Surrounding Rock Failure Mechanism and Control Technology of Gob-Side Entry with Triangle Coal Pillar at Island Longwall Panel in 15 m Extra-Thick Coal Seams

Taking the return air roadway of Tashan 8204 isolated island working face as the background, the evolution law of the stress field in the surrounding rock of the widened coal pillar area roadway during the mining period of the isolated island working face is obtained through numerical simulation. The hazardous area of strong mine pressure under different coal pillar widths is determined. Through simulation, it is known that when the width of the coal pillar is less than 20 m, there is large bearing capacity on the coal side of the roadway entity. The force on the side of the coal pillar is relatively small. When the width of the coal pillar ranges from 25 m to 45 m, the vertical stress on the roadway and surrounding areas is relatively high. Pressure relief measures need to be taken during mining to reduce surrounding rock stress. When the width of the coal pillar is greater than 45 m, the peak stress of the coal pillar is located in the deep part of the surrounding rock, but it still has a certain impact on the roadway. It is necessary to take pressure relief measures to transfer the stress to a deeper depth to ensure the stability of the triangular coal pillar during the safe mining period of the working face. This provides guidance for ensuring the stability of the triangular coal pillar during the safe mining period of the working face.

三向非等压应力场下围岩主应力差与塑性区分布关系研究

首先,以弹性理论为基础推导出考虑巷道轴向应力影响的主应力差解析式,通过变化水平侧压比、轴向侧压比研究完全弹性条件时不同应力场下主应力差分布形态演化规律。其次,推导出考虑轴向应力作用的围岩塑性区近似解,研究不同应力环境下围岩的塑性区形态演化规律。最后,对比分析主应力差及塑性区形态特征,研究二者分布形态的对应关系,并通过数值模拟验证理论分析的正确性。研究结果表明:在弹性理论下,三向应力场条件的主应力差值分布会呈现圆形、椭圆形、蝶形3种形态的演化规律;在考虑巷道塑性破坏的情况下,主应力差值在σx、σz较小一侧形成峰值壳,在较大一侧形成卸压壳。在不同水平侧压比及轴向侧压比情况下,围岩塑性区形态会呈现圆形—椭圆形、椭圆形—蝶形、蝶形恶性扩展3个阶段的演化过程。巷道主应力差的分布形态在一定程度上可以反映塑性区形态,主应力差和塑性区在相同应力条件下的形态特征具有逐一对应关系,且二者形态在很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压比对塑性区形态影响较小。160206回风巷在偏转式主应力差集中区形成非对称异化特征。本文基于分析及现场破坏情况提出的联合协同支护技术在现场应用效果较好。

卸载状态下非均质圆形寒区隧道围岩弹塑性统一解

以统一强度理论作为卸载状态下寒区隧道冻结围岩屈服准则,综合考虑围岩非均质特性和中间主应力效应对冻结围岩强度影响,建立寒区隧道应力位移弹塑性力学模型,联合各区域边界条件,计算获得冻结围岩均质与非均质状态下,弹性解、塑性统一解以及塑性区半径的隐式方程,分别对其应力位移场讨论分析。研究表明:考虑冻结围岩的非均质特性,塑性区环向应力峰值增大40%,塑性区范围相对减少40.4%,内壁位移减少9.3%,弹性极限承载力提高41%,塑性极限承载力提高14%,影响显著。中间主应力效应能充分发挥非均质冻结围岩承载潜能,计算得到的承载力明显增大,塑性半径明显减小。所得结果可为寒区隧道开挖支护设计以及数值模拟,提供理论指导。

岩体变形及二次应力下矿体开采效应研究

为了解围岩在变形及二次应力下矿体开采效应的影响,本文选取-410 m中段采用现场试验与数值模拟相结合的方法对崩落法采矿进行矿体效应研究。结果表明:围岩应力发生震荡变化,在矿体上下盘围岩附近存在应力明显降低区域,下盘大于上盘,顶板最大主应力达0.44 MPa,局部呈现应力集中,且应力集中部位呈现类似水平零散分布的现象。同时开采边界呈现裂隙发育的状态。水平矿体有轻微下沉趋势,且在该中段的水平巷道边界和顶板裂隙附近易出现断层破碎带。竖直方向变形明显,且倾斜部位呈椭圆分布,最大下沉位移值达8.00 mm,最大上升方向变形值为3.03 mm,交界线附近易受到应力挤压现象。该研究对及时准确地掌握岩体变形规律和矿山安全信息使矿山安全有效合理地进行开采具有一定的指导意义。

