摘要：针对受载煤体卸压过程裂隙发育数据难以捕捉的现状,设计了受载煤体伪三轴瓦斯渗流实验,完成了受载煤体加载和卸载过程的应力-应变-渗透率动态监测。同时基于能量守恒定理,开展了卸载过程中不同卸载速率下的能量分配比较,阐释了卸载速率对裂隙发育和渗透率变化的控制作用,并通过煤样裂隙监测数据对比予以验证。研究结果显示,卸载过程中的煤体裂隙结构受卸载速率影响,围压卸载速率越高,I类和II类裂隙越发育(所占比率增高),I类裂隙数量较原始数量增幅甚至超过1倍,II类裂隙数量提高74.13%;在卸载过程中渗透率曲线整体可分为3段:线性段、抛物线段和稳定段,而决定其3段曲线分布的关键因素是煤体弹性模量大小、加载强度和卸载速率;随着卸载速率的提高,煤体渗透率加大,线性段斜率和抛物线段曲率半径逐步增加,线性段斜率由0.0548逐步升高至0.0919,0.1388和0.2164,抛物线曲率半径逐步增大,顶点曲率半径分别达到1.232,1.334,1.863和2.014,渗透率稳定的应力临界点不断减小,由15.26 MPa降低至14.08,13.14和10.88 MPa;煤体渗透率的变化可以通过裂隙长度增量进行量化表征,相同实验条件下,渗透率增量与裂隙长度增量之间呈线性关系;统计数据显示,围压卸载速率越高,弹性能转化率越低,裂隙发育能耗越高,高速卸载(加卸比1∶8)可使煤体破裂能耗超过80%,而低速卸载(加卸比1∶1)的裂隙能耗仅有25.62%;比较研究发现,高速卸载过程中煤体能量释放的主体引发原有裂隙扩展,而不是导致新裂隙的萌生,裂隙发育能耗与卸载速率之间呈对数关系。

摘要：为了研究长壁充填开采初凝充填体在采空区中的稳定性,按照初凝充填体呈现塑性区和弹性区共同承载的受力特性,采用威尔逊约束理论和SMP应力屈服准则,推导得出了充填体保持稳定所需的最小柱体宽度的理论计算公式,分析了充填体稳定宽度的影响因素。通过榆阳煤矿充填开采实例,实验测得充填体凝固试块的力学强度及其与时间之间的数学关系式,采用理论推导公式计算得到了充填体稳定最小宽度为3.5m。在理论计算值的基础上适当增加充填体宽度,既可增加充填体的整体稳定性,保证充填开采控制覆岩破坏的效果,又能有效减少充填体多次充填的凝固等待时间,提高开采充填效率。

摘要：我国大部分冲击地压发生与煤层上覆坚硬顶板密切相关,为了提高坚硬顶板预裂卸压效果,提出一种坚硬顶板水射流预制缝槽定向预裂卸压防冲方法。针对砂岩顶板,通过室内高压水射流切割岩石,测定不同水力化参数下岩石破坏深度、宽度以及冲蚀体积等缝槽特征指数值的变化规律,并进行现场试验。结果表明,单因素切缝特征试验时,岩石缝槽的特征指数深度、宽度、冲蚀体积与射流压力、喷嘴直径、重复切割次数呈正相关关系;与喷嘴横移速度呈负相关关系,岩石缝槽的特征指数随着靶距的增加呈现先增加后减小的趋势,切割效率最优靶距在5d处;五因素四水平正交试验时,影响缝槽卸压最优化的5个关键因素主次关系分别为喷嘴移动速度、重复切割次数、射流压力、喷嘴直径以及靶距;基于实验室研究规律,选择参数,对顶板高压水射流割缝进行井下试验研究。对于单轴抗压强度68 MPa顶板岩层,切缝半径相比传统刀具式切缝提高了10倍,并降低了压裂时裂缝起裂压力,顶板岩层水射流预制缝的聚能引导下,单次压裂半径最大可达15 m,防冲卸压效果良好。

