采动条件下的金属矿山上覆岩体破坏区域及应力行为研究

确定采动条件下金属矿山上覆岩体破坏区域与应力行为,以某金属矿为背景,采用RFPA计算程序对该矿山在开采过程中上覆岩体破坏特征及力学行为进行研究,同时结合声发射技术对采动条件下覆岩的破坏区域及应力分布范围进行深入分析,提出采动条件下的金属矿山覆岩破坏的“三区”概念及应力分布划分原则。研究表明：金属矿上覆岩随着采动影响可以划分为垮落区、塑性区、弹性区三个区域;并对各区域的应力行为特征进行分析归纳,上覆岩体应力分布分别呈现拉应力-拉应力区、拉应力-压应力区、压应力-压应力区、剪应力-压应力四个区域;其中拉应力-拉应力区和拉-压力区主要分布在采空区靠近悬空面上方和下方区域,压应力-压应力区主要分布于开采工作面正上方,剪应力-压应力主要分布于采空区周边围岩。该研究结果可为金属矿山三带的圈定和采取有效支护措施控制采空区围岩稳定提供理论依据。     

金属矿山开采过程上覆岩层应力与变形特征

采用数值分析方法, 研究了动态开采过程中金属矿山采空区覆岩在拉应力、垂直应力作用下的位移及变形破坏特征。研究发现拉应力对覆岩造成的破坏较其它应力显著, 是覆岩垮落的主导因素。分析覆岩内部垂直应力发现: 开采初期覆岩内部压应力显著, 随着开采进行, 在采空区的正上方, 压应力逐渐向拉应力过渡; 垂直应力呈“凹”形分布在采空区两端部, 其形状和应力值随采空区的增大而增大。随着工作面的推进, 覆岩下沉范围和下沉量均逐渐增大; 下沉曲线的最大下沉点, 向工作面推进方向逐渐移动; 下沉曲线的光滑程度体现了监测点在覆岩所属区域是弹性区、塑性区还是垮落区。研究结果可为矿山围岩支护提供一定参考依据。     

基于BOTDA技术的深部开采岩层内部应力演化规律研究

为充分掌握采气井、抗滑桩等埋地构筑物受采动损害程度,文中以东胜煤田深部矿区某煤矿为例铺设相似材料模型,采用BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)技术监测得到极不充分采动到充分采动过程中距离采空区不同位置处的覆岩竖向应力表征值,并分析其规律,研究结果表明:(1)横向光纤监测结果拉应变最大值发生在岩体最大弯曲处或者砌体岩梁破裂处,这一现象与力学分析结果吻合,在一定程度上佐证了实验结果的可靠性.(2)采空区两侧覆岩竖向应力演化规律:随着采动范围的扩大,在首采面一侧,覆岩上部拉应力小于下部覆岩拉应力,在终采面一侧,覆岩上部拉应力与下部覆岩拉应力的大小交替变化.(3)采空区上方覆岩不同位置处竖向应力演化规律基本一致,呈现出随着采动范围的扩大,覆岩应力由压应力先转化为拉应力,进而一直保持拉应力形态或者再变为压应力.(4)采动影响边界覆岩竖向应力演化规律:随着采动范围的扩大,在首采面一侧,覆岩上部压应力数值呈现先减小后增大的演化规律,下部拉应力数值呈现先减小后增大再减小的演化规律,在终采面一侧,覆岩上部拉应力数值演化规律与首采面一侧基本相反,下部拉应力数值演化规律与首采面一侧基本一致.     

