加卸荷应力路径下巷帮煤体力学特性与损伤破坏研究

为探究煤巷开挖卸荷帮部破坏机理,开展巷帮煤体常规三轴压缩及峰前卸围压2种应力路径下实验室试验,分析其力学特性与损伤破坏规律。结果表明:常规三轴压缩试验中,破坏特征表现出由低围压下的脆性向高围压下的塑形转变;峰前卸围压应力路径下,破坏更易发生,且全部为脆性破坏;煤体强度对围压变化较敏感,卸荷条件下其峰值更低;变形模量随围压被卸除而降低,开始阶段变化平缓,随后下降趋势不断加剧;泊松比随围压减小而增大,其变化趋势同变形模量基本一致;卸荷应力路径下,煤体破坏是一种以剪切破坏为主,但仍存在部分劈裂破坏的复合状态;破断角以抛物线趋势随初始围压的提高而增加,但卸荷应力路径下其值明显更小;卸荷条件下损伤因子与围压之间的变化关系及趋势同泊松比一致;随初始围压的增加,卸荷条件下围压差比λ逐渐降低。

巷帮煤体冲击地压发生条件数值模拟研究

以济三煤矿发生冲击地压地点的实际条件为基础,应用RFPA系统模拟实际煤岩体的变形及破坏,模拟结果再现了冲击地压的显现过程;通过数值模拟,阐述了加载速度、煤体强度和厚度对巷帮冲击地压的影响,指导煤矿开采过程中冲击地压的预测与防治。

深井巷帮煤体冲击机理及水射流卸压技术应用

为解决深井巷道强矿压显现频发问题,对深井条件两类典型巷道冲击巷帮煤体破坏机理进行了分析,采用数值模拟方法研究了水射流卸压技术对巷帮煤体应力集中区二次分布影响,提出了基于"强弱强"三重防冲结构的水射流卸压防冲方法。研究表明:水射流卸压段形成的弹塑性"弱结构"区使煤体中高应力单峰值区应力二次分布形成低应力双峰值区;随水射流卸压段长度的递增,低应力内峰值区向煤体深部转移,且内峰值逐渐减小趋于原岩应力。现场水射流卸压区的电磁辐射值、钻屑量和矿震事件定位结果表明该技术有较好的应用效果。

锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及应用

沿空留巷技术在薄、中厚煤层中应用较多,但在3m以上较大采高工作面中应用极少,究其主要原因是已往建立的沿空留巷力学模型欠妥、巷内与巷旁支护方式不合理。从如何提高岩层的自我承载能力入手,提出了一种主动的巷旁加强支护方式——巷旁采用锚索加强支护,巷内采用锚杆支护。建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型,并分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护的作用机理。利用理论分析所得结论,对淮北朱庄矿3625较大采高工作面风巷进行巷旁支护设计及工程实践。研究成果为较大采高工作面沿空留巷技术提供了理论依据和借鉴经验。

沿空留巷顶板稳定性分析及其控制

根据沿空留巷上覆岩层的后期活动规律,将顶板变形视为"给定变形",建立顶板力学模型,采用变分法,推导顶板下沉量计算公式。依据具体的地质力学参数,验证力学模型的合理可行性,并研究分析顶板下沉量与各影响因素之间的定量关系。通过分析表明,顶板下沉量与巷道宽度、煤层厚度、巷帮塑性区宽度、顶板旋转角度成线性增大的关系,与巷帮煤体残余强度、充填体宽度成线性减小的关系,与巷帮煤体弹性模量成反比例关系。根据各影响因素与顶板下沉量之间的关系,提出巷内支护采用"分期联合支护",巷旁采用"超前复合加固"等控制沿空留巷顶板稳定性的措施。

煤巷围岩松动变形对边掘边抽的影响分析

随着煤巷掘进工作面的向前推进,破坏了原始煤体的稳定性,煤层巷道两侧的煤壁在一定范围内形成一个松动变形圈,在此变形圈内煤岩体将向巷道空间移动。根据数值模拟计算和现场观察与测试,发现随着巷道沿煤层向前掘进,掘进头以及巷道两帮煤体的应力变化影响圈或松动变形特征呈“U”字形状。在“U”字形松动变形范围内,煤层透气性系数增加数十倍。现场考察了松软厚煤层巷道周围煤岩体位移及松动变形对边掘进巷道边抽放瓦斯效果和影响抽放瓦斯效果的因素,对边掘边抽布置方式和封孔工艺的改进具有一定的指导意义。

基于支承压力分布的大断面煤巷损伤模型分析

根据大断面巷道侧向支承压力分布的一般规律,从帮煤体内部损伤缺陷的随机性分布特征出发,基于反映帮煤体内部缺陷的微元强度服从威布尔分布的概念,建立了侧向支承压力作用下帮煤体损伤统计力学模型,并分析了巷高与巷帮煤壁片帮程度、煤层内聚力等力学关系,为帮锚杆支护提供科学依据。

不同加载刚度下煤体冲击倾向性测试及评价指数分析

煤矿冲击地压是顶板–巷帮系统动力失稳破坏的工程灾变问题,顶板作用下的巷帮冲击破坏研究更符合井下原位地质与工程条件。利用研制的多级可调刚度加载装置,研究不同试验机加载刚度下煤体冲击倾向性指数测试结果,并根据建立的巷道围岩供能冲击表征模型,提出评价巷帮冲击危险性的冲击供能指数。研究表明:随着试验机–试件刚度比的减小,煤体峰后破坏速度加快,破坏形式由块体开裂和剥离转化为碎块崩裂和弹射,碎块分形维数增大,试件破碎程度增强;煤体单轴抗压强度、弹性能量指数的测试值与刚度比相关性很小,动态破坏时间与刚度比呈幂函数正相关的关系,冲击能量指数与刚度比呈幂函数负相关的关系;顶板供能与巷帮煤体释放弹性能叠加是造成巷帮冲击破坏的重要原因,随着顶板–巷帮刚度比的减小,顶板对巷帮供能增加,冲击危险性增强。提出的考虑顶板刚度与供能的巷帮冲击供能指数,可作为评价不同顶板与巷帮组合刚度条件下巷帮冲击危险性的重要指标。