直墙拱形巷(隧)道岩爆卸压孔解危效应试验研究

针对岩爆卸压孔解危效应研究的不足,开展了未含卸压孔和含卸压孔的直墙拱形巷(隧)道花岗岩试样 双轴压缩试验,分别建立了基于能量释放量的巷(隧)道围岩损伤变量表达式、基于岩石微元破坏概率的巷(隧)道围 岩临空面发生劈裂破坏的损伤变量表达式和临空面内部发生剪切破坏的损伤变量表达式,分析了岩爆卸压孔解危效 应损伤演化。 结果表明,与未施工卸压孔相比,施工卸压孔后其承载能力明显下降,同时整体破坏时的应力降低率也 明显下降,同等情况下的变形也有所增加;直墙拱形巷(隧)道破裂演化均从卸压孔两侧开始,产生明显的翼裂纹并扩 展至边界,卸压孔由圆形变成椭圆形;施工卸压孔的巷(隧) 道两侧帮破坏不严重,破坏主要集中在卸压孔位置,巷 (隧)道围岩破坏范围大为缩小,破坏程度大为降低,卸压孔起到了明显的岩爆解危效果;卸压孔控制着整个直墙拱形 巷(隧)道围岩破裂演化的进程,对围岩破裂演化起到了关键性控制作用;含卸压孔的巷(隧)道围岩损伤演化与围岩 临空面发生劈裂破坏的损伤演化进程基本一致,未施工卸压孔的巷(隧)道损伤演化与临空面内部发生剪切破坏的损 伤演化进程基本一致,施加卸压孔使巷(隧)道围岩破裂演化向完全劈裂方向演化发展,可以通过劈裂和剪切损伤演 化进程来预测岩爆的发生。     

主应力方向变化对巷道围岩塑性区形态特征的影响

为了研究深部巷道围岩塑性区在不同方向垂直主应力作用下的扩展规律,结合江西曲江煤矿实际条件,采用现场调查、数值分析等方法,对不同方向主应力影响下深部巷道塑性区形成及扩展规律进行分析,研究结果表明:(1)垂直主应力方向的改变会影响巷道围岩蝶形塑性区蝶叶的扩展方向,蝶形塑性区总会朝向垂直主应力偏转方向转动相近的角度;(2)巷道围岩的变形量与巷道临空面纵向塑性区深度成正相关,巷道临空面塑性区深度越深,巷道断面向内部收缩越严重.     

基于主应力方向改变的深部沿空巷道非均匀大变形机理及稳定性控制

针对赵固二矿11030运输巷在掘进期间出现围岩非均匀大变形导致支护体支护失效的问题,采用理论分析、理论计算、数值模拟和现场试验等综合研究方法,研究了采空区侧方围岩主应力场方向的变化规律,及其对沿空巷道围岩塑性区分布形态的影响机制,揭示了深部沿空巷道非均匀大变形机理。研究结果表明:采空区侧向围岩应力场的主应力方向会发生显著变化,导致深部沿空巷道围岩形成非均匀塑性区,同时在主应力集中及支护体延伸性能弱等主要因素的共同影响下,深部沿空巷道出现非均匀大变形。在此基础之上,提出了以围岩塑性区形态为支护设计基础的、采用可接长锚杆代替普通锚索的深部沿空巷道冒顶控制技术;并在11030运输巷进行了现场试验,采用可接长锚杆支护后的顶板最大下沉量由927 mm降低为431 mm。     

初始应力对缝槽卸压效果影响的数值分析

通过分析钻孔周围应力集中产生的"瓶颈效应",指出高压射流水力割缝技术是煤层卸压的重要手段.通过数值模拟手段重点研究垂直于缝槽平面应力和最大主应力与缝槽夹角对卸压的影响.研究得出,垂直于缝槽平面的应力越大,卸压率也越大,反之越小.最大主应力和缝槽夹角对卸压效果也有显著影响,但是其卸压等值线的最小压力梯度主要沿最大主应力方向,当夹角为60°时卸压效果最差,夹角为0°时卸压效果最好.进一步研究0°夹角的卸压情况,得出卸压率越大则卸压区域越小,应力集中区域相对更小,相对卸压区域可以忽略.     

