考虑塑性区强度参数劣化的圆形巷道冲击地压临界条件研究

针对大量冲击地压事故发生于巷道的实际情况,综合考虑开挖面空间效应、中间主应力效应、塑性区剪胀特性、塑性区强度和变形参数的变化5个影响因素,得到了巷道围岩应力与位移分布规律,基于统一强度理论和塑性软化本构模型,应用扰动响应判别准则,建立圆形断面巷道冲击地压发生的临界条件,结合试验模拟验证分析,结果表明:巷道冲击地压的临界条件与围岩支护方式、初始强度参数及塑性区强度参数的变化密切相关;临界塑性半径、临界载荷均随支护力的增大而单调增加;在开挖面附近,虚拟支护力较大,巷道围岩以发生弹性变形为主,发生冲击地压概率较低,只有在距开挖面一定距离位置处,虚拟支护力逐渐降低,巷道围岩出现塑性区,且塑性区达到一定值时,冲击地压才具有发生的可能性;临界塑性半径随初始黏聚力增大而降低,临界载荷随初始黏聚力增大而增加;当塑性区黏聚力劣化较快时,容易发生冲击地压。

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明：巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。

巷道冲击地压模拟试验及其过程动态演示

以巷道冲击地压灾害为典型案例,通过对巷道类冲击地压事故机理的分析,设计了一项巷道冲击地压试验装置,通过视频剪辑和动画制作技术,实现了对冲击地压试验的全程记录,并利用分频、字幕说明等形式对冲击地压试验动态过程进行了演示和说明。结果表明,该试验装置结合了巷道冲击地压发生原理,以动画方式演示,具有直观、简洁、易于理解的特点,为揭示冲击地压过程及其发生机制提供了一种新方法。

巷道冲击地压防治技术的应用与研究

随着煤矿开挖深度的不断增加,煤矿冲击地压灾害日益增加。冲击地压是一个特殊的矿山动力现象,但会对煤矿安全生产造成重大威胁。本文总结了再煤矿采掘过程当中巷道冲击地压的分类、特征、原因以及治理方法,给巷道冲击地压的防御起到参考作用。

煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与试验验证

断层滑移型冲击地压是煤矿冲击地压的主要类型,目前对其发生全过程缺乏系统研究,其机理与防控仍是根本难题。为实现断层滑移型冲击地压的试验模拟,研制了煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统,开发了低强高脆相似模拟材料,制备了包含断层与巷道的大尺寸相似模型,开展了一系列验证试验,实现了巷道冲击破坏模拟与断层剪切滑移模拟。煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统具备三向六面加载功能,竖向加载能力为20 MPa,模型尺寸为1.50 m×0.75 m×0.75 m;主体框架创新采用键板连接,确保了主体框架的高刚度;发明了蜂窝加载壳结构,实现了密集油缸群加载,能够满足断层滑移型冲击地压试验模拟的要求。开发了适用于断层滑移型冲击地压模拟的相似材料,材料以水玻璃为胶结物、以氟硅酸钠为固化剂、以滑石粉为骨料,单轴抗压强度介于3.44~7.81 MPa,冲击能指数为9.2,弹性能指数为8.83,兼具低强高脆特性。基于试验系统和低强高脆材料实现了静载巷道冲击破坏模拟,验证了低强高脆相似材料模拟巷道冲击破坏的可行性,获得了巷道极限平衡状态的加载条件,巷道帮部连续片落为巷道冲击破坏的显著前兆特征。实现了粗糙锯齿断层的剪切滑移模拟,证实粗糙断层剪切滑移会对巷道形成动载扰动,获得了断层剪切滑移的合理加载方式,采用动区顶部先加载、底部后卸载的方式能够实现断层的瞬间滑移,并能消除对静区应力状态的影响。

