Investigation on fracture models and ground pressure distribution of thick hard rock strata including weak interlayer

Dynamic disasters,such as rock burst due to the breaking of large area stiff roof strata,are known to occur in the hard rock strata of coal mines.In this paper,mechanical models of the fracturing processes of thick hard rock strata were established based on the thick plate theory and numerical simulations.The results demonstrated that,based on the fracture characteristics of the thick hard rock strata,four fracture models could be analyzed in detail,and the corresponding theoretical failure criteria were determined in detail.In addition,the influence of weak interlayer position on the fracture models and ground pressure of rock strata is deeply analyzed,and six numerical simulation schemes have been implemented.The results showed that the working face pressure caused by the independent movement of the lower layer is relatively low.The different fracture type of the thick hard rock strata had different demands on the working resistance of the hydraulic powered supports.The working resistance of the hydraulic powered supports required by the stratified movements was lower than that of the non-stratified movements.

多胞圆管夹芯组合板落锤冲击试验及数值仿真

为了应对煤矿巷道冲击地压下支架结构破坏严重的问题,提出了一种多胞圆管夹芯组合板。该组合板可与煤矿巷道金属支架结合,通过溃缩变形吸能共同抵御冲击荷载。共设计了4个不同芯层厚度夹芯组合板试件的落锤冲击试验,并建立了有限元模型,基于试验验证了该数值模型,开展了多胞圆管夹芯组合板的冲击响应和吸能特性的参数分析。研究结果表明,冲击作用下,多胞圆管夹芯组合板面板呈现圆盘状凹陷,芯层胞体和十字肋发生了褶皱和下陷变形,各个腔室协同工作、相互支撑,并通过塑性变形吸能。同时底部冲击反力的峰值总是滞后且低于落锤冲击荷载峰值,在多次冲击条件下,该组合板也能展现出良好的吸能缓冲效果。多胞圆管夹芯组合板可吸收超过90.00%的冲击能量,其中65.00%以上能量由芯层结构吸收。芯层厚度从0.5 mm增加到2.0 mm,芯层部分吸收能量的占比增大了24.17%,相反面板吸能效率递减,减幅为17.17%,芯层厚度减小可降低峰值冲击荷载,芯层厚度为1.0 mm时吸能效果较好。面板厚度对吸能性能影响较小,建议其厚度选择与芯层厚度相近。冲击能量一定情况下,改变落锤质量和冲击速度对结构动力冲击性能和吸能效率的影响很小。

夏甸金矿深部采动地压分布规律研究

随着国内大部分矿区进入深部开采阶段,地压活动的发生率、频次和破坏程度显著提升,在开采过程中,围岩受扰动应力作用极容易发生垮塌,严重的还会有岩爆等动力灾害现象发生,给井下作业人员带来了较大的安全风险。本文以夏甸金矿为工程背景,在分析深部开采技术条件的基础上,将夏甸金矿深部采场采动地压作为研究对象,利用数值模拟方法,建立了整体采场模型和典型采场模型,分别对−620~−1120 m范围和−850~−1020 m范围内的采场采动地压分布规律进行研究,揭示了上向水平分层充填开采过程中应力场、位移变化和塑性区分布的特征,为夏甸金矿的安全生产提供了科学依据。

倒梯形巷道顶板全长锚索联合支护技术研究

针对长城五矿1902S回风巷倒梯形煤巷的高地应力产生的围岩稳定性差,支护体失效的问题,在实地调研施工现场后,结合FLAC3D数值模拟分析原方案的支护失效体制,并提出“全长锚固锚索+组合支撑钢墩柱+W型钢带+钢筋锚网+钢带”的联合支护技术,从顶板围岩的变形量和帮部相对移近量两方面来分析矿压显现规律。结论如下:原方案锚杆锚索的组合支护体应力偏分布,不能解决倾斜顶板帮角处出现的应力集中现象,全长锚索支护对应顶板离层和应力集中位置,并采用支撑钢墩柱对顶帮角处进行补强支护,矿压监测数据显示,该技术明显改善了顶板的围岩稳定性,有效地减轻了帮部的压力和变形,锚索的承拉效果明显强于锚杆,为解决不规则巷道的顶板支护提供了重要的实践经验。

