基于FLAC^(3D)的节理岩体采动损伤本构模型的开发及应用

矿山开采沉陷是具有各种裂隙的岩体在采动应力作用下所发生的再变形和再破坏过程,裂隙随着开采的推进不断扩展。如果把矿山岩体原始裂隙看作是初始损伤,则可将随井工开采推进形成的裂隙扩展看作是损伤的演化。根据几何损伤理论中的裂隙张量和FLAC3D莫尔–库仑模型的塑性流动格式建立考虑初始损伤的节理岩体弹塑性本构模型的数值格式,在VC++开发环境中编写这种本构模型,供FLAC3D调用。通过一个单轴压缩数值试验对比,验证该模型应用于节理岩体的合理性。结合采矿工程实际,考虑初始损伤的演化,建立节理岩体采动损伤本构模型,对安家岭露天矿南端帮边坡下的井工开采进行数值模拟,得出露天煤矿台阶状边坡地表不同于平地地表的移动变形规律:台阶处的地表移动范围比平地处大;各级台阶处的变形比较集中。井工开采对上覆边坡岩体造成较大的扰动,不利于边坡的稳定:坡体地表出现安全度小于1的区域,坡体台阶受拉处安全度最小。模拟结果可为露井联采条件下井工开采设计和维护边坡稳定提供合理建议。

我国煤矿冲击地压特点及防治技术分析

为了全面掌握目前我国冲击地压的发生情况和防治现状,统计分析了近年来我国冲击地压发生的区域、条件、特点以及防治手段和效果。分析结果表明:随着我国煤矿采深的日益加大,冲击地压灾害将越来越严重;坚硬厚层顶板条件和断层、褶曲等构造是冲击地压发生的主要地质因素;开采形成的煤柱应力集中和动载是冲击地压发生的主要开采技术因素。针对目前研究中存在的问题,建议采用物探方法量化地质构造因素的影响并考虑深部条件下瓦斯对冲击地压的影响;研究对冲击地压监测多源数据的综合处理方法;重视对防冲开采设计方法和巷道防冲能力的研究。

浅埋深回采工作面冲击地压发生机理及防治

通过分析新疆某矿一段时间内现场矿压显现情况并结合实测微震和工作面支架压力数据,获得了冲击地压发生机理:坚硬厚层顶板是冲击地压发生的主要力源,采煤工艺影响和支架支护质量低导致顶板压力转移到工作面煤壁上,形成了煤体应力集中和弹性能量积聚,推进速度过快加剧了煤体应力和能量积聚程度,在煤体自身强冲击倾向性作用下导致冲击地压发生。据此提出冲击地压防治原则:避免坚硬厚层顶板的压力转移到煤壁上形成应力集中。具体方法为及时切断坚硬顶板,对煤体进行卸压爆破,并提高工作面支架初撑力。现场实践表明,防治效果明显。

我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析

为保障深部矿井的安全生产,对全国采深超过800 m的深部煤矿开采现状及面临的灾害类型进行了调查统计,给出了目前深部矿井的数量及产能分布情况;分析了影响深部矿井灾害的地质力学因素(高地压、高地温、高水压、高瓦斯、低煤岩渗透性)和开采强度因素,并对全国主要深部矿井的灾害属性进行了分类统计。结合近5年来深部矿井发生的灾害事故,得出瓦斯灾害是深部矿井的第一大灾害,复合型灾害是深部矿井的新特征,复合型灾害事故程度比单一型灾害程度更高。最后对目前深部煤矿灾害防治技术及装备进行了评价,针对深部开采面临的主要困难和问题,提出了相应的发展建议。

露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律研究

为研究露天煤矿排土场边坡下采动沉陷规律,结合平朔安家岭露天矿南排土场边坡的实例,采用FLAC3D程序进行了数值模拟计算.采用该程序内嵌FISH语言生成了台阶状边坡地表的移动和变形等值线,并分析了边坡受力特点及其稳定性.结果表明:露天煤矿台阶状边坡体的采动沉陷规律表现出很明显的“台阶”分布特点;台阶状边坡地表的移动范围比平地地表要小,但变形却更剧烈,且在各台阶平面处形成变形集中;台阶状边坡地表的水平变形仍然呈现出采空区中间受压,两端受拉的特点;台阶状边坡在地下开采扰动下的稳定性应考虑采空区的时空效应.

山区地表采动沉陷预计的数值模拟

采用能完全考虑岩土体本构关系、岩土体环境以及地表地形的数值模拟方法,对山区含水风积沙地表采动沉陷规律预计进行了研究,编写了地表模型生成的前处理模块和地表移动计算的后处理模块,得出了榆林地区山区含水风积沙地表下的采动沉陷规律.

