煤矿井下地质构造对地应力分布的影响

采用小孔径水压致裂地应力测量装置,在典型的急倾斜、特厚煤层矿区——甘肃华亭矿区的大型向斜构造附近进行14个测站地应力测量,以分析向斜构造不同部位的地应力变化。实测数据表明:华亭煤矿、砚北煤矿井下构造应力占绝对优势;在向斜翼部,水平应力较小;在向斜轴部,水平应力急剧增加,增加幅度远大于垂直应力;向斜构造对矿区地应力分布产生严重影响。基于山西晋城矿区的地应力实测数据,分析断层对地应力值与方向的影响。断层附近某些区域水平应力有所减小,大型断层会引起最大水平主应力方向的扭转。在实测数据基础上,采用FLAC3D数值计算软件,分析华亭矿区大型向斜构造周围地应力场分布,并与地应力实测数据进行对比。将地应力实测与数值模拟有机结合,是全面了解煤矿井下地应力场分布特征的有效途径。     

深部矿井地应力测量方法研究与应用

目前地应力测量方法有很多种,可分为力学法、地球物理法及地质构造信息法等。在分析各种测量方法特点的基础上,介绍适用于深部煤矿巷道的地应力快速测量方法——小孔径水压致裂地应力测量法,包括小孔径水压致裂地应力测量原理、测量装置的组成部分和技术特征。在我国煤矿典型的深部矿区——新汶矿区井下巷道中,完成9个测点的地应力测量。其中5个测点的埋深超过1000m,最深达1220m。测量结果表明,7个测点的最大水平主应力大于垂直主应力;最大水平主应力高达42.1 MPa;最大水平主应力与垂直主应力的比值为1.004～1.550;新汶矿区超过1 000 m深井地应力以水平应力为主,最大水平主应力方向主要集中在N3°E～N43.5°W。通过井下实测,确定出所测区域地应力状态及其分布规律。同时证明,小孔径水压致裂地应力测量法可为深部矿井提供有效、快速的地应力测量手段,为深部巷道布置和支护设计优化提供可靠的基础参数。     

千米深井地应力测量技术研究与分析

为查明朱集西煤矿矿区地应力分布特点,并对以后的支护设计提供有力的参数,采用空心包体法测量朱集西典型巷道。结果表明:经过试验测量可得在朱集西矿区近乎垂直方向分布着中间主应力,而在近水平方向分布的是最大和最小主应力;测量得到高应力区的最大水平应力和垂直应力比值是1.55;同时根据理论估算深约950 m的水平和垂直应力,通过比较发现理论数值小于现场实测数值,通过分析该处以水平构造力为主属于大地动力场一种。     

徐州矿区深部地应力测量及区域构造作用分析

为了指导徐州矿区深部巷道维护及开采安全,在5个埋深超过800 m的深井采用空心包体三维应力解除法进行了原岩地应力测量。实测数据表明：所有测点的最大水平主应力均略大于垂直主应力,方向呈NW-SE向, 近水平方向;由于受区域地质构造作用,地应力存在东西差异,西部和西北部矿井,近似呈静水压力型,东部矿井水平应力是垂向应力的1.19～1.23倍;分析了深井地应力量级、主应力与侧向系数随深度的分布规律;分析了区域郯—庐大断裂左旋平移的基础上形成的北东向徐—宿弧形推覆构造作用影响,确立了矿区实测地应力场与区域地质构造的一致性关系,为深部开采提供可靠的地应力基础数据。     

西石门铁矿地应力量测与应力场的反分析

本文通过西石门铁矿的地应力量测和应力场的反分析,对该矿区地应力场首次进行了系统的研究,提出了西石门铁矿的应力场是以水平应力为主的旋转压应力场,从南到北,其水平主应力方向为北东→北南→北西向;揭示了水平主应力随深度变化的规律以及平均水平主应力与垂直主应力之比“K”值随深度变化的规律;并从力学角度探讨了应力场与井下巷道稳定、采矿工程设计之间的关系,为地下采矿科学化提供了理论依据。     