深部高应力巷道开挖方向对稳定性影响分析研究

在阿舍勒铜矿深部不同中段选取3个测试点,采用套孔应力解除法进行了现场地应力测试分析,准确确认深部岩体处于较高地应力状态。采用数值模拟计算方法,计算得出最大主应力与巷道轴线夹角分别为0°、30°、60°、90°时的巷道围岩位移场、应力场和塑性区云图,分析了深部高应力巷道开挖方向对其稳定性的影响,得出了高应力巷道开挖时,巷道布置方向与最大主应力方向夹角在30°以内时,高地应力对巷道稳定性影响较小的结论。     

水力割缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律

水力割缝技术是实现煤层卸压增透的有效手段,目前由水力割缝技术形成的致裂裂缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律尚不明确。本文采用颗粒流模拟方法(PFC2D)对内含不同角度单缝及不同空间排布方式多缝的煤体开展了单轴压缩数值模拟试验,针对水力割缝周围微裂缝大量发育与连通促使煤层卸压增透的物理机制,提出了评价煤层割缝卸压增透效果的2个指标:加载过程中微裂缝显著产生时的单轴应力门限(σγ)与多条割缝的连通性。其中,σγ越低、多条割缝的连通性越强,割缝间的微裂缝越容易在低应力条件下形成并相互连通,割缝的卸压增透效果越好。模拟结果表明,单条割缝与煤体边界最大主应力方向夹角(α)呈90°时γ最小(3.2MPa);2条割缝(α为90°)排布方向与煤体边界最大主应力方向(割缝排布角β)呈45°时,水力割缝间具有最高的连通性与较低的应力门限(σγ为2.4 MPa);3条割缝(α为90°且β为45°)呈折线型交错排布模式时,割缝间的连通程度最高,且σγ较双割缝进一步降低了16.7%。通过上述模拟结果,确定了有利于煤层卸压增透的割缝最优空间分布模式,即α为90°的多条割缝以45°的排布角(β)交错分布。     

深竖井围岩变形破坏规律及控制技术

随着浅部资源消耗殆尽,越来越多的矿山逐渐步入深采阶段,同时,深部围岩控制问题逐渐突显,亟需开展深井围岩控制技术研究,为深井开采地压控制提供理论和技术支撑。以某深竖井工程实际情况为 工程背景,运用FLAC3D数值分析软件,开展了不同地应力条件下竖井围岩变形破坏数值分析研究。在此基础上,通过高应力竖井围岩控制技术优选,开展了不同卸压孔布置条件下高应力围岩钻孔卸压技术研究,并进 行了现场试验。结果表明：随着原岩水平主应力差的增加,竖井围岩中塑性区范围逐渐扩大,首先向最小主应力方向发展,逐渐呈现为“X”形塑性区;在剪切塑性区范围外的最大水平主应力方向施工卸压钻孔,能将 围岩应力峰值向深部转移,降低井壁及围岩的收敛位移。通过工程应用,井壁位移总量小于2 mm,位移速率远小于预警阈值,井壁处于健康状态,并存有一定的安全余量。研究反映出,所采用的柔性初支+现浇混凝土 井壁支护配合钻孔卸压技术能有效保障高应力条件下井壁的安全性和稳定性,应用效果较好。     

