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厚硬顶板采场诱发逆断层失稳的力学机制研究

煤炭科学技术 2024年

作者：余伟健郭涵潇李可廖泽吴根水潘豹湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室贵州理工学院矿业工程学院

为了研究厚硬顶板条件下工作面逆断层的失稳力学机制，通过断层边界煤柱尺寸、断层倾角及岩层移动角三者关系，确立了采场覆岩移动区与断层面之间的空间关系模型。通过采场覆岩各岩层移动角建立了覆岩岩层移动线方程，结合断层倾角得出... 详细信息

为了研究厚硬顶板条件下工作面逆断层的失稳力学机制，通过断层边界煤柱尺寸、断层倾角及岩层移动角三者关系，确立了采场覆岩移动区与断层面之间的空间关系模型。通过采场覆岩各岩层移动角建立了覆岩岩层移动线方程，结合断层倾角得出了不同层位岩层移动线与断层面之间的距离函数公式，精确划定了断层面与岩层移动线的边界过渡区范围。基于岩层抗拉强度建立了断层边界岩块的极限平衡方程，给出了断层倾角小于岩层移动角情况下，边界岩块力学失稳判据，并通过力矩平衡方程建立边界岩块的偏转失稳判据。以现场案例为基础，采用双判据确定了断层倾角小于岩层移动角情况下的逆断层的活化岩层区域，确定了断层面的活化规律与离层空间分布情况。理论分析了逆断层边界条件的围岩变形破坏机理，试验模拟了断层区域采场岩层的整体运移规律，全面计算探究了厚硬顶板条件下逆断层区域采场围岩的力学与位移变化模式。结果表明：逆断层在厚硬顶板破断前发生活化；断层小于岩层倾角情况下，断层面离层空间主要分布在厚硬顶板区域的弯曲下沉带；与断层面产生离层空间的岩层竖向裂隙空间显著减少；与断层面产生离层空间的岩层对采空区空间的向上传递效率显著提高；可以通过优化断层保护煤柱尺寸来维持断层围岩的稳定；双判据模型从理论层面给出了断层边界保护煤柱的尺寸取值依据，为现场的保护煤柱宽度提供最优解。

关键词：断层活化厚硬顶板岩层移动线非连续边界条件极限拉应力失稳判据

等效非均匀荷载条件下梯形截面岩石力学特性试验研究

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采矿与岩层控制工程学报 2024年第3期6卷 104-113页

作者：余伟健潘豹吴根水郭涵潇湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

基于巷道开挖过程中围岩应力转移分布特点,着重探究非均匀荷载下岩体变形规律。提出了新的岩石力学试验方法,该方法根据岩石应力–应变曲线,加工出特定的梯形截面试件及相应的刚性垫片,以实现单轴压缩时的轴向荷载非均匀分布。计算了梯... 详细信息

基于巷道开挖过程中围岩应力转移分布特点,着重探究非均匀荷载下岩体变形规律。提出了新的岩石力学试验方法,该方法根据岩石应力–应变曲线,加工出特定的梯形截面试件及相应的刚性垫片,以实现单轴压缩时的轴向荷载非均匀分布。计算了梯形截面试件压缩时荷载分布与截面高度的关系,并对试验条件下的试件应力分布与岩石状态分区进行讨论,在右侧面高度为75 mm时试件破坏前左侧面处于塑性变形阶段,在右侧面高度为85 mm时试件破坏前左侧面仍处于弹性变形阶段。得到了非均匀荷载压缩条件下单一完整岩体的变形特性;梯形截面砂岩破坏前有明显的分区,各点位塑性硬化程度不一致,S85试件点位3右侧处塑性硬化程度最大,S75试件点位2右侧处塑性硬化程度最大。试验结果表明,非均匀荷载压缩条件下的岩石呈非线性变形特征;同时,岩石局部的损伤会加快附近岩石的塑性软化。提出了非均匀荷载条件下不同竖向截面内轴向应变差会引起附加切应力,附加切应力在中性面上、下方向相反,大小与应变变化率成正相关。在附加切应力作用下,岩石单元最大剪应力平面角度增大,试件破坏形态由原本对“核”形态转变为沿着斜面倾向拉长的相对棱台状。

