采场底板围岩应力壳力学特征及时空演化

针对采场底板围岩三维应力场特征及演化规律,以谢桥煤矿1232(1)综采工作面为研究对象,采用综合研究方法开展了系统研究。结果表明:煤层回采过程中,伴随着采场围岩三维应力场的不断调整,在采场底板围岩空间区域也存在高应力束,高应力束在三维空间形成了采场底板围岩应力壳,应力壳壳体内外岩体主应力均低于壳体中的主应力。应力壳内边界之上垂直应力和水平应力均显著降低,部分岩层内压应力转化为拉应力,壳体和应力壳外边界岩层垂直应力降低,水平应力仍然较大,存在水平应力集中现象,三维应力场作用的选择性是采场底板围岩应力壳形成的内在力学本质。采场底板围岩应力壳形态随着采场结构的变化而调整,具有典型的短边依赖效应,破裂区和最大位移区主要发育在应力壳壳体内边界之上的低应力区内。采场底板围岩应力壳是抵抗底板岩层卸压膨胀、进而发展到拉剪破坏的主要集中力系,采场底板围岩应力壳的失衡可能引起较大的动力现象。

采场围岩应力壳对破坏场的影响规律及应用

为获得高瓦斯工作面采动应力场对煤岩破坏导致渗透性变化的影响规律,进而指导瓦斯抽采的工程应用,采用计算机数值模拟对长壁工作面围岩应力壳分布及对破坏场的影响进行了研究和分析,获得了采场围岩应力壳对破坏场的影响规律。研究表明:长壁工作面围岩应力壳是煤层和围岩的破坏和裂隙发育的主控因素,破坏和裂隙一般发育在应力壳高应力集中带下方的卸压区内,在应力壳高应力集中带及其上方岩层破坏和裂隙并不发育;受应力壳壳基的影响,工作面煤壁前方、回风巷下帮及运输巷上帮煤体的破坏发育区域均分布在壳基内侧的低应力区内;高瓦斯低透气性煤层距工作面煤壁15 m内破坏和裂隙发育,此区域渗透性强,应加强煤层顺层钻孔的抽采力度。高抽巷、地面钻井及穿层钻孔的布置均应考虑应力壳的形态和破坏场的发育,钻孔抽采位置宜选择在应力壳下低应力区内。

采场围岩应力壳力学特征的岩性效应

应用计算机数值模拟结合现场实测,对软岩、中硬岩和硬岩采场围岩应力壳力学特征的岩性效应进行了分析和研究。研究表明:岩性变化对应力壳力学特征有显著影响,随岩性增强,应力壳高度降低,且由拱形壳向扁平壳转变;壳体内最大应力峰值和高应力集中范围逐渐增大并向工作面上隅角近场围岩和煤柱逼近,冲击性失稳的动力灾害危险性增大。岩性不同,工作面围岩的主要承载力系亦不同,软岩工作面最主要承载力系是围岩应力壳;中硬岩工作面,上覆岩层荷载由围岩应力壳和基本顶承载岩层共同承担;硬岩工作面,围岩应力壳与基本顶承载岩层重合在一起。随岩性增强,工作面围岩破坏场、位移场的分布范围和强度均减小。因此,根据工作面围岩固有的力学属性采取相应的措施,通过改善采场围岩应力分布,对缓和矿压显现实现安全开采有积极作用。

采场围岩应力壳力学特征的工作面长度效应

应用计算机数值模拟并结合现场观测,对不同工作面长度的采场围岩力学特征进行系统的分析和研究,获得了采场围岩宏观应力壳力学特征的工作面长度效应.研究表明,工作面长度的变化对应力壳力学特征有显著影响.随工作面长度的加大,应力壳壳体应力在工作面前方煤壁边缘和巷道附近区域集中程度加大,壳体高度逐渐升高同时扁平率逐渐增大,工作面是三维应力壳的聚焦点;采场围岩的垂直位移变小,而水平位移增大.表明合理调整工作面长度可改善采场围岩宏观应力壳的动态平衡,对保护采场、减小矿山压力显现有积极作用.

