加载中的声发射规律。试验表明:以钙质胶结为主的东北部砂岩在Mohr-Coulomb准则下承载能力高于以钙泥质胶结为主的西部砂岩,随着压力的增大,耗散能所占比例呈现迅速降低、稳定、缓慢升高的趋势,且同等应力水平下东北部砂岩耗散能低于西部砂岩,Kaiser效应往往出现在低应力的弹性阶段,且在东北部砂岩中出现的频率和持续阶段要高于西部砂岩,加卸载响应比则出现急剧降低、缓慢平稳下降的趋势,在强度峰值点达到最小值,且东北部砂岩的加卸载响应比低于西部砂岩。东北部和西部砂岩的胶结物中泥质含量和重结晶成岩程度是产生上述力学性质和能量耗散特征差异的根本原因。

煤层间跨落上行开采浅析

在煤矿生产过程的某些条件下,采用上行开采,先采下部岩层或煤层作为解放层,使上下临近煤层卸压,瓦斯析出抽离煤层,可一定程度上减轻或消除煤层的煤与瓦斯突出危险。本文在煤层开采后上覆岩层的状态,即跨落带、裂隙带、弯曲下沉带三个区间和已建立的经典模型的基础上,提出判别上行开采可行性的方法依据和计算公式,主要有"三带"判别法、采动影响倍数法、围岩平衡分析法、数理统计分析法等。并通过伊马矿试采实例检验证明了这些方法的正确性,指出上行开采对高瓦斯矿井具有现实意义。

基于数字摄影测量的结构面、关键块体确定及其三维重构

通过3GSM三维岩体不接触测量技术,对夏甸金矿-615分层水平54902采场进行矿岩体裂隙和结构面数字摄影测量,获取一系列真实反映岩体宏观结构的图像,从中提取节理裂隙和结构面的空间分布信息。在此基础上,利用东北大学自主研发的不稳块体快速识别和分析系统Geo SMA-3D,进行某测点的不稳块体搜索。最终将表征结构面、关键块体形态的数据实体化后集成到虚拟场景之中,实现矿岩体特征的快速识别、确认及真三维展示的功能。

砖混类建筑垃圾-粉煤灰充填材料配比的优化

为制备成本低、性能优的高浓度胶结充填材料,以砖混类建筑垃圾为再生骨料,通过Talbol级配指数理论,分析达到最佳密实度的灰骨比范围。基于正交实验方案,研究外加剂与水泥比、灰骨比、水固比、再生骨料含泥量4个因素对充填材料坍落度、凝结时间、抗压强度的影响,并利用DPS软件建立回归模型后,通过Matlab回声搜索智能优化算法得到15组最优配比。结果表明:灰骨比为0.05~0.50时能达到最佳密实度;外泥比和灰骨比是影响充填材料特性的决定因素;外泥比0.019、灰骨比0.288、水固比0.323、再生骨料含泥量0.08、建筑垃圾及粉煤灰占材料质量65.79%的高浓度胶结充填材料,具有强度增长快、残余强度高的特性,具备井下应用条件。

山西省老空水害类型及主要特征分析

针对山西省煤矿老空层数多、面积广、积水量大,老空水害事故易发多发的现实背景,在总结45起典型老空水害案例的基础上,系统研究了山西省老空水害空间分布、事故特点、老空水害类型与防治对策。结果表明:超层越界与盲目采掘是老空水害事故的重要诱因,其透水地点、老空相对位置和老空类型分别以掘进工作面、同层、老巷为主,空间分布上"大分散、小集中";以采掘区域与老空相对位置关系为依据可将老空水害划分为同层老空积水型、顶板老空积水型、底板老空积水型和防水隔离设施型等4大类,基于积水老空类型和导水通道形成机理可进一步划分为12个亚类,提出了各类老空水害的水文地质结构模式,并给出了相应的防治对策。在查明积水老空的前提下,浸水和重复采动下煤柱流变损伤及失稳、底板变形破坏、防水隔离设施与围岩稳定性、层间主关键层稳定性等是老空水害防治的关键问题。

山区多煤层重复采动下地表变形特征

西山煤田开采逐步向深部延伸,重复采动下应力对围岩的切割作用不断加重,在山区采动滑坡作用下地表变形加剧、产生大量地裂缝且存在形成地表水下渗通道的可能。以西曲矿18401工作面为研究对象,综合应用集InSAR动态观测、地表勘察、微震监测和数值模拟为一体的地表变形监测与分析体系,探讨山区多煤层下行开采地表变形特征。研究结果表明:18401工作面推进80~90 m过程中关键层发生破断,致使地表开始发生明显的沉降,煤层重复采动引起的地表移动活跃期为2~3个月,长于单煤层开采地表移动活跃期,终采后地表达到充分沉降的滞后周期为6~9个月;采场上覆陡坡处的地表沉降和地裂缝发育程度皆大于平缓处,陡坡处附近地表发生大范围拉伸破坏,形成台阶裂缝,采动滑坡作用下台阶裂缝高度增加了10.67%,但相比于地形作用,煤层重复采动对地表变形仍占据着主导作用;形成山区地形与煤层重复采动作用下的地表塌陷分区,研究结果可为西山矿区类似矿井地表塌陷预防及生态环境治理工作提供科学指导与借鉴经验。