深部岩体大变形规律:金川二矿巷道变形与破坏现场综合观测研究

针对深部高应力下硐室和巷道时效大变形问题,重点开展了金川二矿深部巷道大变形破坏调查、多手段原位综合观察、大变形灾害安全管理标准等方面研究工作。首先针对不同围岩支护类型下大变形巷道破坏问题,从破坏表现形式的角度总结提炼了金川二矿巷道10种典型变形破坏模式并阐明其形成机制;进而依托1150m水平大巷的大变形试验研究段,采用巷道表面的三维激光扫描测量、岩体内部开裂的钻孔摄像观测、围岩不同深度变形的位移计自动量测相结合的方式,揭示了深部巷道表面变形的空间非对称性、围岩内部浅层与深层变形的非均匀性、时效变形增长的跳跃递进性等不同于浅部岩体变形特点和破坏方式的新特征,表明了金川二矿碎裂围岩时效大变形本质是高应力下巷道开挖诱发表层围岩开裂,并在重分布应力驱动下围岩开裂深度逐步向深部转移进而导致巷道围岩自身承载性能逐步劣化的机制,从而表现出持续的时效大变形;最后提出基于功能失效和结构失稳原则的深部巷道大变形安全管理标准,并在现场反馈分析与应用实践基础上总结出了控制二矿深部巷道变形灾害的“双层喷锚网+锚注”和“喷锚网注+单筋砼”复合支护技术,充分利用喷网混凝土的表面柔性支撑与围压效应、锚杆对围岩内部的抑制开裂效应、水泥浆的充填并粘合开裂缝效应、钢筋混凝土的强刚性抗压和恢复围压效应等组合功能,从而形成一种“由表及里、表里结合”改善围岩受力状态、重构围岩承载圈的支护理念。

考虑煤体状态的采动岩体移动规律

在传统采动岩体理论分析中将煤体作为采动岩体的刚性边界,这与现场实际有较大的出入。针对该问题,将煤体视为与其上覆岩层一起协调变形的弹性承载体,对覆岩的初次破断和周期性破断进行了理论分析和数值模拟,结果表明:覆岩的移动规律不仅与其自身性质有关,而且与其下伏支撑体的地基系数密切相关。当下伏支撑体的地基系数小时,覆岩初次垮落步距更小,覆岩初次断裂位置位于岩梁中间,覆岩周期断裂的位置更趋于支撑边界深处,同时支撑体本身的破坏范围更大;反之,覆岩初次垮落步距更大,覆岩周期断裂的位置更靠近支撑边界,同时支撑体本身的破坏范围变小。因此,在煤层开采过程中,覆岩的移动规律不仅需要考虑自身的力学性质,还需考虑其下伏支撑体的状态。在考虑软弱煤层时,不仅应考虑软弱煤层的力学性质,还需综合考虑煤层的开采厚度。

2004～2014年江西省煤矿事故分析及启示

为研究江西省煤矿事故的一般规律,对2004年到2014年的煤矿事故数据进行收集和整理,然后用统计分析方法对不同年份、不同月份、不同时间段、不同事故类型、不同所有制煤矿,11年间477起煤矿事故进行研究。结果表明：2004年是煤矿事故的高峰期,4、5、8月为煤矿事故的高发月份;每天的8：00~19：59是事故高发时间段;在各类事故中,顶板事故发生频率最高,死亡人数最多,需重点监管;瓦斯事故平均每起伤亡最大,平均每起死亡人数5.3人,需重点防范;在不同所有制煤矿中,乡镇煤矿发生事故起数最多,是国家重点治理对象。

基于正交试验巷道松动圈影响因素的数值模拟

针对巷道松动圈的影响因素与松动圈的大小进行正交试验,综合考虑围岩级别、侧压力系数、埋深、高跨比、跨度5个主要影响因素,利用FLAC3D数值软件对16个方案进行数值模拟.正交试验结果表明:对巷道综合位移影响程度最大的因素为围岩级别,其次为埋深.在描述松动圈时引入松动圈系数,将其与最大松动圈厚度进行比较后发现:引入松动圈系数后,对巷道松动圈的描述更加完善.对巷道两侧及前方的应力分析后可知,巷道两侧及前方的切向应力随围岩强度的降低和埋深的增加,应力峰值减小,巷道侧边的应力曲线出现明显的平直段,巷道两侧及前侧岩体的破裂始于距巷道内侧一定距离.

岩石自然结构面刻录制作方法及其直剪条件下磨损特征分析

岩体结构面剪切强度特性及其剪切过程中的磨损机制研究是工程岩体稳定性分析的关键和基础,首先提出"三维光学扫描技术+数控刻录技术"的结构面批量制作方法并刻录了含自然结构面形貌的砂岩、大理岩、花岗岩剪切试样,进而开展不同法向应力下上述3种岩石自然结构面的直剪试验及其同步声发射监测,最后利用点云配准算法实现了剪切前后结构面3D扫描点云数据重合,并深入分析剪切条件下岩石自然结构面磨损特征。试验分析表明,所提出的岩石自然结构面刻录方法保真率高、试验结果一致性好;依据同步声发射信号特征可将剪切过程大体分为3个阶段:I摩擦滑动阶段、II剪切啃断阶段、III峰后磨损下降阶段;进一步对比分析结构面剪切前后的2D和3D的细观形貌基础上揭示结构面剪切磨损在细观上具有正斜面滑动、陡坎非均匀磨损、凸点局部啃断特征,宏观上具有剪切破坏区域分布的局部化和非均匀性特征,这对于含自然结构面的工程岩体抗剪稳定性分析具有重要参考意义。

矸石充填材料压缩力学特性试验研究

矸石充填材料的压缩力学特性关系到原生矸石充填开采的充填效果,为全面研究矸石充填材料的压缩力学特性从而提高矸石充填开采的充填效果,在实验室进行了不同粒径、不同级配的矸石压缩力学试验.试验结果表明,连续级配矸石抵抗变形能力最好,不连续级配矸石次之,单粒径矸石抵抗变形能力最弱;当采用不连续级配方案时,细料含量在30%时,矸石充填材料抵抗变形能力最强;当采用连续级配方案时,n=0.4时的矸石充填材料抵抗变形能力最强.在试验基础上,提出了粗料在矸石充填材料抵抗变形的过程中,主要是起到了增加矸石颗粒间相互滑动的摩擦力的作用,而细料(粒径<5 mm)则主要是起到充填矸石颗粒间空隙的作用.因此,为更好地提高矸石充填体抵抗变形的能力,应使矸石颗粒的粗料与细料相配合,从而有效提高原生矸石充填开采的充填效果.