深竖井围岩变形破坏规律及控制技术

随着浅部资源消耗殆尽，越来越多的矿山逐渐步入深采阶段，同时，深部围岩控制问题逐渐突显，亟需开展深井围岩控制技术研究，为深井开采地压控制提供理论和技术支撑。以某深竖井工程实际情况为 工程背景，运用FLAC3D数值分析软件，开展了不同地应力条件下竖井围岩变形破坏数值分析研究。在此基础上，通过高应力竖井围岩控制技术优选，开展了不同卸压孔布置条件下高应力围岩钻孔卸压技术研究，并进 行了现场试验。结果表明：随着原岩水平主应力差的增加，竖井围岩中塑性区范围逐渐扩大，首先向最小主应力方向发展，逐渐呈现为“X”形塑性区；在剪切塑性区范围外的最大水平主应力方向施工卸压钻孔，能将 围岩应力峰值向深部转移，降低井壁及围岩的收敛位移。通过工程应用，井壁位移总量小于2 mm，位移速率远小于预警阈值，井壁处于健康状态，并存有一定的安全余量。研究反映出，所采用的柔性初支+现浇混凝土 井壁支护配合钻孔卸压技术能有效保障高应力条件下井壁的安全性和稳定性，应用效果较好。     

王坡煤矿临空巷道支护技术优化研究

针对3209工作面回风巷沿空掘巷时两帮变形严重、大面积出现底鼓等问题,通过地质力学评估、数值模拟地应力与巷道布置相互作用关系,对临空巷道支护方案进行优化。研究表明,巷道轴线与最大水平主应力方向的夹角是影响巷道围岩应力分布、破坏范围及围岩变形的关键因素,特别是夹角在20°～70°之间影响明显。依据研究成果提出高压注浆配合强力锚索支护的综合加固优化方案,现场应用结果表明,两帮相对移近量最大值为54mm,最大离层量为19mm,与未注浆围岩变形相比大幅下降,有效控制了围岩变形。     

深部大断面巷硐围岩稳定性评价与布置方式研究

针对深部大断面巷硐围岩变形量大、支护困难等特点,采用FLAC3D数值计算方法,探讨围岩内最大主应力峰值区的时空演化规律,分析最大主应力峰值区对围岩变形破坏的控制作用,提出塑性区发育范围判定与围岩稳定性综合评价的方法。根据地应力场类型、侧压系数、巷硐轴向与最大水平主应力夹角的差异,共设计151种数值模拟方案,研究3类地应力场中构造应力对大断面巷硐围岩稳定性的影响。结果表明:围岩塑性区发育与最大主应力峰值区存在运移一致性,基于边界应力系数K可判定塑性区发育范围,并通过遍历数值计算确定K值为0.96;在σH型应力场中,当λH=λh时,巷硐最优布置角度为30°,当λH≠λh时,巷硐平行于最大水平主应力方向布置最有利于围岩稳定;在σHv型应力场中,巷硐最佳布置角度是与最大水平主应力成0°～15°夹角;在σv型应力场中,当λH=λh时,巷硐无最优布置角度,当λH≠λh时,巷硐布置应遵循最大水平应力理论。     

基于最大水平主应力设计锚杆支护方向

深部地下工程中最大水平主应力方向发生变化时,确定锚杆的最佳支护方向能够达到最好的围岩支护效果。应用FLAC3D数值分析方法,分析了山金白音呼布矿区最大主应力方向与巷道轴向52°相交的围岩应力、位移变化及塑性区分布特征。针对最大水平主应力方向提出3种巷道支护方案,研究最大主应力和锚杆支护方向对围岩稳定性的影响。结果表明,矿区巷道断面应力集中和塑性破坏区非对称分布,主要分布在最小主应力方向一侧的顶板和最大主应力方向一侧的边帮;在σHv型应力场中巷道支护方向与最大水平主应力方向一致更有利于围岩的稳定,最终考虑方案2为锚杆支护优化方案。     

曙光煤矿切顶卸压沿空留巷开采技术研究

为完善切顶卸压留巷理论技术体系,对切顶卸压沿空留巷机理进行分析,结合地质条件并运用理论公式设计了切缝参数,将切缝高度分为 A、B、C３个区,A 区与 C区切缝高度为１０m,B区切缝高度为１１ m,切缝角度取１５°,并利用FLAC３D数值模拟软件模拟分析了切缝效果,结果表明:切缝后巷道整体围岩应力环境优化,降低了围岩控制难度,减少了巷道变形量,巷道顶板表面临空侧位移量减小了４０cm,显著降低了留巷巷道架后临时支护的控制难度,有利于留巷巷道的成型.     