关键词：岩石力学非均匀荷载单轴压缩 CT扫描变形与破坏

多重断层条件下采场巷道围岩变形与应力分布规律

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矿业安全与环保 2024年

作者：赵沁彬余伟健潘豹周明娟齐耀斌刘雨清湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室

为了了解断层带采场巷道围岩变形与应力分布规律，给维持此类巷道围岩稳定性提供参考，本文通过理论推导“断层带采场巷道回采阶段理论力学模型”，结合数值模拟研究了断层附近采场巷道在工作面推进过程中的应力、塑性区分布以及巷道顶... 详细信息

为了了解断层带采场巷道围岩变形与应力分布规律，给维持此类巷道围岩稳定性提供参考，本文通过理论推导“断层带采场巷道回采阶段理论力学模型”，结合数值模拟研究了断层附近采场巷道在工作面推进过程中的应力、塑性区分布以及巷道顶部和两侧围岩变形规律。结果显示：断层带采场巷道围岩变形及应力分布规律与断层位置有关；巷道围岩受采动影响，最大主应力逐渐增大且集中于断层处，塑性区范围扩大，范围为5m左右，在左肩角发生剪拉破坏；巷道顶板松动影响范围为4m，距离巷道表面越远，下沉量越小；巷道两帮围岩越接近巷道表面，位移越大；断层上盘围岩在断层影响下，垂直位移增大，水平位移几乎为0。

关键词：断层数值模拟采场巷道围岩变形应力分布

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槽波勘探技术在巷道顶板破碎带探测中的应用

矿业工程研究 2024年第1期39卷 1-5页

作者：廖泽冯涛余伟健孙广京湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 彬县水帘洞煤炭有限责任公司陕西咸阳713500

为进一步探测陕西水帘洞煤矿ZF3806工作面回采巷道顶板围岩的破裂状态,指导回采期间巷道加强支护,对工作面煤层及其顶底板岩石进行超声波波速测定,并采用槽波地震勘探技术对该工作面进行透射槽波探测.研究结果表明,4号煤层与其顶底板岩... 详细信息

为进一步探测陕西水帘洞煤矿ZF3806工作面回采巷道顶板围岩的破裂状态,指导回采期间巷道加强支护,对工作面煤层及其顶底板岩石进行超声波波速测定,并采用槽波地震勘探技术对该工作面进行透射槽波探测.研究结果表明,4号煤层与其顶底板岩层的波速存在明显差异,为槽波勘探提供了物理基础;透射槽波CT成像解释槽波能量异常区域6个,判定异常区域破碎度大,裂隙较发育,建议在工作面回采过程中对异常区域的巷道顶板进行加强支护,保证工作面的安全回采.

关键词：槽波勘探破碎带透射槽波 CT成像

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岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律

煤炭学报 2022年第3期47卷 1155-1167页

作者：余伟健潘豹李可沈文兵湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点,探究煤岩体变形规律,根据不同岩层组合的力学性质,系统分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验,分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律,结果表明:组... 详细信息

基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点,探究煤岩体变形规律,根据不同岩层组合的力学性质,系统分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验,分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律,结果表明:组合体强度受中间煤体高度影响,试件单轴抗压强度随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体被挤出破坏。组合体试件破坏受煤体部分主导,两端砂岩对中间煤体起约束作用从而提高煤体强度,煤体中部受到其约束最小,且随着煤体高度的增加,所受影响迅速衰减。通过室内单轴加载与颗粒流等方式分析组合体裂隙发育全过程,结果表明,组合体裂隙发育的过程可分为4个阶段:裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段。煤体内部缺陷的存在与其自身较低的强度,导致组合体微裂隙最初于煤体内部生成(在煤体高度非常小时,裂隙自砂岩内部产生);随着试件荷载增大,随机分布在煤体的裂隙相互贯通并向砂岩部分延伸最终造成破坏;且最初的裂隙主要是轴压与端面效应产生的剪切裂纹,在加载至试件单轴抗压强度的80%左右时,试件内部张拉裂隙开始快速发育,组合体开始丧失强度。

关键词：岩石力学煤岩组合体裂隙演化单轴压缩 PFC模拟

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煤巷弱胶结顶板稳定性分析与变形控制技术

岩土力学 2022年第S2期43卷 382-391页

作者：余伟健李可刘泽郭涵潇安百富王平湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室湖南湘潭411201 贵州理工学院矿业工程学院贵州贵阳550003

