软岩大巷围岩裂隙演化机制与控制研究

本文以南岭煤业52采区进风大巷为研究对象,剖析了软岩大巷变形破坏特点及裂隙演化机制,以期有效解决软岩大巷面临的剧烈变形、失稳等工程难题。首先,根据软弱岩体应力-应变关系,及其与围岩强度变化之间的相互作用关系,构建了能够描述圆形巷道破坏分区现象的力学模型,明晰了软岩大巷围岩弹塑性变形分区破坏特征,揭示了深井软岩大巷围岩的变形破坏机理。其次,基于UDEC-Trigon方法,构建了符合工程尺度的离散元数值计算模型,并提出了针对该模型的参数校正方法。通过模拟研究,探讨了软岩大巷围岩的裂隙扩展特征、应力分布规律、巷道变形规律。最后,提出了深浅部注浆与高强高预紧力锚杆索支护的软岩大巷控制技术及相应参数,并在南岭煤业52采区进风大巷成功应用。应用结果表明:锚杆索+注浆联合控制技术有效控制了52采区进风大巷的变形量,提高了巷道稳定性。本文研究成果为软岩大巷围岩变形稳定控制提供了理论依据和技术支撑。

UDEC数值模拟成果在岩石力学性质教学中的应用

岩石力学性质是“岩体力学”和“岩石力学基础”课程最基础的教学内容,其中岩块受压微观到宏观的变形破裂与破坏演化过程,是教学的重点和难点,而传统教学只能观察试件破坏后的宏观裂隙特征,应力应变数据也少。UDEC模拟成果融入理论教学和实验教学中,探索理论知识、物理实验和数值模拟成果的有机融合,弥补了传统教学的不足,激发了学生的学习兴趣、积极性和创造性,促进了学生深入理解基本概念、理论与方法,培养了学生理论知识和方法的应用能力、数据处理与分析能力、自学能力和团队协作意识。

基于UDEC-DM方法的岩质边坡变形破裂演化过程研究

在常规UDEC模型的基础上通过引入胶结多边形块体,从而构建UDEC-DM模型,为岩体裂隙的发展提供了新的路径,使岩体的变形破裂能在完整岩石内部产生,而不仅仅局限于已有的宏观结构面。并结合龙桥特大桥5#拱座基坑边坡的开挖过程进行模拟分析,通过对比数值模拟结果与实际破坏情况,结果表明,龙桥特大桥5#拱座基坑在开挖至设计高程时,右侧边坡(逆向坡)基本稳定,左侧边坡(顺向坡)则产生滑移变形,并在岩体内部形成张拉裂隙,最终形成张拉破坏。总体上,UDEC-DM模型相较于常规的UDEC模型能更真实的还原岩质边坡在变形破坏过程中裂隙的萌生、扩展和贯通的过程。

基于UDEC的裂隙岩体注浆参数研究

鄂北地区水资源配置工程沿线隧洞从数个堰塘和河流下方穿过,沿线地层多为劣质岩,遇水软化严重,易产生工程安全问题。为了加固围岩和控制水动力场的不利影响,施工中需要采用固结灌浆的方式处理隧洞上层围岩。为实现相关地层注浆加固参数的有效设计,文章依托鄂北地区水资源配置有关工程实测资料,基于UDEC建立宾汉浆液渗流模型,进行数值模拟,分析浆液在裂隙岩体中的扩散范围和压力分布情况。研究表明,注浆压力和浆液水灰比越大,注浆范围越大。但当注浆孔间距过小时,可能减少注浆范围。文章通过对100个模型结果对比,提出合适的可控制注浆参数,有助于解决工程实际中注浆设计参数效率不高的问题,对相关工程具有实际的指导意义。

采动裂隙场发育高度数值模拟研究

以顶板卸压带瓦斯抽采为主的瓦斯治理措施是有效防止回采工作面上隅角瓦斯超限的手段之一,采动裂隙是瓦斯运移的主要通道,采动裂隙场的分布决定着瓦斯抽采钻孔的布置层位,因而其发育高度的精准确定是该手段有效利用的前提。通过UDEC数值模拟确定了大水头煤矿东104工作面采动裂隙场发育高度,并通过数值计算得出该工作面初采期覆岩裂隙发育模型。结果表明:东104工作面19.18 m以下区域为垮落带,裂隙带最大发育高度为55.94 m.初采期间,采动裂隙场发育高度与工作面推进长度之比为0.5594,初采期覆岩裂隙发育沿走向方向顶部呈尖顶或椭球状,而沿倾斜方向呈平顶状,端部都呈逐渐降低的形态。

