矿山岩土体导电特性及工程应用研究

硐室围岩的稳定性和冻结法凿井穿越巨厚冲积层时冻结壁温度场的分析这两大问题是当前深部开采井巷工程面临的主要问题.通过对两淮煤田冲积层常见土层和煤系地层常见岩层进行取样,采用试验方法研究两淮煤田主要岩土体的电阻率特性,并结合冻结法凿井、矿井巷道施工的工艺特点,提出电阻率法检测冻结壁温度场的数据采集、数据处理和基于电阻率法的围岩松动圈检测技术.并将研究成果运用到矿井冻结壁温度场和围岩松动圈检测的工程实践,取得了良好的效果.主要研究工作及成果如下:博士学位论文(1) 在高密度电阻率法拟断面的记录点对应深度方面存在着经验性,使其在工程应用方面存在局限性.根据点电场的基本理论,并结合最新的电阻率勘探数据采集技术--并行电法勘探和跨孔地震勘探的特点,提出拟地震式单极--单极跨孔直流电阻率CT技术的数据采集方式,并编制数据处理软件,为电阻率法检测冻结壁提供数据采集与处理方法.(2) 通过对淮南煤田朱集煤矿冲积层主要土层进行取样,首先,将目前土体导电性测试常用装置和高密度电阻率法勘探技术相结合,研究常温下土体电阻率与土性(颗粒级配)、含水量和密度(或密实度)之间的关系,并拟合出不同土体的电阻率与含水量、密度的回归方程;其次,研究冻土电阻率的测试方法,并结合两淮地区的冲积层土层含水量与密度、地温特点和冻结法凿井的冻结盐水温度与冻结壁平均温度设计,研究土体在一定含水量、密度条件下,电阻率与温度的关系.并拟合出相关度较高的不同土体的温度–电阻率(t-ρ)回归方程,这些方程是电阻率法检测冻结壁温度场的基础.(3) 通过对两淮煤田煤系地层主要岩层进行取样,研究岩体的电阻率与应力(或应变)的关系.通过试验发现了取材方便、性能良好的电极与岩石耦合材料--过饱和黏土,拟合出相关度较高的不同岩体的应力–电阻率(σ - ρ)回归方程,这些方程是电阻率法检测硐室围岩稳定状态的基础.(4) 在单极--单极跨孔直流电阻率CT勘探技术研究成果的基础上,提出了电阻率检测冻结法凿井冻结壁温度场的施工工艺、数据采集与数据处理方法,并结合土体导电性试验获得的温度与电阻率的回归方程,分析冻结壁的发展状况.该技术已成功应用于两淮煤田冻结法凿井冻结壁温度场分析的工程实践.(5) 地下峒室的稳定性是矿井安全、高效生产的重要因素,为了确保地下峒室的稳定性,必须采用经济、合理的支护方式.基于围岩松动圈范围的大小及其空间分布规律对选择峒室支护方式的重要性,利用高密度电阻率法勘探的原理并结合地下峒室开挖与支护的施工特点,提出利用锚杆钻机钻孔、锚固剂封闭孔口、简易压力容器注浆封孔、高密度电阻率法采集数据的松动圈测试技术,结合岩石导电性试验获得的应力与电阻率的回归方程,研究硐室开挖与支护后其围岩的变形程度与导电性的关系,分析围岩松动圈的发展状况.该技术已成功应用于两淮矿井巷道围岩松动圈测试的工程实践.     

岩性弱结构巷道围岩的塑性区与松动圈形态

根据煤系地层赋存的不均一性和巷道围岩变形破坏的不均衡性，提出了巷道围岩弱结构与弱结构体的概念：在数值模拟及现场实测的基础上，分析了不同类型、断面形状及围岩应力状态下的岩性弱结构巷道塑性区的分布特征，以及岩性弱结构巷道围岩松动圈的发育特征。研究结果为岩性弱结构巷道的非均称控制提供了依据。     

松动圈测试技术在巷道支护设计中的应用

巷道开挖后,破坏了原岩的应力平衡状态,产生一定的松动破坏范围,即围岩松动圈.围岩松动圈是巷道支护选型的重要参数,文章在综合分析区域地质(震)特征、开采技术条件的基础上,进行了现场工程地质动力失稳调查,并利用松动圈测试技术进行了围岩损伤与变形的监测,监测结果表明,巷道支护结构是合理的,对同类型巷道的锚杆支护选型具有一定的借鉴意义.     