煤层顶板为弱胶结岩体时稳定性差,常在煤炭回采过程中或巷道掘进时发生大变形或失稳等现象,维护难度较大。针对煤巷弱胶结粉砂岩顶板力学特征与变形控制等问题,以广西林场煤矿煤巷弱胶结粉砂岩顶板支护工程为工程背景,采用现场调研、实... 详细信息

煤层顶板为弱胶结岩体时稳定性差,常在煤炭回采过程中或巷道掘进时发生大变形或失稳等现象,维护难度较大。针对煤巷弱胶结粉砂岩顶板力学特征与变形控制等问题,以广西林场煤矿煤巷弱胶结粉砂岩顶板支护工程为工程背景,采用现场调研、实验室试验、理论分析等方法进行研究。通过现场调研,发现研究巷道有顶板岩层自承能力差、受水环境影响、支护结构失效率高、底板受水影响底鼓量大、受采动影响等特征;顶板岩石点荷载试验表明,其单轴抗压强度仅为1.9~2.3MPa,采用电镜扫描发现,弱胶结粉砂岩以粗粒矿物为骨架;在普氏理论的基础上,推导了巷道顶板和两帮承压极限表达式,提出了提高巷道围岩整体强度和承载能力、确定合理的锚杆支护参数、顶板设计锚索加强支护等弱胶结巷道围岩控制要点。依据试验分析与理论研究成果,提出了以注浆加固为基础,锚杆和锚索联合支护的控制方案,并在林场煤矿进行了工业性试验。现场监测数据表明,设计的支护方案可以有效地控制煤巷弱胶结粉砂岩顶板变形。

关键词：回采巷道弱胶结顶板围岩稳定性注浆加固联合支护技术

不同应力加载速率下深埋泥岩力学特性与扩容特征试验研究

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煤炭学报 2023年第9期48卷 3360-3371页

作者：李可余伟健廖泽郭涵潇潘豹 KHAMPHOUVANH Viengvilay 杨杰湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 贵州理工学院矿业工程学院贵州贵阳550003 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室湖南湘潭411201

岩石工程的损伤破坏过程和其扩容现象密不可分,扩容是岩石在偏应力超过屈服极限后表现出的体积增大的现象。为了进一步研究深埋泥岩扩容现象,对矿山现场钻取的埋深近1 300 m的岩石试样做了系列试验,包括XRD衍射试验、SEM电镜扫描试验和... 详细信息

岩石工程的损伤破坏过程和其扩容现象密不可分,扩容是岩石在偏应力超过屈服极限后表现出的体积增大的现象。为了进一步研究深埋泥岩扩容现象,对矿山现场钻取的埋深近1 300 m的岩石试样做了系列试验,包括XRD衍射试验、SEM电镜扫描试验和不同加载速率下(0.1、0.5、2.0和5.0 kN/s)的单轴压缩变形试验等。结果表明:泥岩成分以长石为主,岩石内部各矿物成分分布不均匀,长石呈条带状分布,其间填充其他矿物,填充物以绿泥石为主。在不同的加载速率下,各试样轴向应力-应变曲线属典型的塑-弹-塑性曲线,有明显的压密过程,加载速率越小,压密过程越明显,即曲线越平缓。进入弹性阶段后,加载速率越大,曲线斜率越大,即平均弹性模量越大。采用单因素方差分析方法对各组数据进行了差异显著性检验,结果显示试验加载速率(Vload)和泥岩岩石单轴抗压强度(σ_(c))、平均弹性模量(E)、最大轴向应变(ε_(a,max))、最大径向应变(ε_(d,max))、扩容起始应力(f^(*))、扩容起始应力与单轴抗压强度比值(f^(*)/σ_(c))有关联关系,和试样最大体积应变(ε_(V,max))、扩容起始体积应变与最大体积应变比值(ε_(V,d)/ε_(V,max))无关联关系。加载速率越大,测试得到的泥岩岩石单轴抗压强度、平均弹性模量越大,加载速率由0.1 kN/s增大50倍至5.0 kN/s时,测得单轴抗压强度均值由26.8 MPa增大至36.5 MPa,平均弹性模量均值由3.5 GPa增大至5.9 GPa。加载速率越大,最大轴向应变和最大径向应变均越小,轴向和径向应变率均越大,即加载速率越大,泥岩岩石在未充分变形的情况下发生破坏的可能性越大。加载速率越大,试样扩容起始应力、试样扩容起始应力与单轴抗压强度比值越小,即试样加载荷载速率越大,越容易进入体积扩容阶段。认为泥岩强度参数、变形与扩容参数有显著的应力加载速率依赖性。

