基于塑性区演化的煤柱宽度留设及柔性锚索支护技术研究

沿空掘巷可有效提高煤炭资源回收率,改善采掘接替关系,但存在施工维护难度大的难题。为了提高沿空巷道围岩稳定性并减少煤炭损失量,以布尔台煤矿42108辅运巷为研究背景,通过理论分析确定了巷道塑性区发育特征,建立数值模型综合确定了合理煤柱宽度并进行了工业性实践。研究结果表明:42108辅运巷掘出后在采动影响下具有帮部大变形特征,辅运巷塑性区呈非对称蝶形分布的形态,塑性区发育范围为1.8~2.7 m;结合极限平衡理论及数值模拟认为,煤柱宽度大于30 m时其内部出现明显的应力降低区,有利于巷道维护,同时考虑煤炭资源回收率,确定合理煤柱宽度为30 m;揭示了多次补强支护仍无法有效控制巷道变形量的原因为锚索易拉伸破断,在此基础上提出了柔性锚索支护方案,同时将帮部锚杆间排距减小至750 mm×750 mm,经现场实践后30 d内两帮最大变形量160 mm,围岩控制效果显著。

深埋回采巷道围岩塑性区演化规律研究

针对深埋厚煤层回采巷道围岩破坏严重的问题,以薛虎沟矿2-111工作面运输巷为工程背景,研究了回采巷道塑性区形态特征及其在采动应力作用下的演化规律。研究表明:受工作面回采的影响,厚煤层回采巷道区域主应力场的大小和方向发生改变;随着与工作面距离的减小,回采巷道两肩角处塑性区不断向深部扩展。此研究成果可为深埋厚煤层开采方案设计、回采巷道支护参数确定等提供参考借鉴。

霍尔辛赫3501回风巷塑性区演化规律与支护研究

针对霍尔辛赫煤矿3501回风顺槽保留巷道受二次采动影响出现的巷道围岩非均匀变形现象,通过FLAC^(3D)数值模拟和理论分析的方法研究了受多次采动影响下留巷的塑性区演化规律,并针对围岩塑性区分布特征对巷道原支护提出改进。研究结果表明:受重复采动影响下的巷道围岩塑性区呈现为非对称形态,且因留巷受3502工作面回采影响,使得巷道围岩塑性区加剧向顶底板与两帮夹角处扩展,基于此塑性区分布规律提出了巷道支护改进措施,确保了留巷服务期间的支护安全。

基于采动影响下塑性区演化的顶板稳定性控制

回采巷道围岩塑性区分布特征是围岩稳定性控制的关键。针对双巷布置条件下留巷易受到相邻工作面采动影响的特点,以塔拉壕矿为研究背景,采用FLAC3D数值模拟和理论计算的方法研究了采动影响下留巷的应力分布、塑性区演化、支护阻力对塑性区的控制作用。结果表明:1)留巷位置应力分布随推进尺寸而增加,最终趋于稳定,且对称分布;2)留巷位置侧压系数随工作面推进度而减小,最终趋于稳定,且对称分布;3)留巷塑性区由超前150 m到滞后200 m逐渐加大且由对称分布演化为非对称性分布;4)在现有条件下加强支护阻力减小围岩塑性区的作用有限。基于塑性区形态演化设计锚杆(索)支护参数进行巷道稳定性控制,并应用于现场实际,经过现场实测和数据分析,得出基于塑性区演化的顶板稳定性控制效果良好。

采动软岩大巷围岩破坏演化规律及控制技术

针对曹村煤矿500水平大巷围岩变形量大和支护结构失效等现象,综合采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法分析了大巷反复破坏的关键因素,研究了巷道围岩失稳机理及塑性区演化规律。研究结果表明:相邻工作面采动影响在500水平大巷变形反复破坏中起到了主控作用。受采动应力叠加影响,巷道塑性区由圆形演化为椭圆形,帮部塑性区向深部扩展,而顶底板受高应力压缩作用,塑性区回缩。在此基础上采用"治底先治帮"的方案,修复方案实施后,顶底板变形量从1000mm减少至103mm,帮部相对移近量从1200mm减少至113mm。在采动影响下围岩裂隙发育范围虽有所增加,但仍未超出锚杆(索)的锚固范围,巷道围岩变形得到有效控制。

