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条带嗣后充填法开采缓倾斜矿床矿柱稳定性研究

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条带嗣后充填法开采缓倾斜矿床矿柱稳定性研究

作者：罗斌玉武汉科技大学

学位级别：硕士

条带嗣后充填法回采缓倾斜矿床,保证矿柱稳定是矿床安全开采的关键。以上横山矿床V3层矿体为研究对象,运用弹性应变能理论、岩石断裂力学理论及数值模拟等方法研究了两面临空下矿柱破裂区宽度计算问题,以此分析矿柱稳定性。基于弹性应... 详细信息

条带嗣后充填法回采缓倾斜矿床,保证矿柱稳定是矿床安全开采的关键。以上横山矿床V3层矿体为研究对象,运用弹性应变能理论、岩石断裂力学理论及数值模拟等方法研究了两面临空下矿柱破裂区宽度计算问题,以此分析矿柱稳定性。基于弹性应变能平衡原理,认为条带矿层中储存的应变能释放后全部转化为使板矿柱变形破坏的能量。由矿房开采前后能量平衡,推导了矿柱破裂区宽度解析表达式,建立了矿柱破裂区宽度计算模型,分析了矿柱破裂区宽度影响因素。根据岩石断裂力学理论,视矿房空区为无限大岩体垂直剖面中相隔一定间距的共线裂纹,分析了裂纹尖端应力场分布特征。以矿山地质参数为基础,绘制了矿体埋深在150～400m时应力强度变化曲线。依据莫尔库仑判据,推导了矿房围岩破坏范围的解析表达式,建立了矿房底板破坏深度计算模型。基于正交试验原理,选取埋深、采厚、矿房宽度和矿体抗拉强度、内聚力、内摩擦角两组参数作为矿柱破裂区主控因素,分别采用3因素3水平的正交表L9(34)进行方案设计,得到18种模拟试验方案。运用FLAC3D数值模拟计算了不同方案下矿柱破裂区宽度,试验结果表明矿柱破裂区宽度两组因素的敏感性排序分别为埋深>矿房宽度>采厚,抗拉强度>内摩擦角>内聚力。采用数值模拟方法,对上横山矿床矿房宽度分别为30m、25m、20m、15m、10m下对应不同矿柱宽度共15种方案进行模拟。由矿柱支承压力分布规律表明,除矿房矿柱宽度均为10m的回采方案外,其它方案开采矿柱支承压力分布为“圆拱形”或“马鞍形”分布。同时,除矿房矿柱宽度均为15m的回采方案外,其它回采方案回采塑性区贯通整个矿柱或发育至邻近矿体,对邻近矿体扰动大。结合矿柱破裂区宽度计算模型估算得到的矿柱宽度理论结果与数值模拟结果,选取上横山矿床矿房矿柱合理宽度均为15m时,矿柱围岩稳定性较好。研究可为条带嗣后充填法的矿房矿柱参数设计提供参考。

关键词：条带嗣后充填法缓倾斜矿床矿柱稳定性破裂区宽度

基于小波变换理论的岩石节理面粗糙度分级表征

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煤炭学报 2022年第7期47卷 2623-2642页

作者：元宙昊叶义成罗斌玉阎要锋武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 武汉科技大学湖北省工业安全工程技术研究中心湖北武汉430081 武汉理工大学土木与建筑工程学院湖北武汉430070

岩石节理面粗糙度的准确量化表征一直是节理岩体力学领域关注的热点问题。节理面表面形貌是多尺度的,且一阶、二阶起伏体对节理面粗糙度的形貌贡献存在差异,如何在考虑节理面多尺度特征的前提下实现粗糙程度的准确表征有待深入研究。基... 详细信息

