无人工作面开采坚硬顶板冲击运动的3DEC数值模拟研究

分4个阶段模拟了无人工作面开采坚硬顶板采场顶板的运动规律.第1阶段,坚硬顶板的悬而不落是下一区段无煤柱开采的隐患.开采范围达到8 000 m2时的第2阶段,采场坚硬顶板的冲击性垮落,使工作面前方煤体及巷道既已形成的高应力区骤然释放.开采范围继续扩大的第3阶段和第4阶段,坚硬顶板从整体大范围冲击性运动向周期性分段运动转化.北京矿务局木城涧煤矿无人工作面坚硬顶板在采场面积约为8 000 m2的初次冲击性垮落,验证了3DEC理论研究结论,其强制放顶等防冲措施实施的最佳时机为第2阶段的开采活动结束之前.     

基于断层摩擦强度的地应力计算模型

浅部断层附近的应力状态是影响地下硐室工程和石油勘探与开发的重要影响因素,浅部断层附近的岩石因构造运动处于弱胶结状态,常规的地应力测量方法在该处测量存在误差较大、成本较高、周期较长等不足。为此,本文在莫尔-库仑强度理论基础上,系统分析了断层附近的应力方向、断层摩擦系数定量化计算及断层摩擦强度之间的关系。文章最后将该地应力计算模型应用于成庄区域,与实测地应力吻合较好。研究结果对于地应力计算及油气田的安全高效生产具有指导意义。     

断裂结构面对回采工作面矿压及顶板稳定性的影响

通过对现场观测和数值模拟分析,系统研究了断裂结构面对回采工作面矿压分布和顶板稳定性的影响。研究结果表明,回采工作面顶板断裂结构面有3种典型组合类型,即“正三角形”结构、“川字形”结构和“倒三角形”结构。在工作面开采过程中,“正三角形”结构顶板稳定性差;“倒三角形”结构顶板稳定性好;而“川字形”结构顶板能形成结构平衡且稳定。由于断层使介质不连续,导致初始应力场挠动,局部产生附加应力,在断层带附近形成低压力区和高应力集中区带,比较明显的影响范围距断层面大约10~30 m。当工作面推进到高应力集中区带时,工作面前方煤(岩)体中支承压力明显增大,支承压力峰值位置向前方煤岩体中转移,易于发生冒顶事故和其他矿井动力地质现象;当工作面推进到低应力区带时,压力峰值降低,顶板稳定性差。     

水热条件下白云石的摩擦滑动稳定性实验研究以及对潜在地震风险的启示

为了探讨含白云石断层的摩擦滑动稳定性,我们使用白云石断层泥开展了水热条件下的摩擦滑动实验研究。实验的有效正应力为60MPa,孔隙流体压力为20MPa,温度范围为25～150℃。实验过程中为了得到白云石摩擦强度系数的速度依赖性,我们将轴向加载速率在5μm/s、1μm/s、0.2μm/s和0.04μm/s之间进行切换。在本研究的温度和压力条件下,我们发现白云石断层泥表现出低温的稳定的速度强化的摩擦滑动行为向高温不稳定黏滑的转变。白云石摩擦强度系数为0.65～0.7,没有表现出显著的温度依赖性。在25～50℃的温度范围,白云石表现出稳定的速度强化的摩擦滑动行为。当温度升高到100℃时,在0.2～0.04μm/s加载速率范围内表现出速度弱化并伴随着黏滑现象,而在1～5μm/s的加载速率下表现出显著的速度强化的摩擦滑动行为。白云石的速率依赖性参数（a-b）值随温度和有效正压力的升高和加载速率的降低表现出有稳定的滑动向不稳定地震成核的转变趋势。因此,对油气储层而言,当其上覆的白云岩岩层被断层穿过时,其在较低的温度范围内（<100℃）也具备了发生不稳定地震成核的条件,需要防范其发生诱发地震的风...     

断溶体油藏油源深度对井温分布影响的数值模拟

塔河油田断溶体油藏蕴藏着丰富的石油资源,以大型溶洞和裂缝为主要储集空间和流动通道。在对断溶体油藏钻井时常发生泥浆漏失和井眼垮塌,难以进行常规测井测量,因而无法进行储层评价,甚至无法确定油层位置(即油源深度)。温度测井不受井眼条件的影响,可以测量关井时的静温和生产时的流温曲线,人们试图通过流静温度差异来推测油源的深度。本文依据断溶体油藏的形态特征和尺寸参数,构建多种井筒、地层与缝洞的物理模型,建立受流体流动影响的温度场,通过数值方法耦合温度场和流动场,模拟不同断溶体油藏石油生产时,井筒温度分布的变化。进而通过流温和静温的关系推测断溶体油藏油源位置,为断溶体油藏进一步的开发提供技术支持。     

