深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

考虑塑性区强度参数劣化的圆形巷道冲击地压临界条件研究

针对大量冲击地压事故发生于巷道的实际情况,综合考虑开挖面空间效应、中间主应力效应、塑性区剪胀特性、塑性区强度和变形参数的变化5个影响因素,得到了巷道围岩应力与位移分布规律,基于统一强度理论和塑性软化本构模型,应用扰动响应判别准则,建立圆形断面巷道冲击地压发生的临界条件,结合试验模拟验证分析,结果表明:巷道冲击地压的临界条件与围岩支护方式、初始强度参数及塑性区强度参数的变化密切相关;临界塑性半径、临界载荷均随支护力的增大而单调增加;在开挖面附近,虚拟支护力较大,巷道围岩以发生弹性变形为主,发生冲击地压概率较低,只有在距开挖面一定距离位置处,虚拟支护力逐渐降低,巷道围岩出现塑性区,且塑性区达到一定值时,冲击地压才具有发生的可能性;临界塑性半径随初始黏聚力增大而降低,临界载荷随初始黏聚力增大而增加;当塑性区黏聚力劣化较快时,容易发生冲击地压。     

考虑渗流和剪胀特性的Z-P准则及巷道稳定性分析

在地下工程结构中,渗流和剪胀特性严重影响了巷道的稳定性。为了研究渗流和剪胀特性下巷道围岩的稳定性,基于Zienkiewicz-Pande准则和弹塑性理论,分析了受渗透水压力作用下的巷道围岩弹塑性解;推导了渗透水压力作用下的巷道围岩塑性区半径、位移和应力分布的解析解;分析了中间主应力和剪胀角对巷道围岩塑性区的影响规律。结果表明:基于Z-P准则的塑性区半径、位移和围岩应力公式能够很好地反应规律;随着中间主应力的增大,塑性区半径、位移和弹性区应力先减小后增大,塑性区应力先增大后减小;渗流作用下的塑性区半径和位移显著增加;围岩的剪胀特性对巷道应力分布和塑性区半径影响较小,但对位移分布有显著影响,随着剪胀角的增加,塑性区位移逐渐提高。     

考虑岩体塑性硬化与软化特性的巷道围岩变形理论分析

为深入探究岩石峰值强度前后非线性硬化与非线性软化特性对软岩巷道围岩变形及力学行为的影响,引入硬化系数与软化系数的概念,基于莫尔-库仑屈服准则与非关联流动法则,推导出圆形巷道围岩四区应力、位移和半径的解析表达式。通过算例,分析了硬化系数和软化系数对塑性硬化区与塑性软化区巷道围岩的影响。结果表明:对于巷道围岩塑性硬化区,其径向与切向应力随内摩擦角、黏聚力硬化系数的增大而增大,径向与切向应变也随内摩擦角硬化系数的增大而增大;而对于塑性软化区,其径向与切向应力随内摩擦角、黏聚力软化系数的增大而减小,径向与切向应变也随内摩擦角软化系数的增大而减小。因此提高巷道围岩塑性硬化区的内摩擦角、黏聚力硬化系数与降低塑性软化区的内摩擦角、黏聚力软化系数可提高围岩承载能力。     

煤层瓦斯压力及压力梯度影响因素的分析

由于煤层瓦斯压力的影响因素多且复杂,通过建立理论模型,得出了煤层瓦斯压力与煤层埋深、煤岩弹性模量、泊松比、温度梯度和地应力梯度等影响因素的关系式,并结合数值分析,对煤层瓦斯压力与其相关影响因素的关系进行了分析。通过分析得出,煤层瓦斯压力随着煤层埋深的增加而变大,在同一煤层埋藏深度,煤层瓦斯压力随弹性模量、泊松比、温度梯度的增加而降低,随地应力梯度的增加而增大。同时,煤层瓦斯压力梯度随煤岩弹性模量和泊松比的增大而增大,当煤岩弹性模量和泊松比较小时,煤层瓦斯压力梯度的变化率较小,当煤岩弹性模量和泊松比较大时,煤层瓦斯压力梯度的变化速率迅速增加。煤层瓦斯压力梯度随温度梯度和地应力梯度的增大而增大,基本呈线性变化。     

基于Mogi-Coulomb准则的圆形巷道围岩塑性区分析

基于Mogi-Coulomb强度准则推导了两向非等压下的圆形巷道塑性区隐式边界方程,分析了岩石内聚力、内摩擦角、中间主应力对塑性区的影响.研究表明:内聚力与内摩擦角均不改变塑性区的形态仅对塑性区的大小有影响,随着内聚力的增大,塑性区的半径逐渐减小,且随着内聚力的增大,塑性区半径减小的速度增加;内摩擦角与塑性区半径变化趋...     

