导水裂隙带发育高度的确定对于煤层顶板水害防治工作具有重要意义,本文在广泛收集我国华北地区不同煤矿区的综采导水裂隙带发育高度实测数据的基础上,通过邓氏灰色关联分析理论和主成分分析理论,分析了开采厚度、开采深度、工作面斜长、硬岩岩性比例系数与导水裂隙带高度之间的关联度,并确定了各影响因素的组合权重值。采用SPSS散点分析及Matlab函数编程拟合了导水裂隙带高度与各影响因素相关关系曲线,得到了导水裂隙带发育高度对各影响因素的最佳一元非线性回归模型,在此基础上,结合各影响因素权重,构建了基于加权的综采导水裂隙带高度多元非线性回归预测修正模型,并将其与多元线性回归模型、“三下”规范经验公式的预测结果进行了对比分析,结果表明本文所建立的导水裂隙带高度预测公式准确性更高,具有较好的实际应用价值,可以为导水裂隙带高度的研究提供一定的依据和参考。
基于巷道支承应力转移的自发型冲击失稳与防控研究
遗留煤柱群链式失稳评价新方法及其在上行开采中的应用
煤体孔隙结构综合表征及全孔径分形特征
基于泰波理论的矸石级配系数对充填材料性能的影响
深部采动应力(采深和采动应力路径分别用静水应力和Lode角表示)对岩石材料变形损伤过程的声发射特征和能量演化规律有着重要影响,本文以砂岩为研究对象,进行了不同静水应力和不同Lode角(-30°~30°)条件下的真三轴加卸载试验。研究结果表明:静水应力和Lode角对岩石变形及强度有较大的影响。静水应力相同时,Lode角的增加(即最小主应力卸载速率增加)会促进微裂隙的扩展和贯通,从而降低砂岩试样的承载能力,使其破坏更加迅速且剧烈;Lode角相同时,三个方向的应变均随静水应力的升高而增大,且静水应力升高可以增加砂岩试样的延性,使其在较大变形时才发生失稳破坏。声发射参数特征与岩石各阶段变形保持良好的对应关系,不同阶段所对应的AF值(平均频率)和RA值(上升时间与幅值的比值)存在较大差异,表明各阶段的损伤类型不同,且越接近峰值破坏点,剪切作用越明显。此外,岩石在峰值破坏点前的能量转化特征较好地体现了损伤演化规律,能耗比m(耗散能Ud与总能量U之比)大体呈现先减小后稳定再增加的趋势,且应变硬化阶段的能耗比增量基本相同,说明加载时间越长,岩石的峰值强度越大,吸收的总能量也越多,破坏时需要的耗散能也会随之增加。
深部煤层超高水充填工作面充填体—支架—煤体协同承载机制
破碎煤样注浆体力学特性及主要参数试验研究
为研究特厚煤层综放工作面末采阶段停放顶煤对基本顶梯形块体结构稳定性的影响,以同忻煤矿为研究背景,构建特厚煤层工作面基本顶梯形块体结构力学模型,提出判别梯形块体滑落失稳的组合系数{k1,k2,k3}和回转变形失稳系数k4并确定失稳准则,分析各系数随采高、工作面前方梯形块体下实体煤宽度、液压支架工作阻力的变化规律。结果表明:工作面采高从15m降至4m,{k1,k2,k3}和k4随实体煤宽度变化最危险值分别由{9.43,1.49,4.05}和0.14变为{2.74,18.10,1.16}和0.008,梯形块体结构仍处于稳定状态;工作面由正常回采阶段进入末采停放阶段,液压支架动载系数降低,工作面矿压显现明显减弱,末采停放可有效提高工作面围岩稳定性,保障工作面设备安全顺利回撤。
胶结充填体蠕变硬化-损伤特征及非线性本构模型
胶结充填体蠕变特征直接影响矿山安全生产,基于此,制备不同灰砂质量比的胶结充填体试样,结合超声波监测技术,开展了单轴压缩和分级蠕变试验,获取了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形、超声波波速与损伤演化规律,探讨了胶结充填体蠕变硬化和损伤特征,引入硬化与损伤函数,构建了考虑硬化-损伤特征的胶结充填体非线性蠕变本构模型,并进行了验证。研究结果表明:1) 胶结充填体蠕变过程是其内部应力不断调整、硬化和损伤不断发展并共同作用的结果;2) 同一应力水平下,减速蠕变阶段,胶结充填体硬化作用占主导;稳定蠕变阶段,胶结充填体硬化作用与损伤作用相互抵消;加速蠕变阶段,胶结充填体损伤作用占主导;3) 不同应力水平下,胶结充填体硬化与损伤特征存在差异性:减速和等速应力水平,胶结充填体硬化特征显著;加速应力水平,胶结充填体损伤特征显著;4) 构建的胶结充填体非线性蠕变本构模型与各试验数据均有较高吻合度,较好的表征了胶结充填体蠕变硬化和损伤特征。研究成果可为胶结充填体稳定性和矿山安全生产提供理论依据。
