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煤矿深井巷道掘进全过程围岩变形破坏原位测试

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岩土力学 2015年第12期36卷 3523-3530页

作者：周辉胡善超卢景景王竹春张传庆渠成堃李震中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室湖北武汉430071 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 兖矿集团济宁三号煤矿山东济宁272100

传统研究对于煤系地层巷道围岩的变形破坏监测均在掘进面后方进行,无法获得巷道掘进全过程的围岩变形,更缺乏对煤矿深井巷道掘进全过程中围岩变形破坏规律的认识。为此,针对济宁三号煤矿深井巷道,通过超前布置监测断面,首次获得了煤矿... 详细信息

传统研究对于煤系地层巷道围岩的变形破坏监测均在掘进面后方进行,无法获得巷道掘进全过程的围岩变形,更缺乏对煤矿深井巷道掘进全过程中围岩变形破坏规律的认识。为此,针对济宁三号煤矿深井巷道,通过超前布置监测断面,首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的围岩变形破坏规律;利用考虑体积应力的改进横观各向同性应变软化模型对巷道开挖全过程的围岩变形破坏特征进行分析。研究结果表明:在济宁三号煤矿七采区巷道地质条件下,浅部围岩的累计变形量和变形速率均大于深部围岩;巷道掘进全过程中,围岩变形随掘进面的推进经历了缓慢增长、迅速增长和变形稳定3个阶段;变形稳定后围岩松动圈深度约为1.0 m;巷道两帮围岩位移与破坏深度均在控制范围内,顶底板围岩破坏相对严重,并给出了相应解决方案。研究成果可为揭示煤矿深井巷道掘进围岩的变形破坏规律以及合理确定支护方案和参数提供重要的科学依据。

关键词：煤系地层深井巷道掘进全过程原位测试围岩变形破坏特征

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浅埋坚硬煤层工作面超前支护技术研究

煤炭工程 2014年第7期46卷 70-73页

作者：何富连薄云山李通达吴焕凯李二鹏孙运江李世俊中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

针对盛鑫煤矿浅埋坚硬煤层51101综采面超前支护区域巷道的支护技术难题,通过现场调研及工程类比等方法,对其围岩变形的影响因素及破坏特征进行了分析,并确定出工作面超前支护区域巷道支护参数。运用FLAC3D数值模拟软件,对支护前后巷道... 详细信息

针对盛鑫煤矿浅埋坚硬煤层51101综采面超前支护区域巷道的支护技术难题,通过现场调研及工程类比等方法,对其围岩变形的影响因素及破坏特征进行了分析,并确定出工作面超前支护区域巷道支护参数。运用FLAC3D数值模拟软件,对支护前后巷道围岩位移场变化进行对比分析,分析得出顶板最大下沉量及底板变形量收敛值明显降低,支护参数合理可行。现场实践表明:51101工作面超前支护区域围岩变形速度及围岩变形量都在安全合理范围之内,实现了矿井的安全高效开采,同时为相似工程地质条件下的超前支护技术提供一定借鉴。

关键词：工作面超前支护区域围岩变形破坏特征支护参数数值模拟

伏岩煤业松软煤层回采巷道围岩变形机理及控制技术研究

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伏岩煤业松软煤层回采巷道围岩变形机理及控制技术研究

作者：郭文庆中国矿业大学

学位级别：硕士

针对松软煤层巷道在相邻工作面回采期间出现剧烈破坏的难题,本文以山西伏岩煤业3109运输巷为研究背景,基于现场调研、实验室试验、理论分析、数值模拟以及现场工业性试验,对松软煤层回采巷道围岩变形机理及控制技术进行研究。主要成果如... 详细信息

