松软煤层综放面顶底板采动应力分布规律研究

以某矿综放采场为背景,通过现场实测、相似材料模拟等手段,研究了松软煤层综放开采中液压支架受力状态、两巷单体支柱受力特征和顶底板的采动应力分布规律,结果表明液压支架在工作面不同位置受力状态不同,处于中部位置的支架受力最大,同一支架前立柱受力大于后立柱;风巷围岩应力大于机巷围岩应力,两巷的超前采动应力峰值位置在工作面前3～11m;顶板岩层同一层位中采动应力分布随工作面的距离不同而不同;不同层位应力分布也不同,离煤层越近的岩层中应力集中系数越大;底板岩层在工作面前方6m左右处应力达到最大,在工作面处应力为零。该研究结果有效地指导了该矿井同一煤层综放面巷道布置、两巷支护及工作面顶板管理。     

深部开采对覆岩破坏移动规律的实验研究

根据淮南矿业集团潘一矿2171（1）工作面开采实践,采用相似材料模拟实验。利用电子经纬仪与数字散斑相关方法相结合监测位移,分析研究了采场上覆岩层的“三带”特征及分布规律,上覆岩层移动发展趋势、演化规律、存在范围及形态,以及与开采宽度的关系。结果表明：一定采宽后顶板垮落规律显著,断层下顶板周期断裂步距减小;岩层下沉系数与岩层高度和采厚比成线性关系,上覆岩层沉降具有非对称性;离层裂隙的发生、扩展、闭合受关键岩层的影响和控制。数据分析还表明,数字散斑相关方法具有较高的精度,这一新的研究方法引入,丰富了上覆岩层活动规律的研究手段。本文结果可为指导工程实践提供重要理论依据。     

金川矿区深部高应力矿床开采关键技术研究与发展

金川矿区是我国唯一一座大型有色矿产资源生产基地。该矿体埋藏深、地应力高和围岩破碎所固有的不利条件,使得矿床在开采过程中面临极大困难。随着开采的延深,开采面积扩大,采场地压显现日趋剧烈,揭示和研究深埋、大面积采场的地压显现规律以及控制技术,是该类难采矿床安全、高效开采的关键。金川矿区自建矿30多年来,开展了大量的地压规律与控制技术的研究,积累了丰富的工程经验,解决了生产中的难题,使得矿山一期工程得以顺利实施。然而,随着二期工程的进展,尤其多中段开采水平矿柱日趋变薄的开采条件下,采场地压活动极为剧烈,巷道变形难以控制,并潜在着采场突变失稳的风险。本文在总结国内外难采矿床采场地压规律和控制技术研究的基础上,深入论述了金川1#矿体开采存在的问题、潜在的风险以及需要解决的关键技术难题。并明确了数值分析、现场监测与工程经验集于一体的动态反馈系统工程方法,是解决复杂采矿工程的必由之路。     

基于实测地应力深埋巷道塑性区定量分析

深埋巷道大变形、强流变的破坏特征源于其高地应力的作用,准确分析已开掘巷道塑性区分布对巷道围岩变形影响、开掘方案选择及后续类似条件巷道布置意义深远。在围岩力学参数测试、地应力场测试的基础上,采用弹塑性理论、M-C准则、修正的“当量半径”理论简化计算了直墙半圆拱形断面布置下深埋巷道的围岩塑性区大小,分析了巷道围岩塑性区受采动应力、侧压系数单独及耦合作用影响规律。在侧压系数为0.5、垂直压力为35MPa时底板塑性区最大,其值为2.65m,建议加强巷道底板的支护与维护,并给出了塑性区控制方案。研究结果可为后续类似条件下巷道开掘方案优选、支护设计及围岩稳定性判定提供一定的借鉴。     

三山岛金矿矿区地应力场特性研究

三山岛金矿位于山东省莱州湾畔，矿区的工程地质条件及水文地质条件比较复杂，因此对于矿山地下开采存在某些特殊的地质工程问题。本文分别来用地质力学构造线分析方法，现场地应力量测及声发射凯萨尔效应实验方法，研究了矿区的地应力场特性。结果表明，矿区的地质构造应力为Ｎ４０°Ｅ左右，σＮＥ＝１１０ｂａｒ左右，σＮＥ：σＶ：σＮｗ＝１：０．９：０．６５。这为矿山地下开采的稳定性评价提供了基本的力学参数。     