岩体力学参数敏感性正交数值模拟试验

采用正交数值模拟试验方法研究了岩体力学参数对巷道围岩变形与破坏的影响.选择弹性模量(弹模)、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度、剪胀角等6个因素、5个水平的正交试验方法进行了相关的数值模拟试验.试验结果表明:黏聚力是影响巷道变形与破坏最敏感也是最重要的参数.随着黏聚力的加大,巷道围岩表面移近量及屈服范围均显著减小;内摩擦角对巷道围岩屈服范围有着明显的影响;弹模对巷道围岩表面移近量有着明显影响;泊松比、抗拉强度和剪胀角的影响相对较小.     

岩体力学参数敏感性正交数值模拟试验

采用正交数值模拟试验方法研究了岩体力学参数对巷道围岩变形与破坏的影响.选择弹性模量（弹模）、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度、剪胀角等6个因素、5个水平的正交试验方法进行了相关的数值模拟试验.试验结果表明：黏聚力是影响巷道变形与破坏最敏感也是最重要的参数.随着黏聚力的加大,巷道围岩表面移近量及屈服范围均显著减小;内摩擦角对巷道围岩屈服范围有着明显的影响;弹模对巷道围岩表面移近量有着明显影响;泊松比、抗拉强度和剪胀角的影响相对较小.     

震动载荷下含瓦斯煤动力学特征

为了研究震动载荷下含瓦斯煤动力学特性,建立了含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统,考虑轴向静载、围压、瓦斯压力和动载荷冲击速度4个因素,开展了含瓦斯煤动力学试验,通过采集入射波、反射波和透射波信号,分析了震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线变化规律,研究了含瓦斯煤峰值强度和峰值应变与有效轴向静载、有效围压和动载荷冲击速度的关系。研究结果表明:震动载荷下含瓦斯煤动态应力应变曲线无压密阶段,初始加载应力就随应变呈"线弹性"增加趋势;随着应变进一步增加,应力变化先趋于平缓又快速增加,该曲线表现出"跃进"特性,这与炭在晶体微破裂中的作用有关;峰后试样未产生宏观破坏,弹性能释放造成应力应变出现"回弹"现象。含瓦斯煤峰值强度随有效轴向静载呈指数增加、随有效围压呈线性增加、随动载荷冲击速度呈先增加后减小;含瓦斯煤峰值应变随有效轴向静载呈线性增加、随有效围压呈指数衰减、随动载荷冲击速度增大而增加。震动载荷下含瓦斯煤应变率效应明显,在应变率低水平阶段,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变随应变率增加而增加,超过临界应变率,含瓦斯煤峰值强度和峰值应变将保持稳定。该研究有助于完善含瓦斯煤动力学,为矿井动载荷诱导的含瓦斯煤动力灾害防治提供借鉴。     

深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理研究

针对深部高瓦斯煤层的冲击地压灾害,从瓦斯对煤体强度影响、瓦斯煤体在卸载下的层裂现象及瓦斯煤体积聚静态能量3方面入手,探讨瓦斯煤层冲击地压的发生机理。通过理论推导得出:瓦斯降低了煤体强度,减小了煤体破坏时所需要的能量;含瓦斯煤体突然卸载后,受地应力和瓦斯共同作用会产生层裂现象,削弱了冲击显现区煤体抵抗变形的能力;最终在集中动载荷和耦合静态能量的共同作用下,建立了瓦斯煤层发生冲击地压的能量判据,指出了瓦斯煤体更容易发生冲击地压。此外,在冲击地压发生后往往出现瓦斯异常涌出的现象,瓦斯积聚对安全生产带来隐患,甚至引起煤与瓦斯突出等动力灾害。     