深井分段充填采矿应力演化规律数值分析

针对某矿山—700 m至—1100 m中段水平的典型采场布置方式,建立了数值分析模型,模型中段高度60 m,分段高度12 m。通过岩石力学试验,测试了矿岩、充填体力学参数,构建了1个原岩应力场状态和8个开挖与充填工作状态,并进行了逐次回采开挖与充填过程的数值模拟。数值计算与分析结果表明,伴随着相邻中段的回采,矿体厚度逐渐变薄,中段水平矿柱中应力集中现象较为明显,且以水平应力集中为主导,水平应力最大集中系数达到2.7。竖直方向应力变化特征差异性较大,其中,在前3次序开挖过程中,上盘存在压应力卸载现象,下盘存在压应力集中的现象。等效应力计算结果表明,随着矿体变薄,应力集中系数逐渐增大,应力集中效应由下盘逐渐向矿体中部转移,最大应力集中系数为2.79,发生于矿体中部位置。充填前后的应力场结果分析表明,充填过程对改善应力场集中效应有明显作用,且随矿体变薄,充填体在降低应力集中方面的作用越明显,模型中降低水平应力集中系数可达0.63。

下向进路充填采矿法深部矿岩破坏机理数值模拟研究

针对嵩县山金深部矿体采用下向进路充填采矿法开采矿岩破坏机理及地压显现技术问题,采用Rhino+Griddle+Flac 3D快速建模技术,对矿区下向进路开采1~8 a矿岩应力及位移变化规律进行研究。模拟结果表明:最小主应力随深度的增加而增加,靠近底部较大;未开采采场起到了临时矿柱的作用,应力集中现象较明显,同时在采场附近的充填体中也形成应力卸压区;各中段的位移随开采时间的增加而不断增大,采场顶板的最大位移主要出现在顶板中间,在矿山不断向深部推进的过程中,最大位移值呈上升趋势。

深部回采工作面过断层期间矿压显现规律分析

为了进一步掌握深部冲击地压矿井工作面过断层期间超前压力影响范围,保证工作面顶板安全,采用数值模拟和理论分析相结合的方法研究鲁西南某冲击地压矿井回采过断层的影响,并建立了相对应的模型。结果表明:断层对煤层最大主应力分布影响较大,轨道顺槽巷帮最大主应力随与切眼距离增大而减小,而胶带顺槽巷帮最大主应力随与切眼距离增大,与断层距离减小而减小;随与切眼距离增大,与断层距离增大而增大。回采期间,其超前影响距离为85~95m区间,在回采期间应对轨道顺槽超前范围加强监测。

综放孤岛工作面过空巷安全技术研究

针对岳城矿大巷煤柱回收工作面在回采过程中面临过空巷的技术难题,空巷内会出现顶板压力大、冒顶严重等问题,影响工作面的正常回采,以岳城煤矿大巷煤柱回收工作面为研究背景,通过理论计算得到了空巷支护强度应大于6.03 MPa,并采用数值模拟对不同支护强度下巷道的顶板应力及位移进行了分析,确定了当顶板支护强度达到7 MPa及以上时,空巷顶板下沉量可以控制在合理的范围内。空巷支护采用木垛支护,采用数值模拟对不同支护排距下空巷的顶板应力及位移进行了分析,确定选取0.7 m排距、1.5 m×3 m×3 m的联锁木垛可以满足综放工作面过空巷段的支护要求。现场矿压监测结果表明,当空巷顶板支护强度达到7 MPa及以上时,可以满足工作面安全生产要求,实现岳城矿大巷煤柱回收工作面的安全高效回采。