厚煤层条件下巷道应力冲击显现特征研究

针对厚煤层综放开采条件下煤层巷道围岩受应力冲击破坏严重的问题,基于板壳力学建立了巷道冲击破坏力学模型,分析了应力波传播过程中的巷道顶板冲击破坏主控因素。以斜沟煤矿23110泄水巷为例,采用FLAC^(3D)软件分析了应力波传递过程中的围岩动力响应特征,并选用了多级让压支护体系。结果表明:顶板梁结构发生冲击破坏的强度与围岩所受的应力与梁结构的长度呈正比,而与梁结构的强度、厚度、应力波传播距离呈反比。应力的“水波”传递特征会导致围岩的多级破裂,同时在顶板表现为拉伸破坏,在帮部产生剪切破坏。多级让压支护体系可以通过梯次让压增加锚索抵抗循环应力冲击的能力。经验证,优化支护后的围岩变形量得到有效控制,支护体系处于均匀受力状态,相比于原有支护体系具有更可靠的长期稳定性。

“断层-褶皱”构造区巷道冲击地压机理及失稳规律

采用理论分析、数值模拟及数据分析等方法研究“断层-褶皱”构造区应力分布特征和巷道冲击机制,模拟地质因素对构造静载应力的影响特征,揭示了构造区巷道冲击失稳规律。研究结果表明:“断层-褶皱”构造区巷道受支承压力、构造应力及采掘动载扰动,围岩叠加载荷超过其临界应力而诱发冲击显现;“断层-褶皱”构造应力场呈非对称分布,断层上盘构造应力峰值、分布范围更高,分别为43.86 MPa和230 m;地质因素模拟显示“断层-褶皱”构造应力集中度最高,断层倾角65°时构造应力接近峰值,构造应力峰值与煤层弹性模量成正比,与煤层厚度成反比;冲击前巷道微震集中分布于断层下盘0~20 m和上盘0~40 m,与高静载应力区域重合。

爆破动载下强冲击危险巷道锚杆轴力定量损失规律的试验研究

针对目前冲击地压矿井卸压爆破参数常不合理导致支护损伤,降低防冲效果的问题,采用锚杆无损检测系统在井下强冲击危险巷道进行现场原位试验研究,定量化分析了爆破动载下锚杆轴向工作阻力的定量损失规律。通过分析,获得了不同药量的爆破导致锚杆轴力损失的影响程度及空间范围。发现了爆破药量不小于6 kg时,随至震源距离的增大锚杆轴力的平均损失率基本呈乘幂关系衰减,但也存在局部突增的可能。同时爆破下锚杆轴力损失是与锚杆方位相关的,距震源越近与锚杆方位的相关性越显著。随着爆破药量的增大锚杆轴力损失率升高,药量越大升高速度越快。通过分析发现,众多影响因素中至震源的距离和锚杆方位只是表层因素,而爆破药量和煤体性质才是核心因素,并且核心因素间也存在相互影响。综合考虑爆破下锚杆轴力损失规律以及煤层爆破的卸压效果,优化了内蒙某矿强冲击危险巷道爆破卸压参数,现场应用效果理想。由此建立了冲击地压矿井煤层卸压爆破参数优化的现场原位试验方法。

唐山矿“8.2”冲击地压显现特征及发生机制分析

为了研究回采巷道冲击地压发生机理,以唐山矿“8.2”冲击地压事故为背景,分析了事故破坏特征,提出了巷帮煤体滑移失稳机制,揭示了巷道冲击地压机理,并提出了具有针对性的防冲措施。研究表明,事故巷道以巷帮煤体整体滑移破坏为主,伴有底鼓发生;坚硬顶板产生的悬顶与工作面附近高承载能力的煤体组成了“跷跷板”结构;在采面高支承压力下,工作面前方顶板向上回弹,下方煤体失去顶底板夹持作用,最终在水平应力下,发生结构失稳滑移冲入巷道,冲击地压发生。研究结果可为巷道冲击地压防治提供技术依据,实现安全高效生产。

锚固体参数对冲击危险性巷道围岩稳定性的影响分析

针对冲击危险性的锚网支护类回采巷道,运用动力学理论分析了巷道锚固体抑制冲击矿压灾害机理,采用数值模拟软件FLAC3D研究了不同锚固体参数对冲击危险性巷道围岩稳定性的影响程度。研究结果表明,巷道围岩变形量的主要影响因素是锚杆长度与锚杆间距,巷道巷帮变形量对锚固体参数的灵敏度反应远高于巷道顶、底板。