采动条件下的金属矿山上覆岩体破坏区域及其特征研究

确定采动条件下金属矿山上覆岩体破坏区域与应力行为,以某金属矿为背景,采用RFPA计算程序对该矿山在开采过程中上覆岩体破坏特征及力学行为进行研究,同时结合声发射技术对采动条件下覆岩的破坏区域及应力分布范围进行深入分析,提出采动条件下的金属矿山覆岩破坏的"三区"概念及应力分布划分原则。研究表明:金属矿上覆岩体随着采动影响可以划分为垮落区、塑性区、弹性区三个区域;并对各区域的成因及划分依据进行详细分析;为了进一步研究上覆岩体变形破坏区域和破坏形状特征,在采动条件下从采空区上覆岩体的位移矢量变化角度进行分析,得出随着开采的进行,上覆岩体破坏形状经历了水母状、圆拱形、桶状的大致破坏形态过程,这种形态与金属矿山地表塌陷现场较吻合。研究结果可为金属矿山三带的圈定和采取有效支护措施控制采空区围岩稳定提供理论依据。     

块系覆岩中摆型波传播对巷道支护动力响应影响

为研究支护体自身的动力响应规律,通过理论和计算分析岩体中的非线性摆型波传播对巷道支护动力响应的影响,根据摆型波在非连续自应力块系上覆岩体中传播时的支护动力响应模型,研究上覆岩块间的黏弹性性质及岩块破坏对支护动力响应的影响。通过计算分析得出,上覆岩块间弹性下降时,支护的动态受拉和受压幅值随之下降且周期变大;上覆岩块间阻尼增大时,支护的受拉和受压周期不变,但周期内的微扰动逐渐消失且幅值略有下降;上覆岩块沿垂直冲击方向破裂成两个子块时,支护的受拉和受压次数增加。     

基于应力波理论的断层对覆岩移动变形和应力传递阻隔效应研究

为了研究断层对开采沉陷影响机制，将工作面开采对覆岩的扰动视为应力波在岩层介质中的传递，建立了应力波在软弱岩层和坚硬岩层间双向传递的应力表达式。采用理论和数值计算分析了软弱岩层介质对应力波传递的影响，揭示了断层对覆岩移动变形和应力传递阻隔机制并通过相似模拟进行验证，最后利用数值计算分析了不同断层特征参数对覆岩移动变形阻隔作用的影响程度。结果表明：工作面开采产生的应力波波速越大，采动对覆岩的扰动越大|断层带岩体作为破碎带存在，应力波在断层带岩体多重反射作用下穿过断层带后波速下降明显，开采盘与非开采盘应力波最大波速之比为4.68～35.61，断层对采动应力传递具有阻隔效应，覆岩移动变形主要发生在开采盘|由于应力波穿越断层后在浅部波速衰减小于深部，浅部断层带岩体先于深部断层带岩体发生非连续变形|断层特征参数对覆岩移动变形传递阻隔作用排序为断层带宽度＞断层落差＞断层倾角＞断层带岩体内摩擦角＞断层带岩体黏聚力。     

采动覆岩变形BOTDA分布式测量及离层分析

根据杨柳矿地下煤层开采和岩层特征,采用BOTDA光纤传感技术:研究了覆岩变形分布式监测方法,分析了采动引起的覆岩变形特征,探讨了离层变化机理。研究结果表明,回采工作面在通过监测孔垂向线过程中,在经过监测孔之前,随着工作面与监测孔距离的减小,采动覆岩的应力越明显且压应力变化值越大,其应力变化范围为覆岩中变形位移顶部到其上稳定硬岩之间;回采工作面经过监测孔之后,随着工作面的推进,覆岩中逐渐产生离层,并在离层位置拉应力值逐渐增大,其拉应力值大小与稳定硬岩厚度及力学性质、开采范围和距煤层顶板的距离有关。离层分布式监测结果与理论计算结果基本吻合。     

软岩近距离煤层采动覆岩破坏特征模拟研究

为了研究软岩煤层组开采过程中围岩及地表的破坏移动规律,基于采动覆岩移动、裂隙分布规律及破坏机理,采用相似模拟研究方法,以依兰煤矿首采区工作面为工程原型,建立了地质力学模拟模型,分析研究了软岩煤层组的采动力学演化特性、顶板裂隙破断发展轨迹、地表移动变形规律和围岩塑性区分布范围.研究得出:依兰煤矿首采区上煤层采后覆岩破坏最大裂采比为7.5,多煤层覆岩综合裂采比为9.3,地表下沉系数为0.76,地表移动变形值达到Ⅳ级变形;揭示了覆岩纵向裂隙呈梯形分布于采空区两端,横向裂隙分布于顶板应力卸压区的特征;指出采空区围岩应力与空间位置有关,顶板应力变化幅度大于煤柱应力变化;分析得到"三软"覆岩移动变形速度较大,同时软岩煤岩层对采动围岩变形起到了缓冲作用,覆岩裂隙破坏范围在围岩中受到限制.     