采场围岩宏观应力壳演化特征

基于综放采场围岩宏观应力壳的发现及其力学特征的分析,采用现场实测、实验室相似材料模拟试验及计算机数值模拟(FLAC3D)综合方法开展留窄煤柱非对称综放开采采场围岩应力壳壳基、壳体应力演化特征、演化形态及演化参数间的关系分析。研究结果表明,应力壳演化是工作面推进过程中采动高应力在围岩空间的动态平衡过程,其演化形态随工作面推进根据采场结构发生变化,非对称开采条件应力壳演化分为旧壳扩展阶段、新壳形成-壳基上提阶段及新旧壳贯通趋于相对稳定3个阶段,应力壳在覆岩空间中的演化形态近似呈半空间椭球壳,揭示应力壳应力演化及其形态特征。研究为采场围岩控制、巷道布置及其围岩控制、瓦斯抽采、安全高效开采等提供理论依据。

深部长壁开采采动应力壳演化模型构建与分析

结合走向长壁开采特点及深部开采采动应力壳演化和采动裂隙发育特征,构建了采动应力壳演化的三维分析模型,引入移动坐标系统和椭球面方程,获得了非充分采动条件下首采工作面和护巷煤柱宽度影响下采动应力壳演化形态方程和采动裂隙发育范围。基于影响采动应力壳演化和采动裂隙发育特征的因素分析,获得了采动应力壳壳体演化形态方程和采动裂隙发育各参量间的关系。分析表明,采动应力壳演化最易在煤柱侧壳基、壳肩或壳顶发生失稳,其演化失稳模式主要有压缩失稳模式、拉伸失稳模式、剪切失稳模式和复合失稳模式,整体揭示了采动应力壳演化特征及其与采动裂隙发育的动态效应。

综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征

采用大型非线性三维计算机数值模拟、实验室相似材料模拟对综放工作面围岩应力分布进行了深入研究,发现综放工作面围岩存在高应力束组成的宏观应力壳,应力壳位于采场四周未采煤岩体和弯曲带内,其形态随工作面推进采场结构的变化而改变.应力壳承担并传递上覆岩体荷载和压力,是最主要的承载体,应力壳拱脚处应力形成采场四周围岩支承压力.砌体梁结构位于宏观应力壳下的减压带内,砌体梁仅承担壳体下岩层部分荷载.综放工作面主要力学特征是位于上覆围岩宏观应力壳保护下的低应力区内,这正是综放工作面矿压显现趋于缓和的根本原因.基于对应力壳体的发现和开展的一系列分析,揭示了综放采场顶煤“垫层”作用的力学本质.

采高对工作面及围岩应力壳的力学特征影响

以谢桥矿1151(3)综放工作面工程地质和开采技术条件为背景,应用实验室相似材料模拟和计算机数值模拟(FLAC3D),对不同煤层厚度采场围岩应力分布规律进行系统的分析和研究,获得了采场围岩宏观应力壳力学特点和变化规律,即随开采煤厚的增大,应力壳的几何高度增加,壳基应力降低,分布范围增大且离工作面煤壁越远;揭示了煤层厚度对该力学特征的影响和综放与综采工作面及围岩宏观应力壳力学特征的差异,也正是综放工作面矿压显现不同于综采工作面的根本所在.表明合理调整开采厚度和采场结构可改善采场围岩宏观应力壳的动态平衡,对保护工作面、减小矿山压力影响和显现有积极作用.

采场底板突水的跨层应力壳力学模型

利用实验室大型非线性三维计算机数值模拟对煤层底板应力分布特征进行了深入研究,发现采场底板存在由集中应力形成的跨层应力壳,应力壳是承载上覆岩体压力的临时结构,壳基是椭球应力壳应力较集中的区域,椭球应力壳的形态及应力集中情况与采场结构有关。根据数值模拟试验得出了应力壳的形态方程,分析了跨层应力壳壳基、壳肩及壳顶的失稳模式,指出壳肩处经历联合破断,底板的最大破断深度则处于壳肩的位置,当壳肩达到最大破坏深度,采动裂隙和原始导升裂隙贯通,此时则容易形成突水;壳顶则随着高度的不断发展,跨层应力壳形成一个处于半封闭状态的半壳结构,此时采动裂隙导通煤层底板含水层,从而形成突水。

综放采场宏观应力壳与关键层的联系

阐述了综放采场宏观应力壳的基本概念,初步探讨了宏观应力壳与关键层在结构上的宏观联系,分析了在综放开采条件下,宏观应力壳和关键层以及基本顶在承担上覆岩层荷载时各自不同的作用,强调了宏观应力壳是导致综放采场矿压规律不同于分层开采的主要原因。

