厚煤层内掘巷过小断层构造期间顶煤控制研究

以20322大采高工作面掘巷期间横穿小断层地质构造为工程背景,通过现场监测的方法揭示了巷道掘进横穿小断层构造导致的冒顶来压事故影响范围较大,并通过RFPA数值模拟的方法指明了提高顶板内煤岩体的强度和刚度值能够有效防止冒顶事故的发生。后续理论计算表明对顶板悬露段表面通过对称式布置的3根锚索进行锚固后,弯矩在1.2 m≤x≤4.4 m区域内减小量显著,且当将顶板内两侧锚索调整为锚索桁架系统并在20322回风巷横穿小断层构造F_(322-2)前后50 m范围进行应用后,其顶底板移近量仅为掘巷高度的3%左右,实现了对于顶板内煤岩体的良好控制。

考虑地下水害防治的水力压裂缝形态分布特征研究

为深入探讨裂隙性储层水力压裂缝的穿隙特征及影响因素,基于RFPA2D有限元软件,根据焦作矿区煤岩测试结果,模拟岩石破裂过程,分析裂缝形成的主导因素;其次,运用ABAQUS中Cohesive单元,考虑裂缝尖端应力场和煤层内部原生裂隙系统的耦合作用,根据该矿区地质条件和二1煤层物理力学参数,建立有限元分析模型,并进行压裂缝延伸的数值模拟。结果表明:不同地质条件下压裂缝延伸路径分为3种基本模式,即定向直线延伸、转向折线延伸和二次转向折线延伸;裂缝尖端应力差、原生裂隙发育特征是影响水力压裂缝形态与分布的关键因素。在应力差较小时,原生裂隙的力学性能对压裂缝分布形态起主导作用,随着应力差增大,其主导作用逐渐减弱。应力差过小、原生裂隙强度过弱,均易在原生裂隙处发生交叉转向,从而容易触及含水层,诱发各种地下水害。

灰岩单轴压缩破坏声发射特征与数值模拟研究

随着煤层开采深度和强度的增加,煤层顶底板岩层及煤柱的受压变形和破坏特征是决定井下施工人员安全的重要影响因素。为了研究特定煤矿岩层受压破坏特征,以葛泉矿1195工作面顶板大青灰岩为研究对象,采用室内试验、数值模拟和声发射的综合研究手段,对大青灰岩的单轴压缩破坏过程及声发射特征进行研究。室内试验结果表明,岩石破裂过程主要分为弹性阶段、屈服阶段和峰后阶段,岩石残余强度为峰值强度的40%;数值模拟结果表明,模型呈现从顶部开始的倒“V”字型断裂,RFPA^(2D)软件计算结果基本符合试验结果;声发射特征结果表明,模型破坏时,声发射个数和能量剧增,且主要集中出现在破坏单元处,即声发射可有效地预测该岩石的破裂位置及破裂过程。

综放面覆岩移动与裂隙带瓦斯运移规律及瓦斯抽采工程实践

基于芦岭煤矿的地质条件,通过建立综放工作面开采的岩层力学模型,运用RFPA、UDEC计算软件,对上覆岩层移动规律进行数值模拟计算;结合岩层移动特征,研究了综放工作面覆岩高位裂隙瓦斯运移规律和机理,由此确定出瓦斯运移的关键层位,找出适合煤与瓦斯共采的基本条件。

岩体诱导冒落的数值模拟

采用RFPA分析软件,针对不同回采深度、不同节理分布,并考虑彼此综合作用,模拟了采场顶板的冒落过程.结果表明,采场顶板冒落轨迹近似拱形抛物线,冒落高度大约为开挖推进跨度的40%~60%.通过对比分析,得到以下结论：侧压力越大,开挖步距越大,则冒落高度越小;深埋高应力岩体冒落区形状由抛物线渐变为层状;水平节理岩体的冒落形状由抛物线形渐变成马鞍形;竖向节理冒落呈尖塔形.研究对实现低成本高效率开采、消除地下安全隐患、科学诱导采空区冒落具有理论和工程价值.