基于DDA模型采空区围岩在地下水循环流场作用下应力变化规律研究

以三门峡市渑池县煤矿采空区为研究对象,运用DDA(Discontinuous Deformation Analysis)方法对采空区裂隙岩体进行渗流应力耦合分析计算,创建煤矿采空区离散介质岩体水力学模型,模拟计算了不同工况下地下水循环流场对采空区围岩应力变化状况。研究结果表明,当隔水层被破坏后,顶板水沿裂隙通道涌向采面,采空区围岩压力变化与增加回头压力呈线性关系;在地下水抽-注水循环过程中围岩压力与地面沉降也存在线性关系,长期循环这一过程,采空区围岩存在垮塌和含水层再造现象。

基于钢锥冲击的煤层卸压方法研究

针对煤矿冲击地压引起的采掘安全问题,以山西晋中左权五里堠煤矿3号煤层开采地质条件为工程背景,提出一种基于钢锥冲击煤层的卸压方法。根据通电线圈间产生电磁互感斥力原理,获得磁力驱动绕线钢锥撞击煤层的冲击力函数式,并结合弹性力学理论,分析冲击力作用下煤体应力场分布特征、裂隙类型、破裂范围及程度。结果表明:(1)冲击力与交流电电压及线圈级数呈正相关关系,与交流电频率及每米线圈匝数呈负相关关系。其中,电压是调控冲击力的最主要因素,综合考虑认为电压取660 V为宜。(2)计算显示钢锥长度与直径仅需1 cm和1.28 cm,与之匹配的2级加速线圈总长为2 cm,可实现冲击装置的微型化,便于在钻孔内灵活布置。(3)冲击力使钻孔横截面围岩出现集中系数为4.0~16.7的叶状极高应力区,其延伸长度为5倍钻孔半径,区内发育张拉裂隙;叶状区之外为集中系数1.7~3.3的高应力区,发育压剪裂隙,其范围可达50倍钻孔半径,据此得到卸压钻孔间距为2.5 m。(4)按卸压段长度,每孔内设置2个间距2 m的冲击装置,冲击力使钻孔纵截面围岩呈现针状极高应力区,相邻针状区间分布椭圆形压剪裂隙区,两者一起贯通2 m厚煤层,实现有效破煤卸压。研究成果为探索基于磁力钢锥冲击的煤层卸压技术奠定初步理论基础。

围岩冻融劣化对季节性寒区隧道稳定性的影响研究

围岩冻融损伤会造成衬砌受到的变形压力增大,对衬砌的稳定性造成不利影响,是季节性寒区隧道工程研究的一个关键问题。通过对砂岩的冻融循环试验和压缩试验得到不同冻融次数下的砂岩应力—应变曲线,然后通过应力—应变曲线得到围岩的变形参数和强度参数,最后将岩石力学参数变化规律嵌入ABAQUS软件中对冻融循环条件下的隧道长期稳定性进行数值分析,分别得到循环冻融0、6、12、18、24次下的围岩和衬砌的应力场及位移场。结果表明:①随着冻融循环次数增加,围岩所受的最大主应力和最小主应力均呈线性减小;②衬砌所受的最大主应力、最小主应力及衬砌位移均呈指数增大;③与未经冻融的情况相比,冻融循环24次后围岩的最大主应力、最小主应力分别减小了43.69%、20.66%;④衬砌的最大主应力、最小主应力及拱顶最大沉降分别增大了13.64%、15.75%、49.36%。在进行寒区隧道支护设计时,应考虑冻融作用下围岩自稳能力衰减而导致支护结构受力增大的问题。

