为了揭示高应力环境下巷道围岩的板裂-岩爆破坏机制,针对深埋巷道赋存的“高地应力+应力调整”环境,在实验室内对含圆形通孔的灰岩试样进行真三轴试验。试验过程中,采用微型摄像机和声发射监测系统记录试样孔洞产生的宏观破坏现象及其内部微观损伤释放的瞬态弹性波。通过快速傅里叶变换将声发射波形从时域转换到频域,建立了表征频率能量迁移特性的FR参数,重点研究了巷道围岩的板裂-岩爆破坏过程及其对应的声发射频域信息演化规律。研究结果表明:巷道围岩的板裂-岩爆破坏过程可分为平静阶段、小颗粒弹射阶段、板裂剥落阶段和岩爆喷射阶段;在板裂-岩爆过程中,垂直应力引起的张性破坏和水平应力引起的剪性破坏共同作用,导致了“V”形岩爆坑的形成;通过声发射峰值频率和频率质心可将信号进一步分为低频信号、次低频信号、次高频信号和高频信号,分别对应岩石内部不同的裂纹尺度和破坏模式;不同频率信号的共现现象和FR参数的阶跃特征,反映了岩石内部结构的剧烈变化;岩爆的发生主要取决于围岩的应力状态和岩体的储能极限,板裂作为岩爆的充分不必要条件,促进了岩爆的演化。
为了提高普通钢管混凝土墩柱的承载性能,满足井下巷道高度2.5~3.0 m特定条件巷旁支护体的需求,提出了一种内配型钢钢管混凝土墩柱支护体,设计了满足井下巷道尺寸的特定长径比的钢管混凝土墩柱参数。对普通钢管与内配型钢钢管混凝土短柱力学性能进行试验对比,并对钢管混凝土长柱轴压力学性能进行研究,结果表明:内配型钢钢管混凝土墩柱局部鼓曲现象及核心混凝土的破坏程度较轻,横向和纵向变形均小于普通钢管混凝土墩柱,在受力时破坏行为较为缓慢,延性性能较好;内配型钢钢管混凝土墩柱的极限承载力比普通钢管混凝土墩柱高约500 kN;随着钢管管径的增加,钢管混凝土长柱的弹性极限应变为0.1%~0.6%,塑性极限应变为2.0%~6.7%,钢管混凝土长柱的承载能力受长径比的影响而显著降低,其破坏形式为明显的屈曲变形。研究结果可为钢管混凝土墩柱的结构优化和力学性能提升提供参考。
深部邻空巷道面临强动压、高瓦斯的双重困扰。为解决深部邻空巷道严重变形问题,以13131巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验等方法,研究了采空区侧向上覆岩层运动特征、邻空巷道围岩变形机制以及邻空巷道切顶卸压技术参数。结果表明:6.0 m粉砂岩是上覆岩层亚关键层,弧形三角块破断导致厚硬岩层共同运动,致使侧向支承压力及其影响范围增大,造成邻空巷道严重变形;切顶卸压效果与切顶高度、切顶角度密切相关,只有当切顶高度达到关键层顶部时,才能有效降低邻空巷道变形量,超过关键层高度后,效果提升不再明显;当切顶角度为0°时,岩块传递的侧向支承压力最小,切顶角度由0°增加至10°时,邻空巷道变形量呈轻微上升趋势,由10°增加至20°时,邻空巷道变形量大幅增大。基于切顶关键技术参数及顶板瓦斯抽放钻孔空间分布特征,提出了“预留超前安全距离+留设抽放钻孔保护距离+封孔长度差异化+瓦斯监测与安全保障”爆破切顶技术方案,并开展了现场试验,有效控制了邻空巷道变形量,保证了顶板钻孔瓦斯抽采效果。
针对频繁动载冲击作用下围岩锚固预紧力易丧失现象,以李楼煤矿1303工作面回风巷为工程背景,采用理论分析和数值模拟相结合的方法开展了相关研究,分析了动载冲击下锚固预紧力演化趋势,研究了动载参数对锚固效果的影响规律。基于动载作用下锚固力学分析及数值模拟分析,确定1303工作面回风巷锚固支护合理预紧力数值为70 kN;进一步模拟获得动载振幅、动载频率对锚固效果的影响规律,其中,动载振幅越大,其对锚固体的损伤破坏越大。动载频率越小,其对锚固体的损伤破坏越大,高振幅、低频率动载冲击比低振幅、高频率动载冲击对围岩的损伤破坏大。通过现场应用验证了动载冲击作用下合理预紧力对提高巷道围岩控制效果的有效性。研究成果可为类似条件矿井围岩控制提供借鉴。
针对烧变岩巷道围岩力学性能显著偏低的问题,以王才伙盘煤矿烧变岩区3202工作面回风巷为研究对象,利用Hoek-Brown修正准则求解了巷道围岩各分区应力及塑性区半径解析表达式,揭示了围岩稳定性的关键影响因素;明确了烧变岩区围岩控制策略,阐述了巷道浅部注浆和主、被动支护控制原理;对无支护、锚杆(索)支护以及浅部注浆+主被动联合支护等3种支护方式的围岩应力分布、变形特征、裂隙发育以及支护系统受力特征进行了模拟。研究结果表明:巷道松动圈主要与地质强度指标、岩体破碎度等因素密切相关;综合理论计算和现场实测结果,得到松动范围为4.2 m; 3种支护方式拉应力峰值分别为1.14, 0.85和0.81 MPa;偏应力峰值距巷道表面的最大距离分别为2.59, 1.44和0.83 m;顶板最大移近量分别收敛于350,205和24 mm;采用“注浆+锚杆(索)+金属架棚”支护形式,可在围岩浅部形成稳定承载点,实现有效支撑,同时锚杆、锚索支护作用得到充分发挥。现场工程实践结果显示,采用联合支护方式,巷道顶板及两帮移近量均小于50 mm,有效稳定了烧变岩区的巷道围岩。研究成果可为同类地质条件下的巷道围岩控制提供参考。