诱导冒落的声发射特性研究

采用RFPA软件,模拟不同应力场、不同节理分布的岩体冒落过程中声发射特征.研究表明:水平节理顶板声发射集中分布于采场上拱角处;竖向节理顶板声发射沿着竖向损伤破坏面和剪切破坏面分布;共轭节理顶板声发射沿着空区与水平面呈45°+φ/2方向,位于节理端部;高应力岩体声发射沿着采场竖墙发生,声发射沿着冒落拱形迹线分布.冒落过程声发射的能量变化分为两个阶段,第一阶段为平稳阶段,第二阶段为突变阶段,结果表明突变阶段的能量变化率为第一阶段的5倍以上时,可作为顶板冒落的判据,为工程预测塌陷及冒落提供指导.

定向水力压裂裂隙扩展动态特征分析及其应用

为减少煤矿井下水力压裂卸压盲区,扩大压裂影响范围,提高卸压增透效果,在分析水力压裂起裂机理和裂隙发展特征的基础上,提出定向水力压裂技术,分析定向水力压裂过程中煤体的裂隙发展分布规律,并利用RFPA2D-Flow软件模拟了压裂的起裂、扩展和延伸过程,对定向压裂与非定向压裂的效果进行了比较。最后将定向水力压裂技术在平煤集团十二矿己15-31010工作面进行了现场应用,得出在27 MPa的水压下,单孔压裂有效影响半径达6 m;单孔瓦斯抽放平均浓度较未压裂时提高80%,平均流量上升了382%,取得了显著的效果,具有良好的推广应用价值。

卸载岩爆过程数值试验研究

为探讨岩石试样卸载岩爆的发生机制,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)再现岩石试件卸载发生失稳破坏的过程。根据花岗岩的基本力学参数,首先对方形岩石试样进行单轴加载破坏的二维数值试验,然后在双向载荷条件下进行了基于同等试样的围压卸载试验模拟。数值试验结果表明:(1)单轴加载试验与卸载失稳试验的岩石破坏机制和破坏模式存在很大差异。(2)单轴加载试验的破坏过程以渐进式的微破裂发展为主,且微破裂主要集中在局部破裂面上;在发生主破裂之前,有许多微破裂前兆声发射现象出现,是典型的渐进破裂诱发失稳的岩爆模式。(3)双轴加载时的围压卸载试验中岩样卸荷破坏时脆性特征更加明显,主要以突然、高密度的能量释放为主;同时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征,破坏模式则以大面积剪切破坏与局部拉裂破坏为特征的组合破坏模式;与单轴加载的情况相反,在主破裂发生前,几乎没有任何微破裂前兆,是典型的瞬时岩爆的破坏模式。

龙家堡201工作面顺槽冲击地压防治研究

冲击地压是一种复杂的矿井动力现象,一直是岩体力学及矿山防治研究的难点之一。近年来随着煤矿采深的增加,出现冲击地压显现的矿井明显增多,给矿井生产和安全带来了极大的威胁。根据龙家堡201工作面顺槽出现的冲击地压现状,通过RFPA数值模拟研究,设计了钻孔卸压方案,通过现场实施,取得了较好的效果。

数值模拟软岩巷道支护技术研究

软岩巷道多具有高应力、变形大、难支护等工程特征,单一支护方式难以控制围岩变形.通过对围岩变形机理、破坏过程分析研究,利用模拟围岩变形破坏的RFPA计算软件,建立了数值计算力学模型.对软岩巷道围岩变形破坏、应力转移过程进行模拟分析,为软岩巷道支护方案设计提供了依据.

