全支撑应力场下采场顶板损伤特征及释能估算

针对顶板突发性损伤释能诱发冲击地压的现象,以忻州窑矿11号煤层8518下工作面地质开采条件为工程背景,基于弹性理论建立涵盖煤壁支撑和支架支撑的采煤工作面顶板力学模型,对采场顶板损伤分布特征及释能估算进行研究,得到顶板损伤判据、损伤高度计算式以及释能引起的冲击压力表达式。结果表明:①采场顶板支撑状态可分为煤壁支撑区、支架支撑区和无支撑区。顶板应力呈非连续分布,在各区交界和顶板跨中出现集中,是顶板在支架前、后端及采空区出现拉、剪损伤的力学原因。②顶板损伤在煤壁支撑区、支架支撑区及无支撑区分别呈直角扇形、直角梯形和非对称直墙拱形,其范围受顶板悬露长度控制,悬露长度每增加10 m,损伤面积约扩大8.0%。支撑强度仅对支撑区损伤产生影响,支撑强度每增加1 MPa,支撑区损伤面积约缩小2.2 m^(2)。③无支撑区损伤是顶板的主要损伤区,其损伤高度影响着损伤范围的大小。损伤高度主要受顶板悬露长度、顶板厚度和顶板内摩擦角控制,其与悬露长度和厚度呈线性增大关系,与内摩擦角呈线性减少关系。④顶板变形能密度高的分布区与顶板损伤区重合,顶板损伤面积每增加1倍,损伤释能增大1倍、释能引起的冲击压力增大2.8倍。研究成果为矿山围岩冲击振动响应及其稳定性分析提供可量化的力源值。

顶板初始损伤对煤岩组合体破坏性态及能量演化的影响

采用CASRock对煤岩组合体开展单轴压缩破坏过程数值模拟试验,分析顶板初始损伤对煤岩组合体力学行为的影响。结果表明:(1)顶板初始损伤对煤岩组合体力学行为的影响程度与顶板中初始裂隙的几何分布密切相关,随着裂隙与水平面夹角增大,煤岩组合体由延性破坏向脆性破坏转变,同一裂隙倾角下,随着裂隙长度增加,煤岩组合体由脆性破坏向延性破坏转变,且裂隙与水平面夹角越小、长度越长、距离煤层越近对煤岩组合体力学行为影响越大,越能主导煤岩组合体的力学行为,煤体越不易发生破坏;(2)顶板含多裂隙时裂隙主导煤岩组合体力学行为能力更强,当顶板初始损伤较严重时,初始的裂隙网络会形成应力集中区,导致其对煤岩组合体力学行为影响能力变强;(3)单轴压缩条件下,劈裂破坏是主要的破坏形式,顶板初始损伤对煤岩组合体强度与变形能力的提升作用较强,当顶板裂隙对煤岩组合体力学行为影响较大但不主导其力学行为时,其释放能量效果较好,顶板初始损伤在一定程度上增强了对煤层的保护效果。

回采空间变化对无底柱分段崩落法进路地压的影响

以北洺河铁矿为工程背景,采用现场监测的方法,探究无底柱分段崩落法下进路地压随回采空间的变化规律。监测断面处的进路顶板、拱脚、及两帮处的径向受力随回采工作面的推进大致分为3个阶段：稳定阶段、承压阶段、卸压阶段。当监测断面与回采工作面的距离大于15排炮排间距时,进路围岩处于稳定状态,不受回采空间变化的影响。当监测断面与回采工作面的距离在5~15排炮排间距时,进路围岩处于承压阶段,且当回采工作面推进到5~10排炮排间距范围内,开始出现应力拐点,即岩体变形加剧,应力上升加快。当回采工作面推进到1~5排炮排间距范围内,径向受力处于来压峰值阶段,或处于来压峰值与卸压2个阶段。现场的钻孔取样结果表明,在距爆破工作面5 m以内,顶板深度2 m以内,岩体的损伤程度较高,完整性较差,这主要是爆破应力波与回采所引起的来压作用共同造成。研究结果为进路围岩的合理支护以及安全回采提供理论依据。