循环加载对沉积岩岩石Kaiser效应影响的试验研究

为获取不同沉积岩岩石更加合理的Kaiser效应点对应的应力值Kσ,采用声发射技术进行单轴循环加载试验,探讨加载循环峰值应力pσ、加载速率和含水率对Kaiser效应的影响,提出合理的多循环加载模式。试验结果表明:(1)随着加载速率或含水率的增加,细砂岩振铃计数和能量降低,Felicity比(FR)变化不明显;(2) pσ对砂岩Kaiser效应的影响显著于加载速率、含水率,当pσ较大于先前最大应力hmaxσ时,会使岩石损伤记忆进一步劣化,导致FR变化显著于当pσ小于或稍大于hmaxσ时;(3)采用循环加载KE试验时,粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砂质泥岩、泥岩、石灰岩等合理的首循环pσ分别小于岩石单轴抗压强度cσ的25.65%,21.66%,12.31%,11.31%,23.40%,3.61%,4.32%,之后循环pσ不超过cσ的59.39%～75.72%;(4)通过对K cσ/σ逐步回归分析发现,弹性模量、埋深、cσ能进入其回归方程,拟合度为0.556,随着埋深的增加,Kσ呈线性增加,相关系数R2为0.592。研究结果为Kaiser效应测试地应力提供理论依据和借鉴。     

基于FLAC 3D数值模拟下软弱煤岩松动圈厚度分析

为分析各种因素对深部软弱煤岩松动圈厚度的影响程度,选用原岩应力、巷道断面尺寸两个因素进行数值模拟,分析不同条件下煤岩松动圈厚度变化范围。在理论上定性分析深部开采煤岩松动破碎变形影响因素基础上,以数值模拟为主,定性分析松动圈破碎范围。根据理论分析矩形巷道基本变形规律,确定巷道围岩破坏规律,对深部开采煤岩松动破碎变形理论定性分析。确定影响煤岩松动破碎变形的主要因素,选择合适数值计算模型。根据数值模拟结果,分析每个方向的粘结力变化的临界点,然后确定其点的坐标值以绘制每个正交实验的松动圈,找出巷道围岩断面最易发生变形失稳的关键部位,分析规律性的结论。确定了不同截面情况下松动圈随巷道埋深及断面尺寸的变化趋势和变化速率,分析得出规律性的结论。     

深埋炭质千枚岩巷道松动圈测试及主被动联合支护研究

某铅锌矿550中段南部炭质千枚岩巷道围岩应力高,变形大,开挖后易塌方,极难支护,严重影响着矿山的安全生产和开采进度.室内试验结果表明,550中段炭质千枚岩属于中膨胀性软岩,具有较强的吸水性、易软化和崩解破坏.在现场巷道典型断面开展了松动圈声波测试,结果表明,巷道松动圈范围为2.0 m,属于大松动圈Ⅳ-Ⅴ类软岩.根据大松...     

深井巷道围岩主应力差演化规律物理模拟研究

以山东郓城煤矿深井破坏巷道为工程背景,在大尺度(1.0 m×1.0 m×1.0 m)真三轴模拟试验系统上再现其开挖卸荷效应的全过程,通过模型内部切片法获得深井巷道围岩无支护条件下的破坏模式和范围;借助自主研发的三维应力测试元件揭示深井巷道不同深度处围岩真实的加卸载应力路径与开挖前后应力状态,重点分析松动圈内外围岩主应力差的演化规律,并结合围岩破坏范围及模式对其机制进行探讨。     

深部高应力动压巷道支护方法研究

深部高应力巷道的支护方法是目前的工程难点问题。中平能化集团十二矿31010己15煤层皮带巷和回风巷埋深超过1 000m,同时将承受上部保护层开采的动压作用,巷道稳定性不易控制。首先通过地应力测试和围岩松动圈测试,得知巷道为高地应力环境下大松动圈巷道;之后通过三维数值计算分析,获得了上部保护层开采过程中下部巷道的矿压显现规律,得知巷道将受到高应力动压作用。针对此巷道高应力动压特点采用卸压让压以及高强锚索的联合支护方法,即在围岩卸压让压的基础上采用高强锚索进行加强支护,同时采用单体柱进行局部临时加强支护。现场工业试验结果说明卸压让压以及高强锚索组成的联合支护系统可用于深部高应力动压巷道的稳定性控制。     

某高应力“三软”煤层回采巷道围岩的支护

针对船景煤矿7号"三软"不稳定煤层,通过室内试验结合现场监控监测得出该煤层1173综采面巷道围岩为典型的高应力"三软"煤层回采巷道。由于高应力条件下软弱围岩松动破坏范围扩展迅速,且流变作用使巷道围岩破碎且变形量持续增大,致使锚网索联合支护结构失效,进而导致围岩-支护承载结构丧失承载力的支护失效,鉴于此,提出新型全长黏结锚固、全封闭护面、顶板多拱有序承载和围岩协同加固技术的支护优化方案。现场实测表明支护效果得到了有效改善。     

