采空区充水活化及覆岩变形规律试验研究

为了研究充水情况下老采空区“活化”机理及覆岩运动规律,基于相似理论制作了采空区相似材料模型,通过人工注水的方式模拟采空区垮落带浸水状态,进行了煤层开采及充水条件下覆岩沉降变形观测,对采空区充水后上覆岩层变形规律、覆岩破坏形式进行研究。结果表明,煤层被开采后,自下而上会产生垮落带、断裂带和弯曲下沉带,采动破坏岩石会支撑上覆岩体,使得采空区边界存在空洞区域;煤层开采后的老采空区存在大量空洞、空隙,充水后采空区覆岩会发生“活化”,垮落带破碎岩石进一步压实,离层裂隙中间区域的压密程度高于两侧,随着充水时间延长,覆岩裂隙逐渐拓展,且采空区充水第一次观测时沉降量较大,之后岩层沉降量变化有减小趋势;采空区充水后垮落带上方岩层沉降量最大,覆岩越靠近地表,采空区充水对覆岩影响程度越小。

非均匀顶板岩层对覆岩破坏的控制作用模拟研究

松散含水层下采动顶板覆岩破坏问题受到广泛关注,但现有数值模拟成果普遍将顶板覆岩简化为均匀层状结构,不能反映出不同岩性的岩层分布对覆岩破坏的控制作用,具有一定的局限性。以孙疃矿101采区1010工作面为例。首先依据相关资料基于GOCAD软件建立精确三维地质模型,其次通过转换接口将模型导入FLAC^(3D)软件中模拟采动,分析顶板非均匀岩层对覆岩破坏的控制作用。结果表明:非均匀顶板煤岩层及四含松散层对覆岩破坏具有一定控制作用;软弱岩层越厚,塑性区最大高度越高,发育速度越快,反之高度越低,速度越慢;塑性区发育至软弱煤岩层时,高度增长明显。而发育至坚硬煤岩层时,高度增长较小甚至不增长;四含松散层厚度越大,塑性区最大高度越高,发育越快,反之最大高度越小,发育越慢。

斜坡上嵌岩抗拔桩竖向承载变形特性模型试验及数值模拟

随着我国输电线路工程逐步进入西部山区,越来越多的输电塔基础需要修建在陡峭的山坡上。然而,斜坡桩基在强风、雪等极端气候的抗拔承载变形特性研究不足,现行规范也尚无完善说明。基于此,开展了平地与斜坡上嵌岩抗拔桩的室内模型试验,对比分析了荷载-位移曲线、地面变形及裂缝扩展、破坏模式、桩身轴力、桩侧摩阻力及桩-岩相对位移。使用试验结果与ABAQUS数值模拟结果相比较,在验证模型可靠性的基础上,进一步研究了斜坡坡度对嵌岩抗拔桩承载变形特性的影响。结果表明,平地与斜坡下的荷载-位移曲线变化规律一致,均呈陡变型。斜坡对嵌岩抗拔桩的承载变形特性具有不利影响,当斜坡坡度在0°~30°范围内变化时,斜坡坡度对极限承载力的削弱影响呈近似线性增加(0%~12.8%)。随着斜坡坡度增加到45°时,斜坡对嵌岩抗拔桩极限承载力的削弱影响急剧凸显(25.9%)。斜坡上的基岩破坏面主要发生在下坡3.2d(d为桩径)、角度为120°的扇形范围内,逆坡破坏范围约为1d,不同于平地呈对称、复合形的破坏。值得注意的是,当桩顶荷载达到约80%的极限承载力时,平地地表或斜坡下坡出现了可见的裂缝。该研究成果为斜坡上输电塔桩基抗拔优化设计及规范完善提供了科学依据。

煤层开采覆岩破坏与地表变形规律的数值模拟

基于研究矿区煤层覆岩的地质条件,结合数值模拟方法,研究了厚松散层薄基岩条件下不同采宽采厚开采的覆岩破坏与地表移动变形规律,得到了覆岩导水裂隙带高度随放采比及采厚增大而增大的结论,提出了该采区防水防砂技术,控制采高,加强顶板管理,为煤层的安全开采提供依据,为提高煤炭资源的开采率做出科学的分析和建议。

