倾斜煤层综放工作面沿空留巷围岩稳定性模拟研究

以倾斜煤层综放工作面为研究对象,运用数值模拟的方法,对不同煤层倾角、不同煤层厚度、不同巷旁支护体宽度及不同巷内支护阻力时,沿空留巷围岩应力和位移随工作面推进的动态分布和变化规律及围岩的塑性破坏进行了模拟研究,以揭示不同工况条件对巷道围岩稳定性的影响规律。结果表明:随煤层倾角的增大,两帮垂直应力和顶板垂直位移逐渐减小,底板垂直位移逐渐增大,巷道两帮水平位移量先增大后减小,留巷围岩的塑性破坏程度加剧,尤其是巷道两帮及底板塑性区范围增大;在工作面推进相同距离时,煤层厚度越大,两帮垂直应力及顶板和右帮位移量越小,底板和左侧煤帮位移量越大;随巷旁支护体宽度的增大,左帮的垂直应力逐渐增大,右帮垂直应力先增大后减小,顶板垂直位移和两帮水平位移逐渐减小,底板垂直位移逐渐增大;随着巷内支护阻力的增大,两帮的垂直应力均先增大后减小,巷道变形量先减小后增大,巷道底板和右帮位移量随支护阻力的变化并不明显。     

巷道围岩应力空间分布仿真分析

为得出巷道围岩应力空间分布特征,以圆形断面巷道为例,采用复变函数方法得出其应力解,并把映射空间解转化为巷道所在空间解后对巷道周围岩体应力场进行仿真分析,得出了巷道周围岩体应力场分布直观图,可方便直观的了解巷道围岩任意位置应力分布情况。并考虑不同半径、不同侧压系数对围岩应力场的影响,得出了:圆形巷道围岩应力峰值及其出现方向与半径无关;侧压系数小于1/3时,顶底板开始产生拉应力,大于3时两帮围岩开始产生拉应力;以及环向、径向、剪切应力及最大、最小应力的变化规律。     

爆炸载荷诱发地应力瞬态卸荷对深部围岩的损伤特性

地应力瞬态卸荷是造成深部巷道空间变形垮塌的主要诱因。近似认为爆炸荷载与地应力瞬态卸荷的耦合应力场是在一定的地应力条件下,由爆炸荷载激发的动态应力场和地应力瞬态卸荷激发的动态应力场在相应的时域和空间上叠加而成。采用数值模拟的方法研究了爆炸载荷扰动诱发的高地应力瞬态卸荷对巷道围岩的损伤规律。研究表明:爆炸载荷对围岩的扰动先于地应力瞬态卸荷,二次应力分布时程曲线受爆炸应力波的影响显著,耦合应力场对巷道顶板拐角、两帮、顶板、底板中央围岩处的动力扰动仍以爆炸载荷为主,且对顶板的扰动作用更强。巷道两帮的围岩损伤比顶、底板深,质点振动速度峰值随着向围岩远处的传播呈衰减趋势。随着侧压系数的增大,巷道两帮围岩塑性损伤范围减小。     

深井上下山煤柱区巷道围岩响应特征数值模拟及其灾害控制

深井上下山煤柱区巷道围岩应力高度集中,矿压显现剧烈,是煤矿动力灾害多发区。文章通过FLAC~(2D)数值模拟及微震监测等对深井上下山煤柱区巷道围岩响应特征进行研究。结果表明:随着7、9煤层两侧工作面的开采,上下山巷道围岩应力、位移、塑性区分布等响应特征均不断增加,且上升趋势越明显,越易发生冲击破坏;针对不同的开采阶段及矿压显现,提出针对性的煤柱区动力灾害控制措施。研究成果为深井煤岩动力灾害防治提供借鉴和指导。     

直墙拱形巷道围岩应力场分析

为得出直墙拱形巷道围岩应力分布规律,应用复变函数弹性理论推导了直墙拱形巷道围岩应力分布的解析表达式。对直墙拱形巷道边界的围岩应力和巷道水平线方向的围岩应力分布规律进行分析,并考虑直墙拱形巷道断面高宽比和侧压系数对其影响规律。研究表明：在不同巷道断面高宽比、侧压系数下,直墙拱形巷道围岩应力集中区域主要集中在直墙底部底角处、拱形顶板中点附近和底板中部3个位置。不同巷道断面高宽比下,直墙拱形巷道沿水平线的应力分布规律基本相同。侧压系数大于1时,采用巷道断面高宽比小于1较有利于巷道稳定;侧压系数小于等于1时,采用巷道断面高宽比大于1较有利于巷道稳定。     