煤岩动力灾害能量机理的数值模拟

根据煤岩固体变形能和瓦斯气体膨胀能,建立了煤岩动力灾害统一能量方程,在数值模拟软件FLAC3D中编写了能量计算模块,并考虑采动应力波动载和流固耦合的条件分析了不同瓦斯初始压力作用下巷道围岩的能量分布状态,解释了深部开采条件下在一些含瓦斯煤层中出现的兼具冲击地压和煤与瓦斯突出2种灾害特征的动力灾害现象。认为瓦斯的不同参与程度导致了不同的动力灾害显现特征,瓦斯参与动力灾害的程度可由瓦斯压力或瓦斯含量来表征;煤体中瓦斯压力存在一个临界范围,当瓦斯含量高于此临界值范围时,动力灾害以煤与瓦斯突出的特征为主,反之则以冲击地压的特征为主;在低瓦斯压力下,瓦斯膨胀能量也具有与煤岩体变形能相当的数量级,对含瓦斯煤层的冲击地压研究不可忽视瓦斯的作用。

冲击矿压综合防治技术体系及应用

分析了目前在冲击矿压危险评价、监测手段及防治方法研究中存在的问题,提出建立一套冲击矿压综合防治技术体系。该体系建立在以地球物理探测方法为主的实测基础上,以地质构造异常探测、冲击危险源识别和剩余能量消耗为特征,对冲击矿压危险进行分阶段和分区域评价及防治。工程实践表明,该体系能对冲击矿压进行有效预警并能预防和减弱冲击矿压的危害,达到保证人员和设备安全的目的。

急倾斜特厚煤层开采冲击地压发生过程监测与分析

为解决急倾斜特厚煤层水平分段开采时的冲击地压问题,采用微震监测系统,确定了两煤层间岩柱中产生的矿震是诱发巷道冲击地压的力源,结合具有高采样频率的冲击地压监测系统进行了冲击震源震波及其响应信号的实测,得出急倾斜特厚两煤层之间岩柱诱发冲击地压的震源信号具有距离工作面近、波形呈现出明显的P波、S波,延时较长,能量较大等特征;震源产生的动载使得煤体应力和锚杆受力瞬间升高,距离震源越近,引起煤体应力变化的幅度越大,煤体垂向应力较水平应力升高更为明显,冲击发生前至少1 h内,煤体应力就已开始发生变化,表现出了一定的冲击前兆特征。研究结果表明,通过震波及其响应信号实测可分析冲击地压发生过程。

近距离煤层掘进巷道过终采线冲击地压防治技术

为了防治掘进巷道的冲击地压,首先确定了其主要自然影响因素为煤体的强冲击倾向性、水平地应力和坚硬厚层顶板。根据现场冲击地压发生的位置,采用数值模拟分析了掘进巷道过上层煤工作面终采线区域的应力分布,确定了多次采动应力叠加是冲击地压发生的力源因素。根据现场微震监测结果,认为高位坚硬顶板破坏释放的能量进一步加剧煤体应力集中是冲击地压发生的诱发因素。将后续掘进区域分为强冲击危险区域和一般冲击危险区域,并提出了在强冲击危险区域进行加强支护和大孔径钻孔结合煤体松动爆破的解危措施,在一般冲击危险区域采用煤体预注水的方式进行超前卸压。现场电磁辐射监测结果证实,强冲击危险区域的电磁辐射强度和脉冲均明显高于一般冲击危险区域,同时表明冲击地压解危措施效果明显,保证了后续掘进的安全。

大采高回撤巷道爆破切顶目标层位优化研究

以斜沟煤矿为研究背景,研究切顶层位对回撤巷道矿压显现影响规律,理论分析了回撤通道岩层破断规律,确定不同切顶层位方案,利用数值模拟计算最优切顶层位。研究表明:切顶卸压能够实现顶板岩层运动位态的主动控制,通过改变顶板断裂层位,能有效降低回撤通道的顶板压力和围岩变形,最优切顶高度为21.02 m。

近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治

针对急倾斜特厚煤层特殊的赋存条件和开采技术条件,基于区域构造应力特征和地应力实测结果,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采两侧采空岩柱的外伸梁力学模型,分析得到了近直立特厚水平分段两煤层同采条件下两侧采空岩柱对煤体的"撬杆效应"构成了冲击地压的力源并获得其表达式,提出了由于该力源作用在煤体上产生的应力随时间的变化率达到或超过煤体的动态破坏应力指数而发生冲击地压的致灾机理。数值模拟结果和现场微震统计结果表明,主要受水平构造应力影响下的两侧采空岩柱在开采水平以下出现了应力集中和能量集中区域。据此提出了在开采水平超前工作面定期通过爆破和高压注水降低岩柱应力集中程度进行冲击地压解危,效果检验表明防治效果显著。