某铜镍矿两步骤嗣后充填回采地压分布与采场稳定性研究

在金属矿山开展两步骤嗣后充填回采过程中,围岩应力平衡状态多次重新分布,易诱发岩体失稳破坏等地压显现问题,为矿山安全高效开采带来巨大的安全隐患。以某铜镍矿急倾斜厚大矿体为研究对象,通过开展岩体结构面现场调查,对矿山各中段围岩赋存特征与典型工程地质岩组的岩体质量情况进行有效探查与分级评价;采用数值分析方法,构建矿山三维工程地质模型,获得了各中段两步骤嗣后充填回采过程的应力场、位移场分布规律与塑性破坏特征。依据矿山开采现状及现有研究成果,开展采场稳定性评价,实现对矿山地压显现区域的准确识别。研究结果表明:矿山各中段围岩主要发育为3组优势节理,发育程度为中等-密集;3种典型地质岩组的岩体质量Q平均值分别为3.95、8.03、6.81,且随埋深增加整体呈下降趋势。同时,受开采扰动影响,各中段采场的应力、位移与塑性破坏区域的分布规律基本相同,且二步骤回采的地压活动特征比一步骤更加显著。针对两步骤嗣后充填回采采场围岩稳定性控制难题,将研究成果与现场实际相结合,实现了对采场稳定状态的精准识别与评价。研究成果对于矿山围岩风险判别与地压管控具有重要的指导意义。

断层滑移区煤与瓦斯突出防控技术研究

为了提高大平煤矿断层滑移区煤与瓦斯突出防治技术措施,以吴庄逆断层构造为研究对象,根据工程现场实际情况,通过现场测试、理论分析与数值模拟相结合的方法,系统研究采动影响下断层滑移诱导突出过程中断层滑移规律、断层及相关煤层的应力分布及瓦斯运移动态特征和突出的动态机制,结果表明多因素与煤与瓦斯突出灾害之间的因果关系,并在此基础上对现有防控措施进行优化,从而增强了矿井瓦斯防治能力。

高路堤下涵洞地基处理现场测试与数值模拟研究

山区高速公路高填方涵洞工程应用广泛,由于地基处理不当造成的涵洞病害屡见不鲜。结合现场实测成果和有限元数值模拟结果,分析了涵洞结构物的受力状态及地基受力、变形特性,讨论了地基刚度、不均匀沉降对涵洞受力的影响和埋深效应对地基承载力的影响。研究结果表明:涵洞基底与相同标高下涵洞外侧路基基底土压力相差不大,地基设计时可按二者相等考虑;地基刚度越大,涵洞顶部土压力越大,对涵洞结构物强度要求就越高,地基处理中应尽量避免使用刚性桩复合地基。根据研究结果,提出了高路堤下涵洞地基的设计方法。

基于Hoek-Brown参数确定方法的多煤层开采工作面矿压显现规律模拟研究

结合宁东矿区任家庄矿的生产实例,利用基于Hoek-Brown强度准则确定煤、岩体力学参数的方法,运用FLAC3D软件模拟分析了任家庄矿3号和5号煤层开采中的矿压显现规律,并根据现场工作面巷道围岩应力和表面收敛监测结果,对比分析了数值模拟结果的准确性。研究发现:基于Hoek-Brown经验强度准则所确定的煤、岩体力学参数与标准煤岩样的实验室测定值有明显差异,两者间并非简单折减关系,而与岩体结构特点、完整岩石强度和开挖影响等因素有关。现场多煤层开采中矿压显现规律的实测与数值模拟结果的比对,进一步验证了基于Hoek-Brown准则确定煤、岩体力学参数的有效性和合理性。

余华寺矿地表尾矿干堆对地下开采的影响研究

为了研究地表尾矿干堆对井下开采的影响,建立了余华寺矿区三维模型,利用FLAC3D分析软件,对地表尾矿干堆进行了模拟,最终得出地表干堆对井下生产水平的应力和位移几乎没有影响,而对近地表部分影响大。上盘矿岩接触带和矿体走向两端出现了高应力区,需要对此处重视并采取有效措施,以保证矿山正常生产。

采矿环境再造连续开采地压演化过程的控制与仿真

针对传统采矿方法回采缓倾斜中厚矿体时存在的诸如地压控制和采场矿石运搬等方面的困难,提出采矿环境再造连续开采采矿方案。运用三维有限差分程序FLAC3D对回采过程中的地压演化规律进行模拟研究,得出各采场应力场和位移场的分布和变化规律,优化采矿工程结构参数和回采顺序,提出切实可行的地压控制措施。研究结果表明:随着开挖逐步推进,围岩位移不断增大,应力集中现象明显,最大压应力达54 MPa,最大拉应力达3.9 MPa,接近围岩的极限强度;在尾砂回填后,底鼓量下降5 mm,最大压应力降至32 MPa,表明应力场和位移场均得到改善,能确保回采期间采场的稳定。