针对松软煤层巷道在相邻工作面回采期间出现剧烈破坏的难题,本文以山西伏岩煤业3109运输巷为研究背景,基于现场调研、实验室试验、理论分析、数值模拟以及现场工业性试验,对松软煤层回采巷道围岩变形机理及控制技术进行研究。主要成果如下:(1)基于松软煤层巷道围岩变形破坏机理,构建矩形回采巷道围岩力学结构模型,通过围岩塑性区半径计算公式得出塑性区半径为5.23m。塑性区研究表明在围岩应力与巷道尺寸一定的条件下,塑性区半径主要受围岩强度和支护阻力的影响,但相对而言受岩体自身强度的影响更大。对于松软煤层来说,提高两帮煤体的粘聚力和内摩擦角即提高岩体自身强度可以有效的控制巷道的围岩稳定。(2)基于掘进与回采阶段巷道受力分析,通过FLAC数值模拟软件构建3109运输巷原支护模型,分析3109运输巷在掘进期间和相邻工作面回采期间应力、位移及塑性区特征。结果表明:3109运输巷在相邻工作面回采期间巷道围岩应力、变形量及塑性区都显著增高,顶底板的位移量增高到1427mm,两帮位移量增高到1424mm,煤柱侧的塑性区深度为5m,底板塑性区深度为3.3m。(3)基于松软煤层回采巷道变形破坏机理与变形破坏特征,提出采用注浆加固技术来控制松软煤层巷道围岩变形。结合松软煤层注浆加固承载机理和松软煤层巷道力学分析,得出当巷道两帮塑性区深度在注浆后减小时,巷道的等效宽度也会相应减小,巷道两帮的变形量以及底鼓量也随之减小。(4)结合现场实际情况,通过理论计算确定注浆参数,提出在巷道煤柱侧帮部采取注浆加固的方案。采用FLAC模拟软件对注浆加固模型进行模拟研究,结果表明采取注浆加固技术后巷道变形量大幅度降低,两帮位移量降低到290.71mm,降低了79.6%,顶底板移近量降低到299.04mm,降低了79.1%。(5)采用矿压监测、钻孔窥视以及力学测试等方法对现场工业性试验段围岩状态进行监测。结果表明试验段围岩完整性较好,浆液与围岩裂隙粘结程度良好,强度提高了40%以上。相比较于原支护条件巷道围岩变形量大幅度下降,巷道顶底板位移量减少了647mm,两帮位移量减少了757mm,围岩的变形程度低,巷道满足3109综采工作面回采需求。论文由图71幅,表11个,参考文献74篇。

关键词：松软煤层围岩稳定性分析围岩变形破坏特征注浆加固

多次采动影响下大巷群围岩变形机理及全断面协同控制技术研究

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多次采动影响下大巷群围岩变形机理及全断面协同控制技术研究

作者：张鸿志太原理工大学

学位级别：硕士

近年来,我国原煤占一次能源生产总量的比重整体呈降低趋势,但直到2021年,我国原煤占一次能源生产总量的比重依然高达67%,而且由于一次能源生产总量持续增长,虽然原煤所占比重下降,其产量却在持续增加。由于矿类资源的有限性,现已开采区... 详细信息