综放沿空巷道围岩卸压控制研究

采用计算机数值模拟计算及现场观测方法,结合松动爆破技术分析了本煤层布置卸压巷对综放沿空巷道围岩卸压的机理,沿空巷道卸压控制的实质是使围岩高应力区沿倾向向煤体深部转移,卸压巷位置及松动爆破强度是卸压技术的关键,现场应用实践表明,卸压控制是治理综放沿空巷道围岩强烈变形破坏的科学有效方法,并取得了显的技术经济效益。     

采场等效孔模型及主应力旋转规律

针对采场侧方巷道非对称破坏现象严重、巷道周边主应力旋转规律不明确的问题，基于主应力方向旋转下的非等压圆孔塑性区边界方程和蝶形破坏理论，阐述了巷道周围主应力旋转与巷道非对称破坏之间的联系。建立采场等效孔的理论模型，研究了不同初始侧压系数下采场侧方主应力方向旋转的演化规律，以神东布尔台矿22205工作面为工程背景，通过理论分析与数值模拟，沿推进方向对采场的不同位置进行等效孔拟合，验证了采场等效孔模型的可靠性，为采场侧方主应力旋转角度的确定提供了一种新思路。研究结果表明：(1)当巷道处于蝶形风险区时，其周围主应力方向的旋转会引起蝶形塑性区的旋转，对巷道稳定性造成影响。提供了采场等效孔的理论模型可用于计算采场侧方主应力的旋转角度，数值模拟结果与理论计算吻合度较高。(2)采场前后一定范围内的侧方煤体中主应力方向会发生旋转，主应力的旋转角度由采场未开挖时周围的初始地应力与采场等效孔半径决定。当初始侧压系数大于1时，最大主应力由垂直方向逐渐旋转为水平方向,可以用主应力旋转45°隐性方程对采场侧方旋转45°的位置进行判定；当初始侧压系数小于1时，最大主应力由垂直方向先向水平方向旋转一定角度，随后会回转...     

相邻空区影响下三软巷道变形破坏规律与煤柱留设宽度研究

为了探究相邻空区影响下三软煤层巷道掘进时不同煤柱宽度下巷道围岩变形破坏规律,采用理论计算、数值模拟、物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,分析存在临空区后不同区段煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏范围以及位移分布特征。结果表明：临空区是造成巷道掘进后非对称破坏的主要原因,使煤柱主应力方向与垂向夹角增大,巷道两帮应力呈煤柱侧大于实体煤侧的非对称分布特征;三软巷道破坏形式以剪切破坏为主,破坏主体为两帮,随着煤柱宽度增大,主应力方向与垂向夹角减小,巷道围岩破坏程度降低,临空区对巷道不同位置的影响程度不同,巷道中部围岩破坏程度大于端头处且煤柱侧破坏程度大于实体煤侧;煤柱宽度增大对巷道围岩应力以及煤柱破坏的改善程度有限,现场结果显示当煤柱宽度为20 m时巷道正常维护满足需求。     

最大主应力方向对围岩偏应力及变形影响研究

地应力是引起巷道变形破坏的主要因素之一,为了分析最大主应力方向对围岩稳定的影响,采用FLAC3D模拟了夹角α从0°～90°过程中围岩塑性区分布、偏应力及位移变化规律。研究结果认为：α越大,“围岩”塑性区范围越大,且有向顶、底板围岩深部发展的趋势|围岩偏应力呈“单峰”状,顶、底板围岩偏应力峰值随α增大而增大,而帮部偏应力峰值则减小|围岩位移变化呈类“线性”增长,围岩变形随α增大而增大,最大水平主应力方向对顶、底板围岩变形的影响大于帮部。通过现场观测,验证了分析结果的可靠性。     