不同水平应力下深部回采巷道围岩变形破坏特征

采用UDEC离散元程序,对不同水平应力埋深下的深部回采巷道围岩变形特征进行了分析。结果表明:侧向系数相同时,随巷道埋深逐渐增大,围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大,但围岩塑性区在增长过程中存在突增现象,而巷道围岩变形量基本呈线性增长;当水平应力较大时,巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大,需加强巷道顶板及底板的支护;当水平应力较小时,巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大,需加强巷道两帮支护。     

不同水平应力下深部回采巷道围岩变形破坏特征

采用UDEC离散元程序,对不同水平应力埋深下的深部回采巷道围岩变形特征进行了分析。结果表明:侧向系数相同时,随巷道埋深逐渐增大,围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大,但围岩塑性区在增长过程中存在突增现象,而巷道围岩变形量基本呈线性增长;当水平应力较大时,巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大,需加强巷道顶板及底板的支护;当水平应力较小时,巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大,需加强巷道两帮支护。     

动压巷道煤柱合理宽度与巷道围岩稳定

以临涣煤矿六采区的地质条件为背景,使用FLAC^3D有限元计算方法,对比探索在不同区段煤柱宽度下,巷道围岩稳定性的差异。结果表明：在区段煤柱宽度增加的同时,围岩垂直应力和水平应力峰值随之减小,且巷道两侧应力峰值差值不断减小;煤柱宽度增加,煤柱稳定性逐步增强;巷道两帮塑性区破坏形式39 m和49 m煤柱以张拉破坏为主,59 m和69 m煤柱以剪切破坏为主,巷道两帮塑性区范围较大;区段煤柱的留设宽度为59 m。     

不同围压下软岩巷道全长锚固支护优化研究

以淮南矿区丁集矿西三采区地质条件为背景,采用FLAC 3 D计算软件对深井软岩巷道全长锚固支护条件下围岩稳定性进行模拟计算,获得不同围岩应力和支护强度作用下巷道围岩稳定性影响规律.得知,随着围岩应力环境增大,巷道顶帮下沉量和底板底鼓量增大,巷道顶底板变形位围岩移量变化趋势与巷道两帮变形趋势基本一致,在10 MPa围岩环...     

深部高侧压巷道围岩失稳机理及控制对策

针对金川矿山958中段出现的巷道破坏现象,运用理论分析、力学推导、数值计算、工程试验等方法,模拟不同侧压下巷道围岩变形过程,揭示围岩失稳机制及支护失效机理,探究高侧压巷道稳定控制对策,提出“拱梁联合支护”方案,完善锚固作用下“围岩承压拱”计算模式,构建“底板—桁架梁”力学模型,并通过解析微分控制方程进行支护参数反演。调查研究表明,巷道顶底板变形比重与侧压系数?呈非线性正相关,围岩受力状态及位移形变随?变化;高水平构造应力、骤变部位集中应力是低相对强度围岩失稳和高关联度支护体失效的主要诱因;兼顾局部和整体强度关系、改善不良应力状态、增强围岩承载能力为高侧压巷道稳定性控制的关键;锚杆应力维体与围岩相互作用形成承压拱可分消应力作用;底板桁架梁横撑底脚,减弱两帮向内收敛挤压趋势。监测结果显示,巷道变形速率减缓和变形幅度降低,整体稳定得到控制。     

膨胀岩巷道在湿度场下围岩变形规律特征

为研究膨胀岩巷道在湿度场下围岩变形破坏规律特征，结合现有湿度场理论，采用正交试验方法对在不同矢跨比和侧压力系数因素下围岩变形规律进行研究。研究表明：左帮变形位移在有无膨胀性巷道中受矢跨比的影响较小，在矢跨比1∶4时顶板沉降量比底板鼓起量大；在侧压力系数影响下，围岩两帮的变形量随着应力比的增大而增大。应力比为1.5和0.5时，底板隆起量会高出4倍之多；在矢跨比和应力比两者在较小或较大情况下，前者在有无膨胀岩因素下顶板下沉量变化较大，达50%左右，后者底板隆起量增加为30%左右；在两种因素中侧压力系数对两帮变形量影响较大，矢跨比对顶底板变形量影响较大。     