榆树湾煤矿采场覆岩应力壳结构力学特征分析

利用大型非线性三维仿真模拟软件FLAC3 D,对榆树湾煤矿采场围岩应力分布特征进行研究,发现综采工作面围岩由于受到采动影响,在回采空间周边存在应力壳,该应力壳是覆岩体的主要承载结构,其中壳基处应力形成采场围岩超前支撑压力。采场覆岩中应力壳结构随着综采工作面推进,一般从壳过渡到半壳结构,此时应力壳顶部的应力封闭状态变为半开放状态,形成应力"半壳"结构,该应力壳的拉剪式破断可以在覆岩中产生剧烈的矿山压力显现。通过对覆岩中存在的壳体结构的一系列分析,指出半壳拉剪式失稳是造成采场支撑压力较大的根本原因,揭示了采场矿山压力显现剧烈的力学本质。

分段布索预应力柱面巨型网壳结构基本抗震性能研究

以分段布索预应力柱面巨型网壳结构为研究对象,首先,通过模态分析对其动力特性和预应力体系的引入对柱面巨型网壳结构各方向刚度的影响规律进行了分析;然后,通过时程分析对其在三维地震作用下的地震响应进行了研究;最后,对该结构时程分析中所需考虑的地震作用维数、反应谱法的适用性及合理的振型组合数进行了探究。结果表明,预应力体系的引入使结构横向和竖向刚度得到明显增强,而对纵向刚度影响较小,且结构频谱十分密集,各方向振型耦合作用明显;三维地震作用下,位移动力放大系数约为1.32,大部分杆件内力动力放大系数约为1.2,主节点区个别杆件动内力放大系数可能较大,设计中仅按静力分析结果进行截面设计可能会偏于不安全;可采用二维XY向地震输入或振型挑选反应谱法对此类结构的位移及关键杆件内力的地震响应进行简化分析,且参与组合的振型阶数需在46阶以上。

大跨度预应力U形槽壳在亭子口灌区一期工程中的应用

我国目前大中型灌区工程中槽身承受水荷载大,变形要求严格,同时保证水密性的大跨度槽壳应用需求增大。以预应力U形槽壳为研究对象,利用桥梁博士V4.4.1结构计算软件,采用空间杆系有限元分析方法,分析了预应力U形槽壳和预应力矩形槽壳在结构效应组合下产生的弯矩、剪力、裂缝等。结果表明:在中小流量渡槽工程中,预应力U形槽壳相较于预应力矩形槽壳自重轻,在相同过流能力的前提下产生的跨中弯矩及支端剪力均较小,有利于结构受力;预应力U形槽壳相较于预应力矩形槽壳所用的混凝土量少,更加经济。

涨壳式预应力中空锚杆支护效果及注浆工艺改进研究

为了研究涨壳式预应力中空锚杆对深埋隧道的支护效果,并对现有注浆工艺提出改进措施,依托中兰铁路香山隧道工程,采用有限差分数值分析软件FLAC3D,对比分析了普通砂浆锚杆和涨壳式预应力中空锚杆支护作用下的隧道围岩变形及应力状态变化情况;开展现场锚固试验研究,分析了锚杆长度和注浆体龄期对锚杆锚固效果的影响;进行现场注浆试验研究,分析了注浆方式和注浆压力对涨壳式预应力中空锚杆注浆密实度的影响,并对现有注浆工艺提出了改进措施。结果表明:与普通砂浆锚杆相比,涨壳式预应力中空锚杆控制围岩变形、改善围岩应力状态等的效果更佳,其中围岩变形可减小约40%;相比于锚固长度,注浆体养护龄期对涨壳式预应力中空锚杆的支护效果影响更为显著,当养护龄期为28 d时,支护效果可提升50.12%;采用中空杆体内注浆方式时,注浆压力需大于0.8 MPa方可达到最佳效果,且该注浆方式适用于涨壳式预应力中空锚杆水平或向下安装;采用中空杆体外注浆方式时,宜采用更大的注浆压力,且该注浆方式适用于锚杆向上安装;改进后的锚杆注浆口可以有效防止漏浆,保证了注浆的密实度,对保护锚杆和加强锚杆与地层联结均有积极作用。