煤矿高地应力软岩巷道支护技术现场试验研究

根据高地应力软岩巷道顶底板情况,通过对该软岩巷道围岩松动圈进行现场实测,给出了该巷道的支护设计方案,并利用多点位移计对支护效果进行现场变形监测。检测结果表明,采用＂耦合支护＂和＂关键部位＂加强支护等技术和措施,实现了对高地应力软岩巷道大变形的有效控制。     

电阻率法在深部巷道分区破裂探测中的应用

 淮南丁集煤矿西部采区南运输大巷埋深达955 m,已显现出深部开挖的特征。为研究深部巷道围岩破裂情况,在该巷道选取2个监测断面(宽5.0 m,高3.8 m),每个断面布置5个钻孔,测量围岩电阻率沿钻孔深度的变化。电阻率是岩石的重要电性参数,岩体的破碎程度对电阻率的影响较大,一般有裂纹的地方,电阻率产生突变。采用ResiTest–4000电阻率测试仪和研制的孔内探头,对钻孔内岩体电阻率进行测试。岩石破碎区电阻率基准值根据每一钻孔电阻率平均值(剔除特异点)确定,大于基准值的为破碎区。根据测试结果,绘制巷道围岩分区破裂图,与钻孔电视观测结果较吻合。结果表明,该巷道围岩有4个破裂分区;破裂分区带的半径与巷道半径基本呈线性关系;巷道周边破裂区宽度最大,平均达到3.12 m,依次分区破裂带的宽度有递减趋势。     

大厚度泥岩顶板煤巷破坏机制及控制对策研究

 针对煤巷上方大厚度泥岩顶板在开挖支护后所表现的破坏现象,通过现场观察、室内试验、数值试验、相似模拟试验及理论分析,对其变形破坏机制及控制对策进行系统研究,动态分析围岩的变形和破坏过程,研究不同支护情况下巷道变形规律、破坏机制、应力分布及不同支护手段的加固效果。得出如下结论：(1) 泥岩风化崩解、碎裂扩容与应力调整过程中的高应力拉伸与剪切共同促使泥岩顶板破裂、离层和破碎的发生;(2) 原支护缺乏对围岩性质的准确判断导致巷道破坏与支护失效;(3) 大厚度泥岩顶板煤巷支护的原则：及时封闭围岩、提高下位岩层刚度、布置斜向锚索;(4) 根据地质力学与环境条件,通过断面优化及支护参数优化能够有效避免大厚度泥岩顶板煤巷的多次翻修,实现一次支护的长期稳定。研究成果在棋盘井矿区获得全面应用,对类似条件工程的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

深部巷道破裂围岩强度衰减规律试验研究

 为研究深部巷道破裂围岩强度衰减规律,设计模拟巷道破裂区应力演化规律的应力路径,采用MTS815岩石力学伺服试验机对完整的砂质泥岩试样进行加卸载试验,得到不同损伤程度的初始损伤岩样;通过单试件法对初始损伤岩样在不同围压下的三轴强度特性进行试验研究。采用卸载点的应力减低比D?、体积膨胀比DV作为损伤变量,分别建立损伤岩样峰值强度及强度参数与二者的函数关系,研究成果表明,初始损伤岩样的峰值强度、黏聚力与内摩擦角随损伤程度的增大大幅减小,且呈指数衰减规律。     

逆断层附近非均匀应力场声发射测试与巷道稳定性数值分析

由于断层带附近应力集中和围岩破碎严重给巷道断面布设和维护带来巨大安全隐患,需及时掌握断层附近地应力分布和围岩破裂形式及其对周边巷道稳定性影响。选取淮南某矿逆断层上、下盘进行试验,利用MTS试验系统配合声发射测试初始地应力场和岩石破裂方式,经ANSYS对比分析不同应力条件下逆断层附近巷道稳定性。经岩石力学试验发现,砂岩破坏后尺度较小、AE事件数较多,泥岩破坏后尺度较大、AE事件数较少。由地应力实测可知,逆断层附近以构造应力为主,上盘岩层挤压使得下盘总体受力偏大。开挖后巷道周边次生应力在一定范围内出现了应力跌落区,跌落区范围和围岩裂隙发育范围接近。同时,伴随着应力跌落的范围扩大、初始应力减小,岩层开始移动剧烈和围岩破裂范围扩大。由围岩塑性分布和岩层移动可知,调整后主应力有助于提高巷道稳定性。以上研究结果,以期为复杂埋藏环境下矿山巷道的布设和支护问题,提供一定的施工技术依据。     

煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究

 为研究煤层顶板破碎岩石压实特征,对义马新安煤层顶板砂岩、砂质泥岩和泥岩,利用自制装置在RMT–150B电液伺服岩石力学试验系统上进行压实试验,得到3种碎石压实试验的应力–应变关系,分析岩石强度、块径、压实应力对碎石压实特性的影响。结果表明：碎石压实变形过程可分为快速压实、缓慢压实和稳定压固3个阶段;碎胀系数随块径增大而增加,可以采用对数关系描述;碎石经历压实后残余碎胀系数与岩石强度、块径的关系不大,差异性有所减小,碎胀系数减幅与块径相关,块径越大减幅越大;压实度为压实应力的函数,块径越大压实度变化越明显;压实能耗随岩石强度增高而増大,砂岩、砂质泥岩与泥岩平均能耗比约为3.5∶2.2∶1.0,同种岩石块径大于5 mm后压实能耗与块径关系不大。     

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。     

STUDY OF DOUBLE-CABLE-TRUSS CONTROLLING SYSTEM FOR LARGE SECTION COAL ROADWAY OF DEEP MINE AND ITS PRACTICE

 针对深井大断面煤巷围岩支护过程中出现的顶帮大变形控制难题,综合现场调研、数值模拟、理论分析、井下试验及现场实测,分析围岩变形破坏特征,提出高应力大断面巷道围岩控制系统--双锚索桁架,并对其组成结构、控制机制、支护优越性、应力场分布特征、关键支护参数等进行系统化研究,得出：(1) 深井大断面煤巷围岩变形特征为：移近量大、敏感系数高、变形具有持续性及破坏针对性强;(2) 新型双锚索桁架控制系统在巷道围岩中形成厚承载层和梯次锚固体结构,提高锚固岩层抗拉(剪)强度,保障巷道围岩和支护结构的稳定性;(3) 模拟得出双锚索桁架在岩层中形成垂直顶板(帮)均匀预应力带,预应力分散度低,影响范围集中于锚索锚固点区域3～5 m处;(4) 详细介绍井下运用双锚索桁架控制系统的一典型深井大断面煤巷成功实例。研究成果在邢东矿区获得全面应用,对类似条件工程的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

饱水对煤系地层岩石力学性质影响的试验研究

 为研究饱水对煤系地层岩石力学性质的影响,在自然和饱水状态下,利用RMT–150B岩石力学系统对砂岩、砂质泥岩和泥岩进行巴西劈裂、单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：3种岩石的平均吸水率为0.241%～0.482%,吸水率与时间的关系可以用对数函数进行拟合;饱水后对3种岩石的强度和变形特征均有不同程度的影响,泥岩表现最为明显,其次是砂质泥岩和砂岩,抗拉强度的软化系数为0.40～0.92;单轴抗压强度的软化系数为0.58～0.94,弹性模量的降低系数为0.58～0.95,变形模量的降低系数为0.68～0.94,泊松比的降低系数为1.08～1.11;三轴压缩峰值强度的软化系数K与围压?3大致成正相关,表明饱水状态下试样峰值强度对围压的敏感度大于自然状态下试样峰值强度对围压的敏感度;饱水对3种岩石试样的黏聚力均有不同程度降低,降低幅度为20.6%～67.0%,而摩擦因数大致保持不变,表明黏聚力是一个结构参数,摩擦因数是一个材料参数。     

煤矿深部岩石力学性能试验分析与硬岩巷道快速掘进方法研究

 在RMT–150B岩石力学试验机上进行深部巷道砂岩单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验,测得砂岩的力学性质参数。根据岩石应力–应变曲线分析深部岩石的强度和变形特性,岩石抗压强度随围压的增加而提高,围压从10 MPa增加到15 MPa时,抗压强度增幅达到40.3%。深部高应力下,砂岩承载后产生的变形及破坏形态与围压大小密切相关,其主应力差–应变曲线斜率随着围压的增加而明显变陡,破坏荷载增高。依据岩石力学特性,采用分类布孔,掏槽眼宜用直径f42 mm的钻头钻眼,其余的炮眼用直径f32 mm的钻头钻眼,缩短钻眼时间。掏槽眼采用中深孔不同阶微差斜眼掏槽方法,炮眼深度宜采用2.2～2.5 m,有利于巷道的进尺;周边眼采用小直径药卷光面爆破技术,有利于巷道成形。     

南京栖霞山矿巷道支护设计研究

通过有限元计算,分析南京栖霞山矿巷道的稳定性以及巷道在不同的支护条件下的应力场和塑性区情况,得出不同埋深时主巷道和穿脉巷道较为合理的支护方式。对于主巷道和穿脉巷道中的矿岩巷道,采用喷射混凝土进行支护,支护后应力发生重分布,围岩中的应力集中明显减少并转移到混凝土喷层上。此外,部分围岩破碎、地下水较发育处应进行喷锚支护,而对于穿脉巷道的高丽山砂岩巷道,也需采用喷锚支护,部分巷道还应提前进行注浆加固。