近年来,我国原煤占一次能源生产总量的比重整体呈降低趋势,但直到2021年,我国原煤占一次能源生产总量的比重依然高达67%,而且由于一次能源生产总量持续增长,虽然原煤所占比重下降,其产量却在持续增加。由于矿类资源的有限性,现已开采区域内的浅部煤炭总量逐渐降低,煤炭开采深度由浅部向中深部递进。在此情景下,由于岩体应力水平普遍增加,应力构成复杂,巷道与工作面的掘采活动产生的采动应力会使得围岩的稳定性控制更加困难。对于服务周期长、生产任务重的采区大巷而言,合理、高效的围岩控制方式才能保证井下的安全生产。本文以某矿31采区大巷群工程地质条件为背景,对受多次采动影响下的大巷群围岩变形破坏机理与稳定性控制进行研究。31采区大巷群属于开拓巷道,在采区工作面回采布置前,大巷群已完成支护加固措施,支护效果较好,围岩保持稳定。而当采区大巷群两侧工作面顺序回采时,工作面的采动应力随着推进距离的增加逐渐影响大巷群的围岩稳定性。同时,大巷群两翼四个工作面的依次回采,导致采场应力相互叠加,应力传递复杂,对三条大巷围岩造成了不同程度及不同形式的破坏。现场观测发现,31采区大巷群巷道围岩在两翼回采期间松动圈较大,属于工程软岩范畴,且大巷群受原始地应力分布影响,导致两侧工作面顺序采动期间,巷道围岩变形愈加难以控制。本文主要研究结论如下:(1)在3116工作面回采完成后,通过钻孔窥视观测大巷群顶板围岩节理、层理,以及围岩内部裂隙发育情况,观测发现大巷群顶板3m范围内围岩破碎,顶板3～8m范围内裂隙发育,围岩整体较差,8m以上范围围岩稳定性较好。对大巷群范围内进行地应力测试发现,31采区大巷群顶板最大水平主应力在17.93-19.06MPa之间,垂直应力在14.67-15.89MPa之间,最小水平主应力在8.34-8.67MPa之间,最大水平主应力的方向范围为N44°E～N53°E。31采区大巷群所处地应力水平已经接近高应力区。(2)对大巷群在工作面回采期间的围岩变形量进行监测,31采区大巷群原始矿压监测数据显示,大巷群具有在工作面回采期间围岩变形量大、变形速度快,胶带、回风大巷围岩两帮不对称变形严重;大巷围岩应力增大、支护构件大量失效;围岩变形破坏形式多样化的变形特点。(3)对3113工作面的超前支承压力及胶带大巷围岩应力进行分析,理论分析计算得出,胶带大巷不受回采扰动的最小范围为58.04m,此范围已超出护巷煤柱宽度。对工作面采空区上覆岩层变形破断特征、采动应力对大巷群的影响机理进行研究,得出大巷群围岩变形破坏的主要原因是工作面的开采引起采空区上覆岩层发生垮落破断,采空区周围岩层应力重新分布,该应力向工作面前部传递时形成超前支承应力场,工作面推进到一定距离时,引起大巷群围岩的应力分布变化,工作面前方应力及大巷群围岩应力场不断演化,应力水平逐渐升高。整理分析得出大巷群范围的地应力条件,原支护方式不合理、强度低,大巷围岩力学性质差等其他条件是导致大巷群围岩变形破坏的综合性因素。(4)利用数值模拟软件建立了31采区大巷群及其围岩的采掘模型,模拟研究了其两侧工作面依次回采期间大巷围岩应力场、工作面超前支承应力场、围岩应力水平、位移量、塑性区和破坏形式的变化。研究发现,在两侧工作面回采期间,大巷群围岩顶板应力所受采动影响最大,胶带、回风大巷两帮应力变化具有不对称性,靠近工作面帮侧应力高于另一侧,大巷群围岩普遍出现底板塑性区增大,破坏深度增加的现象。(5)受多次采动影响的巷道群变形具有以下特征:在两侧工作面回采期间,距离单侧工作面最近的巷道所受采动影响最大,主要表现为围岩两侧应力分布不平衡,工作面侧肩拱部及另一侧巷帮底角范围受剪切力作用变形破坏范围较大,中部巷道所受影响较小,但其围岩应力水平也逐渐升高,应力分布较为对称,巷道与工作面、巷道与巷道之间的底板围岩塑性区范围增大,底臌问题突出。(6)通过分析多次采动影响下巷道围岩破坏特征以及围岩塑性区扩展原理,并基于全断面协同控制技术,提出了锚杆索喷+帮锚索+底板卸压联合支护方案(方案一)及注浆锚杆索喷+底板卸压加固联合支护(方案二)两种方案。通过轨道大巷某修复段工业实验效果评价发现,采用优化方案二的巷道修复段围岩变形在控制在17.3mm以下,在优化方案二支护下的围岩变形量为未修复段的8%左右,是采用优化方案一修复段的19.5%,在方案二全断面注浆加固的条件下,围岩变形得到有效控制。

关键词：多次采动围岩变形破坏特征应力场演化全断面控制

基于FLAC^(3D)对围岩试件开挖卸荷效应的数值模拟研究

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华北科技学院学报 2023年第2期20卷 60-65页

作者：李小瑞葛鑫吴振楠贾莉娅钟琴张晏铭防灾科技学院地质工程学院北京东燕郊065201

为了探明隧道围岩在开挖卸荷条件下的变形及破坏特性,本文运用FLAC^(3D)建立天然砂岩围岩试件模型,在维持其他条件不变以开挖内径和初始围压两个因素为变量模拟了围岩试件开挖卸荷的过程,获得了开挖内径和初始围压对围岩卸荷变形和破坏... 详细信息

为了探明隧道围岩在开挖卸荷条件下的变形及破坏特性,本文运用FLAC^(3D)建立天然砂岩围岩试件模型,在维持其他条件不变以开挖内径和初始围压两个因素为变量模拟了围岩试件开挖卸荷的过程,获得了开挖内径和初始围压对围岩卸荷变形和破坏特性的影响规律。结果表明:随着开挖内径的增加,围岩试件内外侧的位移都逐渐增大,围岩试件中部慢慢呈现沿卸荷方向向内凸的趋势。初始围压越大,卸荷结束点越靠后,即卸荷前围压越大,卸荷释放的能量越大,需更多的卸荷步,变形就越大。

关键词：数值模拟 FLAC^(3D) 围岩试件开挖卸荷围岩变形破坏特征