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煤炭学报 2016年第12期杂志 文档列表

深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究2921-2931

摘要：针对深部高应力巷道围岩大变形难以控制的问题,采用Kastner等相关理论,研究了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形的影响,揭示了其变形难以控制的力学本质,提出了巷道围岩稳定性控制新的支护理念。深部高应力巷道围岩大变形主要来自于两部分:1巷道周边浅部破碎围岩的扩容与剪胀等非连续性变形;2高应力致使巷道围岩产生的以塑性变形为主的连续性变形。研究表明:目前的支护水平对巷道围岩的连续性变形影响十分有限,总是存在一部分变形量无法控制,即深部巷道围岩存在“给定变形”。为实现巷道围岩稳定控制,降低支护成本,巷道围岩支护理念应由变形控制向稳定控制转变,确保巷道围岩均匀、协调变形,消除冒顶与片帮等不安全隐患,增强巷道围岩整体性与稳定性。因此,对于深部高应力巷道围岩稳定性控制,可在巷道掘进时预留一定的变形空间以容纳围岩部分“给定变形”,支护结构应具有一定的连续性变形能力,又能持续提供较高的支护阻力,以维持巷道围岩的完整性与稳定性,保障巷道围岩的均匀、协调变形。工程实践结果表明:考虑预留变形并采用“可接长锚杆+刚性长螺纹钢锚杆+锚网+W钢带+喷射混凝土”综合控制技术为主,并辅以可接长锚杆强化顶板支护方案可较好控制巷道围岩的稳定性,保障了巷道服务期间的安全使用。

大变形回采巷道蝶叶型冒顶机理与控制2932-2939

摘要：大变形回采巷道冒顶控制问题一直以来是制约煤矿安全高效回采的重大难题,根据巷道围岩蝶形塑性区理论,以保德矿大变形回采巷道围岩非均匀破坏为背景,分析了回采巷道采动应力场的非均匀演化规律及其作用下的塑性区形态特征。研究表明:1高偏应力环境下巷道围岩塑性区会呈现蝶形分布,蝶形塑性区具有方向性,蝶叶位置会随着主应力方向的变化而改变;2受采动影响后,回采巷道围岩中会产生较大偏应力,且最大主应力方向向回采工作面一侧发生倾斜偏转,使蝶叶位于巷道顶板;3顶板蝶叶内岩石遭到严重破坏,同时伴有巨大膨胀压力和强烈变形,当锚杆(索)不能承受蝶叶内围岩重量时,巷道便发生蝶叶型冒顶。提出采用接长锚杆控制大变形巷道蝶叶型冒顶的方法,现场应用效果良好,为大变形回采巷道冒顶控制提供了新手段。

深部矿井动压回采巷道围岩大变形破坏机理2940-2950

摘要：针对深部动压回采巷道的大变形失稳破坏及其控制难题,建立了深部动压环境下圆形巷道力学模型,导出了塑性区边界隐性方程式。在此基础上,对深部动压巷道塑性区形态演化规律进行深入分析,阐明了第I类及第II类蝶形塑性区形成的力学条件,界定了塑性区恶性扩展及其临界的定义,揭示了深部动压回采巷道的变形破坏机理。结果表明,开采动压影响比常规条下围岩更易产生蝶形塑性区,且蝶叶发育尺寸、塑性破坏范围更大。随着动压影响的增强,巷道区域应力场成为超常规的超高应力场,巷道顶底、两帮的塑性破坏进一步向深部扩展,变形加剧,致使塑性区恶性扩展,最终造成围岩大变形破坏。对于深部动压回采巷道的设计、支护应充分考虑如何避免或降低动压的影响,改善围岩应力环境,减小蝶叶塑性破坏深度,以便更好地维护巷道。

基于塑性扩张的岩石变参数蠕变损伤模型与工程应用2951-2959

摘要：为研究岩石蠕变损伤过程与围岩塑性区扩展之间的内在联系,建立基于塑性扩张的变参数蠕变损伤模型(BNMC模型),该模型认为岩石塑性屈服面随蠕变时间动态变化,在σ-τ空间内,强度包络线随蠕变时间的增加而逐渐内移。采用线性插值法对该模型各蠕变参数进行处理,获得任意连续偏应力水平对应的蠕变模型参数,从而实现BNMC模型的数值化。采用该模型对金川二矿区-1 098 m水平中段下盘运输巷的蠕变变形进行数值模拟,对比研究未支护裸巷和喷锚支护巷道的蠕变变形规律。研究发现,未支护裸巷围岩塑性区边界不是一成不变的,而是随时间的发展,塑性区边界逐渐向外扩张,围岩承载力逐渐下降,从而导致围岩加速蠕变显现,巷道蠕变失稳;通过对喷锚支护巷道的蠕变数值模拟结果和多点位移计实测结果的对比,发现数值模拟曲线与实测曲线在走势上基本吻合,但在量值上实测蠕变位移值要略大于数值模拟结果;由于支护与围岩的相互作用,支护在一定程度上改变了围岩的偏应力状态和位移,阻止了围岩塑性区边界扩张,喷锚支护巷道在0~200 d的蠕变计算时段内,未呈现出加速蠕变性态。