软土地区定向钻工后地表沉降的机理分析

基于SMP强度准则,采用弹脆塑性软化模型,分析了定向钻工后孔壁周围土体内的二次应力、应变场以及塑性区半径分布规律,推导出了最优缩孔泥浆压力和允许的最小泥浆压力的计算公式;对比基于M-C强度准则计算结果,可得考虑中间主应力影响的SMP强度准则计算结果更精确,能够更好地解释软土地区定向钻工后地表沉降机理并指导工程实践。同时通过改变内摩擦角、黏聚力及剪胀参数的大小,得到土体屈服后内摩擦角和黏聚力跌落越多,塑性区半径越大以及土的剪胀特性有助于抵抗缩孔。     

高瓦斯矿井瓦斯压力分布规律研究

和谐煤矿为高瓦斯矿井,该矿15号煤层为同一瓦斯地质单元,对现有巷道布置6个煤层瓦斯压力测点,采用被动式测压方法测定瓦斯压力,得出瓦斯压力分布规律,煤层瓦斯压力沿走向在同水平或埋深相近地点结果相近,在倾斜方向符合随埋深逐渐增加的趋势。通过对瓦斯压力测试结果的分析,并结合煤层瓦斯突出参数,得出区域内发生瓦斯突出的可能性较小。     

人工冻结含盐砂土三轴剪切试验研究

对冻结法施工过程中冻结管破裂,以及盐水渗漏对冻土的三轴剪切强度的影响进行了研究。试验表明:人工冻结含盐砂土三轴剪切试验后的冻土呈明显的塑性剪胀破坏,破坏强度随着含盐量的增大而减小,且含盐量越大塑性破坏越明显,其随温度的降低而增大;人工冻结含盐土三轴剪切强度符合摩尔-库伦定律,内聚力、内摩擦角随着温度的降低而增大,随着含盐量的增大而减小。     

考虑剪胀及软化特性的煤层瓦斯含量测定最小取样深度研究

为确定合理的煤层瓦斯含量测定取样深度,建立考虑剪胀及软化特性的巷道周围煤体弹塑性模型,得到了煤层瓦斯含量测定取样最小深度的表达式,并进行实际验证,分析了取样深度的主要影响因素。结果表明:控制最小取样深度的主要因素为初始地应力、支护应力、煤体强度和巷道尺寸;埋藏深度越大,取样深度应越长;煤质越软,取样深度应越长;取样深度随支护应力的减小而增大;在大断面巷道,应增加取样深度。     

煤矿冲击地压发生理论公式

冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一,研究冲击地压发生机理的理论公式是实现冲击地压定量防治的第一前提。针对目前尚未有直接明了的冲击地压发生理论公式的现状,通过建立与地应力、煤岩物性、支护强度和工程结构参数直接相联系的巷道冲击地压发生力学分析模型,得到了一套冲击地压发生的理论公式。首先,系统探究了冲击地压解析分析所涉及的几何模型、边界条件、煤岩体变形破坏本构关系和冲击地压发生的力学判据;其次,结合煤岩体变形破坏的"双线性"本构关系和"三线性"本构关系,分别建立了巷道"弹性区、塑性软化区"2分区结构模型与"弹性区、塑性软化区、破碎区"3分区结构模型,对巷道围岩展开应力分析,得到了巷道平衡系统方程;最后,由系统方程与冲击地压发生力学判据,得到了冲击地压发生的临界载荷、临界破碎区半径与临界软化区半径指标及其理论计算公式。采用理论公式定量解答了冲击倾向性与冲击危险性的理论关系、矿井冲击地压发生临界开采深度的理论界定和支护在冲击地压启动过程中的作用及支护安全系数设计方法等科学问题,并对我国近30座冲击地压矿井的冲击启动临界载荷、临界开采深度和支护防冲安全能力进行了计算或验算。研究结果表明,临界载荷、冲击能指数和单轴抗压强度3个指标参量间具有明确的理论关系;表征冲击倾向性的理论指标为冲击能指数和单轴抗压强度,表征冲击危险性的理论指标为实际应力与临界载荷比值;基于冲击地压发生的临界载荷,可以得到矿井冲击地压发生临界开采深度的理论确定方法;支护强度的提高能够有效提升冲击地压发生的临界载荷。研究成果旨在继承并突破现有定性或统计定量的冲击地压理论,为实现煤矿冲击地压机理及应用的定量化研究奠定基础。     