煤矿深部岩体地应力特征及开挖扰动后围岩塑性区变化规律

 基于淮南5个煤矿区的水压致裂法地应力测量结果,揭示淮南煤矿区的地应力特征及其随岩性的变化规律,分析开挖后围岩应力特征及塑性区变化规律,初步得出如下结论：(1) 淮南5个煤矿区地应力以构造应力场为主,属高应力区;(2) 岩性对岩体地应力侧压系数影响大,砂岩区岩体地应力侧压系数为1.52～1.87,泥岩区岩体地应力侧压系数为1.08～1.18;(3) 岩性是影响围岩塑性区特征的重要因素。由于岩性的差异,最大主应力相近的潘一煤矿和顾桥煤矿南区围岩塑性区范围有较大差异。与此同时,刘庄煤矿实测部位最大水平主应力小于潘一煤矿,但由于矿区测试部位的岩性为灰泥岩,围岩塑性区范围明显大于岩性为石英砂岩的潘一煤矿。研究结果可为类似巷道围岩的变形破坏机制分析以及巷道加固支护提供参考。     

霍州矿区地应力分布规律实测研究

地应力是漫长地质时期形成的岩体内生应力,成因复杂、影响因素众多,是影响深井巷道围岩稳定性的重要因素之一.应用空心包体式三轴应变计,采用钻孔应力解除法系统地对霍州矿区现有主采煤层进行地应力现场实测,得到不同位置和埋深的实测地应力数据.通过对实测数据的系统分析,得出矿区范围内地应力场的分布规律,验证霍州矿区地壳浅部地应力场仍以水平应力为主.基于地应力实测数据和具体工程地质条件,采用FLAC3D对不同轴向煤矿巷道进行围岩稳定性数值分析.应用上述研究成果,对团柏矿八采区巷道顶板稳定性受最大水平地应力的影响程度进行分析.研究结果为霍州矿区采场合理布置及煤矿巷道支护设计强度提供计算参数,对于井巷布置和矿山安全高效生产具有重要指导意义.     

玲珑金矿深部地应力测量及矿区地应力场分布规律

 介绍玲珑金矿主矿区深部和浅部两期地应力测量的过程和结果。为提高测量结果的可靠性和准确性,采用完全温度补偿技术和实现完全温度补偿的空心包体应变计等一系列新的技术和方法,对传统的应力解除法进行重大改进。通过实测,获得矿区7个水平,18个测点的三维地应力大小和方向。根据实测结果,对玲珑金矿主矿区地应力场的分布规律进行定量的综合分析与研究。研究结果表明：(1) 玲珑金矿主矿区地应力场以水平构造应力为主导,最大水平主应力平均为自重应力的2.26倍;(2) 最大水平主应力的走向为NW向,基本与区域构造应力场最大主应力的方向相一致;(3) 垂直主应力值基本上等于或略大于自重应力值;(4) 深部与浅部相比,尽管岩性有较明显变化,但地应力场分布规律并没有显著改变;(5) 最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力值均随深度呈几乎线性增长关系。     

地应力对深部回采巷道布置方向的影响分析

为分析地应力对深部回采巷道布置方向的影响,在参考相关文献和实测淮南矿区7个深部矿井20组地应力的基础上,获得高水平构造应力赋存特征。针对某深部矿井首采面两回采巷道布置方位与最大水平应力一致时,断面收缩仍然严重,对比Tresca理论与Gale理论,确定前者更适合分析此类巷道变形破坏状态。按点的应力状态计算不同侧压下巷道最优布置方位与最大水平主应力夹角β,得到首采面两巷的β为45°。根据巷道帮、顶应力差值越大围岩稳定性越差,进一步探究了β从0°偏转为12°,其围岩变形的应力差影响程度降至91%。接替面工程实践表明:初期支护方案相同时巷道围岩变形略有改善,后期支护方案改为帮、顶角增加两根锚索外加信号柱及时补强后支护效果良好,研究结果为类似条件下巷道布置与围岩控制提供了一定参考。     