冲击地压煤层巷帮卸压钻孔施工参数研究

结合巷道侧向支承压力的分布特点,理论分析煤层卸压钻孔的作用机制和塑性区发育特点,提出煤层卸压钻孔的"喇叭"状塑性区防冲机理并藉此确定了陕西某矿巷帮卸压钻孔的合理施工深度。基于莫尔强度理论,利用有限差分软件FLAC3D对比分析了具体地质条件下不同间距及不同布置方式的卸压钻孔对巷帮围岩冲击危险区域解危效果之间的差异,并通过现场试验论证了最优施工参数下的卸压钻孔对于防治冲击地压的效果。结果显示,按照研究结果确定的钻孔参数可使试验区域围岩的大能量震动事件大幅减少,大大降低试验区域的冲击危险性。     

空孔孔径对深部岩石爆破裂纹扩展影响规律的数值模拟研究

针对深部岩石炮孔与空孔间裂纹扩展方向性差的问题，以山西永宁煤矿10204切顶卸压沿空留巷为工程背景，运用LS-DYNA有限元动力模拟软件，研究空孔孔径对岩石应力分布、孔间爆生裂纹扩展及峰值有效应力的影响规律，并进行了现场验证。研究结果表明：随着空孔直径的增大，最大主应力值与范围增大，且最大主应力方向在整个炮孔连线方向不发生改变，使得孔间裂纹扩展更具有定向性；随着空孔孔径的增大，孔间裂纹扩展长度呈现出由快速增长趋于稳定的规律；侧压力系数小于1.0时，空孔直径的增大对孔间有效应力的影响较小；侧压力系数大于1.0时，空孔直径的增大可有效提高孔间峰值有效应力。     

诱导应力场对井下多孔压裂缝网形成的导控作用研究

既要避免出现压裂空白带又要防止局部应力过度集中是煤矿井下水力压裂的难点,需要控制裂缝的扩展方向和压裂能量大小。基于诱导应力导控机理,利用RFPA2D-Flow模拟,分析了多孔同步压裂条件下诱导应力场对煤层水力裂缝的导控作用规律,提出水射流扩孔卸压与多孔水力压裂导向的联合卸压增透煤层技术并现场应用。结果表明:同步压裂各钻孔的水压主裂缝在扩展与延伸过程中会相互影响,先期产生的水力裂缝所产生的诱导应力场对后压裂缝的扩展和延伸具有诱导作用,使其附近区域内的最小主应力方向发生47.5°的偏转,偏转后的最小主应力方向基本垂直于2个钻孔水压主裂缝偏转点的连线;水射流扩孔对其附近水力裂缝的扩展具有偏向射流钻孔的诱导作用;采用水射流扩孔卸压与多孔水力压裂导控能避免应力过度集中的同时在一定程度上消除压裂空白带,瓦斯抽采效率显著提高。     

大埋深高应力煤巷帮部递进式卸压技术及应用

针对唐口煤矿的多断层、高应力等冲击地压危险诱发因素,在常规煤体卸压技术基础上,提出了分段扩孔卸压技术、一孔多用卸压技术及沿空顺槽跨面超前预卸压技术,构建了适于高应力巷帮的递进式卸压解危技术体系。研究表明：分段扩孔卸压技术采用巷帮浅部小孔径-深部大孔径的钻孔方式,提高了巷帮深部高应力区卸压效果,施工效率提高至1.4倍;一孔多用卸压技术包括浅孔“钻+切”技术和深孔“钻+压+注”技术,每百米总钻进量为常规卸压技术的66%;沿空顺槽定向断顶-跨面预卸压技术有效减少了下一工作面顺槽的卸压孔数量,达到了临邻近两工作面顶板来压、下一工作面顺槽掘进支承压力一次性削弱的目的。