考虑损伤的非等压隧道抗力系数计算

围岩抗力系数是结构设计非常重要的一个参数,Mogi-Coulomb能够较好地反映真三轴条件下中间主应力的影响。基于Mogi-Coulomb准则和弹塑性模型,在合理考虑岩石损伤的情况下,推导出圆形隧洞在非均匀应力场下的围岩抗力系数,更贴近隧洞开挖后的围岩真实状态。推导出围岩抗力系数计算公式,并结合实际工程算例分析了侧压力系数、损伤变量、极轴夹角和剪胀系数对围岩抗力系数的影响。结果表明:围岩抗力系数随着极轴夹角和侧压力系数的增大逐渐减小,且减小幅度越来越小。隧洞岩石的损伤会严重影响围岩抗力系数的计算,围岩抗力系数随着损伤变量的增大而减小,导致围岩的承载能力降低,对隧洞稳定性产生不利的影响。

复杂应力场中圆形隧洞偏应力场分布规律

为了厘清深部圆形中导洞(设置于双向隧洞中间)围岩偏应力分布问题,结合岩石力学与摩尔-库仑屈服准则,推导平面三向应力场中圆形隧洞围岩主偏应力与塑性区半径解析解,研究不同工况下圆形隧洞围岩主偏应力的分布规律及塑性区边界处主偏应力的几何形态分布特征。结果表明:当隧洞所处的斜向应力场为竖向应力场0.5~1.0倍时,随着斜向应力场水平方位角α_(1)=α_(2)增加,径向1.0倍隧洞半径范围内顶底主偏应力在快速降低,腰部主偏应力在快速增加,径向1.0倍隧洞半径范围外隧洞围岩主偏应力先小幅下降后又逐渐增大,最终在围岩深部趋于某定值;隧洞围岩主偏应力对其塑性区形态分布影响显著,当斜向应力场水平方位角α_(1)=α_(2)为30°时,围岩塑性区形态分布较优,为圆形或椭圆形。

某深部巷道底板卸压槽尺寸数值模拟研究

随着煤矿开采深度的不断增加,国内许多矿井已经进入深部开采,深部巷道围岩稳定性差,底鼓现象突出,矿压显著。以平顶山矿区某煤矿为工程背景,分析了巷道围岩变形破坏特征,提出了“四层次喷混凝土+三层次钢丝绳网+三层次锚杆+底板卸压槽+壁后注浆”的联合支护方案,采用UDEC模拟了巷道围岩应力场分布特征。结果表明,增加卸压槽宽度可以有效保证巷道底板应力向深部转移,当卸压槽宽度为1600mm时,巷道底板围岩塑性区范围为14.84m,底板水平应力峰值向深部转移了14.5m,为深部巷道围岩变形控制提供了一定的理论支撑。

回采巷道围岩破坏机理与控制技术研究

巷道开挖导致巷道围岩应力重新分布,塑性区也不断扩展。为确定坤达煤矿巷道围岩变形破坏情况并制定巷道支护方案,以坤达矿回采巷道为工程背景,采用理论分析建立非均匀应力场圆形巷道受力模型,推导了圆形巷道围岩塑性区边界方程;数值模拟回采巷道在采动影响下的围岩破坏塑性区分布,并依据塑性区破坏深度提出巷道优化支护方案;数值模拟了原始支护方案与优化后支护方案的巷道围岩变形情况,发现优化支护后破坏范围、顶底板以及两帮位移量显著降低,围岩的变形情况得到控制。通过工业性试验和检测结果发现,顶板下沉量随工作面推进而增大,巷道在距工作面25~35 m受到的采动影响最为剧烈。优化支护后的巷道经采动影响后围岩变形量不大,达到了巷道支护设计要求,证明工作面回采巷道的优化支护设计是科学合理的。

强风化软岩地层盾构隧道荷载及受力特性分析

为探明既有隧道衬砌设计理论能否较好契合强风化软岩盾构隧道并获取管片实际受力特性,依托南昌地铁1号线北延段区间盾构隧道工程开展现场测试,对管片所受外荷载及结构内力进行长期监测。同时,建立相应的盾构管片精细化数值模型,并与实测数据对比验证,进一步探究管片受力特性。结果表明:1)管片环外水土压力受同步注浆影响最显著是在脱环5环内,隧底土压力小于隧顶,水压力占总土压力的绝大部分;2)管片所受竖向土压力呈“中间大、两头小”的分布模式,拱顶附近实测值最大,与太沙基理论、普氏理论、隧规法计算值分别相差近20%、30%、42%,故该地层下隧道竖向土压力按太沙基理论计算较为合适;3)数值模拟所得管片内力与实测值吻合较好,管片弯矩整体呈“蝴蝶形”,拱顶弯矩值略大于拱底。