林南仓东一采区覆岩变形破坏数值模拟分析

厚层冲积层下煤层的安全开采是林南仓矿东一采区遇到的最大问题之一。在分析东一采区开采具体情况和开采方式的基础上,构建了符合实际情况的工程地质模型和力学模型。应用目前最先进的FLAC3D软件对东一采区的煤11和煤12的覆岩变形破坏进行了模拟。模拟结果表明,煤11开采引起上覆岩层最大下沉值为2.75m,引起上覆岩层发生塑性屈服破坏的最大高度为31m,上覆岩层处于拉应力状态区域的最大高度为27m。煤12开采引起上覆岩层下沉,最大位移量为5.42m。煤12开采后上覆岩层发生塑性屈服破坏的最大高度为47m,上覆岩层处于拉应力状态区域的最大高度为43.3m。

榆神府矿区双煤层开采覆岩破坏及地面沉降特征研究

为研究双煤层开采条件下浅埋煤层覆岩破坏特征及地表沉降规律,以榆神府矿区典型浅埋煤层地质条件为基础,采用数值模拟方法,分析了6种不同工况下双煤层开采时覆岩破坏与地表沉降特征,并用物理相似模拟实验加以验证。结果表明:浅埋煤层覆岩破坏方式为全厚切落,留煤柱开采时隔水层中采动破坏呈现“泥盖效应”,不留煤柱开采时采空区两侧形成离层裂隙发育区,裂隙沿采空区两侧上方呈约45°发展;煤层开采时地表呈台阶式下沉,随着工作面推进,地表沉降中心不断前移,隔水层重量对地面沉降的影响逐渐减小,煤层厚度与地表沉降值呈正相关性;煤层开采过程中存在应力集中现象,上覆岩层中垂直应力沿煤层开采方向依次出现应力集中区、应力卸压区和应力集中区。

厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏高度与特征

为研究厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏特征,以千树塔煤矿12305工作面为研究背景,综合运用UDEC数值模拟、现场实测和理论分析等方法研究了工作面开采后厚土层薄基岩类似地质条件下覆岩移动破坏规律。结果表明:随着工作面不断推进,覆岩破坏高度变化呈现出缓增、突增、稳定3个阶段,缓增和突增阶段主要发生在薄基岩中,而稳定阶段则发生在厚土层中,同时厚土层存在一定的液性指数,导致地表下沉滞后;通过冲洗液漏失量观测和注水试验得到该工作面导水裂缝带发育高度为84.5~86.5 m,裂采比为7.9~8.1,数值模拟及理论计算结果均与实测结果较为接近;阐述了厚土层薄基岩“两带”破坏模式,该模式中薄基岩和厚土层分别起到支撑和施荷的作用,薄基岩易被采动裂缝贯穿,而厚土层对采动裂缝的上向发育具有抑制作用。研究结果可为类似条件下矿井的安全生产提供参考。

采动影响下采空区覆岩破坏变形规律数值模拟研究

为了探究梅花井煤矿2~#煤采空区覆岩变形破坏规律及导水裂隙带高度,利用FLAC^(3D)建立了数值模型,分别对开采50～400 m的各阶段进行了模拟。结果表明:顶板岩层变形破坏形态一般呈马鞍形;顶板附近岩层若存在微裂隙,裂隙两端就会出现应力集中现象,此类区域内的岩石很容易发生跨落。2~#煤顶板导水裂隙带最大发育高度值约为73 m。研究结果对2~#煤的安全开采提供了重要依据。

金能煤矿软岩掘进巷道变形破坏特征及控制技术研究

针对软岩巷道围岩在掘进过程中呈现出的顶板下沉量大、两帮收敛严重等特点,为解决巷道围岩稳定性控制的难题,以金能煤矿二采区1201工作面的运输顺槽为研究对象,基于工作面巷道工程地质条件,采用现场实测、数值模拟和工业性试验等方法,阐述了软岩巷道的变形破坏特征,提出了3种不同的围岩控制方案,利用FLAC3D软件模拟了该巷道围岩水平位移、垂直位移和塑性区分布情况,并进行现场测试。工程应用结果表明:“锚索+W钢带+U型钢+注浆”的支护方案效果明显,提高了围岩的承载能力,实现了巷道围岩的稳定性控制。