深井冲击地压危险巷道应力特征及治理措施

协庄煤矿-850m水平二、四层煤为冲击地压煤层,1202W补充运输巷由于受断层的影响,掘进过程中冲击地压显现强烈,钻屑法煤粉监测及电磁辐射监测应力集中程度较高。通过采取爆破卸压、钻孔卸压等有效的卸压方式消除了应力集中,确保了矿井的安全生产,取得了显著效果。

冲击高应力膨胀破碎软岩大变形巷道控制机理研究

针对义马煤业某煤矿21220工作面深部冲击高应力软岩巷道大变形的支护问题,采用FLAC3D有限元方法对21220工作面进行了模拟。模拟了巷道的破坏形态,揭示了巷道的变形、应力和裂纹扩展特征。理论分析了软岩巷道塑性区,软岩具有明显的膨胀潜力,当地应力单独作用时,现场需要的支护强度不太大,采用联合支护方式即可满足这一要求;当岩石的膨胀释能释放时,巷道会发生明显的变形,且变形是永久性的。提出了“喷-锚-注-喷-壳”支护方案,现场试验表明:顶板沉降量为70~80 mm,巷帮变化量为160~180 mm,底鼓收敛量为70~80 mm;改进后的支护体系有效地控制了围岩的大变形。

多功能巷道破碎式冲击钻进机构的设计与加工

介绍了多功能巷道破碎式冲击钻进机构结构组成,阐述了多功能巷道破碎式冲击钻进机构的工作原理及关键件的加工工艺。

高强复合封闭支护技术在冲击地压巷道的应用

在冲击地压巷道采用高强复合封闭式支护,有效杜绝了因发生冲击地压而造成的人身伤害事件,保证了巷道有效断面,取得了较好的安全效果。采用快速掘进技术,解决了复合支护巷道掘进速度关键问题,保证了矿井正常的采掘接替。介绍了跃进煤矿23130运输巷巷道支护情况及"O型棚"巷道的快速掘进技术。

防冲液压支架在冲击倾向性巷道支护中的应用研究

为提高冲击倾向性巷道围岩稳定性,以小庄煤矿40309工作面回风顺槽为研究对象,采用理论分析和现场监测的方法对防冲液压支架在冲击倾向性巷道支护中的应用展开研究。结果表明:防冲液压支架的吸能让位功能可提升冲击倾向性工作面巷道围岩的稳定性;采用防冲液压支架可有效控制超前支护区段巷道围岩变形;防冲液压支架支护区段顶板与两帮变形量均控制在100 mm以内,可保障工作面安全回采。

均匀围压下圆形巷道开挖孕冲能量分析

为了探讨巷道发生冲击矿压的能量机制,对巷道开挖及形成支护结构后煤体内的能量变化进行了研究.基于弹性理论,分析了均匀围压下圆形巷道松动区、弹性区及原岩应力区的能量积聚、释放及转移情况,探讨了巷道冲击的内在机制和远场震源的扰动影响,提出了巷道冲击的状态方程和能量判据.研究结果表明:均匀围压下圆形巷道开挖后随着松动区半径的增大,弹性区煤体始终在吸收能量;巷道松动区煤体塑性变形和破坏是巷道冲击的内在机制,远场震源起扰动作用.结合研究冲击状态方程和能量判据提出了巷道远、中、近的立体防冲体系并在现场得到了运用.

冲击倾向性巷道漏顶原因及控制技术研究

冲击倾向性巷道掘进期间易产生漏顶事故,文章以小庄矿40302运输巷道为研究对象,采用理论分析和现场实测的方法,对冲击倾向性巷道产生漏顶的原因和相关控制技术展开研究。