中小型煤矿地质力学参数普遍匮乏,巷道围岩稳定性评价缺乏定量化方法和指标,巷道支护设计以经验为主。在系统测试分析巷道围岩工程地质条件的基础上,确定巷道围岩强度、顶板裂隙岩层发育厚度、地应力量值及采动影响是晋阳煤炭事业部中小型煤矿巷道围岩稳定性关键影响因素。基于巷道围岩强度、围岩结构和 地应力现场原位测定结果,提出顶板应力强度因子、煤体应力强度因子和顶板松散性系数3个综合指标,将各综合指标进行交叉组合,结合巷道矿压显现程度,对巷道围岩稳定性进行定量化评价。根据分级结果,结合采动影响、巷道服务年限和巷道跨度等条件,提出以预应力锚杆支护为基础的巷道围岩分级支护形式和支护参数,并成功进行工业性应用,保证了巷道掘进和回采期间的稳定。研究成果对提升中小型煤矿巷道支护技术水平具有一定的理论意义和实用价值。
单轴压缩下不同高宽比矸石胶结充填体损伤演化及破坏特征研究
基于主关键层位置的近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性研究
研究围绕“同一矿井煤岩试样会出现强度相近但峰后应力降模量明显差异,进而引起多种冲击倾向性判定结果和能量演变特征”的现象,以物理实验为基础,分析考虑了孔、裂隙对有效承载面积的削减作用,建立了基于孔隙率的初始损伤表达式,结合非均匀性统计理论构建了煤岩本构关系及损伤演化方程。基于煤岩破碎后块体分布的自相似性,理论推导获得了以分形维数表征的破碎块体新增表面积及耗散能密度计算公式并实验验证。研究表明:随所受载荷增加,煤岩损伤演化曲线呈现为“受载初期平直、临近峰值陡增”的典型“S”型变化,且损伤在峰值点均低于0.5并集中于峰后阶段发展,冲击倾向性增强其初始和应力峰值损伤越低,损伤越集中于峰后发展;煤岩产生损伤演化特点随冲击倾向性变化的主要原因是孔裂隙发育及不同物质组成所致,孔隙率逐渐增加使试样更易在缺陷部分发生微裂隙扩展并与相邻的缺陷部分汇聚而形成宏观破裂;弱冲击倾向试样宏观煤岩成分具有更多暗煤,反之冲击倾向性增强煤岩中镜煤、亮煤占比增加,两种宏观煤岩组分虽均使煤岩展现出较高的抗压强度,但暗煤韧性大与之相对应的亮煤、镜煤脆性特征更为显著,表现出峰后软化及损伤差异;冲击倾向性增强,煤岩破碎程度增加即分形维数升高、碎块分布向更小尺寸集中;随碎块分形维数增加,破碎耗散能理论曲线呈斜率升高的“下凹”型增长,更为直观的反映了煤岩冲击倾向性与破碎度、盈余能间的正相关关系。
陕北侏罗系砂岩含水层富水性不均一,富水规律难掌握,为了科学高效地指导矿井防治水工作,保障煤炭资源安全开采,分别采用地学信息统计联合灰色关联理论、微观孔隙结构测试、沉积微相划分等手段从砂岩岩性及其组合、微观孔隙结构、沉积相三个方面研究了榆神府矿区中部侏罗系直罗组、延安组、风化基岩含水层的沉积控水规律。侏罗系砂岩含水层中粗砂岩、中砂岩等粗碎屑岩厚度越大,富水性越强,泥岩与砂质泥岩等细碎屑岩厚度越大,富水性越弱。依据含水层岩性、孔隙大小、分布、连通性等将侏罗系砂岩微观孔隙结构划分为大孔粗喉型(Ⅰ类)、中孔-中-细喉型(Ⅱ类)、小孔细喉型(Ⅲ类)、小-微孔-微细喉型(Ⅳ类)等四种类型,认为风化程度相同时,砂岩微观孔隙结构分类级别越低,粒度越粗,含水层富水性越强,风化程度不同时,同时代地层风化程度越强,砂岩微观孔隙结构分类级别越低,粒度越粗,含水层富水性越强。侏罗系直罗组含水层主要为河流沉积体系,曲流河、辫状河沉积相,河道、河漫滩沉积微相,相同沉积相条件下河道较河漫滩沉积微相富水性强,河道岩性以砾岩、粗砂岩、中砂岩为主;延安组上部地层以三角洲沉积体系为主,三角洲平原沉积相,分流河道与分流间湾沉积微相,分流河道较分流间湾沉积微相富水性强,分流河道岩性以中砂岩为主,偶见粉砂岩。研究成果可为含水层富水性预测与矿井水害防治提供科学依据。