关键词：应力加载速率深埋泥岩力学强度扩容特征

近距离煤层瓦斯抽采覆岩应力—裂隙场演化规律研究

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矿业安全与环保 2023年第3期50卷 48-55页

作者：唐建华吴吉南余伟健湖南理工职业技术学院湖南湘潭411104 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 中煤平朔集团有限责任公司生产技术管理中心山西朔州036006

为解决近距离煤层工作面回采过程中,相邻煤层瓦斯易从导通的采动裂隙带大量涌入工作面,带来瓦斯超限等安全问题,以山西小回沟煤矿近距离煤层开采为研究对象,采用相似模拟试验和现场试验研究了该矿03^(#)、2^(#)煤层在重复采动影响下围... 详细信息

为解决近距离煤层工作面回采过程中,相邻煤层瓦斯易从导通的采动裂隙带大量涌入工作面,带来瓦斯超限等安全问题,以山西小回沟煤矿近距离煤层开采为研究对象,采用相似模拟试验和现场试验研究了该矿03^(#)、2^(#)煤层在重复采动影响下围岩应力—裂隙演化特征规律,圈定了采场上覆岩层裂隙带范围,确定了抽采钻孔合理位置,提高了瓦斯抽采效果。试验结果表明:03^(#)煤层回采时,工作面推进至33、50 m时,离层最大发育高度分别为4、14 m,随工作面推进,离层最大发育高度为28 m;02^(#)煤层在03^(#)煤层裂隙带范围内,裂隙形成了瓦斯运移通道;工作面推进33 m时,开切眼后方覆岩支承压力增高,压力集中系数约为1.6,开切眼与工作面之间出现卸压区,工作面前方出现应力增高区,压力集中系数约为1.6,随着推进距离的增加,支承压力集中系数增加至2.74;2^(#)煤层回采时,采空区两端出现明显的竖向裂隙,与03^(#)煤层原有裂隙相贯通,并扩大贯穿至模型顶部,覆岩支承压力集中系数由2.55下降至1.95。现场试验中,将2201工作面高位钻孔终孔控制在采空区上方30~35 m裂隙发育区,回风巷瓦斯浓度由0.78%降至0.35%,取得了良好的瓦斯治理效果。

关键词：近距离煤层相似模拟采动应力裂隙演化高位钻孔

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巷道开挖效应下围岩损伤演化规律及试验研究

地下空间与工程学报 2022年第5期18卷 1615-1622页

作者：任恒朱永建王平余伟健李鹏湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

为了研究巷道开挖卸荷引起的围岩损伤演化规律及力学响应机制,采用RMT-150试验机开展了白砂岩试件三轴加载-卸载-单轴再加载力学特性试验,建立了岩石三维损伤本构模型。根据损伤岩石单轴加载应力-应变曲线,分析其破坏模式,确定了单轴再... 详细信息

为了研究巷道开挖卸荷引起的围岩损伤演化规律及力学响应机制,采用RMT-150试验机开展了白砂岩试件三轴加载-卸载-单轴再加载力学特性试验,建立了岩石三维损伤本构模型。根据损伤岩石单轴加载应力-应变曲线,分析其破坏模式,确定了单轴再加载强度、波速与初始轴压加载比的非线性关系。结果表明:(1)三轴应力作用下,岩石损伤演化过程分为5个阶段,即损伤稳定减小阶段、无损伤阶段、损伤稳定增长阶段、损伤加速增长阶段、损伤破坏阶段;(2)单轴再加载强度、波速与初始轴压加载比呈现3次非线性相关关系,从环向应变规律来看,损伤岩石表现出塑性硬化和塑性软化两种状态;(3)损伤岩石以张拉破坏为主,随着损伤变量值增加,破坏形式逐渐向剪切滑移破坏转化。通过对岩石损伤演化规律的研究,为工程围岩稳定性判别及预警提供理论依据。

关键词：开挖卸荷损伤演化单轴再加载初始轴压加载比破坏形式