卸压爆破振动下锚索支护全煤巷道动力响应特征

针对目前参数不合理的卸压爆破常损伤巷道围岩,减弱防冲效果的问题,基于PASAT-M型便携式微震系统实测的卸压爆破振动参数,并引入爆源模型对爆破震源进行描述,由此在FLAC3D4.0平台上研究了卸压爆破下巷道围岩的损伤破坏模式以及锚索支护的振动特征。研究发现:剪切破坏是爆破振动下巷道围岩的主要破坏模式。爆破振动下近场围岩应力水平出现小幅增加,其中顶板内水平应力增幅约为8%,爆破帮内垂直应力增幅在8.3%,爆破后近场围岩的弹性应变能得到一定的释放。卸压爆破通过造成支护结构锚固段附近煤体变形损伤,而导致锚索支护轴力的降低。利用三维全景钻孔窥视方法对巷道围岩裂隙带进行现场实测,验证了数值模拟结果的可靠性。

基于显微CT扫描和统计强度的煤岩损伤破裂特性研究

冲击地压与瓦斯等灾害制约了我国煤矿安全高效开采,但诸多煤岩动力灾害的发生机理不明。从巷道围岩冲击-瓦斯灾害实例出发,着重研究煤岩损伤破裂演化规律与模型。开展了X射线高精度显微CT扫描试验,利用三维重构技术获得了冲击倾向性煤高分辨率三维数字岩心图像,定量分析了非连续结构分布特征;采用计盒维数法和三维可视化软件AVIZO编程计算,得到了矿物条带和裂隙结构的表征参数;基于CT扫描重构和统计强度理论,提出了一种考虑三参量韦伯分布、瓦斯作用与有效应力的煤岩损伤破裂模型;进而,开展了含瓦斯煤岩三轴压缩试验,求解模型参数并验证模型可靠,揭示了煤岩渐进破坏过程中的损伤演化规律。具体而言,显微CT扫描重构和分形计算结果表明,冲击倾向煤内部矿物条带的表面积和分形维数分别处于0.0035~0.0137和1.1214~1.2342之间,而裂隙结构的表面积占比和分形维数则分别处于0.0006~0.0040和1.0651~1.1454范围。矿物条带的表面积占比和分形维数整体上大于裂隙结构的,说明冲击倾向煤内部的非连续结构数量多且分布复杂。此外,含瓦斯煤岩三轴压缩试验结果表明,围压作用下煤样应力应变关系呈现出典型的I类曲线特征,以剪切破坏为主,峰值强度和峰值应变随围压升高而增大。进一步,给出了损伤破裂模型7个参数的确定方法,并利用试验结果求解了模型参数和损伤变量。计算结果表明,该模型能较准确地反映煤岩压缩变形、准线弹性变形、塑性变形、峰值强度和峰后软化等渐进破坏特征。而且,在前2个阶段煤岩损伤变量小于0.2,进入塑性阶段尤其是峰后阶段,损伤变量急剧增大直至破裂。因此,提出了损伤阈值的概念,建议将损伤阈值0.2作为煤岩损伤破裂的预警值。研究结果将为煤岩动力灾害的发生机理、预警及防控提供理论支撑。

吸能防冲锚杆索-围岩耦合振动特征与防冲机理

为提高冲击危险巷道防冲支护的有效性,研发了由内置六角管衬里的吸能套筒、端部设有摩擦圆柱的螺纹钢锚杆、钢绞线锚索与锚杆尾部吸能装置组成的吸能锚杆索。将吸能锚杆索中吸能套筒的作用简化为设置在锚杆底部并联的弹簧与阻尼器,建立了吸能锚杆索-围岩在冲击载荷作用下的三维轴对称力学模型。对黏性阻尼围岩中吸能锚杆索与围岩耦合振动时锚杆顶部动力响应进行了解析研究,获得了锚杆顶部的位移阻抗函数的解析表达。结果表明:在相同频率的冲击载荷作用下,锚杆顶部位移振荡幅值随着围岩黏性阻尼、围岩强度、锚固长度以及锚杆底部阻尼的增加而衰减。采用吸能锚杆索支护时,吸能套筒能够吸收一部分作用在锚杆锚固岩体上的冲击能;后注浆全长锚固增强了支护系统抵抗纵向变形的能力;尾部吸能装置能够削减冲击波的发射拉伸作用;支护系统在冲击载荷作用下的稳定性得到显著提高。在此基础上,初步阐述了吸能锚杆索支护系统的"缓冲-抗震-消波"吸能防冲机理。