中空涨壳式预应力锚杆在深埋TBM施工隧洞的应用效果研究

中空涨壳式预应力锚杆作为应对地下洞室岩爆的措施,正得到越来越广泛的应用。本文基于引汉济渭工程深埋TBM施工隧洞施工采用中空涨壳式预应力锚杆和砂浆锚杆支护案例的对比,简要介绍了中空涨壳式预应力锚杆的支护原理。主要通过实体试验,对中空涨壳式预应力锚杆的力学性能、围岩位移影响、拉拔力等应用效果进行研究,以期为隧洞在类似条件下的初期支护措施优化、动态设计等提供参考。

充填开采采场球应力壳分布及演化规律研究

针对传统矿压理论中对采场承载体系的解析所存在的问题,本文提出采用球应力这一表征岩体三维应力及完整性状态的力学参量进行工作面围岩稳定性控制分析。基于充填采场上覆岩层结构及球应力分布的相互关系研究,认为采场围岩中存在对其稳定性起主控作用的球应力壳结构。采用FLAC3D数值软件建立了充填开采的全应变软化数值模型,模拟分析了充填开采采场球应力壳的空间分布形态及其随工作面推进的演化规律。研究表明:球应力壳由低球应力值的应力核区及核外区域所组成,球应力壳随工作面推进呈现阶段性时空演化特征,其趋稳过程历经上壳发展、上壳稳定、下壳发展及应力壳稳定4个阶段;工作面推进距离小于工作面长度时,球应力壳受开采进度影响明显,并且相对上壳而言下壳的发展具有明显的滞后性;顶底板塑性区的破坏范围与球应力核区域范围相同且随工作面的推进保持同步协调关系,扩展空间由下及上,破坏深度由表及里,破坏形式由拉及剪。

杂交应力通用壳元的模式优化

文章把杂交元的优化设计原理用于厚薄壳问题,构造了正交曲线坐标系中的Mindlin型四节点二十自由度壳元。该元通用于各种厚度、任意形状的深壳和扁壳,构造简单,精度较高且没有自锁现象。

大倾角煤层长壁开采空间应力拱壳形态研究

大倾角煤层特殊的赋存条件,造成在大倾角煤层开采中顶板空间应力场的演化规律、顶板破断垮落后所形成的围岩结构等较缓倾斜煤层开采时异常复杂,导致维持顶板稳定性的难道加大。基于大倾角煤层开采物理相似材料模拟实验和数值仿真结果,分析了在大倾角煤层开采中围岩结构的基本特征和应力拱壳的基本特性,认为非对称空间应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后,上覆岩层在自我组织能力作用下所形成的主应力迹线的空间展布形态,空间应力拱壳沿走向对称,沿倾向非对称,且当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳中间区域沿倾向的形态基本保持不变。据此,在考虑冒落矸石非均匀充填效应的基础上,建立了沿倾向和沿走向的三铰拱力学模型,推导给出了沿倾向非对称拱和沿走向对称拱的轴线方程,并通过算例对研究结果进行验证。结果表明,文中给出的轴线方程能较好的描述采场空间应力拱壳的基本形态;当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳沿走向两端对称区域的形态基本保持不变;沿走向对称应力拱的拱高和跨长在倾斜方向上呈先增大后减小的趋势;最大垮落高度在倾向方向的中上部区域,该区域走向应力拱的跨长和拱高也最大。

大倾角煤层长壁开采围岩宏观应力拱壳分析

基于大倾角煤层开采物理相似材料模拟、数值模拟结果,分析了围岩宏观应力拱壳的力学特征,认为应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后,围岩在自组织作用下形成的起主要承载作用的高应力形态,是在某一强度准则下强度包络线的空间展布形态,具有几何形态非对称性和应力分布非均匀性。据此,建立了应力拱壳分析模型和坐标系统,推导出宏观应力拱壳的形态方程,给出应力拱壳的稳定性判别准则,其失稳关键部位失稳主要有壳顶拉伸破坏失稳、壳肩压剪破坏失稳、壳基复合失稳3种形式,根据应力拱壳关键部位失稳过程可将应力拱壳的失稳分为"壳基-壳顶(壳肩)"失稳模式和"壳顶(壳肩)-壳基"失稳模式。

浅网壳预应力施工阶段的可滑移弹性支座单元

根据柱支承浅网壳预应力施工阶段的特点和要求,设计了一种施工阶段可滑移的层合板式橡胶支座,并提出了相应的有限单元模型。分析模型在水平方向上类似于考虑了滑移作用的接触单元。为方便非线性问题的编程计算,采用双曲正切函数对单元算式进行了连续化处理。文中结合具体工程进行了施工力学分析,计算结果与实测数据符合较好。