砂岩试件加载-卸荷-加载损伤弱化试验分析2960-2967

摘要：为研究深部巷道围岩开挖和回采全过程中岩体强度的弱化规律,通过对砂岩试件进行不同加载速率的单轴加载、不同围压的三轴加载以及不同程度的三轴加载-卸荷-单轴加载试验对砂岩试件在加载、卸荷和再加载过程中的损伤、弱化机理进行研究。结果表明:试件的峰值强度与加载速率之间呈幂函数关系,与围压之间呈线性关系,加载速率和围压越大,砂岩试件强度越高。砂岩在三轴加载-卸荷-单轴加载时试件最终破坏形态与其受载历史无关,与岩石的最终受力状态相关。岩石的最终强度与其受载速率、围压大小和加卸-载扰动等受载历史相关,初始轴压越大加载速率越小试件的初始损伤越大,卸载后再加载的最终强度越小。此外,提出了基于能量密度的岩石损伤度指标和一种基于加载过程状态的强度弱化计算方法,经计算验证该方法是可行的。

冻结立井爆破冻结壁成形控制与井壁减振研究2975-2985

摘要：控制爆破动载荷对冻结管、冻结壁及井壁的扰动和破坏是冻结井筒施工的重要环节。以万福矿井筒掘进工程为依托,采用周边眼普通光面爆破、半圈切缝药包和整圈切缝药包3种形式,运用多重分形理论,提取了3种条件下冻结壁成形图像多重分形谱特征参数;利用频率切片小波实现了3方案下不同频带信号重构;通过小波包算法对井壁爆破振动进行了监测分析,获取了相应信号频带能量分布。结果表明:多重分形谱可用来客观评价切缝药包对冻结壁的护壁作用;井壁振动信号主频较地面爆破振动高,通常在150 Hz左右;随着频率的升高,井壁振动信号振幅和能量都不断降低;在低频段(0~250 Hz),相对于周边眼普通光面爆破,半圈切缝药包能量降低了41.54%,整圈切缝药包能量降低了52.42%,切缝药包在低频段具有显著的“吸能”作用;在中频段(300~500 Hz),由于半圈切缝药包装药能量释放不均衡及井筒结构体非严格对称导致频带能量出现了“选择放大”效应;在高频段(700~900 Hz),能量沿高程“区域集中”现象说明切缝药包的减振效果更多地体现在爆破近区。验证了切缝药包的减振和对冻结壁的护壁作用。

巷道围岩应力壳力学特征与工程实践2986-2992

摘要：综合采用数值模拟、理论分析和现场观测,深入研究了巷道围岩力学特征及其对围岩稳定性的影响规律。研究发现,巷道开挖后围岩存在连续包络的高应力束组成的应力壳,巷道处于应力壳内的低应力区,巷道围岩矿压显现受控于应力壳的存在及其空间演化;巷道围岩应力壳的空间分布对巷道围岩稳定性有关键性影响,且存在“稳定”和“非稳定”两种形态,维护巷道围岩稳定性的实质是保证巷道围岩应力壳形态的稳定;通过科学的巷道布置和有效的支护手段“控制围岩最小变形”,优化围岩应力壳形态是保证巷道围岩稳定性的关键所在。研究和工程实践均表明:巷道轴向与最大水平主应力方向平行时易维护,在于巷道围岩中易形成稳定态应力壳;两者垂直时巷道难于维护,在于巷道围岩中易形成非稳定态应力壳。揭示了最大水平主应力方向对巷道围岩稳定性影响的内在力学本质。

大倾角煤层长壁开采空间应力拱壳形态研究2993-2998

摘要：大倾角煤层特殊的赋存条件,造成在大倾角煤层开采中顶板空间应力场的演化规律、顶板破断垮落后所形成的围岩结构等较缓倾斜煤层开采时异常复杂,导致维持顶板稳定性的难道加大。基于大倾角煤层开采物理相似材料模拟实验和数值仿真结果,分析了在大倾角煤层开采中围岩结构的基本特征和应力拱壳的基本特性,认为非对称空间应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后,上覆岩层在自我组织能力作用下所形成的主应力迹线的空间展布形态,空间应力拱壳沿走向对称,沿倾向非对称,且当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳中间区域沿倾向的形态基本保持不变。据此,在考虑冒落矸石非均匀充填效应的基础上,建立了沿倾向和沿走向的三铰拱力学模型,推导给出了沿倾向非对称拱和沿走向对称拱的轴线方程,并通过算例对研究结果进行验证。结果表明,文中给出的轴线方程能较好的描述采场空间应力拱壳的基本形态;当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳沿走向两端对称区域的形态基本保持不变;沿走向对称应力拱的拱高和跨长在倾斜方向上呈先增大后减小的趋势;最大垮落高度在倾向方向的中上部区域,该区域走向应力拱的跨长和拱高也最大。