特厚煤层沿顶巷道抗剪锚管索帮角控制技术研究

针对特厚煤层沿顶巷道帮角围岩破碎外挤、锚索自由段受不均匀组合荷载作用导致的端部上翘和帮部变形较大等问题,以同忻矿8204巷道为研究对象,通过现场调研、拉剪试验、FLAC3D数值模拟和现场工业性试验等方法,并利用研发的抗剪锚管索支护结构进行特厚煤层沿顶巷道抗剪锚管索帮角控制技术研究。首先开展拉剪试验,测试锚索组成抗剪锚管索结构前后的承载能力;其次在不考虑原岩应力影响的条件下,通过对巷道围岩内部支护应力场的分布情况,查找原支护方案帮部支护效果较差的原因;最后结合强帮强角支护理念,提出抗剪锚管索帮角控制技术及支护优化方案,利用数值模拟方法险证该优化方案的支护效果,并在现场进行长为300 m的工业性试验。现场监测数据表明,应用所研抗剪锚管索帮角控制技术后,特厚煤层沿顶巷道围岩变形得到了有效控制。

浅埋煤层工作面开采覆岩应力场-裂隙场时变演化规律研究

为研究采煤工作面上覆岩层采动应力演化特征及破断过程,以高家梁煤矿40101工作面开采为例,建立数值模型,对工作面开采过程中应力场-裂隙场演化规律进行模拟。结果表明:利用莫尔-库伦准则分析最大主应力与最小主应力差值的变化规律可以判断岩层垮落、破坏之间的关系,通过数值模拟结果与现场实测结果进行比对,可以验证工作面开采过程中裂隙场与应力场时变演化的正确性。

高地应力作用下渭武高速木寨岭隧道围岩大变形灾变预测分析研究

为解决在建渭武高速木寨岭隧道施工过程中遇到的高地应力环境下软岩大变形问题,基于工程区已有地应力实测数据,利用ANSYS有限元软件建立三维地质模型,反演工程区地应力场,并结合Hoek围岩变形预测公式计算分析隧道围岩的变形量。结果表明:工程区的地应力场主要受断裂控制,其次还受到岩体强度和地形的双重影响,强构造变形区的水平主应力值普遍低于弱构造变形区,沿隧道轴线三向主应力大小关系为最大水平主应力(S_H)>最小水平主应力(S_h)>垂直应力(S_V),强构造变形区最大水平主应力值在G8区段最大,而在G6区段和G11区段最小;弱构造变形区的水平主应力值自G12区段开始逐渐增大,直至G14中段开始因埋深减小而逐渐降低。沿隧道轴线最大水平主应力方向总体为北东向,而在断裂间挤压构造带多偏转为北东东—近东西向。高速公路隧道围岩变形受岩体强度和地应力场的双重影响,其中,岩体强度占主导作用,围岩变形量主要集中在20~80 cm范围内,变形等级以中等和强烈为主。

高应力煤体小煤柱护巷围岩稳定性控制技术研究

高应力环境临空小煤柱巷道面临围岩稳定性差,巷道维护难度大等问题,以福达煤矿15#煤层5 m小煤柱应用现场为背景,针对影响小煤柱巷道围岩稳定性的关键因素,包括:地应力水平高、围岩稳定性差、煤柱内部遗留钻场空区等,提出了侧向水力压裂卸压、临空巷道围岩稳定性控制及煤柱内隐蔽钻场高水材料充填技术方案,并开展现场应用,结果表明:(1)水力压裂关键层位起裂压力峰值为26.5 MPa,各孔最大压力均值22.3 MPa,孔内原生裂隙受高压水挤压作用逐渐张开,对顶板完整性的弱化作用显著;(2)基于巷道矿压数据分析结论,顶板锚杆应力峰值为108 kN,帮锚杆应力峰值为86 kN,均远低于锚杆的屈服载荷,未出现断锚现象。巷道两帮及顶板下沉量均在可控范围内,巷道收缩量较小,围岩整体稳定性得到有效控制;(3)隐蔽钻场充填高水材料总体积682.9 m3,高于钻场空区总体积,每个充填钻孔均保证返浆后停止注浆,钻场充满率较高,残留1.5 m煤柱稳定性较好,达到了预期效果。