峰值强度与残余强度对边坡加固的影响研究

现有的边坡加固方案中,基本上都是用岩土的峰值强度来确定边坡的临界滑面和锚固长度。实际上,边坡出现滑动后,滑面保持残余变形和抵抗外部载荷的能力出现了衰减,滑面上的强度只是残余强度,采用一种混合方法进行边坡加固,即用峰值强度来确定边坡的临界滑面,用残余强度来确定锚固长度。研究表明,采用混合方法对边坡进行加固可以提高边坡加固工程的安全性,具有较大的实际意义。     

墙土摩擦对基坑变形影响的模拟和分析

研究墙土之间的摩擦作用对合理计算基坑变形和估算支护结构竖向承载力都有重要的意义,文中运用有限元的方法对摩擦力的作用做了比较全面的分析,得出一些结论,以便实际工程参考。     

坚硬顶板运动特征的数值模拟及非线性动力学分析

分别从三维离散单元法及非线性动力学方法两个角度研究了坚硬顶板的运动规律,得到了较一致的结论。坚硬顶板的初次垮落具有冲击性,应力水平较高,该阶段的LE1为负值,系统处于有序的定常态;所研究条件下实施防冲措施的最佳时机在第2阶段开采活动结束之前,可促使坚硬顶板从冲击性整体运动向周期性分段运动转化;∑(+LEi)表明第4阶段的混沌程度最高,对应应力水平适中的周期性运动阶段。研究表明,除了初次冲击性垮落阶段,坚硬顶板运动系统在其它阶段均处于孕育着变化的混沌态。     

煤巷断层区顶板破断机制分析及支护对策研究

针对断层区煤巷顶板破断问题,分别建立了正断层和逆断层构造区的顶板弹性深梁力学模型,研究了顶板应力分布规律,并以Mohr-Coulomb破坏准则为判据,分析了不同顶板压力、支护强度、跨高比等因素下的顶板破断机制。理论分析表明,顶板深梁最大有效剪应力随跨高比增大而增大;其随跨高比不同而呈现出3种不同破断模式;穿越断层的巷道在断层区域应尽早使用强力支护系统,提高支护强度;穿越正断层的巷道在断层面附近应当提高护表效果。根据理论分析结论提出,在煤巷断层区使用让压型锚索箱梁支护系统,可对顶板围岩进行及时强力支护,实现“先控后让再抗”,既能有效发挥支护系统作用,又能充分发挥围岩自承能力。上述支护对策应用于巨野矿区断层区煤巷支护方案设计中,有效防止了顶板事故的发生,验证了理论分析的正确性。     

断层对顶板稳定性影响相似模拟试验研究

通过相似模拟试验方法分析了不同倾向高角度正断层, 在采动影响下顶板岩体变形破坏和矿压分布规律。结果表明, 在采动影响下断层“活化”,断层带及其影响范围内的岩体破碎, 表现为周期断裂步距小, 冒落带高, 尤其是断层下盘, 顶板稳定性差; 当工作面开采到离断层面22.5~ 30 m时, 直到断层位置的前方煤体中支承压力增大, 煤体被压碎, 且随着距断层面距离的缩小, 支承压力的峰值位置向工作面前方转移; 通过断层后, 顶板岩体中支承压力减小, 比无断层存在的情况要低。     

用“几何透视”法定量预测回采工作面内的断层构造

采用“几何透视”法对回采工作面内的断层构造进行量化预测。在高差图解法的基础上，进一步探讨了该预测方法的原理、方法，使之更科学合理、精确性更高、适用性更广，并介绍了用计算机进行数据处理的方法及应用实例。     

采动诱发应力主轴偏转对断层稳定性影响分析

为探究上、下盘不同开采顺序对断层稳定性影响,基于压力拱理论提出应力偏转概念,运用FLAC3D数值方法,模拟工作面分别从断层上盘和下盘向断层推进的过程,分析接触面应力状态和演化规律,验证采动诱发应力偏转,并与断层损伤变量及其增速进行对比分析。研究表明,工作面自上、下盘不同方向靠近断层,顶板主应力起始偏转位置分别为距离断层120 m和40 m处,相差80 m,且下盘最大偏转角是上盘工作面的1.68倍;断层损伤变量的启滑点分别距断层130 m和40 m,下盘工作面相对上盘工作面提前90 m,二者良好的对应关系表明应力偏转与断层滑移失稳显著相关。采动诱发应力偏转产生附加应力概念可以很好解释上、下盘工作面断层稳定性差异,为断层保护煤柱留设及工作面过断层防灾措施制定提供新思路。     

