大断面回采巷道层状底板底臌机理及其防治对策

为研究大断面回采巷道底臌机理并寻求控制底臌的有效对策,通过对大断面回采巷道层状底板底臌机理进行理论推导,提出该类底板底臌的预测方法。结果表明:随着回采巷道底板断面的增大,岩梁的临界应力逐渐减小,更易失稳破坏;在水平力的作用下,几乎所有大断面回采巷道均受到底臌的威胁;随着巷道宽度的增加,底臌量大致呈线性增加。同时对巷道一般支护、加固巷道帮角和顶板及在加固巷道帮角和顶板的基础上安装底板锚杆的3种支护方案分别进行数值模拟,发现加固巷道帮角和顶板的同时安装底板锚杆可更好的防治底臌。

采动影响巷道弱胶结层状底板稳定性分析与控制对策

针对弱胶结层状底板巷道在强烈采动影响下的非对称性变形失稳问题,以梅花井矿工作面辅助运输巷为工程背景,综合采用现场调研、理论计算、数值分析和工程试验的方法,对巷道围岩变形破坏机制和控制对策展开研究。结果表明:井田内含煤岩系成岩程度低,胶结程度差,顶底板岩层层理发育,巷道围岩具有产生大变形的倾向。在采动影响下,巷道呈显著的非对称性变形破坏,实体煤侧肩角、煤柱侧底角和底板是大变形频发区域,巷道收敛以底臌为主;由于工作面位置的动态性和弱胶结软岩的蠕变性,巷道底臌具有典型的时空特性。基于弹性理论,建立采动影响下横观各向同性底板力学分析模型,推导获得层状底板任一点的真实应力状态,准确反映了层状底板非对称应力分布特征。根据摩尔-库伦准则,获得层状底板破坏判据,采用Matlab计算得到底板非对称马鞍形破坏形态。上覆岩层关键岩块回转变形所产生的偏载效应使围岩主应力方向发生偏转,主应力偏角越大,塑性区非对称性扩展越显著,围岩破坏具有显著的方向性,垂直于最大主应力方向围岩破坏程度更大。针对强采动弱胶结层状底板非对称破坏特征,提出基于破碎区修复、塑性区加固、弹性区承载的底板分区差异化支护技术。工程实践表明,支护系统很好的适应了围岩非对称应力环境,围岩变形得到有效控制。

层状底板采动应力场的解析计算模型研究

针对底板岩层分层分布的特征,建立了层状底板采动应力场的解析计算模型。通过Fourier变换,得到了任意深度的底板岩层应力和位移分量与采场支承压力之间的传递矩阵关系;基于传递矩阵推导出总体刚度矩阵,从而求得底板应力在积分变换域内的解答;然后基于离散快速傅里叶逆变换计算方法,采用Matlab编程求解出底板深度处的应力解析解,并与传统的均质底板模型计算结果进行了对比分析。分析结果表明:底板岩层的分层特征对其应力场分布存在明显的影响,本文所采用的刚度矩阵方法考虑了不同层岩体形变参数对采场支承压力传递规律的影响,得到的结果更符合实际。该研究对于准确计算采场底板应力分布和破坏深度具有一定的理论意义。

等间距底锚巷道层状底板变形失稳力学机理

为探索等间距底锚巷道层状底板变形失稳的力学机理,以常村煤矿S6采区2~#回风上山为研究对象,在调研其工程地质的基础上,建立等间距底锚巷道层状底板力学模型;运用力学理论分析了层状底板压曲作用机理,构建了层状底板任分层鼓起失稳的力学判定准则;借助提出的力学判定准则,对S6采区2~#回风上山底板的稳定性进行了力学判定与分析评价,得到了最先发生破坏及导致支护体系失效的岩层。