三峡库区巫山县廖家坪危岩体倾倒机制数值模拟分析

廖家坪危岩体位于三峡库区长江左岸,危岩体内部发育有7层软弱岩层和2组裂隙,其变形机制为次生倾倒。采用UDEC离散元模型,对该危岩体倾倒机制进行了数值模拟。模拟结果表明,廖家坪坡体内因次生倾倒形成的拉裂破坏向坡内呈递减趋势;坡体内的倾倒块体受软弱层控制,一般不穿越软弱层,因此不会发生整体性倾倒破坏。各次级悬崖上的危岩体岩柱形成后,出现了向前倾倒翻转破坏和向后仰剧冲或蠕滑两种破坏方式。倾倒的方向与下伏软弱层破坏的关系密切,危岩体跟趾部破坏强烈则向前倾倒翻转破坏,趾部破坏强烈则向后仰剧冲或蠕滑。

岩层移动模拟研究中模型下边界位置的确定

基于“下三带”理论和采场端部岩体破坏区理论,采用UDEC数值模拟计算,对岩层移动模拟研究中如何确定模型下边界范围进行了研究。研究结果表明,模型下边界位置应取在底板导水破坏带以下或采场底板最大破坏深度以下,若取在离底板较近处,将导致老顶上方应力集中程度偏高、底板垂直应力总体偏大、采空区底板不规则运动和实体煤层底板垂直位移值偏小。

隧道水平岩层变形破坏机制的模拟研究

在对隧道围岩体的物质组成和结构力学特征分析的基础上,文章定性分析了某隧道围岩体的变形破坏机制;采用底摩擦试验方法,确定了合理的试验参数,并依据现场岩层层面和节理产状建立了室内地质模型。试验结果表明,围岩体变形可分为三阶段,即弯曲内鼓、拉裂和折断塌落阶段。最后采用2D离散元程序对该隧道开挖过程进行了数值模拟,结果与室内模型试验结果基本吻合,可见采用室内模型试验和离散元数值模拟,能够较好地预测隧道在开挖过程中围岩体的变形特性。

Numerical simulation of land subsidence and verification of its character for an iron mine using sublevel caving

Combined with a digital bored photography system and in-situ statistics concerning the joints and fissures of both ore-body and surrounding rock,a 2D discrete model was constructed using UDEC.The stress field and displacement field changes of different sublevel stoping systems were also studied.Changes in the overlying rock strata settlement pattern has been analyzed and validated by in-situ monitoring data.The results show that:in the caving process,there exists an obvious delay and jump for the overlying rock strata displacement over time,and a stable arch can be formed in the process of caving,which leads to hidden goafs.Disturbed by the mining activity,a stress increase occurred in both the hanging wall and the foot wall,demonstrating a hump-shaped distribution pattern.From the comparison between simulation results and in-situ monitoring results,land subsidence shows a slow-development,suddenfailure,slow-development cycle pattern,which leads eventually to a stable state.This pattern validates the existence of balanced arch and hidden goafs.

采动作用下含深大岩溶结构面坡体裂隙扩展及变形破坏规律

中国西南高陡岩溶山区崩滑灾害频发,长期地下采矿活动是该区域崩滑灾害的重要诱因之一。采动作用下,坡体后缘深大结构面扩展演化控制着高陡岩溶坡体稳定性和失稳破坏模式。在野外地质调查基础上,结合室内物理模型试验和离散元数值模拟,揭示了地下开采扰动下覆岩裂隙扩展演化规律,阐明了深大结构面对边坡稳定性的控制作用,讨论了坡体变形的破坏模式。结果表明:地下开采扰动对斜坡体稳定性的影响主要表现在地下采动卸荷引起覆岩应力重分布、山体变形诱使裂隙扩展;地下采空后,斜坡体在二维剖面上形成类似“悬臂梁结构”,坡体原有深大结构面控制坡体稳定性;下行开采条件下,采空范围在断层之前,山体高度较小,在自重作用下“悬臂梁结构”岩层向断层及采空区方向协同变形,不会产生大量离层裂隙,煤层顶板仅发生断裂坍塌并充填采空区,采空至断层后,左侧山体已发生塌落,山体应力重分布,覆岩在自重作用下形成大量张拉裂隙,直接顶塌落高度与裂隙带高度也随采空区范围增加而增加。其变形破坏演化过程可概化为:地下开采卸荷–应力重分布→覆岩断裂下沉–裂隙扩展→坡体裂隙贯通–悬臂破坏→坡中变形挤出–岩桥剪断→坡体整体失稳破坏。