穿采空区巷道围岩特性分析及稳定性控制

针对芦岭煤矿穿采空区巷道围岩工程环境特性问题,采用现场测试,钻孔窥视,数值模拟等方法,分析巷道在穿采空区不同区段围岩损伤区及矿压显现规律。研究结果表明,巷道穿采空区不同区段围岩具有明显分区特性,采空区上段巷道在逐渐靠近采空区时,损伤区范围逐渐扩大,完整性变差,围岩压力却较小;远离采空区下区段巷道围岩,裂隙发育程度较低,但是围岩压力表现更为明显。因此,结合巷道围岩的工程环境特点提出分区段控制技术方案,远离采空区卸压范围的围岩,主要采用锚杆、锚索加喷层的联合支护技术,改变浅层裂隙岩体的力学性能与围岩形成整体性结构,抵抗更大的围岩应力;采空区及附近围岩采用以U型钢为主体的刚性支护,防止裂隙岩体进一步碎胀扩容而产生的变形。现场支护表明,巷道顶底板及两帮位移量均小于30 mm,现场支护效果明显。     

赵庄矿深部巷道围岩变形机理研究

随着煤炭开采不断向深部地层发展,深部高应力条件下巷道容易发生较大变形,造成冒顶、片帮等事故,因此以赵庄矿× ×矩形巷道为工程背景,结合现场试验测得的围岩力学参数,采用FLAC 3D数值模拟软件对不同条件下巷道围岩变形机理进行研究,研究结果表明了巷道宽度、高度、埋深、侧压系数的改变对巷道围岩塑性区分布状态和围岩变形量的影...     

断层破碎带在渗流作用下应力特征及控制

采用瞬变电磁仪对回风巷穿越断层破碎带的现场水文情况进行探测,获取区域地下水在巷道两帮集聚导致低阻异常区存在的水文特征。建立了回风巷赋水断层三维流固耦合力学模型,模拟分析了断层破碎带在动压及渗流作用下的应力分布及变形特征。研究结果表明:孔隙水压力集中区和巷道两帮压应力集中区具有一致性,随着与断层距离的减小,双场集中区中区由两帮向顶角处转移;回风巷围岩变形失稳概括为3个阶段:即,两帮压密顶底板产生张拉裂隙阶段;地下水向巷道渗透及围岩软化阶段;围岩变形持续增大阶段。为控制回风巷进一步变形,提出了对两帮及底板进行注浆加固的方案。     

南阳坡矿沿空巷道底鼓成因分析及支护技术

针对南阳坡矿沿空巷道底板变形控制困难的问题,分析了其工程地质条件,并通过建立沿空巷道底板力学模型推导出巷道底板应力、应变公式,计算并总结了巷道底鼓成因。在研究底角锚杆支护原理的同时,采用数值模拟的方法,对比分析了无底板支护和加强底板支护条件下围岩位移和塑性区的分布情况,验证了通过提高底板围岩强度抑制底板变形的可行性。以南阳坡矿5800沿空巷道为研究背景,设计出该沿空巷道的底板支护方案为:底板锚杆、底角锚杆以及注浆加固,并通过现场观测,进一步证明了该支护方案的现场实际应用效果。应用结果表明,该支护方案能够有效提高底板围岩强度,改善底板变形,控制底鼓。     

动力扰动下深部巷道围岩力学响应FLAC分析

深部巷道具有强烈的动力扰动特征.采用有限差分数值计算软件FLAC(Fast La-grangian Analysis of Continua)对动力扰动下巷道围岩力学响应进行了数值分析.结果表明:动力扰动增大巷道顶、底板的水平应力峰值,并使峰值位置后置;扰动后巷道顶板下沉量及巷道围岩塑性区范围显著增加.原岩应力越大,动力扰动对巷道围岩应力场、位移场及塑性区范围影响就越显著,对于深部高应力巷道,动力扰动可使巷道顶、底板的水平应力峰值达到极高应力状态,并存在大范围的塑性屈服区域,具有发生岩爆的危险.     