麦垛山煤矿地应力测量及井田应力场特征分析

为确定麦垛山煤矿不同构造应力区对采掘工程和矿井动力灾害的影响,采用水压致裂法对麦垛山煤矿6号煤层地应力测量,构建麦垛山煤矿6号煤层顶板岩性数据库和煤岩地质构造模型,并运用“岩体应力状态分析系统”明确麦垛山井田应力分布和分区特征。结果表明:麦垛山煤矿属于典型走滑型应力场,即水平应力为主导的构造应力场,最大主应力为15.02 MPa,方向为N15.6°E,井田范围共划高应力区、应力梯度区、应力正常区及低应力区4个应力区域,并且分别占井田面积7.5%、8%、57.5%和27%。在高应力区和应力梯度区,受采掘扰动叠加影响容易导致巷道发生顶板垮落和底鼓等现象;在应力正常区和低应力区,巷道受原岩应力的影响较小,不易产生能量积聚,巷道破坏的危险性降低。对于正在掘进和未投入使用的巷道,应根据应力分区特征加强对巷道围岩的监测和支护,实现煤矿开采工程与灾害防治工作的分级、分区管理,保障煤矿生产安全。

大采高大断面迎采沿空巷道窄煤柱宽度研究

根据山西马堡煤矿地质条件,通过极限平衡理论、内外应力场理论计算出迎采巷道煤柱宽度范围为6.48~8.97 m.采用FLAC3D数值模拟软件,分别模拟了煤柱宽度为5~9 m时,在15202运输顺槽掘进过程中,煤柱应力分布、塑性区分布及迎采沿空巷道围岩变形规律,结果表明:随着煤柱宽度的增加,煤柱峰值应力及塑性区范围不断减小,煤柱宽度为7 m以后,峰值应力减小趋势和塑性区变化均不明显,围岩变形逐渐趋于稳定,综合考虑安全开采和资源高效利用,最终确定煤柱宽度为7 m.通过模拟煤柱不同位置在采掘过程中的应力变化,确定采掘应力叠加影响范围为采掘间距30~-30 m,并结合15202运输顺槽不同位置的围岩变形情况,给出了合理的支护建议。

金川深部矿区地应力场及其对地下洞室围岩稳定性的影响分析

甘肃金川矿区是一座资源丰富、矿体厚大、地应力较高的多金属共生特大型矿床,赋存有中国目前最大的硫化铜镍矿床。因此,加强金川矿区地应力的研究工作,掌握该区地应力分布规律,对矿区的安全高效开采具有重要意义。本文对收集到的野外及三轴试验实测数据整理后,利用科学绘图软件ORIGIN进行拟合分析,从而获取原岩应力特征、重分布应力特征及力学参数。通过研究分析得出,区内天然应力状态下岩石的强度较高,但岩体整体强度比较低,属一般到不稳定类围岩。高应力和岩性较差是导致该区地下洞室巷道变形破坏的主要原因,其变形破坏形式主要表现为偏压弯曲变形、侧墙内挤变形、顶板开裂和底鼓等。

基于FLAC 3D的动压巷道应力场演化特征数值模拟分析

在煤矿开采中,工作面推进引起的围岩应力场变化是导致巷道破坏、围岩变形的重要因素之一,分析动压巷道应力场演化对安全生产有着重要意义。根据工程实例,对受采动影响的巷道使用FLAC3D软件进行了数值模拟,并从应力场、位移场演化以及塑性区分布特征进行了分析,通过实地监测的数据对数值模拟分析进行了验证,由此针对安全生产给出了上山保护煤柱尺寸应在100 m的建议。