不同煤柱尺寸条件下采动巷道层状底板稳定性分析与控制对策

煤柱尺寸对采动巷道层状底板的应力环境造成显著影响,以梅花井矿辅助运输巷为工程背景,综合采用现场调研、理论分析、数值计算和现场试验等研究方法,分析不同应力环境下层状底板的稳定性,并基于具体的工程实例提出针对性的控制对策。研究表明:在采动应力场的影响下,辅助运输巷两侧底板的应力环境存在差异,应力环境的差异性造成巷道两侧底板变形破坏的差异性。以横观各向同性体表征底板的层状特性,建立巷道底板力学计算模型,推导获得采动影响下底板任一点的应力表达式,得到煤柱的尺寸效应对底板应力环境的影响。基于摩尔-库仑准则构造层状底板破坏判据,获得不同煤柱尺寸条件下底板的破坏形态。窄小煤柱条件下,层状底板赋存于非对称应力环境,其破坏形态呈非对称马鞍形分布。煤柱尺寸增大到一定程度后,底板两侧围岩应力的差异性减小,底板破坏形态逐渐呈对称式分布。为了实现回采巷道围岩的精细化控制,支护方案应能够适应围岩应力环境的变化。根据煤柱尺寸的不同,基于围岩控制对策,提出差异化支护与对称式支护相结合的巷道围岩控制技术。数值计算和现场工程应用的结果表明,支护系统能够很好地适应围岩不同的应力环境,与围岩形成协同承载体系,支护效果良好。

弱胶结软岩巷道层状底板底鼓机理及控制对策

为研究弱胶结软岩巷道底板层状特性对底鼓的影响,采用数值模拟与力学分析相结合的方法,对层状底板失稳机理及控制技术展开研究。结果表明:1)层状底板压曲失稳后形成非稳定区、亚稳定区和稳定区,非稳定区是底板变形活跃区域,是支护和加固的主要对象,亚稳定区对底板变形具有宏观调控作用,稳定区是底板主要承载结构;2)随着分层厚度增加,各分层承载能力提高,底板具备更强的抗变形能力;3)巷道最大底鼓量随岩梁刚度增加呈负指数式减小,随侧压和底板载荷增加呈线性增加,随巷道跨度增加呈指数式增长。提出以"高强锚网梁索+喷浆密闭+底板锚注"为核心的支护系统,现场试验表明该技术有效控制了弱胶结软岩巷道层状底板的变形。

层状巷道底板变形破坏分析及控制技术研究

以沽源煤矿主运输大巷实际地质条件,煤岩体实验室力学试验为基础,利用有限差分数值模拟软件FLAC^(3D)分析主运输大巷在不同底鼓治理措施下底板围岩特征,重点比较各措施下底鼓量,并以此为依据优选出主运输大巷最佳的底鼓治理措施为原支护方案加底板锚(锚杆或锚索)注。

基于后屈曲理论的急倾斜煤层底板屈曲破坏机理解析

开展急倾斜煤层底板屈曲破坏机理研究,对预测急倾斜煤层底板凸起、下滑及底板防护具有重要意义。基于屈曲理论,探讨了急倾斜煤层底板回转下沉、直接下滑、弯曲隆起3种破坏形式,并对弯曲隆起破坏机理进行研究。根据急倾斜煤层赋存特点,给出了急倾斜煤层底板屈曲破坏的力学模型,推导出底板弯曲隆起变形的位移幅值方程。利用突变理论与分岔理论对底板后屈曲非稳定形态进行分析,给出分岔方程,并推导了其发生破断的临界载荷、位移幅值、破坏长度等计算公式。分析临界载荷对缺陷结构的敏感性,通过其剖分因子推导出位移幅值计算公式,形成了通过求得底板破坏极限长度,确定分岔点临界载荷、位移幅值的理论方法,并通过工程实例验证了其合理性。

层状岩体中巷道底板应力分布规律及损伤破坏特征

为了研究开挖巷道后层状岩体中底板的卸荷力学响应,将底板视作横观各向同性体,采用力学分析和数值模拟相结合的方法,对底板应力分布规律与损伤破坏特征进行研究.结果表明:1)与均质各向同性解相比,横观各向同性解更客观地反映出巷道开挖后底板出现卸荷且两侧围岩呈应力集中的应力分布状态;2)底板应力分布随垂直和水平方向力学属性的不同而呈现出差异性;3)底板层状复合结构造成应力发生畸变,软弱岩层的柔性缓冲垫层作用使应力传递变得更为平缓;4)底板岩体达到损伤阈值即发生张拉或者滑移破坏,损伤阈值受垂直卸荷系数、水平卸荷系数、侧压系数、裂隙面倾角等多个因素综合影响.理论和数值计算获得的底板损伤破坏深度及损伤区分布特征基本一致,解析解很好地反映了底板的实际应力状态.