条带煤柱设计的强度准则效应研究

条带开采广泛应用于深部煤层,合理的条带煤柱尺寸对提高煤炭采出率和保护地表地貌都具有十分重要的意义。通过总结平面应变状态下Wilson准则、Mohr-Coulomb(M-C)准则、广义Matsuoka-Nakai(M-N)准则、广义Lade-Duncan(L-D)准则和外接圆Drucker-Prager(D-P)准则等5种强度准则的统一表达式,进而建立条带煤柱的极限强度、屈服宽度和留设宽度的统一计算公式,探究条带煤柱设计的强度准则效应,并得出煤层黏聚力和内摩擦角的影响特性。研究结果表明：建立的统一计算式涵盖文献已有解,且应用非常方便;条带煤柱设计的强度准则效应显著,Wilson准则和M-C准则的结果过于保守,外接圆D-P准则应用需谨慎,应优先选用广义M-N准则或广义L-D准则;煤层黏聚力和内摩擦角对条带煤柱设计的影响明显,应充分考虑煤层的强度参数变化。该研究结果可为条带煤柱的合理设计与施工提供一定的理论指导。     

近距离煤层群开采遗留煤柱下沿空掘巷煤柱宽度研究

目前关于沿空掘巷煤柱尺寸及巷道围岩稳定性方面研究多为单一煤层,近距离煤层群开采遗留煤柱下沿空掘巷窄煤柱留设条件复杂,需考虑同一煤层侧向支承压力与上部遗留煤柱应力集中的双重影响。以新疆石梯子西沟煤矿东翼采区近距离煤层群开采为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法开展研究。基于极限平衡理论建立1E302工作面沿空掘巷窄煤柱宽度计算力学模型,计算结果表明,工作面窄煤柱宽度不小于4.92 m,分析窄煤柱巷道围岩随界面黏结力和应力集中系数变化规律。FLAC3D三维数值模拟运算指出,受遗留煤柱应力集中作用影响,巷道应布置在煤柱边缘0～8 m,当煤柱宽度大于5 m时,煤柱中出现较稳定的承载核。理论计算和数值模拟综合确定窄煤柱宽度为5 m。工程实践应用表明,巷道支护效果良好。本文提出的近距离煤层群开采遗留煤柱下沿空掘巷窄煤柱宽度的确定方法,可为类似条件下窄煤柱合理宽度计算提供借鉴参考。     

泾河下综放开采隔离煤柱对覆岩破坏控制作用的物理模拟

根据地质资料,分析了下沟煤矿泾河下特厚煤层大面积综放开采的地质特点,为实现水体下安全回采,确定了在各工作面间留设一定宽度隔离煤柱的开采方案。通过相似材料模拟试验,分析了改本区地质条件下各综放工作面间留设一定宽度隔离煤柱对覆岩破坏的影响。研究证实,隔离煤柱对覆岩破坏起到有效的控制作用。根据试验得出的单工作面最大裂采比,通过最小防水安全煤岩柱垂高的计算,认为地质条件满足泾河下安全回采的要求。且研究成果成功指导了5个工作面安全回采,可为该区及类似条件其他矿井的开采提供参考     

基于二次抛物线型Mohr准则的悬臂式崩塌破坏机制及失稳判据研究

悬臂式崩塌是崩塌灾害中较常见的类型,它一般常见于河谷和具有软硬相间坡体结构的岩质边坡中。边坡在差异风化作用下,在其坡脚往往形成岩腔,并最终发育形成悬臂式崩塌。悬臂式崩塌是一种常见的地质灾害,在宏观上表现为倾倒变形特征。由于该类型崩塌的形状尺寸差异较大,其破坏模式具有较大差异,目前还无法定量描述其破坏过程。因此根据悬臂式崩塌的变形破坏特征,采用力学分析方法建立了基于二次抛物线型Mohr准则的悬臂式崩塌张拉破坏和剪切破坏的判定公式。判定公式计算结果和物理模拟试验结果对比分析表明:悬臂式崩塌的拉张安全系数要远小于剪切安全系数,试验模型随着裂纹的扩展,首先发生拉张破坏,随后裂纹继续扩展到一定深度,模型发生剪切破坏。判定公式能较好地定量描述悬臂式崩塌的变形破坏过程的各个阶段,准确地定量揭示悬臂式崩塌的变形破坏机制。     