黏结刚度对预应力锚杆支护效用的数值分析2999-3007

摘要：为明确黏结刚度对层状顶板锚杆支护效用的影响,首先介绍了黏结刚度的概念及在FLAC3D中的实现方式,然后利用FLAC3D的interface单元建立了层状顶板巷道模型,综合pile和liner结构单元构建了仿真锚杆模型,并实现了预紧力施加功能,在原岩应力条件下分析了不同黏结刚度对层状顶板的支护效用。研究结果表明:在其他参数一定的条件下,黏结刚度控制锚杆的增阻特性,随黏结刚度增大,增阻特性由缓转急;锚杆支护可显著控制层状顶板离层,黏结刚度越大,控制效果越好;锚杆支护应力场可显著改善巷道围岩的应力状态,减小乃至消除拉应力分布,黏结刚度越大改善效果越明显;锚杆杆体受层理层间滑动影响会发生弯曲变形,但随黏结刚度增大,变形程度得到缓解。鉴于黏结刚度的重要性,提出了提高锚杆黏结刚度的技术途径:优化杆体外表形状、改善围岩接触条件、增强锚固剂黏结性能及提高锚固剂安装质量。

断层活化的地应力判别准则及诱发冲击地压的典型微震特征3008-3015

摘要：采用Anderson断层模型,推导得出了煤矿井下断层区域应力累积水平的计算指标μm,该指标只与实测最大和最小主应力有关,μm值越大表明区域应力累积水平越高,当μm值达到断层摩擦极限状态或亚摩擦极限状态的应力累积水平μ0时,将可能引起断层冲击地压的发生。通过对40个矿井、120个测点的地应力数据分析表明,采动作用下诱发断层冲击地压的概率和强度与矿井地应力类型、采深H和μm值存在密切关系:地应力类型为σV>σH>σh方位,即使H和μm达到很大也不会发生;只有地应力类型为σH>σV>σh和σH>σh>σV时才有可能诱发断层冲击地压,且相比σH>σV>σh,地应力类型为σH>σh>σV所需的临界值H0和μ0更小。根据龙家堡煤矿地应力测试结果,判定该矿具备断层冲击地压发生危险。根据微震监测数据的分析,提出了断层冲击地压发生的4典型微震特征,即微震事件的高能特征、丛集现象、前震-主震-余震序列和上盘效应。

粉煤灰高水短壁部分充填技术研究与实践3016-3023

摘要：针对承压水上、建筑物下开采技术难题,在系统分析粉煤灰高水材料特性、充填工艺和禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录(2008年第2批)“巷道式采煤”的基础上,通过理论分析、室内试验及现场实测等方法,对粉煤灰高水短壁部分充填工作面设计及围岩控制下效果进行了系统研究。主要结论包括:1对粉煤灰高水充填材料发泡机理、材料特性、充填工艺进行了分析;2提出了短壁部分充填工作面设计方法及采-充程序及工艺,数值模拟表明50 m充填联合支撑体与20 m采空区底板塑性区范围为6~8 m,顶板塑性区范围10~12 m;3充填体密实性、原位强度和安全系数表明,充填体与顶板接顶率大于95%,原位强度1.93 MPa,安全系数6.8,粉煤灰高水充填体联合支撑体系能够保持围岩稳定;4充填体和底板变形监测表明,短壁部分充填采场顶板最大下沉量80 mm,底板最大破坏深度8 m,底板隔水层厚度在安全范围之内。在埠村煤矿9111工作面进行了现场实施,相关研究成果可以对类似条件下的煤炭开采提供参考。

冲击破坏条件下煤的强度型统计损伤本构模型与分析3024-3031

摘要：为研究冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对取自苇町矿的煤样进行了不同冲击载荷条件下的动态冲击试验,分析了煤在冲击载荷条件下的动态力学特性。试验结果表明煤是一种典型的率相关材料,弹性模量和抗压强度均随应变率的增大而增大。根据岩石力学的强度理论和统计损伤理论,建立了煤的强度型统计损伤本构模型,给出了模型参数的确定方法,验证了模型的正确性。对比分析了元件型统计损伤本构模型和强度型统计损伤本构模型的优劣,分析确定了强度型统计损伤本构模型的准确性与合理性。研究结果表明:强度型统计损伤本构模型结构简单,引入参数少,物理意义清晰,能够有效地描述煤体冲击破坏过程中的动态力学性质;相较于元件型统计损伤本构模型,利用强度型统计损伤本构模型拟合的相关性系数更高,与试验结果保持了很好的一致性,具有更好的普适性。