岩石节理面粗糙度的准确量化表征一直是节理岩体力学领域关注的热点问题。节理面表面形貌是多尺度的,且一阶、二阶起伏体对节理面粗糙度的形貌贡献存在差异,如何在考虑节理面多尺度特征的前提下实现粗糙程度的准确表征有待深入研究。基于小波变换理论,提出了用于小波基优选的能-熵比准则,结合基于能量保持百分比及信号标准差定义的临界分解水平准则,形成了节理面形貌分解理论。然后,以节理面形貌分解理论为基础,以10条标准节理面粗糙度系数(JRC)曲线为对象,实现了标准曲线中一阶、二阶起伏体的准确分离。对一阶、二阶起伏体的统计参数(一阶导数均方根Z_(2)、节理面粗糙度指数R_(p)-1)进行了计算,分析了一阶、二阶起伏体统计参数之间的差异,揭示了标准曲线的统计参数随粗糙度增加而出现局部凸起现象的原因,建立了节理面粗糙度的分级表征公式。最后,开展节理面剪切试验对粗糙度分级表征公式的可靠性进行验证。研究结果表明:①基于小波基优选准则确立的最优小波基coif5可实现节理面表面形貌的小波变换处理;②基于临界分解水平判别准则确立的第4分解水平适用于一阶、二阶起伏体的识别;③节理面中一阶、二阶起伏体的统计参数存在差异,二阶起伏体的统计参数普遍大于一阶起伏体的统计参数,揭示了标准曲线的统计参数随粗糙程度的增加而出现局部凸起的主要原因是未考虑一阶、二阶起伏体的形貌贡献差异;④基于粗糙度分级表征公式得出的节理面粗糙度系数与节理试样剪切试验结果的反算值吻合,且准确度比未分级的表征公式要好,表明粗糙度分级表征公式是合理的。

关键词：小波变换粗糙度分解节理面粗糙度系数(JRC) 分级表征统计参数

基于量纲分析的缓倾斜空区顶板稳定性的影响规律研究

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岩土力学 2018年第11期39卷 4232-4241页

作者：姚囝叶义成王其虎岳哲罗斌玉武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室湖北武汉430081

缓倾斜薄-中厚矿床开采过程中,影响空区顶板稳定性的因素较多,多因素影响条件下的影响规律较为复杂且难以定量化。针对以上问题,以上横山矿为研究对象,根据单因素试验数值模拟结果确定了缓倾斜空区顶板拉应力最大值3max?和沉降量最大值m... 详细信息

缓倾斜薄-中厚矿床开采过程中,影响空区顶板稳定性的因素较多,多因素影响条件下的影响规律较为复杂且难以定量化。针对以上问题,以上横山矿为研究对象,根据单因素试验数值模拟结果确定了缓倾斜空区顶板拉应力最大值3max?和沉降量最大值maxZDISP的影响因素并分析了其影响特征,基于各影响因素的物理含义分别构建了3max?量纲模型和maxZDISP量纲模型;在此基础上,设计了缓倾斜空区顶板稳定性影响因素的数值模拟均匀试验,根据试验结果定义了顶板3max?和maxZDISP的无量纲函数关系式;选取了缓倾斜矿床空区顶板沉降的实例对maxZDISP无量纲函数关系式进行了验证,验证结果与实测值基本吻合,平均误差为9.68%,具有较好的应用价值。该成果可为缓倾斜矿床采矿参数的选取、空区顶板的管理等提供参考。

关键词：缓倾斜顶板稳定性拉应力沉降量纲分析

Mohr-Coulomb准则下倾斜矿柱稳定性的安全系数法

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煤炭学报 2018年第9期43卷 2408-2415页

作者：罗斌玉叶义成李玉飞罗甲渊陈虎武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室湖北武汉430081 贵州省六盘水市安监局贵州六盘水553001

地下矿床开采中,矿柱的稳定是矿床安全高效开采的基础,是采场作业人员的安全保障。以弹性力学理论为基础,分析正应力和剪应力共同作用下倾斜矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的应力圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包... 详细信息

地下矿床开采中,矿柱的稳定是矿床安全高效开采的基础,是采场作业人员的安全保障。以弹性力学理论为基础,分析正应力和剪应力共同作用下倾斜矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的应力圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之间的关系,建立了考虑矿体倾角及矿柱受正、剪应力共同作用下矿柱的安全系数解析式。应用该安全系数解析式能很好评价任意倾角矿柱的稳定性,并分析了水平矿体时,以安全系数评价的矿柱稳定性与实际矿柱稳定状态吻合。最后分析了应力圆圆心所在直线斜率tanβ、矿体倾角θ等因素对倾斜矿柱稳定性的影响。研究表明:应力圆圆心所在直线斜率tanβ是矿体倾角θ及侧压系数λ的二元函数,对每个侧压系数λ,tanβ均能取得一次最大值,且侧压系数λ值不同,tanβ取得最大值亦不同;当侧压系数λ∈[0,1]时,tanβ取得最大值时对应的矿体倾角θ∈[45°,90°];当tanβ取得最大值时,矿柱的安全系数最小,矿柱最容易失稳;随矿体倾角的增大,矿体安全系数呈现先减小后增大的变化趋势。