某电厂贮灰坝失稳过程及破坏机制研究

运用非饱和土土力学理论分析了某电厂贮灰坝失稳过程,揭示了该贮灰坝的失稳和破坏机制。分析表明,随着子坝挡水历时的增加,积水不断下渗,浸润线逐渐抬高,非饱和区域相应减少,坝体中受此影响的部位的孔隙水压力也随之不断增高,抗剪强度不断降低。此过程发展到一定程度,则导致贮灰坝产生破坏和滑动。上述分析清楚地诠释了干滩长期消失会使贮灰坝的稳定性遭受巨大威胁的原因。其研究结果可为贮灰坝、尾矿坝在类似工况下的稳定性评价和预测预报提供借鉴。     

含水砂层隧道围岩失稳破坏机制及控制研究现状综述

饱和动态含水砂层的工程力学特性及隧道围岩的失稳破坏机制及稳定性控制是含水砂层隧道设计与施工中的重要课题。在回顾砂土应变局部化问题研究现状基础上,重点介绍了含水砂层隧道工程中隧道围岩稳定性问题的研究现状及存在的问题。提出了含水砂层隧道围岩渐进性失稳破坏过程中有待研究的问题,这将有助于含水砂层隧道设计与施工水平的提高。     

海底采矿覆岩变形破坏特征及临界开采上限的物理模拟试验研究

海底赋存大量未开采的矿产资源,利用前景广阔。与陆地采矿相比,海底采矿受上覆水体威胁巨大。因此,准确掌握采空区上覆围岩变形破坏规律,设置合理的顶部预留隔水矿柱,对海下采矿工程安全、高效生产具有重要意义。本文以山东三山岛金矿新立矿区这一典型的海底矿床为研究对象,基于滨海矿山复杂的工程地质特征,采用室内地质力学模型试验的方法,重现了海下充填开采过程,阐明了动态开采条件下海底矿山采空区围岩变形破坏规律和特征。试验结果表明,三山岛新立矿区的临界开采高度为- 85 m,顶部预留隔水矿柱的最小厚度为50 m。若开采超过该临界值,采空区和顶部含水层将发生贯通性破坏,其失稳模式为断层活化。研究成果可为新立矿区预留矿柱高度的选取提供理论基础,也可为相似地质条件下矿山安全开采提供参考。     

拉-压应力状态下脆性岩石强度及破坏机制颗粒流模拟

高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。     

巨厚松散层下煤层开采的抗渗透性破坏和煤柱安全性研究——以口孜东矿为例

采掘诱发裂隙导通顶板上覆含水砂层中产生的水力坡度是渗透型溃砂的关键判断依据之一,但是,到目前为止主要是采用定流量下的稳定流水力坡度表达式计算,而实际上,上覆含水层中水动力条件和涌水量在溃水溃砂过程中都是非稳定的。本文依据非稳定流理论,给出了二维潜水、承压水单井定降深模型下的水力坡度J的解析公式,并分析了J随时间和距离的演变特征。结果表明,对于潜水,J随与井的距离r的增加而下降,下降速度随r的增加而减小;存在拐点r′,当r<r′时,J随时间延长而下降,在r>r′时,J随时间延长而增加;随着地下水头H₀的增加,J是增加的;本文获得的潜水的非稳定流条件下的J大于潜水稳定流的J。对于承压水,J随r的增加而下降,下降速度随r的增加而减小;与潜水不同的是,在不同r处,J随时间延长而下降,不存在拐点;随着H₀的增加,J是增加的;本文获得的承压水的非稳定流条件下的J不总大于承压水稳定流的J。最后,在伊犁河谷某矿对本文方法进行了初步应用。     

桩端荷载与地震耦合作用下溶洞顶板的破坏特征及安全厚度计算

桩基支撑于溶洞顶板的情况时有发生,研究地震作用下桩端溶洞顶板的稳定性具有重要意义。根据相似定理和分离相似设计方法,基于振动台模型试验对顶板厚度及溶洞直径变化下桩端顶板的动力响应特征进行了研究。结果表明,桩端溶洞顶板在地震作用下的破坏模式与顶板厚度及溶洞尺寸大小密切相关,一定顶板厚度情况下溶洞尺寸较小时(洞径l≤2d,d为桩径)表现为剪切破坏,而洞径较大时(如l≥4d)为显著的冲剪破坏,洞径越大,冲切块体积所占比例越大;基于振动台试验得到的岩溶顶板破坏模式,结合拟静力法构建了可考虑岩体特性、地震烈度及桩径大小影响的最小顶板安全厚度理论计算模型。通过算例分析表明,最小安全厚度相比静力条件下要大,且随地震烈度的增强而增大,相同条件下冲-剪破坏的计算值均大于剪切破坏情况,说明地震环境下溶洞尺寸越大,所需顶板厚度越大。其成果可为实际工程中岩溶顶板安全厚度的计算提供理论基础。     

