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。     

巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制

巷旁切顶打断了巷道与采场下位顶板的连续性,促进了采场顶板垮落形成碎石帮,深入研究切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制具有重要意义。对采场支架载荷进行了分析,并对上覆岩层建立了力学建模,明确了上覆岩层运动与典型位置采场支架载荷特征的关系。在此基础上,针对6个巷旁切顶的工作面,给出了典型位置支架的载荷数据,从而分析得到巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制。同时,建立了数值模型,分析了不同的切顶起始位置和下位顶板强度对下位岩层垮落特征的影响。结果表明,121工法的“垮落线”具有对称的弧形边界,110工法的“垮落线”在切顶侧向工作面充分移动,N00工法介于上述两者之间。此外,不同切顶起始位置和顶板强度条件下,切顶的作用效果存在差异。研究结果有利于进一步深化巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征影响的认识。     

隧道掘进拱部运动力学模型研究

将隧道上覆岩层简化为弹塑性双参数基础梁力学模型,分析研究了拱顶上覆岩层挠曲线微分方程和隧道围岩变形弹性基础梁挠曲线微分方程,探讨了隧道基础屈服区宽度R满足条件,得到了拱顶下沉速度的表达式,从理论上解释了隧道围岩变形问题,为开展隧道监控工作提供了依据。     

基于量纲分析的缓倾斜空区顶板稳定性的影响规律研究

缓倾斜薄-中厚矿床开采过程中,影响空区顶板稳定性的因素较多,多因素影响条件下的影响规律较为复杂且难以定量化。针对以上问题,以上横山矿为研究对象,根据单因素试验数值模拟结果确定了缓倾斜空区顶板拉应力最大值 和沉降量最大值 的影响因素并分析了其影响特征,基于各影响因素的物理含义分别构建了 量纲模型和 量纲模型;在此基础上,设计了缓倾斜空区顶板稳定性影响因素的数值模拟均匀试验,根据试验结果定义了顶板 和 的无量纲函数关系式;选取了缓倾斜矿床空区顶板沉降的实例对 无量纲函数关系式进行了验证,验证结果与实测值基本吻合,平均误差为9.68%,具有较好的应用价值。该成果可为缓倾斜矿床采矿参数的选取、空区顶板的管理等提供参考。     

壁式削壁充填法采场顶板临界跨度计算

针对缓倾斜极薄矿体壁式削壁充填法劳动强度大、生产效率低的问题,提出采取机械化生产。对适应机械化生产的大尺寸采场结构需进行稳定性分析,将崩落废石堆体假设成弹簧支撑件,把采场顶板简化为平面问题的固定端超静定悬臂梁结构,对顶板临界跨度计算。同时,该计算法在矿山得到实际应用,实现了机械化作业。     

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。     

回采工作面多频率无线电波透视探测研究

对煤矿井下回采工作面多频率无线电波透视探测进行了研究,分析了多频率探测的实测场强值及层析成像结果。研究结果表明：对同一工作面采用多个频率进行探测,其中较低的频率穿透性较好,但仅对物性差异较大的地质异常区能够反映,相对较高的频率对地质异常区的探测较为灵敏;对于工作面宽度240 m的中厚煤层,最佳的探测频率为0.158 MHz;坑透发射点距断层较近时,可以结合不同频率探测结果,综合圈定地质异常区。     

Stress distribution and rock fracture zones in the roof of longwall face in a coal mine

Summary Stress Distribution and Rock Fracture Zones in the Roof of Longwell Face in a Coal Mine. A two-dimensional finite element method of stress analysis was used to study the stress distribution and development of the fracturing process within the roof rock of a longwall face in a coal mine. Effective material properties were used instead of those measured in laboratory tests by employing underground displacement data and an inverse approximation technique. Initial stresses in the rock around the opening were found and three variations of the Mohr-Coulomb failure theory were used to calculate the corresponding safety factors. Four zones of progressive failure were established according to compressive-tensile stress proportions. The effective elastic moduli for these zones were calculated by means of a residual elasticity approach. Finally, the fractured rock stability criteria were introduced and the stability factors were calculated for the immediate roof area. Directions of fracture lines in the roof were found using the principal stress directions in the maximum shear stress zone.