深厚冲积层钢筋混凝土外层井壁结构模糊随机有限元可靠性及灵敏度分析3032-3039

摘要：基于模糊随机有限元的基本原理及方法,对结构失效函数和材料本构关系作等效模糊化处理,设定输入输出模糊随机变量,建立钢筋混凝土外层井壁结构的模糊随机有限元分析模型。利用ANSYS数值计算外层井壁结构的模糊随机有限元可靠性,结果表明:由于综合考虑到各变量参数的不确定性,获得的模糊随机有限元可靠性相比常规的有限元可靠性总体偏低,其结果更能反映实际工况。此外,模糊随机有限元可靠性以区间值表征不同井段的可靠程度,较常规可靠性的定值表现方法更具工程针对性。模糊随机有限元灵敏度分析发现:影响外层井壁结构可靠性的重要因素依次是井壁冻结压力、混凝土抗压强度和厚径比。通过ANSYS灵敏度散点图可指明主要输入变量的变动对输出变量的影响程度以及变量需改动的大致区间范围。

阻抗测试方法在瓦斯水合防突模拟实验中的应用3047-3053

摘要：阻抗法可以监测各种固体、液体内部以及界面电荷的束缚和移动的变化特性。利用突出煤体中瓦斯水合固化过程阻抗特性监测实验装置,以不同质量分数NaCl溶液作为煤体孔隙液体,测试了相同孔隙度煤体中瓦斯水合固化过程阻抗变化特征。结果显示:实验釜中阻抗变化分为三个层位区域,分析瓦斯水合过程阻抗变化特征曲线,上层位阻抗逐渐增大瓦斯水合物形成量较大,下层位阻抗逐渐降低水合物未在此区域形成。通过NaCl质量分数曲线标定,获取了水合反应水的转化情况,基于PR状态方程结合瓦斯变化情况建立了瓦斯水合物生长计算模型,依据色谱分析结果计算了瓦斯水合物的含气率。

破碎后微小煤颗粒分布与破碎功关系实验研究3054-3061

新疆准东露天煤矿开采区PM10和PM2.5污染特征3062-3068

摘要：以新疆准东露天煤矿开采区周边37个测尘点的PM10和PM2.5实测质量浓度为研究对象,运用多元统计学和GIS方法分析了研究区5月、7月、9月和12月的PM10和PM2.5的质量浓度特征、空间分布及其与气象因素(风速、温度和湿度)的关系。结果表明:研究区4个月份的PM10和PM2.5平均质量浓度均未超过国家环境空气质量标准(GB 3095—2012)日均浓度限值,PM10和PM2.5浓度大小顺序为12月>7月>5月>9月。同一月份PM10和PM2.5浓度空间分布格局几乎相同,高浓度区域基本分布在产业区周边。湿度与PM10,PM2.5质量浓度呈较高正相关,温度与PM10呈负相关,与PM2.5在5月、9月和12月呈负相关,在7月呈正相关;风速与PM10,PM2.5在9月和12月呈负相关关系,在5月和7月呈正相关关系。总之,准东煤炭生产对开采区周边空气环境产生了一定影响,湿度是影响粉尘质量浓度和分布的主要因素。

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟3076-3085

摘要：为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。

坑道聚焦双频激电法探测技术3086-3094

摘要：为增加坑道断面前方勘探深度,减小电场全空间效应及干扰因素,发展成为聚焦双频激电法超前探测新技术。根据聚焦双频激电效应探测机理,建立电场线微分方程,分析聚焦双频激电法探测电场空间电流密度分布规律。利用有限单元法求解空间多点电源场异常电位的边值与变分问题,分析空间各节点电位聚焦效应分布特性,数值模拟断面中心两侧测量电极节点处的视电阻率和视幅频率随发射电流变化规律。搭建土槽物理模型试验平台,开展不同规模、不同方位含水异常体聚焦激电效应探测。测试结果表明:随电流的增加,视电阻率逐渐减小,视幅频率逐渐增加,且当激电效应参量达到极值点后,视电阻率增加和视幅频率减小的幅度趋于平缓;与仅有一个含水异常体相比,存在两个含水异常体时具有较为明显的异常激电效应特征;根据不同方位测量电极节点处的激电效应参量差异程度确定异常体存在的具体方向。