浅埋薄基岩煤层覆岩应力效应及变形破坏分析

研究浅埋薄基岩煤层开采后在采空区上方形成的导水裂隙带范围对保水开采具有重要意义。基于煤层开采后地表移动和岩体内部移动的内在联系,采用随机介质方法,将地表移动的基本参数应用于岩体内部移动规律的研究中,建立了上覆岩层移动变形力学模型,推导了煤层开采后采空区上方岩层内的位移、应变和应力的数学表达式,分析了上覆岩层变形破坏的影响因素和破坏力学机理。在此基础上,给出了浅埋薄基岩煤层开采覆岩隔水层的破坏判据,为浅埋薄基岩煤层保水开采提供理论依据。     

构造应力型矿山顶板覆岩移动冒落响应特征研究

为了分析自然崩落法在覆岩整体性较好的构造应力型矿山应用的可行性,以龙桥铁矿为工程背景,借助数值计算、现场监测手段,重点对顶板岩层移动冒落力学响应机理进行研究。结果表明:构造应力促使离空区一定距离的顶板覆岩形成明显的应力集中区,并随空区跨度增大沿顶板覆岩向地表方位移动,同时伴有应力集中和应力释放的现象,构造应力成为破坏顶板覆岩完整性的动力源,增加顶板覆岩自然冒落的机率;空区的形成,使得空区相邻顶板覆岩为拉应力区,且随空区跨度增大沿倾向和纵向方位扩展,拉应力值呈平稳增加趋势,当跨度趋近临界跨度时,顶板覆岩拉应力值增大明显,预示着空区顶板呈现移动冒落现象;空区跨度继续增大时,覆岩拉应力值在保持平稳波动外,顶板覆岩遭受拉伸剪切破坏的范围在扩大,顶板岩层也在持续冒落。     

矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用

论述了矿山岩体采动影响与控制学的内容、特点、最新进展及其在煤炭工业与国民经济建设中的重要作用。矿山岩体采动影响与控制工程学的主要内容与特点是：研究对象所涉及的范围是从采场直至地表的整个采动岩体；不仅研究受采动岩体的应力、应变及其与原始状态的变化差异，而且研究采动岩体屈服后的大面积的大变形、大位移和大破坏；采动损害既具有不可逆性，又具有可逆性；采动岩体是可复用材料；采动影响的控制，不仅着眼于控制岩体的变形，而且着眼于控制受保护对象的变形．矿山岩体采动影响与控制工程学研究的新进展是：提出了岩体变形的空间分带论、地表变形的空间形态论、岩体和地表变形的地层结构论、岩体和地表变形的地层质量评价论。作者还提出了控制岩体采动影响的７种控制类型，即下沉、变形、水平移动、垂直变形、顶板破坏高度、底板破坏深度及集中应力强度。研究岩体采动影响与控制的意义在于：矿产资源开发及其充分利用；矿区地下和地面的环境保护；矿区水资源保护；矿区山体稳定与安全；矿区采动沉陷地的利用；矿区采掘安全与煤（矿）柱设计；矿山开采损害预测与治理规划。     

深部平行巷道在构造应力场中的稳定性分析

选用 2D—σ有限元计算软件 ,对深部平行巷道在构造应力场中的稳定性进行了数值分析 ,着重讨论了深部平行巷道围岩的变形特征、塑性区发育特征、围岩应力分布特征和动态演化过程 ,探明了构造应力作用与深部平行巷道围岩变形破坏的动态关系及围岩破坏机理 ,给出了合理的岩柱间距。     

深部破裂岩体锚注加固结构承载机理分析

针对深部巷道围岩变形失稳特点，在分析锚注加固结构承载机理的基础上，提出锚注加固形成的多重组合拱结构是控制深部破裂岩体变形、发挥应力强化特性的关键层，并运用弹塑性理论给出了锚注加固结构极限承载能力的确定方法．     