浅埋煤层覆岩变形破坏数值模拟研究

本文采用了显式拉格朗日差分软件FLAC3D进行覆岩变形破坏过程的数值模拟,主要研究综放开采条件下,浅埋煤层顶部覆岩的变形破坏规律,利用FLAC3D有限元法模拟分析了石圪台矿典型工作面开采后1-2煤顶板覆岩沉降规律、应力特征和塑性破坏特征,并确定了煤层顶板冒落带和导水裂隙带的高度。

缓倾软硬岩互层边坡变形破坏机制模型试验研究

以宜巴高速公路沿途彭家湾软硬岩互层边坡为工程依托,依据地质分析及相似理论建立缓倾软硬岩互层边坡室内模型,采用开挖试验及和注水软化试验来模拟实际中的工程开挖(或河谷下切)和雨水浸润软化过程,研究缓倾软硬岩互层边坡的变形破坏机制。结果表明:在开挖及雨水软化两种工况下,该类软硬岩互层边坡的变形模式都是前期的滑移拉裂变形和后期的整体蠕滑变形,破坏模式是以深部软层为滑动面的整体滑移;硬岩层与软岩层的变形情况略有不同,硬岩层以整体蠕滑变形为主,而软岩层以滑移拉裂变形为主;深部软岩层的状态变化对边坡的整体稳定性影响非常关键;工程开挖(河谷下切)及雨水入渗都会对该类缓倾软硬岩互层边坡的稳定性有重要影响,开挖导致的临空面及微裂隙是滑坡发生的基础,水是滑坡发生的条件和诱因。

开挖卸荷条件下煤岩变形破坏与能量释放的数值分析

煤岩原始存在着大量不规则无序分布的节理/裂隙和软弱夹层等断续结构,这些断续结构的几何形态、尺寸、分布、接触以及填充物性质决定着煤岩的物理力学性能与变形破坏行为。现有的数学或力学方法尚不足以从理论上准确刻画断续结构及其对煤岩变形破坏的控制作用。本文采用高精度CT成像和三维重构方法,构建了体现不连续节理/裂隙的不规则几何形态、接触与切割状态以及网络结构特征的断续煤岩三维数值模型,引入单元生死算法定量分析和直观显示了不同开挖卸载模式下断续煤岩变形破坏的应力场、破坏区域及空间分布、能量耗散与能量释放特征,揭示了卸载模式、断续节理/裂隙对煤岩力学性质及破坏机制的影响,为认识和掌握开挖卸荷对断续煤岩变形破坏的控制作用提供了方法和途径。

充填开采覆岩变形破坏数值模拟研究

为研究充填开采覆岩变形破坏规律,本文从FLAC^(3D)数值模拟软件入手,分析了煤矿充填开采的可行性。以山西晋煤集团泽州天安煤业有限公司91301工作面建立数值模型并制订计算方案,模拟了不同工况下充填开采覆岩变形破坏规律,结果表明,充填开采是三下采煤的有效开采方式。

采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析

提出了采用BOTDR分布式光纤传感技术,对煤层采动过程中覆岩变形与破坏的发育规律进行了监测和分析。以淮南矿区某工作面为例,介绍了监测孔的布置方式和传感光缆的安装方法,提出了采用钻孔安装技术将传感光缆植入到煤层顶板覆岩中,根据工作面回采进度,定期采集传感光缆的应变分布,分析了光缆的应变分布特征及其变化规律,得到了应变分布与地层的对应关系,发现应变分布是不均匀的,传感光缆的应变变化与覆岩模量呈反比,揭示了覆岩变形与破坏的发育规律。根据光缆的应变分布特征、传感光缆光损耗较大的点或者断点所处的层位,结合13-1煤覆岩的岩性组合,得到了垮落带和导水裂缝带的发育高度分别为12.5 m和40.0 m。

覆岩变形破坏电阻率响应特征的模拟实验研究

地下采矿活动引起上覆岩层移动变形和破坏 ,对覆岩变形破坏进行监测 ,可以为采矿设计和安全生产提供可靠的技术保障 .本文从对应于实际地层介质的相似材料物理模型实验出发 ,探讨了模拟实验的相似条件和可行性 ,进行了采矿活动不同时期覆岩电阻率特征变化的动态测试 ,结合实验数据进行反演计算 ,最后获得覆岩变形破坏与电阻率变化的响应关系 .实验结果表明 ,覆岩变形和破坏必然造成地层介质电性特征的变化 ,不同破坏带的破坏程度不同 ,电阻率变化响应特征不一样 ,两者是一一对应的 .利用电阻率方法监测覆岩变形和破坏是完全可行的 .