平顶山矿区地应力分布规律与空间区划研究

深埋地下工程往往面临着高地应力环境,在研究平顶山矿区区域地质构造演化规律的基础上,通过搜集平顶山矿区多组深部岩体地应力实测资料,得出矿区范围内地应力场的分布规律。按平顶山矿区地应力场类型和分布特点对其进行空间区划,将整个矿区划分为三部分,分别为西南部I区(自重应力场为主)、中部II区(构造应力场为主,水平构造应力影响微弱)和东部III区(构造应力场为主,且水平构造应力影响显著),并对每个分区的地应力分布特征及与地质构造的关系进行深入研究。为验证空间区划结果的科学性和合理性,采用空心包体应力解除法对9个测点进行现场地应力测试,结果表明:现场实测结果与空间区划结果具有较好的一致性。研究结果可为平顶山矿区井田开拓、巷道布置与支护设计等工程实践提供可靠的基础参数,提高工程设计的科学性、合理性与可靠性。     

开滦矿区深部开采中巷道围岩稳定性研究

在对开滦矿区赵各庄矿、唐山矿深部开采过程中巷道围岩变形、破坏特征和矿井动力显现观测的基础上,结合数值模拟研究发现:(1)开滦矿区在千米深开采时水平构造应力远大于自重应力,原岩应力值远大于巷道围岩强度值,巷道将不可避免地要遭受破坏并表现为大变形强流变和严重底鼓;(2)随着开采深度增大,软弱煤岩层发生冲击地压的危险性随之增大,通常以煤层的整体突出为特征,其发生机理和高应力状态下硬岩(煤)中的岩爆有区别;(3)原岩应力状态对巷道围岩的变形破坏有着重要影响,而巷道形状对巷道围岩的破坏形式影响不大。     

赵楼煤矿1 000 m深孔水压致裂地应力测量及其应力场研究

 赵楼煤矿是目前国内开采最深的非金属矿山之一,处于曹县-郓城活动断裂带上,区内地质构造较为复杂。为了掌握矿区原岩应力场分布规律,应用深孔水压致裂地应力测量技术开展地应力测量工作,获得该矿区2个钻孔中16个测段的应力状态。测量结果表明：矿区最大主应力随深度增加基本呈线性增大,且在800 m深度处应力值有所变化,最大水平主应力为28.45～45.75 MPa,方向NEE,反映出矿区地应力场以水平应力为主导的特点,测量结果可为矿山建设和开采设计提供科学依据。     

大型金属矿体开采地应力场变化及其对采区岩体移动范围的影响分析

根据金属矿地下开采引起的地应力场变化对岩体移动变形范围影响的工程实际，采用现场实测和数值分析方法，对深埋破碎金属矿体开采引起的地应力场变化及其对地质环境影响并导致岩体移动变形范围不断扩大这一客观现象进行了具体计算分析。结果表明，矿体开采后，随着采深的增加地应力明显增大，岩体移动变形的影响范围也随之而增大。另一方面，地应力场变化，尤其是水平方向的构造应力场变化和影响是不可忽视的。     

超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术

为解决超千米深井巷道支护难题,以新汶矿区深井巷道为工程背景,分析深部矿井地应力、围岩强度与结构等地质力学参数分布特征,超千米深井巷道围岩、支护体变形及破坏状况。采用UDEC数值模拟软件,研究不同支护方式与参数下超千米深井岩巷围岩变形、破坏特征与支护作用。基于实测与数值模拟研究结果,确定新汶华丰矿-1180回风大巷采用全断面高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合支护加固方式。详细介绍-1180回风大巷支护井下试验,包括支护参数设计、支护材料、底板注浆锚索施工工艺及矿压监测结果。通过分析围岩位移、顶板离层及锚杆、锚索受力监测数据,评价回风大巷支护效果。井下试验表明:高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合加固技术,能够有效控制超千米深井岩巷大变形,保持围岩长期稳定。最后,针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。     