水厂铁矿边坡开挖FLAC3D数值模拟与分析

本文在地质环境资料调研、岩石力学试验和地应力测量等工作的基础上,以Mohr-Coulomb屈服准则为力学模型,采用FLAC3D三维有限差分方法,对首钢水厂铁矿Ⅳ工程地质区开挖过程中边坡岩体应力场、位移场、破坏场进行了数值模拟计算,并对模拟结果进行了系统分析,以指导矿山安全开采。     

岩体软弱夹层的渗透性对水压力响应的研究

由于软弱带岩体的工程特性很差，且又处于应力场和渗流场中，在外荷载的作用下，岩体的结构将发生变化，进而引起岩体的渗透性发生变化，从而改造岩体的应力场。以某水电站工程坝址区软弱带岩体所作的渗透变形试验资料为基础，分析岩体所受应力、岩体结构及岩体的渗透性之间的关系。给出了反应软弱带岩体的渗透性与孔隙度之间关系的表达式。     

基于应变耦合渗流模型的裂隙岩体弹性模量研究

原地直接测定裂隙岩体的弹性模量E_m,由于各种原因,在工程实践中往往有一定的困难。作为一种替代方法,通常人们利用实验室测得的岩石弹性模量E来确定裂隙岩体弹性模量E_m。提出的耦合应变渗流模型,建立了裂隙岩体中裂隙与岩块在应力作用下的变形协调和应力平衡关系,通过考虑裂隙岩体中地下开挖体涌水量大小可直接反映裂隙的贯通情况和密度大小这一事实,用地下开挖体涌水量大小和岩体弹性模量折减系数E_m来计算岩体弹性模量。为计算岩体弹性模量提出了一个可能的新途经。 该模型的结果与实际数据吻合良好。     

开挖引起断层活化对井巷围岩的变形破坏

断层作为岩体内的低强度带,受开挖影响常常产生活化现象。经验表明,断层活化会对井巷围岩产生较为强烈的变形和破坏作用。通过对受断层影响的竖井和巷道变形、破坏的理论和数值分析,结果表明：断层的活化会引起断层处井壁的水平应力和剪应力增大,严重时会造成竖井破坏,这不同于无断层时岩移造成的竖井破坏;断层附近开挖时,断层的活化,易造成或加重巷道偏压灾害;此外,巷道轴线与断层走向一致并且地应力以铅直应力为最大主应力时,最容易引起断层滑移活化导致巷道围岩产生开裂、塌方等破坏。因此,对断层活化灾害的研究可为合理的工程设计与施工以及工程设施安全性的预测预报提供依据。     

岩石受载破坏前兆特征——声发射平静研究

通过岩石加载室内试验方法,测试了不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到了岩石破坏全过程力学特性--岩石的全应力应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,研究了声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。研究着重讨论了一次性加载过程中非脆性破坏的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的耗时现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段。而对于脆性破坏岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测也没有声发射相对平静期现象。结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些问题进行了总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供了理论依据、方法和手段。     

低地应力区地下洞室初始和二次应力离散元模拟

采用了二维离散元法，以西北某市水利地下洞室工程为例，对低地应力状态下洞室开挖前后，初始应力和围岩二次应力及其相应特征，进行了二维离散元数值模拟研究。该项研究工作，将有助于进一步研究低地应力条件下洞室围岩稳定性和围岩变形破坏机理，因此它具有重要的理论价值和实际意义。     

脆性围岩中锚杆的应力分布及岩石剪涨角的影响

根据微段锚杆的受力平衡以及载荷传递机理建立了锚杆的载荷传递微分方程，同时根据隧道围岩安装锚杆前后的应变变形建立了锚杆的轴向载荷的传递方程，结合圆形隧洞脆性围岩的径向变形方程，推导了理想弹脆性围岩中注浆岩石锚杆的轴向应力的计算模型，以及锚固段与围岩体界面之间的摩阻力的计算模型。分析了锚杆应力的分布特征以及影响其应力分布趋势和大小的因素，其中重点对围岩体的剪涨角进行了分析。