煤层巷道蝶型冲击地压发生机理猜想

根据巷道围岩蝶形塑性区理论,分析了巷道围岩蝶形塑性区蝶叶瞬时急剧扩展的突变特征,提出了煤层巷道蝶型冲击地压发生机理猜想,认为煤巷冲击地压是由于巷道围岩蝶形塑性区的蝶叶瞬时爆炸式扩展引起的,阐明了该类型冲击地压形成、演化及发生的力学本质和物理过程。提出了蝶叶突变型冲击地压发生的必要与充分条件,建立了煤层巷道冲击地压判定准则,合理解释了巷道顶板冲击、底板冲击、煤帮冲击等不同类型的冲击地压发生机理。该猜想能够预见巷道冲击地压发生时必然产生至少1个、最多4个巨大的蝶叶塑性区的未知现象,可以获得煤巷冲击地压危险性评价和预测的关键指标和可测参量。     

Roadway dynamic response analysis under mining rockburst condition

In order to determine how a roadway withstands a momentum wave and determine the extent of damage to rock surrounding the roadway under different force wave peak impacts, the roadway dynamic response state was analysed using numerical simulation method. The roadway’s critical peak force wave and fracture region under dynamic wave action were put forward. It is concluded that the method has practical value to roadway support and rockburst prevention. Supported by the National Key Technology R&D Program in 11th Five Years Plan of China (2006BAK03B06)     

倾斜煤层巷道稳定性与锚杆支护数值模拟研究

针对深井倾斜煤层巷道的特殊性,采用有限差分程序FLAC,分析巷道围岩应力、位移、塑性区分布,研究深埋倾斜煤层巷道围岩稳定性和锚杆支护控制围岩变形效果。结果表明,深井倾斜煤层巷道上帮且靠近煤层底板部位压力与变形破坏较大,是防止冲击地压和进行支护的重点区域,锚杆支护中适当加长上帮锚杆是合理的。本研究成果,对深井倾斜煤层巷道防止冲击地压、确定锚杆支护参数,有重要指导意义。     

煤岩动力系统失稳机理

为了计算不同冲击危险程度煤岩体的具体影响尺度,实现煤矿冲击地压的针对性预防和治理,提出了"煤岩动力系统"的概念,构建了"煤岩动力系统与冲击地压显现关系"模型。基于爆破理论和Mises屈服强度准则,提出了"煤岩动力系统"各区域尺度计算方法并建立了相应的评价指标体系。根据煤矿已发生冲击地压和"高能量"微震事件的震源位置和能量值,确定煤岩动力系统"动力核区"、"破坏区"、"损伤区"和"影响区"等各区域尺度的具体影响范围,判断不同尺度范围内煤岩体的冲击危险程度。将煤岩动力系统各区域尺度计算方法在老虎台煤矿进行了准确性验证,表明该方法具有较高的可信度和实用性,可以广泛应用在矿井冲击地压的预测与危险性评价工作中。     

大断面煤巷变形破坏规律及控制技术

采用理论分析、FLAC3D数值计算和工程实践等方法,研究分析巷道宽度对巷道围岩变形、塑性区及应力分布的影响规律,提出了巷道临界宽度判定指标：巷道顶板拉破坏深度为1.5 m,顶板拉破坏深度大于1.5 m的巷道维护困难。并提出了超过临界宽度的巷道支护技术为：及时支护、高强高预紧力锚杆、锚索支护和高初撑力的临时支护。研究成果成功应用于王庄煤矿6207综放工作面运输巷。     

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。     

构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

在新建深部矿井,原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出,且现场破坏具有区间性和方位性特征,为揭示这一机制,针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷,基于数值模拟和理论分析研究,建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型,划定能量非稳态释放边界,分析其分布形态与能量特征,结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同,构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间,顶底板内同时分布能量积聚区和释放区,而巷帮仅存在能量释放区,这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时,围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展,非稳态释能边界沿走向不断拉长,具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中,巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近,其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高,加上顶板和帮部支护作用,导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合,对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。     

复合爆破卸压技术在煤矿防治冲击地压中的应用研究

采用多种爆破卸压解危技术的复合应用,对冲击地压矿井的冲击危险区域实施立体卸压爆破技术进行解危,从而使巷道高应力得以合理释放或向深部转移,达到降低冲击发生的可能性或有条件的诱发冲击地压的目的,降低了巷道局部高应力集中和微震事件发生的频率,为矿井安全生产提供了技术保障。     

Mechanics analysis on the conditions of rock burst occurrence in the coal mass of roadway rib