小庄矿40309工作面应力分布及覆岩“三带”演化规律研究

为解决小庄煤矿高瓦斯煤层回采过程中瓦斯超限这一难题,采用COMSOL Multiphysics数值模拟与物理相似模拟相结合的方式,对40309综放工作面开展了覆岩采动应力分布及裂隙演化规律研究,确定了煤岩层应力、塑性区分布特征,准确定位瓦斯富集区及瓦斯运移导流通道;分析了回采过程中上覆岩层垮落时空演化规律及"竖三带"范围。结果表明:随着回采距离增加,塑性区范围逐渐扩大,裂隙带高度也逐渐增加。通过数值模拟与物理相似模拟相结合的方法,确定了不同回采里程时的冒落带、裂隙带高度,准确定位采空区内瓦斯运移主要裂隙通道,对高瓦斯煤巷回采过程中的瓦斯治理有一定的参考价值。

周边切口试件裂纹稳态扩展过程的动力学有限元分析

建立了以实测的平均载荷 P作为试件端面的力边界条件 ;以实测的tid 和 a(t)作为运动边界条件 ,将周边切口短圆柱试件简化为左右对称且轴对称的精细有限元模型 ;成功地、较真实地模拟了冲击加载下裂纹稳态扩展的运动过程 ;进一步论证了在起裂时的围道 ^J(t)积分和裂纹稳态扩展时修正的围道 ^J(t)积分在裂尖稍远处是守恒的 ;计算得到的阻力曲线与试件尺寸无关 ;模拟了裂纹起裂及稳态扩展时的变形场和应力场的演化过程 。

控制性断层对洞室群围岩稳定及衬砌破坏形态的影响

与地下洞室群相交的控制性断层是围岩开挖稳定性和衬砌破坏的主要影响因素之一,亦是工程施工的主要关注对象。以河北丰宁一大型抽水蓄能电站为依托,针对2条控制性断层,以FLAC3D数值分析软件为平台,采用结构面单元模拟岩体与断层的相对作用关系,开展了大型地下洞室群开挖过程的三维模拟,研究了围岩应力重分布、变形发展规律和塑性区演化及其与断层之间的关系。采用衬砌强度校核方法,研究了断层与洞室群切割处衬砌的破坏形态。结果表明:在断层与地下洞室群围岩相交处,围岩应力存在不连续现象;围岩塑性区在断层带附近呈由开挖面向岩体内延伸的条带状;断层与洞室群相交处,断层上盘岩体的竖向变形增加,下盘岩体的回弹变形减小,在洞室的高边墙处,顺倾断层的上盘岩体易沿断层向临空面发生滑移;断层相对于围岩的滑动是导致衬砌开裂的主要原因,断层处衬砌发生以拉弯和拉剪为主、压弯和压剪为辅的破坏形式,与断层处衬砌的空鼓、拉裂、压碎、剪断等破坏形态相对应;最后,针对断层处衬砌出现的问题提出了相应的应对措施。

寺河煤矿夹软煤动压影响巷道支护技术研究

针对寺河煤矿二号井15#煤层夹软煤巷道支护困难、多次返修的问题,通过对煤层和顶底板岩性调研,采用FLa C3D数值模拟,分析不同支护参数下应力分布和塑性区演化特征,确定全长预应力锚杆支护系统参数,并对支护效果进行了现场实测。结果表明:夹软煤巷道变形以两帮收敛和底鼓为主;全长预应力锚杆支护系统有效地控制了巷道变形;该技术应用减少了巷道返修次数,具有显著的经济效益。

关于隧洞围岩破坏特征的连续-离散耦合分析

为探究不同侧压系数下断面形状对隧洞破坏特征的影响,基于齐热哈塔尔地区地质条件,构建连续-离散耦合数值模型,从洞室围岩塑性区演化、洞室围岩位移及裂纹发育状态进行探讨。结果表明:断面形状相同时,随着侧压系数的增加,洞室顶底板塑性区变化较为明显,且位移集中区域由两帮转移至顶底板;洞室顶底板始终为拉剪复合破坏,而两帮则随着侧压系数的增加由张拉破坏变为拉剪复合破坏;侧压系数一定时,圆形断面洞室破坏程度最小。

