基于矿物晶体模型的非均质裂隙花岗岩双轴压缩微裂纹演化特征

为深入研究非均质矿物晶体微观结构影响下裂隙花岗岩的力学特性和损伤演化规律,结合花岗岩力学试验结果,开发了考虑矿物晶体结构影响的离散元数值模型,通过开展不同围压下裂隙花岗岩压缩试验,建立了围压和裂隙倾角双重因素影响下花岗岩应力峰值经验模型,从微观尺度上阐明了花岗岩微裂纹破裂机理。研究结果表明:(1)随裂隙倾角的增加,花岗岩抗压强度呈先降低后升高的趋势,在无围压条件下,裂隙倾角θ=31.8°时花岗岩的抗压强度最低。(2)应力加载过程中,花岗岩微裂纹演化呈空间局部化,沿晶张拉裂纹随机分布在试样内部,穿晶张拉裂纹则主要聚集在裂纹扩展阶段的断面附近,并伴随着宏观断裂。(3)随着围压的增大,总微裂纹数量逐渐增加,穿晶张拉裂纹在总微裂纹中的占比明显上升,围压为0,10,20和30 MPa时,穿晶张拉裂纹分别占总数的36.1%,45.0%,48.3%和51.4%。(4)非均质裂隙花岗岩强度特征受矿物基质空间分布的影响,正长石会阻止微裂纹的扩展和聚合。与单一剪切断面花岗岩相比,非均质性影响下“V”形宏观裂纹的花岗岩应力峰值更高。

沿空留巷巷旁充填体稳定性控制技术研究

充填体稳定性控制是沿空留巷成功的关键因素之一。为获得合理的充填体稳定性控制技术,以三河尖煤矿7136工作面千米深井沿空留巷为工程背景,采用UDEC6.0的Trigon模型校正了巷旁充填体(高水材料水灰比为1.5∶1.0)的数值模型,然后对充填体稳定控制的钢筋梯子梁直径、对拉锚杆直径及数量不同时的充填体应力应变进行了模拟分析。研究结果表明:充填体的加固作用可有效约束充填体表面位移,综合提升充填体的承载能力可达20%以上,提高了沿空留巷充填体的稳定性,特别是增加对拉锚杆直径和数量在大变形的条件下可有效控制充填体帮部的整体横向变形和鼓包现象,是提高充填体加固系统护表能力、充填体承载能力的重要参数之一。研究成果成功应用于千米深井沿空留巷,加固后的充填体帮平均变形不超过150mm,顶板下沉量不超过250mm,表明充填体加固系统可靠,而且具有良好的适应性。

采空区煤柱下沿空留巷围岩破坏特征和控制技术研究

中兴煤矿1204下工作面开采2#下煤层,与2#煤层间距3m左右,巷道顶板薄、破碎,基于中兴煤矿1204下工作面材料巷沿空留巷工程实践,结合UDEC数值模拟对采空区煤柱下沿空留巷围岩破坏特征进行了研究,并提出用短锚索对巷道进行支护,取得了良好的效果。

深部沿空留巷巷旁充填材料配比及工程应用

深部沿空留巷需要高强度的巷旁充填体以保持巷道围岩稳定,针对不同配比条件下的充填材料强度进行室内试验研究。研究表明:水灰比在一定临界条件下,充填材料强度同水灰比成正比;相同水灰比条件下,充填材料强度同水泥含量成正比;矸石骨料可增加充填材料强度,进而减少水泥胶结料的用量,降低充填成本。

沿空留巷基本顶断裂位置对充填体稳定性影响

沿空留巷巷旁充填体稳定性受基本顶断裂位置影响很大。采用UDEC Trigon数值模型分析基本顶在采空区侧、充填体上方、巷道上方和实体煤帮侧4种断裂条件下,沿空留巷顶板结构的演变、充填体的变形和裂隙发育规律,得到充填体的失稳机理。

大采高综放工作面巷道超前支护设计研究

为保证大采高综采工作面超前影响范围内巷道的稳定,通过监测顶板离层、巷道表面位移和利用FLAC3D数值模拟得到高河矿工作面超前矿压显现特征和巷道塑性区发育规律,巷道掘进期塑性区深度1.2~1.5 m,采动影响区达4.5~5.0 m,明显超出锚杆作用区域;基于以上研究,对进风巷和带式输送机巷进行超前支护设计,并进行了支护强度校核,工业试验取得良好效果。