我国煤矿巷道围岩控制技术发展70年及展望

总结新中国成立70年来,我国煤矿巷道围岩控制领域取得的主要研究成果,涉及巷道围岩地质力学特性,围岩变形、破坏特征与机制,围岩控制理论及技术。介绍煤系沉积岩地层强度、煤岩体结构特征及煤矿井下地应力分布规律,采煤引起的采动应力场分布特征及对采动巷道围岩稳定性的影响。指出煤矿巷道围岩变形具有分阶段性、流变性和冲击性,巷道围岩破坏有煤岩破坏、结构面破坏及围岩结构失稳破坏3种模式,软岩、强采动、大变形是我国煤矿巷道围岩控制的主要特点。论述5类巷道围岩控制方法与原理:控制围岩松动载荷、控制围岩变形、在围岩中形成承载结构、围岩改性及围岩卸压。阐述巷道围岩在掘进全过程的控制原理,重点介绍预应力锚杆支护理论及支护应力场的概念。将巷道围岩控制技术分为5类:表面支护、锚固、改性、卸压及联合控制技术,介绍金属支架、锚杆与锚索、注浆加固、水力压裂卸压及联合控制技术的发展历程和应用情况。最后,分析煤矿巷道围岩控制中存在的问题,并展望未来技术发展趋势。     

深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析

 万福煤矿是一座拟建特大型矿井,上覆冲积层厚度高达700 m,主煤层平均埋深达1 004.12 m。选择7个勘探钻孔、37个试验段进行深孔水压致裂地应力测量。为保证超千米深孔地应力测量的成功,对传统水压致裂法的测试技术和设备进行改进,提高系统的耐压能力和测试精度。测孔最大水平主应力与垂直主应力的比值较大,平均为1.97,说明勘探区现今应力场以水平应力为主导。测得的21个印模中有18个点位于NEE-SWW向,3个点位于NW-SE向,符合本区震源机制解得出的挤压应力场方向,且与新构造活动所反映的区域构造应力场方向一致。结合实际的地质条件和地层参数,在实测地应力结果的基础上,提出基于有限元三维地应力拟合分析法反演勘探区现今地应力场,给出煤层顶板主应力分布曲线并分析井下可能出现的各类不良地质现象。     

Assessment of roof stability in a room and pillar coal mine in the U.S. using three-dimensional distinct element method

This paper examines the effect of different geological and mining factors on roof stability in underground coal mines by combining field observations, laboratory testing, and numerical modeling. An underground coal mine in western Pennsylvania is selected as a case study mine to investigate the underlying causes of roof falls in this mine. Three-dimensional distinct element analyses were performed to evaluate the effect of different parameters, such as the variation of immediate roof rock mass strength properties, variation of discontinuity mechanical properties, orientations and magnitudes of the horizontal in-situ stresses, and the size of pillars and excavations on stability of the immediate roof. The research conducted in this paper showed that the bedding planes play an important role on the geo-mechanical behavior of roofs in underground excavations. Therefore, an appropriate numerical modeling technique which incorporates the effect of discontinuities should be employed to simulate the realistic behavior of the discontinuous rock masses such as the layered materials in roof strata of the underground coal mines. The three-dimensional distinct element method used in this research showed the capability of this technique in capturing the important geo-mechanical behavior around underground excavations.     

深部开采水平应力场与地表远区移动分析

 官庄铁矿是我国东部地下矿之一,埋深500～1 000 m,采用无底柱分段崩落法回采。通过应力测量得知,矿区最大水平应力为垂直应力的1.14倍。针对北采区510～550 m水平开采引起的远区水平移动问题,在大量实测资料分析基础上,采用数值方法和随机介质理论对水平移动进行预测,同时对实测水平移动进行分析。通过分析发现,距当前采区边界500 m处的水平移动达到50 mm,而此处并未观测到垂直移动。分析结果表明,由于存在较高的水平应力,导致水平移动较大,而这种现象就是由于官庄铁矿区砂岩和泥岩地层中所存在的高水平应力场引起的。