频发微小地震下顺层岩质边坡累积损伤及稳定性分析

三峡库区蓄水后诱发的高频度微小地震对边坡稳定性产生了重大影响。采用振动台模型试验和UDEC离散元数值计算方法,深入地探究了库区典型顺倾层状岩质边坡在高频次微小地震下的累积损伤和稳定性。研究表明:①地震持续作用下,边坡自振频率、阻尼比、损伤度和损伤速率依次降低、增大、累积变大和不断提升,各测点PGA响应表现为“高程效应”和“趋表效应”,且PGA放大系数均呈降低趋势;②高、低动荷载振幅阶段边坡岩体非线性累积损伤模型可分别用指数函数和三次函数描述,其演化曲线分别呈初期轻微降低、中期线性递增、后期平缓微增的“S”型特征和急速增长的“陡升”型特征;③边坡累积损伤-失稳破坏呈现为起伏体爬坡-啃断-磨平、次级节理(层面)起裂-扩展-贯通、坡体沿复合破坏面发生整体滑移、失稳破坏后岩体以破碎-大型-巨型块状堆积于坡脚,且含起伏体边坡整体稳定性更优;④动荷载振幅、动荷载频率、坡高、坡角增大而层面厚度减小时,边坡临界失稳微震作用次数减小、累积永久位移增大、稳定性系数减小,且层面出露边坡更易发生失稳破坏。

水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型。利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应。结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响。低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增加值随坡高增加而增大。较高频率应力波作用时,边坡顶部靠近坡面的垂向峰值速度高于无结构面边坡相同部位的峰值速度,远离坡面时情况相反;坡顶垂向峰值速度大小呈周期性变化,输入应力波频率越大该变化频次越高。研究结果将有助于进一步揭示各种不同岩体结构类型边坡在动力荷载作用下损伤机理及破坏模式。

岩层移动内外“类双曲线”整体模型研究

岩层移动主要关注工作面上覆部分岩层移动规律,开采地表沉降则关注地面的沉降问题,这2个研究方向都涉及到开采后上覆岩层到地表土层的整体移动行为,可以建立一种能够描述覆岩移动到地表沉降的岩层整体移动模型。通过理论与试验分析得到了岩梁梯形块体结构的初次破断与周期破断形态,建立了岩层梯形“倒漏斗式”冒落拱与裂隙拱的冒落条件与判定方法。基于岩层破断移动边界“类双曲线”模型,提出了采用内外“类双曲线”模型来描述岩层移动与地表沉降规律。内“类双曲线”模型指的是覆岩冒落拱与地表沉降移动拱“类双曲线”模型,在关键层近似“上下”对称;外“类双曲线”模型指的是岩层破断移动边界“类双曲线”模型,在工作面的中垂线附近近似“左右”对称。内“类双曲线”隐含在覆岩内部,可通过地球物理探测方法近似获得;外“内双曲线”体现在地表沉陷、岩层冒落等外部形态。通过理论分析、实例验证以及UDEC数值计算方法验证了厚松散层水平煤层开采条件下岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型。此外,还分析了内外“类双曲线”共轭形成条件、影响因素与整体运移规律。结果表明:在厚松散层水平煤层开采条件下,建立岩层移动与地表沉降内外“类双曲线”模型理论预测值与实际值误差较小,表明岩层整体移动存在“类双曲线”特征。

急倾斜厚煤层综放工作面矿压规律数值模拟研究

急倾斜厚煤层采用综放开采时,其巷道布置形式有错层位和同层位两种,两者工作面的矿压显现规律、顶煤冒放性和回采巷道矿压显现差异较大。通过UDEC4.0数值模拟分析了错层位布置和同层位布置时首采和下临近工作面的两侧支承压力分布规律、上覆顶煤岩运移规律和回采巷道顶板冒落规律,研究结果表明,首采工作面错层位顶煤冒放性优于同层位,但前者下部支承压力大于后者;错层位首采面回风巷和运输巷压力大,巷道维护困难,而下临近工作面上顺槽矿山压力小,有利于巷道的维护。