采动覆岩力学模型及断裂破坏条件分析

根据覆岩破坏的机理建立了采动覆岩初次断裂前、后的力学模型 ,并根据此力学模型 ,运用梁弯曲变形理论分析了采动覆岩断裂破坏的条件 ,在考虑上覆岩层的岩性、厚度、埋深等因素的基础上 ,建立了上覆岩层断裂时临界开采长度的计算模型 ,并以此模型进行了实例计算分析 .

采场覆岩变形和来压判别的分布式光纤监测模型试验

为了研究煤矿工作面开采过程中,上覆岩层变形规律,将分布式光纤传感技术(BOTDA)应用于三维立体模型试验监测。制作了3 600 mm×2 000 mm×2 000 mm(长×宽×高)三维立体模型同时在模型内部预埋3根垂直光纤,模拟工作面的开采,工作面共开挖60次,累计推进2 400 mm,获得3根分布式光纤的180组布里渊(Brillouin)频移试验数据。提出了分布式光纤频移平均变化度的概念,采用光纤频移来表征采场上覆岩层变形垮落,判别工作面初次来压和周期来压情况;并将其测试结果和内部位移测试结果进行对比。结果表明,光纤频移平均变化度可以反映工作面上覆岩层变形、来压及其变化情况,该方法及其技术推广应用可以为上覆岩层变形信息化提供依据。

单轴压缩条件下脆性岩石变形破坏的理论、试验与数值模拟

利用损伤力学对脆性岩石在单轴压缩条件下的变形破坏行为进行了理论分析,并利用数值模拟试验机(RFPA)、伺服控制试验系统(RMT 150B)分别对岩石进行了数值及实验室试验,将理论分析曲线、数值试验及实验室试验曲线进行了对比研究,分析了理论结果、数值试验及实验室试验结果之间的联系与差别(尤其是全程应力应变之间的差别)以及产生这些差别的原因,结果表明数值试验并不是理论解析方法的简单重复,而是反映和研究岩石变形破坏全过程的有力手段·

采动覆岩变形分布式光纤物理模型试验研究

采动覆岩变形破坏对开采巷道的安全构成威胁,同时易造成地面塌陷,对地面构筑物的安全和地质环境产生影响。因此,对煤层采动覆岩变形进行监控,具有重要的现实意义。论文针对煤层采动覆岩变形破坏的一般规律,利用分布式光纤感测技术,开展了采动覆岩变形物理模型试验研究。采用将感测光缆竖直植入物理模型内部的布设方法,获得了煤层采动过程中覆岩变形分布式监测结果。将光纤测试结果与常规近景摄影结果进行对比,结果基本吻合;同时,揭示了采动覆岩变形破坏规律和覆岩离层的演化过程。利用经验公式计算得出"导高"均值约为30.6cm,这与光纤监测数据分析估算得到的30cm基本一致。试验结果表明:将分布式光纤感测技术引入采动覆岩破坏模型试验是可行且准确的,为以后的相关研究提供了一种新的思路与方法。

卸荷条件下裂隙岩体变形破坏及裂纹扩展演化的物理模型试验

岩体工程开挖是一个卸荷过程,通过裂隙岩体物理模型试验,研究2种卸荷应力路径下裂隙岩体的强度、变形及破坏特征,并探讨裂隙的扩展演化过程和力学机制。卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形破坏及裂隙扩展均受裂隙与卸荷方向夹角及裂隙间的组合关系影响;卸荷速率及初始应力场大小主要影响岩体卸荷强度及次生裂缝的数量,对裂隙扩展方式影响相对较少;卸荷条件下裂隙扩展是在卸荷差异回弹变形引起的拉应力和裂隙面剪切力增大而抗剪力减小的综合作用下的破坏,且各个应力对裂隙扩展的影响大小与裂隙的倾角密切相关。