多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究

采空区残余裂隙的发育情况是采空区充填注浆设计需要考虑的重要因素。本文采用相似材料模拟实验的方法,探讨多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙的分布规律和发育程度。研究结果表明：开采结束后采空区残余裂隙在剖面上具有明显的分区性,从采空区两侧到中间可划分为残余裂隙发育区、裂隙压密区和地表张拉裂隙区; 残余裂隙发育区的残余裂隙率一般介于19.54％～45.27％之间,裂隙压密区的残余裂隙率介于9.28％～19.33％之间; 离层裂隙发育高度是受采宽和累计采厚综合影响的结果。研究成果对于老采空区建筑地基的稳定性评价、采空区处治工程范围与深度的确定、注浆孔的合理布置、单孔注浆量的合理计算等都具有重要的理论研究价值和实际指导意义。     

斜拉桥主梁模型承载性能试验研究

通过对斜拉桥主梁模型在不同工况及施加横向预应力方案的电测试验,得出了主梁的应力分布规律。试验结果表明,箱梁的撑杆和横向预应力的设计,对箱梁顶板的应力状态有很大影响。施加斜索力后,箱梁顶板的横向拉应力均小于1MPa,除横向预应力作用区域外,箱梁顶板的纵向应力为均匀分布的压应力,若在所有撑杆截面施加横向预应力,则撑杆只出现压应力。文中的试验数据可为优化结构、不同设计方案的选择提供理论根据。同时设计了对模型施加预应力的方法,解决了模型预应力的模拟问题。     

高地应力条件下的巷道崩落爆破参数

以柱装药爆破漏斗理论为基础,对高地应力巷道崩落爆破标准漏斗形成进行研究,导出了高应力条件下形成崩落爆破标准漏斗的判断准则,进而导出了相应条件的巷道崩落爆破参数计算式。结果表明,地应力的作用要求对巷道崩落爆破的现有参数计算进行修正,而且地应力越高,崩落爆破的最小抵抗线和炮孔间距减小越多,单位耗药量和循环炮孔数量增加越多。最后指出,选用较高爆速的炸药可减缓崩落爆破参数随地应力增大而改变的速率。     

不同压实矸石充填体置换``三下''煤柱的岩层移动规律

为了分析不同压实矸石的充填体置换``三下'煤柱所引起的岩层移动及稳定性等问题, 采用弹簧原理和弹塑性理论分析了上覆岩层和矸石充填支撑体的压缩机理, 并推导了矸石充 填体的初期压缩量; 根据充填体的压实原理、岩层力学及相关理论, 推导了不同矸石充填体 压实度所对应的压缩值及等价采高的解析式; 结合工程实例, 采用理论计算和数值模拟方法 分析了不同矸石充填体置换煤柱所对应的上覆岩层移动规律. 结果表明, 随着充填体压实度 的减小, 二次岩层移动所引起的顶板下沉值和等价采高都是不断增大的, 而当孔隙比达到 0.55左右, 所得到的等价采高$H_{e}$增长速度更加灵敏, 并且最大侧向位移增加趋势明显 加快.     

采场围岩破损过程的断裂损伤模型研究

将采场周围含断续节理的煤岩体视为损伤介质,并考虑压剪和拉剪不同的应力环境,建立了二种应力状态下的本构关系,并将其应用于某矿采场围煤岩运移规律及破坏特征分析中。实例计算表明,所建模型能较为合理地反映现场实际,为合理计算采场矿山压力与岩层运动规律提供了依据。     

深部花岗岩钻孔卸荷三维数值模拟

为了解决深部岩体掘进效率低、能耗大的问题,提出一种三维模拟的方法对深部岩石钻孔分析。采用ABAQUS软件建立动力学模型,结合切片法针对钻孔卸荷形成应力集中区域沿深度分布规律模拟分析;分析深部高应力花岗岩钻孔卸荷后形成的应力集中区沿深度变化的规律,研究在不同地应力的环境下不同钻孔深度及直径条件下应力的变化规律。结果表明:在50MPa地应力下钻孔直径为80mm和钻孔深度为120cm时,形成的应力集中区最大,成孔后岩体内部最大应力最小,卸荷效果显著。对于不同地应力的最佳钻孔卸荷参数不同,但都达到明显卸荷效果。研究结果为深部硬岩破岩机理和提高破岩效率提供了方法和理论依据。     