综放面覆岩破裂数值模拟及高位钻场参数优化

基于准确划分煤层上覆岩层"竖三带"的煤层法向分布范围,根据鹤壁九矿长壁综放工作面开采技术条件和岩石力学性能等参数,建立力学模型,运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,对上覆岩层随工作面推进时的变形、冒落情况进行了数值模拟,得到了顶板由变形到破坏的全过程及其破坏的规律。用经验公式对覆岩裂隙带高度进行了计算,综合判定了工作面上覆岩层的裂隙带高度为23.5～55m,高位钻场抽采参数优化后,其平均抽采量达到7.36m3/min,较好地解决了采空区瓦斯涌出问题。

龙家堡201工作面顺槽冲击地压防治研究

冲击地压是一种复杂的矿井动力现象,一直是岩体力学及矿山防治研究的难点之一。近年来随着煤矿采深的增加,出现冲击地压显现的矿井明显增多,给矿井生产和安全带来了极大的威胁,因而针对具体情况,采取有效的解危措施意义重大。本文根据龙家堡201工作面顺槽出现的冲击地压现状,通过RFPA数值模拟研究,设计了钻孔卸压方案,通过现场实施,效果良好。

不同埋深条件下直墙拱顶巷道破裂的数值试验

为研究不同埋深条件下直墙拱顶巷道围岩破裂形态,采用RFPA2D软件进行了数值模拟试验。通过数值试验发现:不同埋深条件下的巷道围岩均从巷道的拱脚和墙角处最先发生破坏,且沿拱脚斜向下和沿墙角斜向上扩展,最终导致巷道两帮围岩破裂失稳;同时由于深部巷道围岩的荷载较大,破坏裂缝也从巷道两帮扩展到拱顶和底板。通过分析巷道围岩应变数据,发现围岩体内径向拉应变是造成巷道围岩破坏的主要原因。该数值试验结果与有关物理试验结果具有一致性,能进一步丰富深部岩体破裂方面的研究成果,更好地指导深部地下空间的开发和应用工作。

裂隙几何特征及围压对岩体渗透特性的影响

裂隙岩体中不同产状、迹长、裂隙密度等几何特征以及所处应力坏境,使岩体渗透特性存在客观各向异性。利用裂隙几何特征生成裂隙网络模型,基于RFPA2D-Flow软件模拟计算不同尺寸、不同方向上等效渗透系数,探讨裂隙的密度、倾角、迹长以及围压对岩体的渗透主值、渗透张量的影响。结果表明:①裂隙密度和裂隙迹长对渗透主值有影响,但对渗透主方向无影响,随密度或者迹长的增大,渗透主值增大;②裂隙倾角对渗透主值影响较小,对渗透主方向有直接影响,渗透主方向近似位于2组裂隙夹角的平分线上;③随着围压增大,渗透主值逐渐减小;④等压条件下,围压对渗透主方向无影响,不等压条件下,渗透主方向随着围压的变化而变化。

巷道底鼓防治技术研究

随着东海煤矿采深不断增加,使得巷道所处压力环境愈加复杂,巷道底鼓问题也越来越严重,巷道支护也越来越困难。通过对东海煤矿32#煤层左十二副巷巷道底鼓机理、巷道顶底板岩层主要物理力学性质进行研究分析,提出了对巷道底板做弧形设计,对两底角做圆弧处理,增加巷道支护强度,减少顶板对两帮的作用力,使应力向深部转移。采用离散元软件RFPA进行数值模拟分析,确定了东海煤矿左十二副巷底鼓变形破坏特征,验证了支护设计的可行性;通过巷道底鼓变形监测,表明新型支护方案能很好地控制巷道顶底板及两帮移近量,保证了巷道的长时间稳定,取得了良好的经济技术效果。

深部软岩巷道冲击地压变形破坏机理分析

分析了软岩的基本特征及力学特性,对深部软岩巷道的冲击地压变形破坏机理进行了分析研究。利用RFPA数值模拟软件对深部具有冲击地压危险的软岩巷道的变形、破坏发展规律和运动机理进行了模拟。分析结果表明:软岩巷道周围裂隙的变形、扩展、破坏及其次生裂隙的产生、扩展和发育情况同数值模拟基本相吻合。