硬软交替岩层的复合顶板主关键层及其破断距的确定

采煤工作面顶板岩层主关键层及其破断距的确定对于采场矿山压力控制至关重要。以白皎煤矿采煤工作面硬软交替岩层的复合顶板为研究对象,采用相似模拟试验研究、关键层理论分析和数值模拟计算相结合途径确定复合顶板主关键层及其破断距。研究结果表明:该工作面顶板第1～3硬岩层依次破断,为顶板亚关键层;第4～6硬岩层组成的复合关键层为顶板主关键层;计算得到的复合顶板主关键层的平均破断距为114m;当该工作面推进到108.2m时,主关键层的破断导致工作面出现异常矿压显现。工程实际应用情况表明,3种方法的有机结合,可以较准确地确定硬软交替岩层的复合顶板主关键层及其破断距,对采煤工作面的支护及矿山压力控制具有指导作用。

地震对地下硐室围岩动压力的影响

地下硐室围岩压力在地震荷载作用下的表现是岩土地震工程领域当前的热点问题之一。本文简述了目前我国隧道工程抗震规范关于地下硐室围岩动压力的确定方法,以四川黄草坪隧道的资料为例,利用有限差分法分析在不同峰值加速度的水平地震动输入下,硐室围岩压力对地震输入的响应,并与围岩静压力进行了对比分析。结果表明:随着输入地震动加速度峰值的增加,地下硐室围岩最大主应力峰值的增大;围岩最大主应力的地震反应峰值与输入地震动的加速度峰值有一定的关联;在加速度峰值小于0.2 g的地震动作用下,硐室围岩的最大主应力峰值变化较小,硐室结构一般不会发生破坏;地震作用时,硐室的斜上和斜下侧壁是整个结构的薄弱部位;衬砌结构对于地下硐室围岩最大主应力地震反应峰值的控制和硐室结构抗震性能的增强有极为重要的作用。

让压与锚注法在软岩巷道中的研究与应用

神火煤电公司葛店矿-600 m轨道大巷属于典型的软岩巷道,围岩具有大变形、高压力的特点,锚网喷加锚索等常用的支护形式已难以控制巷道围岩.软岩巷道可锚性差是造成锚杆锚固力低和失败的主要因素,提出利用锚杆兼做注浆管,可实现锚注一体化.基于数值模拟和现场观测,采用先让后抗的原则,在合适的时机进行了锚注支护.让压与锚注法在-600 m轨道大巷的应用结果表明:该技术能有效控制软岩巷道围岩的变形,是一个支护的新途径.

大间距无底柱分段崩落法采场地压变化规律研究

以大冶铁矿井下车间采场结构参数调整为工程背景,依据宏观调查和巷道围岩变形实测资料,采用位移反分析的方法,运用FLAC数值模拟分析软件,从应力变化规律、位移场分布特征和塑性破坏区变化特点等多个方面,对采场结构参数调整前后的采场地压变化规律进行数值模拟对比研究。研究揭示了大间距无底柱分段崩落法开采过程中采场地压的基本变化规律,对于大间距无底柱分段崩落法在地下金属矿山的推广与应用具有重要意义。

老虎台矿巷道断层冲击地压数值模拟研究

结合抚顺老虎台煤矿的实际,对深埋巷道断层冲击地压进行了数值模拟研究。模拟结果表明,深开采活动越接近断层,断层处集中的应力就越大,随着应力不断积累,当达到煤体极限强度时,就会通过喷射等方式释放其积累的弹性能,从而诱发断层冲击地压。通过对老虎台矿断层冲击地压的机理和特点的研究,提出了断层冲击地压的预防措施。

侧压系数对巷道软弱互层顶板岩体破坏影响规律研究

运用FLAC3D软件,对垂直应力不变、不同侧压系数条件下,巷道软弱层状顶板岩体的塑性破坏、位移和应力变化规律进行了三维数值模拟研究。巷道两帮和底板岩层较硬,顶板岩层相对软弱,并且层理发育。顶板各岩层及软弱夹层的物理力学参数分别相同。研究结果表明,层状顶板岩体的破坏特征是由侧压系数λ决定的。当λ<1时,顶板的塑性区和卸压范围较大,但顶板挠度却较小。当λ>1时,顶板的塑性区和卸压范围较小,但顶板挠度却较大。