According to the rock burst features occurred in the coal mass of roadway rib in one mine, the mechanics model of coal mass and roof structure system along the edge of goaf was founded to analyze the stress of roof rock layer, so the subside curve of roof rock layer was deduced. Furthermore, the stability of coal and rock system were analyzed, the critical load and critical resistance zone were used to judge the danger degree of rock burst occurrence. The influence of coal mass strength, brittleness degree, coal seam thickness, roof thickness, suspending length, equivalent shear module on the critical load, critical resistance zone was confirmed. So the rock burst occurrence conditions of coal mass in roadway rib mainly depend on mining depth, coal seam thickness and hard roof and floor, which are decided by the above studies, and successfully applied in prediction and prevention of rock burst in this mine. Supported by the Natural Science Fund of Liaoning Province(20042176)     

钻屑法孔壁破坍失稳现象研究

采用煤体损伤模型和极值点失稳理论对钻屑法孔壁破坍失稳现象进行了解析分析,计算得到了孔壁破坍失稳的临界载荷, 结果表明, 孔壁破坍失稳的临界载荷与煤体的材料参数E, λ,φ, σc有关, 而与孔径无关。研究了孔壁失稳与煤体冲击矿压之间的关系, 说明了孔壁破坍失稳现象与煤体压缩型冲击矿压之间可以进行类比分析。研究结果可以作为现场有效实施钻屑法预测煤巷冲击矿压的理论依据。     

冲击地压矿井采煤工作面双连巷布置设计

针对传统“双巷布置”方式易在深部矿井中诱发冲击地压等动力灾害问题,通过总结分析现有冲击地压采煤工作面巷道布置方式的优缺点,建立了双联巷的概念和布置方式,提出了在冲击地压矿井采煤工作面应用双连巷的技术构想。并通过建立工作面回采前后双连巷顶板结构力学模型,得出双连巷顶板稳定性与双连巷跨度的关系和中隔墙支护阻力与其宽度的关系。研究结果表明,冲击地压矿井采煤工作面采用双连巷布置,既解决了双巷的难题又实现了双巷的功能,可为冲击地压矿井采煤工作面设计提供参考。     

掘进工作面卸压区宽度及其主控因素研究

针对煤巷掘进过程中易发生煤与瓦斯突出的问题,对煤巷掘进工作面煤体的卸压区宽度范围进行了理论分析,得出了卸压区宽度受煤层界面摩擦因数、煤体抗拉强度、煤层厚度、煤岩容重、侧压系数及煤层开采深度等多种因素的影响,采用灰色关联分析法确定了煤体的侧压系数为卸压区宽度的主控影响因素,并采用现场实测的方法验证了卸压区宽度数值分析的正确性。提出了煤巷掘进工作面进行煤与瓦斯突出防治措施应用时,应主要以施加外部荷载的防突措施为主,提高煤体的侧压系数以破坏煤体完整性并增大卸压区宽度,使卸压煤体厚度增大从而抵御煤与瓦斯突出。研究结论可以为煤巷掘进面煤与瓦斯突出的研究提供理论指导。     

综放沿空留巷顶板下沉规律与控制

针对综放沿空留巷顶板下沉控制困难问题,揭示了综放沿空留巷顶板下沉规律,建立了顶板下沉力学模型,结合损伤力学和能量守恒理论,推导出了顶板下沉量的理论公式,在此基础上对其影响因素进行了分析,提出了综放沿空留巷顶板下沉控制对策,并进行了工程应用。结果表明:顶板下沉量理论计算公式与现场实测值基本一致;各因素对顶板下沉影响程度依次为:巷旁支护体宽度、直接顶有效弹性模量、基本顶给定载荷、关键块破断位置、巷旁支护体有效弹性模量、巷内支护阻力、巷道宽度、顶煤有效弹性模量。顶板下沉控制对策应围绕关键性影响因素进行,据此提出"锚网索+高强度墩柱+木垛"耦合支护方式,即采用锚杆+锚索+高强度钢筋网进行巷内耦合支护,巷旁采用高强度墩柱支护,并用木垛进行巷旁加强支护。工程应用表明,综放沿空留巷围岩变形稳定,顶板下沉得到了有效控制。     

华亭煤矿强矿压力学机制与防治对策

为从机理上认识和防治华亭煤矿强矿压,应用震源机制解答方法反演强矿压岩体破裂机制,结合现场地应力测量、微震监测、现场调查、采矿活动分析和理论分析等技术途径,验证震源机制解答方法的可靠性,分析强矿压成因,制定强矿压防治策略。研究得出如下认识：震源机制解答方法反演煤矿采动岩体破裂机制的应用效果较好;华亭煤矿强矿压频发的主要原因是水平应力强度高、最大主应力方向与巷道走向大角度相交、厚层砂岩大面积悬顶、底煤厚度大且冲击倾向性强;防治此类强矿压发生的主要途径是工作面设计应避开最大主应力方向与巷道走向大角度相交、先开采底板抗冲击性能较好的下分层、顶板预裂卸掉垂向采动应力和巷道钻孔、切槽断底。     