关键词： Mohr-Coulomb准则倾斜矿柱稳定性安全系数

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透明岩石相似材料配比试验研究

煤炭科学技术 2023年第6期51卷 52-61页

作者：胡南燕黄建彬罗斌玉刘兰心元宙昊武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 湖北省工业安全工程技术研究中心湖北武汉430081

针对传统岩石相似材料不透明而导致内部变形破裂过程无法直接观测的难题,使用透明材料制作相似模型是有效的解决方法。采用E-44型环氧树脂作为骨料,三乙醇胺作为固化剂,外加酒精松香饱和溶液(RSS)调节脆性,应用全面试验方法,研究了环氧... 详细信息

针对传统岩石相似材料不透明而导致内部变形破裂过程无法直接观测的难题,使用透明材料制作相似模型是有效的解决方法。采用E-44型环氧树脂作为骨料,三乙醇胺作为固化剂,外加酒精松香饱和溶液(RSS)调节脆性,应用全面试验方法,研究了环氧树脂与三乙醇胺质量比和RSS含量对透明岩石相似材料密度、单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量、抗拉强度、黏聚力和内摩擦角的影响规律。研究结果表明:环氧树脂与三乙醇胺质量比对材料抗压强度、弹性模量、抗拉强度、黏聚力和内摩擦角起主导作用,而RSS含量对相似材料的密度和峰值应变起主导作用。密度和峰值应变与环氧树脂与三乙醇胺质量比呈正相关,与RSS含量呈负相关。在环氧树脂与三乙醇胺质量比为3∶1时,试件的抗压强度与RSS含量呈负相关,而在其他比例时,抗压强度变化不显著。试件的弹性模量和内摩擦角与环氧树脂与三乙醇胺质量比呈正相关,在环氧树脂与三乙醇胺的质量比为3∶1时,试件的弹性模量和内摩擦角与RSS含量呈负相关,在其他比例时,则与RSS含量呈正相关。抗拉强度和黏聚力随着RSS含量的增加而降低,随着环氧树脂与三乙醇胺质量比的增加而先增加后减少。在同一环氧树脂与三乙醇胺质量比中,抗拉强度和黏聚力与RSS含量呈负相关。基于多元线性回归分析建立了透明岩石力学性能与环氧树脂与三乙醇胺质量比和RSS含量间的经验公式,为透明岩石相似材料配比提供借鉴参考。

关键词：透明岩石相似材料三乙醇胺环氧树脂配比试验力学参数

深部采场工作面围岩应力分布规律及围岩破坏范围研究

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金属矿山 2018年第6期47卷 11-19页

作者：耿宏波叶义成罗斌玉武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081

采场工作面地压显现规律分析和围岩稳定性控制是深部开采的研究热点。为研究工作面围岩应力分布规律以及工作面围岩破坏范围,基于断裂力学理论,将深部煤层开采工作面从开切眼推进一段距离时的采空区长度视为无限大岩体垂直剖面内一条裂... 详细信息

采场工作面地压显现规律分析和围岩稳定性控制是深部开采的研究热点。为研究工作面围岩应力分布规律以及工作面围岩破坏范围,基于断裂力学理论,将深部煤层开采工作面从开切眼推进一段距离时的采空区长度视为无限大岩体垂直剖面内一条裂纹,利用无限大薄板中裂纹周边受力分析方法对深部采场工作面围岩应力分布进行研究,得到了任意倾角煤层开采后工作面附近应力分布函数表达式,通过应力函数图像展现了煤层开采后应力变化规律。3个实际案例对比分析,得到应力理论计算结果与实测结果的最大相对误差为12.24%,且应力变化规律与实测结果吻合。最后通过岩石莫尔—库伦破坏准则得到了工作面边缘破坏距离的函数表达式以及采场底板破坏深度的函数表达式,并且编程试算了工作面前方围岩的最大破坏距离。研究结果表明:深部工作面围岩应力不是线性变化而是呈波动性变化;在一定条件下,深部采场工作面正前方围岩破坏距离与围岩内摩擦角、内聚力成反比,与煤层开采宽度及埋深成正比。研究结果可为地下深部工程设计提供应力及围岩破坏范围的初步估算,对深部卸压开采以及采场围岩控制提供理论指导具有重要意义。