矿柱安全留设尺寸的宽度折减法与应用

从岩石强度理论出发,提出房柱式开采中矿柱安全留设尺寸的宽度折减法思想,通过不断折减矿柱宽度,研究矿柱由稳定状态向临界失稳状态演化过程,从而得到矿柱的临界宽度,引入矿柱安全系数,获得矿柱安全留设尺寸。采用宽度折减法对磨坊矿3#井房柱法开采矿柱安全留设尺寸进行研究,获得不同矿房跨度下矿柱的安全留设宽度。将宽度折减法得到的安全矿柱宽度与Lunder经验公式比较,研究发现,宽度折减法得到的安全矿柱宽度和Lunder经验公式的计算结果较为吻合且偏安全。结合磨坊矿3#井的开采条件和矿柱宽度折减法分析结果,确定矿房基本参数为：矿房跨度为13 m左右,矿柱宽度为5.0～5.5 m。通过对磨坊矿3#井采空区上覆岩层移动规律的监测,发现岩层相对稳定,地表沉降量控制在120～150 mm之间,用宽度折减法分析得到的矿房基本参数是合理的。     

Buckling mechanism of pillar rockbursts in underground hard rock mining

The objective of this paper is to investigate the buckling mechanism of pillar rockbursts in underground hard rock mines from an innovative point of view. By considering rockbursts as a buckling (instability) problem of structures, rockbursts are classified into three categories: induced rockburst, triggered rockburst and inherent rockburst, in accordance with the magnitude of the dynamic stimulation force from large to null. Rigorous mathematical models are set up for these three rockbursts. For induced and triggered rockbursts, mechanism of parametric resonance is found and perturbation effect is observed. For inherent rockbursts, the condition of critical static loads is obtained. Various examples of rockbursts in Dongguashan Copper Mine are analysed. The limitations of the approach are addressed. Contrary to conventional methods where only rock materials or rock specimens were used for investigation of rockbursts, this study attaches more attention on the structural effect on rockbursts, which may appeal to practising engineers.     

复用回采巷道护巷煤柱合理宽度研究

为解决高瓦斯工作面双U型巷道布置中煤柱损失大、相邻工作面复用回采巷道维护困难的难题,综合采用理论分析、数值计算和现场试验的方法,研究得到煤柱宽度对相邻两工作面之间煤柱内复用巷道围岩应力分布和变形特征的影响规律：随着巷道一侧煤柱宽度的增加,巷道围岩垂直应力峰值向一侧移动,并逐渐远离巷道;当巷道一侧煤柱较小时,巷道以窄煤柱帮变形和顶板下沉为主,随着煤柱宽度增加,底鼓增大并成为巷道主要变形。以煤柱内应力峰值比值为指标,分析煤柱宽度与巷道稳定性的关系,并将不同宽度煤柱进行了稳定性分区。研究成果成功应用于工程实践,为类似条件下巷道布置提供依据。     

Behaviour of abandoned room and pillar mines in Illinois

Summary Little comprehensive information has been reported on the behaviour of room-and-pillar mines. The objective of this paper is to present case data on mine failures in the Illinois basin for use in practice. Presented are results of an ongoing study and details on the site characteristics of cases where sags have developed on the surface. Site data are reported to show the geologic, mining, and sag conditions that existed. Sags mainly develop from pillar, floor, or pillar-floor failure. The character of the sags depends upon the type of mine failure as well as the overburden response.Preliminary results show that the statistical no-risk tributary pressure decreases over 300% as the mine age increases from about 2 to 100 years at a long-term value of approximately 300 psi (2070 kPa). As more information is collected and more analysis is done, the allowable tributary pressure can be determined for different site conditions.A plot is also reported that depicts the relationship of the maximum subsidence to site conditions. It was found that the modified subsidence factor was heavily dependent upon the overburden rock thickness.     