针对巨厚松散层与不等厚基岩下覆岩结构运动演化机理及破坏规律不明晰的问题,以某矿3301工作面为工程背景,采用物理模拟、数值模拟及理论分析等研究方法,揭示了巨厚松散层与不等厚基岩条件下的覆岩运动演化过程、垮落充填特征及联动破坏机理,建立了考虑巨厚松散层与不等厚基岩联动演化效应的覆岩运移模型和迹线估算方程。研究结果表明:(1)基岩厚度由薄到中厚再到正常厚度时,破坏边界形态演化过程为“对称梯形”→“不对称类梯形”→“半马鞍形”;松散层运移在不等厚基岩控制下呈现出“对称漏斗”→“倾斜漏斗”→“斜底漏斗”动态变化。(2)薄基岩以塑性破坏为主,垮落后无规则充填采空区且碎胀效应不明显,松散层运移活跃期长,导致地表下沉较大;中厚基岩介于塑性破坏和块式破断之间,能短暂形成不稳定结构,对松散层运移起一定的支撑和限制作用;正常厚度基岩发生“梁式”破断,覆岩形成稳定的“铰接、悬臂”结构,巨厚松散层能给下方裂隙或垮落的基岩造成更大压应力,从而导致垮落带、裂隙带等较常规地层条件更加发育。(3)以3301工作面为实例,估算了不同开采阶段的覆岩破坏迹线,计算出地表沉降范围为1 551.46 m,与实测值相比,误差为7.6%。(4)提出了限高或充填开采、巷道注浆加固、提高巷道支护体的让压能力及增强支护系统的兼容性等控制对策。
<正>《采矿与岩层控制工程学报》由煤炭科学研究总院有限公司主办。重点报道采矿工程、矿山岩体力学与岩层控制工程及交叉学科应用基础研究、技术开发及工程实践成果,介绍该领域中的新理论、新方法、新技术,为推动采矿工程、矿山岩体力学与岩层控制工程学科的发展、加强国内外的学术交流、人才培养服务。读者对象为国内外采矿工程领域科技工作者。目前为双月刊,双月25日出刊,为中文核心期刊、中国科技核心期刊,被EiCompendex收录。《采矿与岩层控制工程学报》欢迎广大读者赐稿。一、来稿应具有原创性,内容符合本单位保密规定。论文的主要研究工作应由作者独立完成,引用他人成果时,须按《著作权法》中的有关规定标明其出处,由此引发的一切著作权责任由作者自负。《采矿与岩层控制工程学报》谢绝来稿后更换作者的要求。
为了探究不同轴-围增卸比下深部软岩蠕变特性和失稳规律,利用颗粒流程序(PFC~(2D))进行二次开发,并引入一种伯格斯-平行黏结混杂接触,建立了不同开采条件下砂质泥岩细观蠕变模型,基于已有砂质泥岩常规三轴压缩和加轴压卸围压蠕变试验验证了细观模型的可靠性,并在此基础上开展了不同加轴压卸围压蠕变应力路径下砂质泥岩细观蠕变特性及能量演化规律研究。研究结果表明:3种轴-围增卸比下砂质泥岩应力-应变曲线均表现为应变硬化特征,峰值偏应力与总裂纹数随轴-围增卸比的增大而增大;设计了3种不同加轴压卸围压细观蠕变应力路径,在相同围压及其卸载速率下,随轴-围增卸比的增大,加速蠕变失稳阶段历时快速减少,轴-径应变极值的差值逐渐增大,且同阶段的轴向稳态蠕变速率也增大;随蠕变时间的增长,放顶煤和无煤柱开采的伯格斯接触占比呈先增加而后减小,保护层开采则呈先缓降后快速减小,且在同蠕变时间时,伯格斯接触占比与线性接触占比均随轴-围增卸比的增加而增长,平行黏结接触占比随轴-围增卸比的增加而下降;在相同围压及其卸载蠕变速率下卸荷前砂质泥岩总能量以弹性能为主,卸荷后耗散能占主导地位,弹性能耗比初始阶段随轴应变的增加而呈非线性快速增长,后在前3个蠕变阶段呈“锯齿状”缓慢下降至加速蠕变阶段起始点,而后以较大速率突增,且增长速率随轴-围增卸比的增大而逐渐减小。
孤岛工作面开采具有较高冲击风险,顶板预裂是一种有效的减冲技术。以高庄煤矿3上1105孤岛工作面为背景,通过理论分析、数值模拟和现场实测等手段,研究了孤岛工作面冲击致灾机理、顶板预裂减冲机制及其影响因素。研究结果表明,两侧采空区覆岩形成的多拱结构传递压力及“砌体梁”结构失稳诱发强动载是孤岛工作面高冲击风险主要原因;建立了局部压力拱结构力学模型,分析局部压力拱力学特性,给出了局部压力拱失稳判据;顶板预裂爆破方法减冲机制为通过破坏形成局部压力拱的“砌体梁”结构,阻断压力传递路径,降低高支承压力场,减小开采期间“砌体梁”失稳诱发强动载风险。现场微震实测数据表明,顶板预裂减冲效果较好,有效降低了冲击风险。