高强度开采工作面矿压显现的面长和推进速度效应

高强度开采工作面矿压显现复杂,容易发生压架、冒顶等灾害。为从理论上解释高强度开采工作面的矿压特征,分析了高强度开采工作面的一般特征及其对矿压显现的影响,以顶板初次断裂为例,运用薄板理论并结合岩石力学试验成果,推导出不同面长和不同推进速度下顶板断裂步距的计算公式,并分析了面长和推进速度对来压时支架工作阻力的影响机制。结果表明,面长影响顶板应力分布,推进速度改变顶板承载能力,而且面长越短,推进速度越快,顶板的初次断裂步距就会越大。对于高强度开采工作面,面长普遍大于200 m,面长效应影响微弱,矿压显现主要受推进速度作用,断裂步距和来压时支架工作阻力都比非高强度开采工作面大,容易发生压架和冒顶等灾害。     

矿井电阻率法监测系统在采煤工作面水害防治中的应用

煤矿智能化、无人化开采迫切需要水害隐患地质透明化为其保驾护航。矿井电阻率法监测系统针对工作面回采过程中的水害问题,采用伪随机信号发射和全波形数据采集提高设备的抗干扰能力,采用电极接地条件一致性校正和监测数据归一化处理等手段压制假异常,采用时移电阻率成像实现水害隐患电阻率异常响应的识别和提取,通过监测工作面回采过程中顶、底板电阻率变化对水害风险进行判识,实现采动工作面水害隐患的地质透明化。结合矿井电阻率法监测系统近年来的井下现场试验,分别介绍其在顶、底板水害监测中的应用案例。井下试验结果显示,电阻率法监测可以有效捕捉顶、底板出水过程的前兆信息。但在实际应用中,矿井电阻率法监测系统依旧面临强电磁干扰以及采空区监测线缆难以保护等问题,并且采掘扰动对煤岩电阻率的影响机理研究不足,导致对电阻率异常进行分析解释时存在较大争议,还需要进一步开展相关研究工作。      

基于统一强度理论分析不连续面对岩体强度的影响

基于统一强度理论,对含有结构面的岩体,在平面形式下引入材料统一强度参数ct,φt,推导了含单个节理裂隙岩体材料的统一强度公式,即考虑中间主应力的岩体破坏强度公式,并分析了其有效范围。运用硅藻质软岩和石膏的三轴试验结果,验证了所建立的公式的正确性,并分析了具有不连续面岩体的强度随中间主剪应力作用系数b的变化。结果表明,岩体强度随b值的增大而增大。根据岩土材料统一强度参数的确定方法,计算并分析了b值对强度参数的影响,从而说明强度参数随着b值的变化而变化。     

平面应变条件下网格状带齿加筋砂的强度分析

网格状带齿加筋是H-V加筋的一种表现形式,根据水平筋形式的不同(孔洞的大小及数目)、齿筋高度的变化,在不同围压下对网格状带齿加筋砂进行了多组平面应变试验。研究了孔洞、齿筋高度以及围压对网格状带齿加筋砂土强度的影响;依据试样的破坏情况,分析了网格状带齿加筋附加约束力的组成,包括网格水平筋与土体之间的摩擦力,孔洞的紧箍作用,齿筋端部与土体的摩擦力以及齿筋的侧阻力;在传统水平筋强度理论的基础上,建立了平面应变条件下网格状带齿加筋砂发生摩擦型破坏时的强度公式,并与试验值进行了对比验证,结果表明二者较为接近     

泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量影响

泥水盾构以压力泥浆支护开挖面,泥膜的形成对开挖面稳定非常重要,尤其在高渗透性地层,泥浆极易穿透地层直接渗出而不能形成所需的支护压力。以南京长江隧道为背景,详细阐述了泥膜的作用原理及泥膜质量的评价指标,并通过自行设计的成膜装置开展泥浆性质对泥水盾构开挖面泥膜形成质量的影响试验研究。试验结果表明,泥浆颗粒级配及密度相同时,泥浆粘度高,物理稳定性好,则泥膜形成容易,形成泥膜薄、致密,滤水量小。试验结果对泥水盾构施工具有指导意义。     

自嵌式砌块与双向土工格栅的摩擦强度试验研究

在自嵌式砌块加筋挡土墙工程中,加筋与填土及自嵌式砌块的界面作用特性是最关键的技术指标,直接决定该工程的内部稳定性。通过室内拉拔试验可知,当法向应力大于24.8 kPa时,双向土工格栅会在其与上砌块后缘互锁连接接触处被拉断,而不是从混凝土砌块间被拔出,且此时双向土工格栅发挥出的抗拉强度远小于其条带拉伸情况下的抗拉强度;双向土工格栅与混凝土砌块界面间的强度包线由两段直线组成,当法向应力小于24.8 kPa时,摩擦强度随法向应力的增大而增大;当法向应力大于24.8 kPa时,摩擦强度为一常数。