带有导向孔的浅孔爆破在留巷切顶卸压中的应用研究

厚层坚硬顶板切顶卸压是优化沿空留巷围岩应力和结构有效途径之一,将导向孔应用到切顶卸压中是新的尝试。基于浅孔爆破沿空留巷切顶卸压机制,利用LS-DYNA数值模拟与理论分析相结合的方法,分析了导向孔作用机理,探究了参数选取对爆破效果的影响。研究结果表明:导向孔增加了自由面,对炮孔连线方向上的切向应力影响明显,提高了炮孔间裂隙贯通率和炸药能量利用率;装药孔不耦合系数取1.31时可充分发挥导向孔应力集中效应;最大切向拉应力与导向孔直径呈正变关系,但对远离导向孔的位置影响微小。根据岩石的动态抗拉强度,确定装药孔间距1.2 m。

浅孔爆破机制及其在厚层坚硬顶板沿空留巷中的应用

为了预防坚硬顶板沿空留巷顶板大面积来压等动力灾害,结合新超煤矿坚硬顶板沿空留巷的工程背景和地质条件,采用理论分析的方法,阐述浅孔爆破的分区特征及各自的计算式;建立坚硬顶板沿空留巷切顶力学模型,给出在爆破切落直接顶的条件下巷旁充填体切落基本顶的切顶阻力计算式;采用LS-DYNA3D数值计算软件建立浅孔爆破模型,分析浅孔爆破有效应力演化和传播规律,结合理论计算确定浅孔爆破的相关参数。提出浅孔爆破切落直接顶,高水材料构筑巷旁充填体切落上位基本顶的坚硬顶板控制技术,并采用锚杆支护配合单体液压支柱的巷内支护技术。现场应用及矿压监测表明,该技术有效地控制了沿空留巷围岩变形。

沿空留巷巷旁充填体对拉锚杆加固机理研究

针对高水材料巷旁充填沿空留巷充填体大变形的问题,通过建立沿空留巷巷旁充填体加固力学模型和基于UDEC 6.0 Trigon网格划分方法的数值模型,得到对拉锚杆、钢筋网等构件对充填体的加固机理,表现为“三大两小”:随着充填体的压缩变形,加固构件对其围压增大,充填体内垂直应力集中面积增大,最大承载能力增大20.3%,两帮变形及顶底角鼓包减小,内部错动开裂减小;对拉锚杆和钢筋网的加固作用在充填体大变形情况下尤为明显,使其更好地适应巷道围岩剧烈变形。

FLAC^(3D)中锚杆剪切破断失效的实现及应用

为解决FLAC^(3D)中无法实现锚杆剪切破断失效的问题,基于PILE结构单元提出锚杆剪切破断判据Fs(i)≥Fsmax(i),采用Fish编程语言二次开发,建立PILE结构单元杆体修正力学模型,并嵌入到FLAC^(3D)主程序中。分别采用PILE单元杆体原模型和修正力学模型,进行杆体剪切实验和煤岩交界面滑移情况下的锚杆支护实验对比分析,结果表明:(1)修正模型杆体剪切荷载–位移曲线呈现出剪切破断失效的特性,达到了以剪力为判据的定量破断,且破断部位结构单元剪力和轴力在发生剪切破断后均突变为零,实现了FLAC^(3D)主程序中锚杆剪切破坏。(2)采用修正模型的锚杆支护方案中,煤岩交界面附近杆体发生剪切破断,且煤–底板交界面附近杆体破断先于煤—顶板交界面附近杆体;煤岩交界面最大滑移量比原模型大17.5 mm,结果更接近实际。(3)PILE修正单元剪切破断失效的实现扩展了FLAC^(3D)的应用范围。

深部矿井沿空留巷围岩控制技术研究

针对深部矿井沿空留巷围岩变形严重的问题,以海石湾煤矿6113工作面运输巷沿空留巷为工程背景,采用数值模拟和理论分析的方法,研究了深部沿空留巷围岩位移、塑性区等演化规律,得到:充填体宽度2.5m,配合巷内基本支护、巷内超前支架、工作面后方单体液压支柱加强支护,充填区域顶板采用锚杆、锚索加强支护,巷道变形得到了有效控制,深部沿空留巷取得成功,为类似条件沿空留巷提供参考。