粉体颗粒的流动模型研究现状

介绍了粉体颗粒和粉体颗粒流动的概念,概述了粉体颗粒流动的两类基本模型:连续介质模型和离散元模型,并分析了两类粉体颗粒流动模型的基本原理、优缺点和适用范围。通过对现有粉体颗粒流动模型的研究,可对灰斗、料仓等设备的设计进行优化改进,具有重要的工程意义。

近距离倾斜煤层巷道布置研究

某矿的具体地质条件表明近距离倾斜煤层下部回采巷道采用重叠式布置时,矿压显现剧烈。现场监测表明其松动圈大小约为3 m,两帮及顶底板相对移近量均超过50 cm,巷道维护困难。采用数值模拟表明上部煤层回采时所留煤柱对下部两侧倾斜煤层的影响范围是不一致的,上区段煤层的运输顺槽应至少内错2 m,下区段煤层的回风顺槽应至少内错8 m才能避开上部煤柱集中应力的影响,理论计算结果与之基本吻合。

寺家庄煤矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究

为研究寺家庄煤矿15106工作面回采过程中上覆岩层裂隙的动态发育规律,基于工作面覆岩地质条件,采用理论分析、数值模拟和相似模型实验的方法研究覆岩裂隙的发育,并划分“三带”。依据矿业控制理论,得到垮落带高度为14.37~17.25 m,裂隙带高度为54.8~72.6 m。基于UDEC软件,模拟得到k 2石灰岩底板距离煤层顶板18 m为跨落带高度,k 4石灰岩底板距离煤层顶板66 m为裂隙带高度。根据相似模型实验得到垮落带高度为18 m,裂隙带高度为64 m。理论分析、数值模拟和模型实验得到覆岩“三带”高度基本一致,以坚硬的石灰岩高度为准,确定垮落带高度18 m,裂隙带高度66 m,为高抽巷层位选取提供了一定的理论指导。

滕州矿区3#煤综放开采顶板导水断裂带高度预测模型

为精确预测滕州矿区山西组3#煤综放开采顶板导水断裂带发育高度,以滕州矿区18个采煤工作面导水断裂带高度和各主控因素实测数据为基础,运用SPSS软件对采厚、采深、煤层倾角、走向长度、倾向长度、顶板厚度6个因素进行相关性分析,并构建了导水断裂带高度多元线性回归预测模型;以藤县煤田4个工作面为例,分别采用“三下规范”公式、中国矿业大学(北京)总结经验公式和回归模型对导水断裂带高度进行计算并进行误差分析对比;借助UDEC数值模拟分析进行辅助验证。结果表明:本模型预测值与实测值更接近,较经验公式计算结果精度更高,误差基本控制在8%以内,提高了预测精度。

基于大采高仰采面的煤壁片帮数值模拟研究

片帮往往引起冒顶,而冒顶的扩大引起片帮的加深,甚至使顶板破碎,引起支护方式的失效,造成机电事故、支架失稳等现象,严重影响了矿井的安全生产。为了研究大采高工作面煤壁片帮因素,采用UDEC数值模拟软件,分析了不同采高下和不同工作面深度下煤壁最大片帮深度与采高关系以及工作面埋深的关系曲线。研究得出:随着工作面采高的增大,煤壁最大片帮深度也逐渐增大;当采高小于4 m时,最大片帮深度增长幅度较缓,当采高大于4 m时,最大片帮深度增长较快,说明影响煤壁片帮剧烈程度的分界线为4 m;随着工作面埋深的增大,煤壁最大片帮深度也逐渐增加。该研究为预防大采高煤壁片帮提供一定的理论指导。

深部易风化顶板地应力研究

山西阳城阳泰集团竹林山矿1831工作面直接顶为深部易风化复合顶板,煤岩体的构造应力场比较复杂,以1831工作面的地质条件为背景,利用udec计算模型,对不同深度下巷道应力场的规律进行探究,得出一定结论,对巷道的支护参数选择提出合理化建议。