浅埋煤层冲击地压发生类型及防治对策

针对神新矿区浅埋煤层开采过程中频繁发生的冲击地压事故,开采活动使围岩产生的应变能增量诱发冲击地压的现象,建立了冲击地压能量方程,并给出了应变能增量的3种形式:静载型、动载型、叠加或混合型。结合现场分析认为目前神新矿区存在4种类型的冲击地压:工作面坚硬顶板垮落型、巷道应力叠加型、45°急倾斜煤层顶板悬顶型、87°近直立煤层岩柱撬动型,并分析了每种类型冲击地压的能量来源形式和主要致灾因素。在此基础上,从开采布置、监测方法、危险评价、解危方法及效果检验等方面提出了相应的冲击地压防治对策。

基于FLAC^(3D)的边坡单元安全度分析及应用

为改进传统边坡稳定分析中安全系数的定义不适合于具有多个坡面的复杂边坡的缺陷,引入静载强度分析中对点安全系数的定义,结合FLAC3D数值模型,提出了边坡单元安全度的概念.采用FLAC3D内嵌编程语言FISH编写了单元安全度的计算模块,得到了边坡各单元安全度的分布.采用这种方法对平朔安家岭露天煤矿边坡下的井工开采进行了数值模拟.结果表明:在井工开采影响下,露天煤矿边坡可能会出现"圆弧-顺层"的滑坡模式;在开切眼附近坡体地表形成大范围的拉破坏区,单元安全度小于1的地方均位于坡体台阶受拉处,最小单元安全度为0.88,出现在南端帮边坡;井工开切眼位置应远离边坡体.

焦坪矿区覆岩破坏规律及致灾研究

铜川焦坪矿区4-2煤层上覆岩层中有厚达300m的巨厚砾岩层,巨厚砾岩层在采动影响下一旦失稳,将导致包括地表山体滑坡、采空区瓦斯急剧涌出和矿震或冲击矿压等一系列难以控制的灾害。铜川矿务局采用留设区段大煤柱的部分开采方法控制覆岩运动,以确保巨厚砾岩层的稳定。为此,对留设区段大煤柱条件下的覆岩破坏规律进行了数值模拟研究,结果表明留设区段大煤柱的部分开采方法能有效地控制覆岩运动的范围和规模。在此基础上分析了巨厚砾岩的稳定性取决于区段大煤柱的稳定性并提出了灾害防治的措施。

高档普采工作面与巷道矿压显现规律

对恒源公司626高档普采工作面进行了现场矿压观测,得出了采场及巷道矿压显现规律,为搞好采场支护设计和顶板管理提供了依据。

岩石力学在采矿工程中的研究现状和趋势

从力学分支和学科联合的角度介绍了岩石力学在采矿工程中应用情况,并针对目前采矿工程中各个具体研究领域中涉及到的岩石力学理论和手段做了分析,最后指出了岩石力学在采矿工程应用中的发展趋势。

煤矿开采冲击地压启动理论

依据微震监测结果,通过总结分析,指出冲击地压发生过程经历3个阶段,将冲击地压重新分为集中静载荷型和集中动载荷型,建立2种类型的工程结构模型,分析各自冲击启动的能量判据,引进"不确定性系统分析法",提出统一的煤矿开采冲击地压启动理论。结果表明,采动围岩近场系统内集中静载荷的积聚是冲击启动的内因;可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区;应用冲击启动理论能够揭示2类典型冲击案例冲击过程,并将冲击地压的时间序列与空间序列对应起来,为冲击地压监测与防治提供指导。

区域大范围防范冲击地压的理论与体系

采用理论分析与总结的方法,分析得到井田前期区域大范围开采活动与后期采掘空间局部冲击地压启动的关系;并且提出了基于大范围集中静载荷"疏导"理念的冲击地压区域防范理论;分析了冲击地压煤层集中静载荷(高集中应力)可干扰性及影响规律。结果表明:井田区域开拓性活动、准备性活动显著影响到后期煤岩层集中静载荷的迁移与集中;冲击地压井田区域防范性措施的原理是通过合理采掘活动,疏导覆岩演化过程中的高集中静载荷,避免或降低高集中应力的集中,为后期冲击地压启动减免力源;基于冲击地压煤层鉴定、地应力测试、采煤方法选择、巷道位置确定、保护层开采及同层煤顺序开采的区域大范围集中静载荷疏导防范体系,能够避免或降低高应力集中,为新建矿井设计阶段,生产矿井的新采区、新水平设计阶段提供冲击地压防范指导。

基于微震监测的5个指标及其在冲击地压预测中的应用

为了提高煤矿冲击地压预测预报水平,借助地球物理知识,优选和完善了5个物理意义明确且具有应用价值的危险预测指标。采用R值评分法对这5个指标的预测效能进行了研究。实践表明,这5个指标具有较高的灵敏性,对冲击地压能够起到较好的预测效果。