Mine subsidence damage from room and pillar mining in Illinois

Summary Data is presented on case histories of subsidence damage occurring over abandoned room and pillar mines in Illinois. The major modes of behaviour and damage in houses from sag-subsidence are described and summarized. The houses rested on crawl-space and basement foundations built from concrete and masonry. The prevalent mode of failure of bearing walls was inward bending. Failure is analysed and conventional design procedures are used to evaluate foundation failure.     

特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮机制分析

针对特厚煤层大采高工作面,将超前支承压力作用的煤体分为破裂区、塑性区和弹性区。考虑支架护帮阻力等因素,建立了支承压力作用的煤体变形破坏及煤壁片帮分析力学模型。通过摩尔-库仑准则和非关联弹塑性分析,推导出了煤壁水平位移量及破裂区和塑性区半径解析表达式,分析了影响煤壁片帮的主要因素。理论结果与现场实测结果误差仅为15.6%,验证了模型的正确性。研究表明,随支承压力集中系数的增大、机采高度的增加以及支架护帮阻力的减小,煤壁水平位移量明显增大,煤壁片帮程度严重。工程实践表明,提高支架工作阻力,减缓煤壁处压力,控制合理采高以及增大支架护帮阻力,可有效缓解大采高综放工作面煤壁片帮程度。     

陕西神南矿区煤炭开采保水煤柱留设分析

陕北榆神府区是我国西部重要的原煤产地,与丰富的煤炭资源比较,水资源贫乏,生态环境脆弱,科学开发利用有限的水资源,促进煤炭基地健康发展至关重要。本文以神南矿区为例,研究了保水采煤保水煤柱留设的科学性,分析了保水采煤的技术措施,提出了针对神南矿区浅埋煤层保水需要而留设保水煤柱尺寸为20～57.2m。     

厚松散层及超薄覆岩条件下放顶煤开采防砂煤柱

为解放厚松散层及超薄覆岩条件下防砂煤柱储量,在掌握三隔、四含水文工程地质条件基础上,通过井下疏放四含水、合理确定允许放采比以及控制工作面两端覆岩剪切破坏,有效实践了“破坏四含、保护三含”的思路。项目自实施以来,已成功回采了40多万t煤炭,直接经济效益4000多万元。      

特厚煤层小煤柱沿空掘巷数值分析及应用

沿空掘巷开采技术成功的关键主要取决于采场覆岩稳定的时间和沿空掘巷的位置。采场采动岩体运动导致围岩应力重新分布,动态采场应力作用于围岩并使其状态发生灾变是发生矿山灾害的根本原因。特厚煤层分层综采巷道布置（包括内错、外错和垂直）,合理确定煤柱尺寸、巷道支护方式和参数选择能够最大可能发挥围岩的自承能力,是提高巷道稳定的重要保证。在稳定的内应力场范围内布置小煤柱护巷,能够明显提高巷道围岩稳定状态,减少巷道维护费用。通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法,对特厚煤层下分层沿空掘巷小煤柱不同巷道布置设计,通过煤柱的应力、应变和位移进行对比分析,确定特厚煤层下分层沿空掘巷合理的巷道位置和煤柱尺寸及上覆岩层防控技术,并得到工程验证是正确可靠的,从而为特厚煤层小煤柱开采技术提供了重要的科学依据。     

采动作用下岩溶山体深大裂隙扩展贯通机理研究

岩溶坡体裂隙的扩展贯通是造成坡体失稳破坏的重要因素。为研究采动作用下高陡岩溶坡体随裂隙扩展贯通的失稳破坏机理,采用离散元（Universal Distinct Element Code,UDEC）数值模拟,研究了采动作用下坡体裂隙的发展规律。研究结果表明：采动作用对岩溶坡体的稳定性具有重要的影响作用,主要表现在煤层上覆岩体新生裂隙的发育以及诱发坡体原有裂隙的扩展;坡体内部裂隙的发育具有一定的时空效应,裂隙带高度随着采空区范围的增加而增加;坡体原有深大裂隙对坡体的破坏具有控制作用,坡体破坏时崩滑体沿着主控裂隙发生滑动;二维模型显示,含深大裂隙岩溶坡体在采动作用下形成类似"悬臂梁结构",悬臂梁结构沿着主控裂隙发生断裂,坡体中间软岩被挤出,最终主控裂隙与临空面扩展贯通,坡体发生崩塌破坏。