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Zusammenfassung Spannungsverteilung und Bruchzonen in Firste und Ulmen von Strebbauen. Eine zweidimensionale Spannungsanalyse mittels der Finite-Element-Methode wurde benützt, um die Spannungsverteilung und die Entwicklung von Bruchbildungsvorgängen im Firstgestein am Streb einer Kohlengrube zu studieren. Bei der Ermittlung von Untergrundverschiebungen und der Anwendung einer Inverse Approximation-Technik wurden anstelle von Laborversuchsmessungen effektive Materialeigenschaften verwendet. Die Ausgangsspannungen im Fels um die Öffnung herum wurde ausfindig gemacht und drei Ansätze der Mohr-Coulombschen Bruchtheorie wurden zur Errechnung der entsprechenden Sicherheitsfaktoren benützt. Entsprechend den Druck- und Zugfestigkeiten wurden vier Zonen von Progressiven Brüchen festgestellt. Die wirksamen Elastizitätsmoduli für diese Zonen wurden mittels eines Verfahrens zur Bestimmung der Restelastizität errechnet. Schließlich wurden Kriterien für die Festigkeit von gebrochenem Gestein eingeführt und die Standsicherheitsfaktoren für den unmittelbaren Firstbereich errechnet. Aufgrund der Hauptspannungsrichtungen in den Zonen größter Schubspannungen wurden die Richtungen der Bruchlinien ermittelt.

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Résumé Distribution des contraintes et zones de fracture en roche autour de la cavité d'une longue taille. Une analyse des contraintes par la méthode des éléments finis a été faite pour étudier la distribution des contraintes et le développement du processus de fracturation du toit rocheux d'une longue taille dans une mine de charbon. Les propriétés effectives du matériau furent utilisées au lieu de celles qu'on mesure par des essais de laboratoire. Elles furent obtenues à partir des enregistrements des déplacements souterrains et par une technique d'approximation inverse. Les contraintes initiales autour des cavités ont été trouvées et trois variantes de la théorie de la rupture de Mohr-Coulomb furent utilisées pour calculer les coefficients de sécurité correspondants. Quatre zones de rupture progressives furent définies d'après le rapport résistance à la compression/résistance à la traction. Le module élastique effectif de ces zones fut calculé au moyen d'une approche par résidu élastique. Finalement le critère de stabilité des roches rompues fut introduit et les facteurs de stabilité furent calculés pour la zone immédiate du toit. Les directions des lignes de fracture du toit furent prévues à partir des directions des contraintes principales dans la zone de cisaillement maximal.

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With 12 Figures     

冻土机械切削破碎机理的研究进展

冻土开挖困难、破碎效率低是高寒地区工程建设、地基施工等面临的技术难题。冻土机械切削破碎是冻土开挖的主要方法,其机理研究是提高冻土破碎效率的前提和基础。首先总结了温度、含水率、围压等对冻土复杂力学特性的影响,进而调研分析了冻土机械切削破碎的典型切削力学模型,发现冻土切削机械破碎模式不仅与冻土力学特性密切相关,也与切削参数和刀具结构直接相关,冻土切削过程中存在着最优的切削前角（30°~60°）,且深切削和浅切削时冻土内部受力方式存在差异也会导致破坏形式的不同;温度、含水率、围压所造成的冻土力学性能变化会直接导致冻土破坏过程和切削破碎机理的改变,冻土强度随着温度降低表现出先升高然后保持稳定的特性,随着含水率升高呈现出先升高后降低的趋势,冻土破碎存在脆性、塑脆过渡及塑性等不同破坏形式。通过系统总结冻土切削破碎机理研究进展,进一步明确了冻土力学性质主要影响因素、变化特点及其切削破坏损伤特征,为冻土机械切削破碎的切削参数和切削具结构优化提供了设计依据。     

马城铁矿采场顶板预留厚度对其稳定性影响研究

马城铁矿上覆厚大第四系强含水体,属大水矿床,采场顶板稳定将是矿床开采的关键.本文采用FLAC3D对马城铁矿上向分层充填法方案的不同间距的点柱和不同厚度的顶板稳定性进行研究.研究表明,Ⅲ号薄矿体顶板比Ⅱ号厚大矿体顶板稳定好,Ⅲ号薄矿体预留厚度宜采用15m,Ⅱ号厚大矿体顶板预留厚度以30m为宜.     

某水电工程进水口岸坡深部拉裂的成因探析

在高山峡谷地区修建水库，岸坡卸荷拉裂问题是经常遇到的工程地质问题。文章针对雅砻江某大型水电工程，在统计分析了大量勘探资料的基础上，讨论了位于左岸进水口岸坡的深部卸荷拉裂的成因机制（受结构面控制），并对其稳定性作了初步评价。结果表明：虽然目前卸荷拉裂现象比较突出，由于没有足够的空间，尚未发展到倾倒变形的程度，而且缓倾角结构面不发育，不致构成滑移－拉裂破坏模式，但有可能与中倾角结构面组合构成不稳定块体。