基于流固耦合理论的煤矿立井井壁突水机理分析

将煤矿立井混凝土井壁视为多孔介质，考虑地下水渗流作用的影响，应用统一强度理论和弹塑性损伤力学模型，推导出立井混凝土井壁弹性区和塑性损伤区应力的解析表达式，以及井壁承受的地下水压与塑性损伤区半径之间关系的解析表达式。同时绘制了不同的φ（混凝土孔隙率）和λ/E（混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比）值与井壁承受水压p0和塑性损伤区半径c之间的关系曲线。研究结果表明：在井壁几何尺寸和混凝土强度等级不变情况下，不考虑地下水渗流对井壁的影响时（φ=0），井壁能够承受的临界水压p0c为31.9 MPa；当φ取0.4时，p0c为15.1 MPa，井壁能够承受的临界水压下降了52.7%。当λ/E取0.5时，p0c为30.5 MPa；当λ/E取2.5时，p0c为18.6 MPa，井壁能够承受的临界水压下降了39.0%。由此可见，在考虑地下水渗流对井壁影响的情况下，地下水渗流效应和混凝土损伤软化对井壁能够承受的临界水压p0c影响十分显著，井壁能够承受的临界水压随着混凝土孔隙率φ和混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比λ/E的增加而减小。     

圆形巷道围岩塑性区的一般形态及其判定准则

巷道围岩塑性区形态决定了巷道围岩的破坏形式及破坏程度,以塑性区边界隐性方程为基础全面研究了圆形巷道围岩塑性区一般形态的变化规律。结果表明:在不同围压状态下均质围岩圆形巷道塑性区一般表现出圆形、椭圆形、蝶形3种形态。通过理论分析找到了3种形态的数学力学含义,并推导出不同形态下的判定准则。提出了塑性区形态系数的概念,推导出了形态系数的计算公式,利用其大小可判别塑性区形态特征。通过FLAC3D数值模拟方法验证了理论计算的正确性。研究成果可作为巷道稳定性分析、支护设计、冒顶灾害防治、冲击地压预测与防治、煤与瓦斯突出预测与防治等工程实践的理论依据。     

深井区段煤柱冲击地压静载荷探测及综合防控技术

针对郓城煤矿1301工作面临空80m区段煤柱冲击地压防控难题,分析了区段煤柱冲击地压发生的主导因素,采用震波CT原位探测技术评价区段煤柱冲击危险性,制定了综合防治方案并进行现场应用。结果表明：80m区段煤柱冲击地压载荷源为高自重应力、强构造应力与采空区侧向支承压力叠加而成的静载荷|基于静载荷探测的震波CT原位评价技术揭示区段煤柱测区内冲击危险指数C=0.5～0.7,具有中等冲击危险|巷帮大直径钻孔强预卸压可转移高应力、改变煤层积聚弹性能的条件,巷道全断面支护加固来增强围岩的整体抗冲能力,确定合理推进度降低开采扰动,综合监测预警确定动态冲击危险区并及时卸压解危,现场应用表明防治效果明显。     

煤矿深部巷道底臌发生机理及防治对策研究

在假定底板围岩为服从Coulomb屈服条件的理想刚塑性材料的基础上, 对剪切型底臌发生机理进行了分析, 认为剪切型底臌发生时存在一个临界剪切滑移面, 且此滑移面上围岩将达到抗剪强度极限值。根据剪切型底臌底板围岩受力特点将滑移面上底板围岩分为主动区、被动区、过渡区, 建立了底臌的计算力学模型及分析简图, 通过引用等效传递荷载方法推导了巷道底板塑性区发展深度的解析计算式, 然后以某巷道为研究对象, 经解析计算与数值仿真分析的对比研究, 发现两者结果具有一定拟合性, 验证了解析计算方法的有效性, 由此提出了顶板控制和增强滑移面剪切强度的巷道底臌控制方法。以淮南矿业集团新庄孜煤矿66210风巷为工程背景, 对底板底臌发生机理及塑性区发展深度解析计算式进行了分析, 提出了补打底角、帮脚锚杆、施加顶板锚索、底板注浆等具体的底臌防治措施, 工程监测结果显示上述支护措施取得了较好的经济技术效果, 为剪切型底臌的治理提供了借鉴指导意义。     

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术

针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。     

STUDY ON HARD ROOF ROCKBURST IN COAL MINE

Based on practical observation in Mentougou Mine, a general law of roof rockburst is put forward. The destabilization theory of roof rockburst has been established. The general laws of microquake premonition and earth sound in roof rockburst is advanced. The relationship between roof rockburst and rockburst of coal body is studied.