考虑岩石流变及应变软化的深部巷道围岩变形理论分析

为深入探究岩石流变作用下巷道围岩变形分区机理及弹塑性理论解,基于巷道围岩在流变作用下所能承受的最大应力值应为岩石的长期强度这一重要特性,结合岩体峰后应变软化及扩容特性,推导出巷道围岩四分区应力、位移及半径解析解,并揭示黏聚力软化模量与内摩擦角及初始黏聚力之间的量化关系.通过算例验证该理论的可行性,并分析流变作用下不同围岩力学性质对巷道围岩各分区范围及变形的影响规律.研究表明:围岩流变特性对初始黏聚力的确定有重要影响,考虑流变影响时选取的初始黏聚力与不考虑流变时相比明显偏小;围岩各分区半径随初始黏聚力、内摩擦角增大而减小,因此考虑流变作用时围岩承载能力将明显降低;内摩擦角对围岩各分区范围的影响随着初始黏聚力增大而不断减弱;流变特性对巷道围岩变形的影响随着内摩擦角减小而不断增强.研究成果可为巷道围岩稳定性控制及支护参数量化设计提供理论借鉴.     

基于三剪能量理论的巷道围岩弹塑性分析

针对弹塑性圆形巷道,应用三剪能量屈服准则,理论推导了塑性区半径、应力及径向位移公式,在塑性区半径公式的基础上,应用Mohr-Coulomb准则,进一步推导了破裂区应力及位移公式;通过具体算例,分析了不同影响因素对塑性区半径的影响。实例表明：原岩应力、黏聚力、支护反力、围岩应力对塑性区半径有一定影响。原岩应力及支护反力均随塑性区半径的增大而增大,但支护反力对塑性区半径的影响变化不大,当增大到一定程度时,半径将保持不变;黏聚力随塑性区半径的增大而降低;围岩应力随塑性区半径的增大而增大,当半径达到塑性区半径时,切向应力将保持不变,其值为原岩应力值,而径向应力在一定范围内仍将保持递增,但递增率减小,一直到原岩应力值;对比于单剪条件（Mohr-Coulomb准则）,得出了三剪能量准则条件下的巷道围岩弹塑性公式比Mohr-Coulomb准则条件更为准确的结论。     

高压注水抑制高瓦斯掘进工作面瓦斯涌出技术研究

随着煤矿开采深度的增加,煤层瓦斯含量和压力也不断增大,瓦斯灾害日趋严重。尤其是高瓦斯矿井的掘进工作面由于煤层瓦斯含量高,造成掘进工作面在掘进过程中瓦斯大量涌出,预警频繁,采用传统瓦斯治理方法达不到预期效果,致使掘进效率低下,严重影响安全生产。为此,文章提出了在高瓦斯矿井掘进面煤层内高压注水的方法,该技术成功在余吾煤业S2108工作面进行实践应用,巷道瓦斯涌出量下降明显,效果显著。     

高瓦斯矿井瓦斯治理综合技术研究与实践

随着矿井采掘活动的延伸,地应力、瓦斯压力增大,煤层瓦斯含量增高,瓦斯(包括瓦斯涌出与突出)灾害越来越严重。以某高瓦斯矿井深部煤层开采为研究背景,进行了瓦斯综合治理的研究。研究结果表明:采用掘进超前钻孔、本煤层与采空区瓦斯抽放、高位钻场及高位钻孔抽放和回风隅角抽采等综合措施,高瓦斯矿井深部煤层掘进期间,实测残余瓦斯含量最大为30 817 m3/t,残余瓦斯压力为0.400 MPa;回采期间,煤层残余瓦斯含量均小于8 m3/t,评价单元残余瓦斯压力均小于0.74 MPa,有效控制了工作面瓦斯浓度。     

岩体剪胀对巷道围岩塑性区位移的影响分析

为研究巷道围岩塑性区的力学性质,考虑岩体剪胀特性及巷道塑性区的弹性变形,采用H-B准则和非关联的流动准则对圆形巷道进行理论分析,通过在弹塑性交界处的应力连续条件,得到了塑性区半径和位移的H-B新解;结合算例分析了剪胀特性对围岩塑性区位移的影响,并与M-C准则解作对比。分析结果表明:岩体剪胀系数越小,M-C与H-B准则计算出的塑性区位移吻合度越好;随着剪胀系数的增大,吻合度下降,围岩塑性区的位移也会增大,在弹塑性交界处,文中H-B准则解在不同剪胀系数条件下塑性区位移相等,而M-C准则解不等,理论上证明了本文解的准确性。