关键词：深部开采工作面围岩应力分布破坏范围

基于Mohr-Coulomb准则的缓倾斜层状矿床矿柱强度估算及倾角效应

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岩土力学 2019年第5期40卷 1940-1946,1956页

作者：罗斌玉叶义成曹中王其虎李玉飞陈虎武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室湖北武汉430081 中国长江三峡集团公司三峡枢纽建设运行管理局湖北宜昌443133

矿柱强度是评估矿柱稳定性的重要因素之一,矿柱的稳定是地下矿床安全开采的基础。以弹性力学理论为基础,分析了缓倾斜层状矿床中矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的广义莫尔圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之... 详细信息

矿柱强度是评估矿柱稳定性的重要因素之一,矿柱的稳定是地下矿床安全开采的基础。以弹性力学理论为基础,分析了缓倾斜层状矿床中矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的广义莫尔圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之间的关系,建立了矿柱强度解析式,分析了莫尔圆圆心所在直线斜率tan_β随矿体倾角的变化特性,并结合数值模拟,研究矿体倾角效应对矿柱强度的影响。研究表明:应力圆圆心所在直线斜率tan_β是矿体倾角θ及侧压系数λ的二元函数,当tan_β取得最大值时,矿柱强度最小;当矿柱宽高比w_p/h_p保持一定且矿体倾角在5°～45°区间时,随着矿体倾角增大,矿柱强度逐渐减小。研究可为缓倾斜层状矿床矿柱强度估算提供参考。

关键词： Mohr-Coulomb准则缓倾斜层状矿床矿柱强度倾角效应

压剪复合受载下矿柱应力状态的Mohr圆分析与数值模拟研究

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岩土力学 2020年第S1期41卷 63-73页

作者：罗斌玉叶义成胡南燕李鹏程陈常钊武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 湖北省工业安全工程技术研究中心湖北武汉430081 武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室湖北武汉430081

倾斜矿体开采中矿柱的应力状态分析是确保矿体安全开采的重要工作之一。以岩体力学理论为基础,建立了压剪荷载作用下倾斜矿柱的力学模型,推导出表征压剪受载矿柱应力状态的广义Mohr圆方程,分析了矿体倾角、荷载对广义Mohr圆圆心位置及... 详细信息

倾斜矿体开采中矿柱的应力状态分析是确保矿体安全开采的重要工作之一。以岩体力学理论为基础,建立了压剪荷载作用下倾斜矿柱的力学模型,推导出表征压剪受载矿柱应力状态的广义Mohr圆方程,分析了矿体倾角、荷载对广义Mohr圆圆心位置及半径的影响,揭示了倾斜矿柱应力演化的3种路径,并证明了3种应力路径分别满足直线方程、圆方程和平面方程。针对矿柱的3种应力路径,提出相应的应力路径演化主控模式。基于Mohr强度理论,分析3种主控模式下的应力路径对矿柱稳定性的影响,阐释倾斜矿柱比垂直矿柱更容易失稳的原因。最后,采用数值模拟方法研究得到矿柱的应力状态与采用广义Mohr圆分析得到的结果一致,且压剪受载矿柱的破坏模式为非对称的沙漏状。研究结果可为倾斜矿柱的稳定性分析提供一种思路。

关键词：压剪复合受载倾斜矿柱应力状态广义Mohr圆

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缓倾斜矿层覆岩卸压带高度数值模拟研究

煤炭技术 2017年第1期36卷 98-100页

作者：罗斌玉叶义成罗甲渊李江华武汉科技大学资源与环境工程学院武汉430081 重庆大学资源与环境科学学院煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

基于岩层应力、渗透率等相关关系,分析岩层应力-渗透率关系函数,引入系数βii并定义其为岩层渗透相关系数,构建以渗透相关系数为参变量的卸压带高度指数预测模型。研究表明,在一定范围内卸压带高度随工作面推进而增加,且增加量逐渐减小... 详细信息

基于岩层应力、渗透率等相关关系,分析岩层应力-渗透率关系函数,引入系数βii并定义其为岩层渗透相关系数,构建以渗透相关系数为参变量的卸压带高度指数预测模型。研究表明,在一定范围内卸压带高度随工作面推进而增加,且增加量逐渐减小,卸压带高度有向某一定值靠近的趋势。

关键词：缓倾斜矿层卸压带高度数值模拟