摘要：坚硬厚层顶板是冲击地压的主要影响和诱发因素之一,针对冲击地压煤层上方高位厚硬顶板难以实现大范围卸压的难题,开发了井下超长水平孔分段压裂防冲技术。采用CDEM数值模拟方法分析了超长水平孔分段压裂弱化厚硬顶板的卸压防冲效果,结果表明:压裂后高位厚硬顶板垮落更充分,来压步距更短,来压强度更低,同时工作面超前支承压力和巷道侧向支承压力也明显降低。提出了井下超长水平孔分段压裂卸压减冲原理,即通过对具有冲击致灾性的厚硬顶板实施大范围水力压裂,使完整性好的目标岩层形成数量众多、方位和长度不一的网状裂缝,从而大幅减弱岩层的整体强度,使上覆岩层的垂直应力由“硬传递”转化为“软传递”,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;其次,压裂后坚硬顶板能及时垮落并充填采空区,减小了顶板来压产生的集中动载,使动载效应减弱,冲击风险降低。使用该技术在强冲击危险工作面进行了试验研究,结果表明:压裂期间,水压曲线在裂缝延伸压力区间内呈锯齿形波动,稳定时间长,表明裂缝扩展持续充分;在实施压裂的区域,微震事件由工作面前方向工作面后方和未压裂区转移,同时高能微震事件明显降低、低能微震事件增加,丛集效应弱化,开采扰动范围和顶板活动强度也有明显减小,巷道冲击风险显著降低,工作面最终实现了安全回采。

摘要：预割缝倾角是深孔顶板定向水压致裂重要施工技术参数之一。通过半圆盘试件3点弯(SCB)断裂力学试验以及水压致裂力学模型解析分析,研究预割缝倾角影响坚硬顶板在定向切槽诱导下水压致裂过程中的断裂特性。结果表明:水压裂纹的起裂方向明显受到预设裂纹倾角影响,但最大主应力对裂纹扩展方向起到控制作用。在地应力一定条件下,随着预割缝倾角增加,临界注水压力减小,Ⅰ型应力强度因子KⅠ逐渐增加,Ⅱ型应力强度因子KⅡ先增加后减小。为保证水压裂纹既受到较大的张拉作用,又能利用地应力的作用发生剪切扩展,KⅡ达到最大值时的预割缝倾角被选为施工水力压裂参数取值。该参数设计被应用到巴彦高勒煤矿厚层砂岩顶板水压致裂工况,对比压裂过程中顶板的煤炮强度和频次以及压裂前后辅回撤通道附近的微震、应力变化,证明了设计参数下水压致裂裂隙范围有效的起到了防冲效果。

摘要：瓦斯抽采巷已成为煤矿瓦斯抽放的主要手段,其采动破坏机理及优化布置还需进一步研究。以山西潞安常村煤矿2302工作面为工程背景,通过现场原位地应力测试及顶板40 m范围内围岩结构调查,揭示了23采区主要应力场类型为σ_(H)>σ_(V)>σ_(h)。采用UDEC软件分析了深部高应力高瓦斯工作面回采覆岩运移应力分布规律及顶板结构特征,提出了高瓦斯工作面"三带二区"的概念及确定方法。通过考虑顶板间黏聚力,建立工作面回采上覆岩层顶板结构模型,对顶板结构挠度进行了分析,揭示了岩层转动角度直接影响顶板挠度大小,瓦斯抽采巷支护应尽量减小顶板转动幅度,结合不同方案瓦斯抽采巷变形破坏情况,最终确定瓦斯抽采巷应布置在"三带二区"中的瓦斯聚集带和应力稳定区,即距离煤层顶板不小于29m,水平方向不少于30m。现场实践表明:瓦斯抽采巷平均瓦斯抽采量为67.92 m^(3)/min,抽采率大于30%,瓦斯抽采效果较好,瓦斯抽采巷位置合理。

摘要：锚杆附件力学性能匹配性是实现锚杆支护能力充分发挥的关键影响因素,锚杆附件不匹配易导致锚杆产生不协调变形,使其因非正常承载而破断,严重影响巷道支护效果。在分析锚杆支护巷道各附件变形破坏状况及原因的基础上,研究了锚杆螺母、托板、调心球垫及减摩垫片的力学性能及匹配性。研究结果表明:锚杆连接处的承载力与螺母强度等级、内螺纹齿高及厚度呈正相关关系,500号锚杆杆体选用的螺母强度不宜低于6级,齿高不小于0.7H,螺母厚度不小于20 mm;托板承载力与托板厚度、拱高相关,托板拱高必须达到一定高度才能具有足够承载力;球垫与托板孔口接触越合理、刚度越高越有利于锚杆角度调节,1010尼龙垫片预紧力转化系数高,且有一定延性,可有效发挥减摩效果。最后,确定了锚杆附件的技术要求,提出了不同强度等级锚杆各附件选择的原则和力学参数,并开发了相应的锚杆附件,在井下进行了试验,试验效果良好。