基于双向聚能拉张爆破理论的巷道顶板定向预裂

为在切顶卸压沿空留巷中获得巷道顶板预裂炮孔的最优间距,基于双向聚能拉张爆破技术,采用以LS-DYNA动力分析软件为基础的数值模拟和现场试验对巷道顶板定向预裂进行研究,优化炮孔间距。数值模拟结果表明,当炮孔间距为400 mm时,应力波叠加后产生有效的拉应力;当炮孔间距为500 mm时,应力波叠加后也能够产生有效的拉应力,该拉应力大于孔壁围岩的抗拉强度,能够使孔壁围岩沿聚能方向形成裂缝,且利于炮孔间裂纹的扩展;随着炮孔间距进一步的增大,当炮孔间距为600 mm爆破时,由于间距过大,应力波无法有效叠加,不能产生连续裂缝。现场试验表明,间距为400和500 mm的炮孔间隔爆破时,未爆破孔自炮孔孔底至孔口产生连续有效裂缝,裂缝长度达2.4 m,相邻炮孔间沿炮孔中心线均能够形成连续有效的切缝面,能够有效控制沿空巷道顶底板位移及沿空巷道顶板压力。综合分析,在3种不同炮孔间距的试验方案中,确定间隔爆破、500 mm的炮孔间距为同一地质条件下3种试验设计中的最优方案。     

潞安矿区综放与分层开采岩层移动的相似材料模拟试验研究

本文根据相似理论,对潞安矿区综放与分层开采岩层与地表移动规律进行了相似材料模拟试验研究,获得了岩层与地表移动参数,对指导潞安矿区减小采动损害及保护煤柱留设具有实际应用价值。     

采场老顶弹性地基梁结构分析与来压预报

在采场老顶Ｗｉｎｋｌｅｒ弹性地基梁力学模型基础上，推导出采场顶板下沉的广义速度，并求出了老顶的超前断裂距．根据采场工作面正常推进时顶板下沉速度是线性增长的，而一旦老顶发生超前断裂后，下沉速度将急剧增加的原理，提出了一种新的采场来压预测预报方法，并成功地用到了煤矿顶板管理的生产实践中．     

基于Hoek-Brown准则的破裂围岩应力分析

深部煤矿巷道在高围压的作用下,围岩普遍出现破裂,而且围岩破裂范围在扩大的同时,往往出现继续破坏的现象,并形成不同的分区.论文针对长的圆形巷道,将围岩分成破裂、塑性和弹性三个区域,采用Hoek-Brown准则,进行非关联弹塑性分析,获得了其应力和变形的封闭解析解,并说明该解析解是不唯一的.通过利用在弹塑交界处应力连续的条件、以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件,获得了确定围岩破裂区和塑性区半径的解析算式.最后,通过算例并分析了破裂区和塑性区应力和应变的分布特点、以及破裂区范围的影响.利用所获得的结果,可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据.     

不耦合爆破技术在高应力区域卸压效果

为了研究不耦合爆破技术在巷道高应力区域的卸压原理及效果，采用室内实验和现场验证相结合的方法开展了研究。研究结果表明:在承压试件的爆破实验中，爆破对承压试件具有明显卸压作用，但由于碎胀应力的存在使爆破后应力恢复速率有所升高，因此提出爆破与排粉预裂钻孔联合卸压方法。对现场高应力区域巷道帮部卸压效果进行验证的结果表明，该方法对缓解巷道近场高应力集中具有较好效果。     

天然围压下软弱层带的工程特性及当前研究中存在的问题分析

由于地壳岩体中三向地应力普遍以压应力方式存在,因而位于岩体中的软弱层带面上将受到三向主压应力引起的法向压应力（天然围压）的作用。本文研究了天然围压下软弱层带泥质物的工程特性与所受天然围压具有较好的对应性和相关性。指出了当前软弱层带工程特性研究中因忽视天然地应力条件而存在的问题。     

深部回采巷道围岩零应变交界圈现象的模型试验研究

以淮南矿区口孜东矿深部回采巷道为工程背景,采用真三轴模型试验装置模拟了从浅埋静水压力、深埋静水压力、初掘采动应力(K=1.5为1.5倍900m埋深静水压力,后同)到回采动压(K=2~3)等不同应力条件下,大、小两种尺寸的直墙拱形回采巷道围岩应变状态,获得了浅埋条件下巷道围岩浅部拉应变、深部零应变,以及深埋静水压力及初掘采动应力下,巷道围岩出现"零应变交界圈"现象及深埋回采高应力下非线性大应变的围岩应变特征。应变监测结果反映了深部回采巷道围岩变形破坏的动态演化过程,为巷道的稳定性控制提供了一定的思考。     

初应力条件下超临界CO2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程：应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律。通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理：位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著。裂隙的扩展速度与扩展距离呈“S型”曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小。     

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针对红透山深部断层下巷道围岩破坏诱发的涌水现象,以该矿水文地质条件 为基础,建立了岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统 (RFPA$^{\rm 2D}$-Flow)模拟研究了深部断层下巷道围岩破坏过程：裂隙形成、扩展到突水通 道最终贯通形成涌水的全过程. 通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化规律进行分析, 揭示了巷道应力重新分布诱发损伤及渗流涌水规律,对涌水通道进行模拟定位,为红透山铜 矿深部巷道支护防渗设计提供了科学依据.