急倾斜三软厚煤层留小煤柱沿空护巷技术

在急倾斜三软厚煤层走向长壁俯伪斜采煤条件下实施留小煤柱沿空护巷十分困难,煤柱稳定性和巷道围岩变形极难控制。针对这一难题,提出了包含煤柱小角度锚固法和十字护顶方法的留小煤柱沿空护巷技术,有效解决了煤柱易沿顶底板剪切破坏并向巷内搓动的问题,降低了巷道软弱围岩的破碎程度和变形量。现场试验结果显示,留设小煤柱的完整性保持较好,其中相较于原支护方式顶底板移近量减少了40%,两帮收敛量则减少了42%,巷道围岩变形得到了有效控制。与此同时,还得到工作面前后方回采巷道的矿压显现呈现明显的6个分区,分别为工作面前方无影响区、工作面前方矿压显现影响区、工作面前方矿压显现强烈区、工作面后方顶板激烈活动区、工作面后方顶板活动减缓区和工作面后方基本稳定区。其中,工作面前方矿压显现强烈区和工作面后方顶板活动激烈区的范围明显大于缓斜近水平煤层,这为分区制定围岩控制措施提供了有利依据。所得研究成果可为我国急倾斜走向长壁俯伪斜工作面沿空护巷技术研究提供一定的补充。     

圆形巷道围岩变形破坏的连续–离散耦合分析

基于有限差分理论及颗粒流理论,以FLAC及PFC程序为实现平台,将颗粒体模型嵌入有限差分网格内部空域,采用fish语言编译连续元与离散元计算数据传输交换函数,建立二维平面应变圆形巷道连续–离散耦合分析模型,从宏–细观角度深入开展不同围压条件下圆形巷道围岩变形破坏机制的研究。研究表明:(1)在低围压条件下,巷道开挖围岩发生弹性变形。当水平围压与垂直围压相等,相同径向距离处的围岩变形量近似相等,均指向圆心。(2)在高围压条件下,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道顶板、底板,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道两帮。围岩破坏形态均呈"毡帽形",帽口朝向巷道中心。(3)在高围压条件下,随着围压不断提高,破裂总数逐渐增多,而破裂孕育扩展时间不断延长。当侧压系数K=1,围岩破坏表现出明显的分区破裂化现象。     

金属矿山底部结构巷道群开挖扰动稳定性分析

为了研究开挖顺序和布置形式对底部结构巷道群稳定性的影响,借用三维FLAC^3D数值计算软件,结合大冶铁矿-180 m阶段底部出矿结构巷道群的工程实例,分析了交叉型巷道群围岩由于不同的开挖顺序而产生不同的应力状态、位移变形以及塑性屈服变化特征;对比了不同布置形式的底部结构在开挖影响下的稳定性.结果表明:交叉型巷道的应力、变形分布与开挖扰动的顺序和布置形式相关,开挖顺序和布置形式不同,巷道围岩的应力、位移变化程度有明显的差别;交替式开挖顺序对底部结构巷道群围岩的扰动程度最小;对称布置的底部结构在施工形成过程中表现的稳定性更高;依据上述研究结论,指导了大冶铁矿底部结构设计和施工顺序,同时对类似矿山具有借鉴意义.     

小煤矿复采煤柱塑性区特征及采准巷道支护技术

平顶山新华区为全国重点采煤县(区),区内小煤矿井田位于平顶山煤业集团所属矿井浅部报废水平内,主要开采大型矿井开采后遗留煤柱。煤柱受力状态可简化为平面应力状态,受两侧长壁工作面采动影响,煤柱塑性区宽度较大,其主要影响因素是煤层厚度、煤层硬度、煤层与顶底板岩层界面的粘结性能、煤层埋深。当煤层硬度一定时,随着煤层与顶底板界面粘结性能的提高,煤柱塑性区宽度增长的速度递减;当煤层顶底板粘结性能一定时,随煤层埋深的增加,煤柱塑性区宽度增加。大量的现场观测研究表明,在一定支护条件下,巷道围岩稳定性和变形特性与围岩应力和围岩岩性关系,是围岩应力与围岩岩性相互作用的结果,可以引用围岩有效载荷系数C来进行解释。当C≤0.45时,巷道围岩处于稳定状态;当C>0.45时,巷道围岩开始出现流变。当前新华区小煤矿采深通常为200～400 m,不同硬度的煤层采准巷道围岩有效载荷系数相对较小,围岩处于稳定或较稳定状态,所以在目前条件下,新华区小煤矿采准巷道采用刚性木棚支护是较合理的。