摘要：针对深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压显现难题,分析了深部冲击地压巷道围岩变形破坏特征,确定了导致深部冲击地压巷道强冲击显现的防控难点,揭示了巷道冲击破坏机制。在分析深部冲击地压巷道破坏机制的基础上,建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型,分析了动、静叠加载荷、支护应力、围岩力学属性与莫尔圆间的相互作用关系,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理。通过对巷道围岩远、近场进行卸压,从动、静载荷角度降低巷道冲击能量和所受应力;利用高预应力、高强度、高延伸率及高冲击韧性“四高”锚杆(索)主动支护,结合围岩结构重塑技术,提高巷道围岩自承载和抗冲击能力;结合钢棚、缓冲垫层及防护支架,通过高阻尼作用快速抑制巷道围岩的冲击震动。通过协调“卸压-支护-防护”3种技术手段的时空关系,改变冲击地压巷道能量释放、传播及耗散形式。基于“卸压-支护-防护”协同防控原理,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控技术,开发了长、短孔分段水力压裂工艺,研发了配套的压裂机具和设备;研制了高冲击韧性锚杆(索)系列支护材料,大幅度提高了支护材料的强度和韧性;提出了以钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的巷道复合防护结构,复合防护结构能有效吸收巷道围岩内的冲击动能,抑制围岩震动。研究成果在蒙陕和义马典型冲击地压矿井开展了工业性试验,“卸压-支护-防护”协同防控技术改变了厚层坚硬岩层冲击能量释放形式,有效抵御了高动、静叠加载荷,减小了巷道围岩整体冲击变形,控制了深部冲击地压巷道围岩稳定。

摘要：将新型波形钢腹板支架用于煤矿巷道金属支架结构中,采用试验研究和有限元数值模拟分析相结合的方法,研究波形钢腹板支架结构的稳定承载性能。设计了2榀直墙半圆拱形波形钢腹板支架的模型试验,得到支架的失稳破坏形态、应变与位移发展规律,并分析了波形钢腹板翼缘厚度变化对支架承载力的影响程度。结果表明:波形钢腹板支架破坏形态为整体非对称失稳,支架翼缘厚度由12mm增加为16mm时,即增幅为33%,支架的承载力提高27.38%,表明翼缘厚度对支架的承载性能有显著影响。试验结果与有限元分析结果吻合良好,验证了有限元模型的正确性。同时采用有限元方法对用钢量基本相同的矿用工字钢支架和波形钢腹板支架进行对比,结果表明:波形钢腹板支架承载力比矿用工字钢提高了31.68%,其变形约为矿用工字钢的4/5。通过数值模拟分析波形钢腹板支架截面各参数对支架弹性和弹塑性屈曲荷载的影响,发现腹板高度和厚度是较敏感参数;并比较了波形钢腹板支架和矿用工字钢支架分别在静水压力作用下、垂直单向应力作用下和垂向力为主的荷载作用下的支护性能,发现在相同的用钢量情况下,波形钢腹板支架具有较高的抗剪承载力,在高厚比很大的情况下不容易发生屈曲,且翼缘用钢量集中,使得截面的抗弯和轴压稳定承载力也大幅度提高,故它在各种荷载状态下的变形量均小于矿用工字钢支架,其支护效果优于矿用工字钢支架。

摘要：西山矿区是山西省采煤区的重要组成部分,为补充矿区地应力测试空白和研究掌握矿区地应力场分布规律与变化特征,采用小孔径水压致裂地应力测量装置,在西山矿区9个煤矿,完成59个测点的原位地应力测量,从地应力场类型、地应力量级、水平主应力方向以及侧压比等多角度分析表征地应力场分布规律等参量的变化特征,分析矿区煤系沉积岩地层不同岩性岩体水平主应力及侧压比随埋深的变化关系,研究西山煤矿区地应力场分布规律,探究岩性对矿区地应力场分布规律的影响。结果表明:西山矿区主要为中深部矿井,井下地应力场以水平应力为主,构造应力场占绝对主导优势,地应力量级主要为中等水平,低应力水平次之,地应力值随埋深增加而增大,但离散性也非常显著,埋深不仅决定地应力场类型,而且影响地应力量级;水平最大主应力方向呈NW向和NE向,主要为N5°W^N90°W和N6°E^N87°E,约各占50%;正断层带附近水平主应力呈明显增大变化特征,水平最大主应力方向发生扭转,为导致矿区地应力值异常和离散的主要影响因素;最大侧压比为0.80~4.23,其大小与地应力场类型相关,小于1为自重应力场,大于1为构造应力场,超过2水平应力完全占主导地位,平均侧压比为0.61~3.19,与埋深拟合曲线和霍克-布朗提出的曲线相似,但由于仅为西山特定煤矿区沉积岩地层测量数据故数值上存在明显差异;岩性不同岩体水平主应力值大小随埋深增加均增大,但应力增长梯度显现出差异性,岩性不同岩体两类侧压比随埋深增加均趋向于定值,但两类侧压比曲率大小呈现出明显的差异化特征,岩性仅为影响矿区地应力场分布规律的因素之一,很难依据单因素精确判定构造应力场的分布规律。