近距离煤层回采巷道非对称性破坏机理与演化规律研究

近距离煤层开采过程中,上位煤层的工作面回采与煤柱应力集中均会对下位煤层巷道围岩稳定性造成较大影响.本文以回坡底煤矿11^(#)煤层1021巷为工程背景,探究巷道在受到10^(#)煤层103工作面回采与煤柱应力集中情况下产生非对称性破坏的机理与演化规律.研究结果表明:受103工作面前方支承压力与煤柱应力集中影响的区域巷道处于拉-压偏应力场之中,此位置的巷道最容易发生破坏变形,而位于工作面后方与前方原岩应力处的区域巷道均处于压偏应力场中;不同位置处的巷道所受最大、最小主应力均发生一定角度的偏转,但应力偏转程度不同.考虑中间主应力作用时,侧压系数λ>1条件下,巷道顶底板不同深度处最大、最小偏应力呈"八"字形分布,两帮最大、最小偏应力呈"√"形分布,巷道围岩偏应力差整体呈倾斜的"8"字形分布.随着103工作面的回采,1021巷围岩塑性区由倾斜的"O"形分布向倾斜的"X"形分布演化,呈对角式发育,最大塑性区半径达到6 m;针对1021巷出现的非对称性破坏,在受103工作面前方支承压力与煤柱影响的区域巷道进行单体液压支柱与工字钢梁配合的补强支护;同时,基于1021巷原支护技术提出了合理的巷道支护优化设计方案.

上行采动影响下遗留群柱动态稳定性研究

揭示上行开采对柱式采空区遗留群柱体系稳定性的动态扰动特征是保障蹬空遗煤安全开采的关键科学问题之一。选取元宝湾煤业9^(#)煤层柱式采空区上覆6^(#)蹬空遗煤开采为研究对象,通过数值模拟研究蹬空遗煤上行复采过程中遗留群柱的应力演化规律,评价遗留群柱的动态稳定性;在此基础上,运用结构力学基础理论,建立上行扰动载荷与遗留群柱载荷之间的关系,并揭示上行扰动载荷对遗留群柱稳定性的影响。结果表明:蹬空遗煤推进距离较小时,传递至遗留煤柱的支承压力不足以破坏其整体稳定性,使得应力分布形态保持“马鞍”形;随着蹬空遗煤推进距离增大,传递至遗留煤柱的支承压力与原有集中应力发生叠加,促进关键柱最早发生失稳,并使得其应力分布形态由“马鞍”形演变为“下开口抛物线”形;关键柱发生失稳后,覆岩载荷会发生转移,随着蹬空遗煤持续推进,邻近遗留煤柱在原有集中应力、转移应力和支承压力的叠加影响下,依次经历“增压-卸压”的演变路径,并按从左往右的次序发生失稳破坏;上行扰动影响下“遗留群柱-覆岩”耦合承载结构可以简化为均布载荷q和移动集中载荷F_(1)叠加影响下的多跨连续梁力学模型;运用“遗留群柱-覆岩”耦合承载结构的力学模型,结合上行扰动载荷与遗留群柱载荷之间的关系,可以发现上行扰动荷载的位置和大小变化均会引起柱式采空区遗留群柱荷载的传递与转移,并影响遗留群柱体系稳定性的动态演变。本研究可为柱式采空区蹬空遗煤开采遗留群柱的失稳防控提供良好的理论支持。

末采期回撤通道围岩破坏机理及稳定性控制

针对万利一矿3-1煤层回撤通道末采期间矿压显现剧烈的问题,通过现场监测、数值模拟、理论分析等方法,研究工作面前方应力分布、非等压巷道塑性区分布、末采期间巷道围岩破坏特征和区域应力场矢量分布规律.研究表明:万利一矿工作面前方20 m为受支承压力剧烈影响导致的高偏应力场范围,在此高偏应力环境下,巷道易发生蝶形失稳;末采期间,工作面前方煤柱内应力由双峰非对称分布向单峰对称分布转化,回撤通道间的煤柱应力始终处于双峰非对称分布,但辅回撤通道的区域应力场极值较小,有利于巷道的稳定;末采期间,回撤通道在不间断变化的复杂移动支承压力的作用下逐渐塑性失稳,但在保护煤柱作用下,辅回撤通道的围岩应力分布模式未变,塑性区蝶形扩展有限.基于此,提出针对性的锚杆索联合支护配合末采期加强支护的围岩稳定性控制技术,现场应用有效地控制了围岩失稳,效果良好.