在考虑煤岩蠕变、塑性应变软化的基础上,推导了圆形巷道的黏弹塑性解,得到圆形巷道周围不同分区煤岩体的应力应变分布规律。结果表明巷道周围煤体切向应力在巷帮附近出现明显的卸压,随后在弹塑性区域交界处切向应力达到最大值,随后向深部煤体继续延伸。

运用FLAC3D数值分析方法口孜东矿11-2煤巷围岩进行开挖与支护模拟,采用摩尔—库伦弹塑性计算模型,巷道围岩与支护结构之间采用接触单元,计算得出在锚喷支护条件下,巷道开挖段的顶板下沉、帮部水平收敛大小以及塑性区范围,为工程设计与施工提供参考。

阐述了采场围岩三维力学特征及其影响因素,在分析冲击地压发生机理的基础上,初步探讨了综采采场围岩应力壳演化特征与发生冲击地压的联系,认为随开采特点及影响因素的改变,采场围岩应力壳的演化及发展为冲击地压的孕育发生创造了力学及能量条件,强调充分认识采场围岩应力壳的演化特征对防治冲击地压等煤矿动力灾害具有重要意义。

采用相似条件采场类比、现场实测和数值分析综合研究方法,研究了厚冲积层薄基岩采场围岩三维力学特征,研究表明:厚冲积层薄基岩采场矿压显现与基采比密切相关,随着基采比增大,采场矿压趋于缓和。按基采比大小可将采场划分为"有板有壳"、"有板无壳"和"无板无壳"3种类型。"有板有壳"类型采场,应力壳为采场第1掩体,其下位的断裂带板(梁)结构为第2掩体,采场矿压显现缓和;"有板无壳"类型采场,断裂带板(梁)结构为采场惟一掩体,其上位无"应力壳"承载,板(梁)结构失稳后采场矿压显现剧烈;"无板无壳"类型采场,无板(梁)结构和"应力壳"的掩护,冲积层荷载直接传递在液压支架上,该类采场易发生压架事故。"无板无壳"类型采场的覆岩结构沿竖向划分为两带,即"垮落带"和"弯曲下沉带"。并对形成3种类型采场的力学机理进行分析。

为控制巨厚坚硬覆岩导致的采场矿压灾害,采用物理模拟、理论分析与数值模拟方法,研究采场上方厚约100 m岩浆岩的变形破坏特征及对采场围岩应力分布的影响,并分析其引发采场矿压事故的力学机理与显现形式。研究表明:巨厚岩浆岩与煤层间距较小时,可采用两端固支梁模型计算岩浆岩的破断垮距,间距较大时,采用薄板理论计算岩浆岩的极限挠度,并根据自由下沉空间确定其是否破断与破断步距;岩浆岩处于弯曲下沉带时,给工作面带来冲击矿压隐患,处于断裂带时,给工作面带来冲击矿压和大面积来压双重隐患。实践证明,巨厚坚硬岩浆岩下开采,可采取加强支护质量监测与提高工作面推进速度的方法,辅以坚硬顶板强度弱化手段消除冲击矿压和顶板强来压显现事故。

为研究综放开采沿空留巷围岩变形特征,以山西铺龙湾煤业有限公司4102综放工作面为工程背景,从理论层面分析了沿空留巷围岩大变形机理,发现4102综放工作面沿空留巷围岩发生大变形主要原因是基本顶关键块体断裂回转使留巷位置由低值应力区变为高值应力区,在此基础上采用FLAC3D软件对沿空留巷围岩应力分布规律及变形特征进行分析。结果表明:在支护初期巷旁支护体垂直应力为1. 5 MPa,巷道围岩水平位移极小,当基本顶发生断裂后,巷旁支护体垂直应力增加,最大达3. 22 MPa,此时的变形速率也达到最大,随着上覆岩层触矸,巷道围岩垂直应力及两帮变形速率也逐渐稳定。

留小煤柱沿空掘巷是一种能够大幅减少区段煤柱宽度的地下开采技术,对提高采出率和延长矿井寿命意义重大,但易造成巷道围岩变形破坏。通过向小煤柱帮注浆,有利于小煤柱稳定和沿空巷道维护,提高沿空巷道及小煤柱稳定性。为了验证注浆加固技术对煤柱结构及其承载性能的影响,本文以阳泉煤业集团8407综放工作面回风巷道煤柱帮为背景,通过相似材料模拟实验和工程实践相结合的研究方法,验证了对护巷煤柱实施注浆加固的措施能够增强煤柱的承载和切顶能力,使关键岩石块体的断裂线靠近上区段采空侧,减小采空侧悬顶长度和煤柱应力集中,得出:沿空巷道受工作面采动影响时,侧向支撑压力峰值出现在煤柱帮3.5~4.5 m位置,起主要承载作用的是煤柱内部的弹性核区,注浆加固从本质上改变了煤柱的外部力学环境,确保了沿空巷道及其围岩的稳定。

围岩松动圈研究的目的是指导地下工程的设计与施工，相比于现场实测和数值模拟分析，理论计算围岩松动圈更为方便快捷。文中综述了两种主要的松动圈理论计算方法——强度准则法和数学模型法。强度准则法以Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和Druker-Prager准则为主，普遍经塑性区半径推导、松动区与塑性区界分和岩石强度参数修正可得到较准确的松动圈半径，其关键在于松动区的边界条件和岩石软化方法，并建议以应力梯度作为边界条件和以参数反演修正岩石参数进行计算，同时也简要评述了以动静力学思路和统一强度准则为基础的松动圈计算。数学模型法主要是基于对松动圈影响因素的研究，常采用神经网络模型和支持向量机模型，以及未确知聚类模型和多元回归函数拟合等，其关键在于松动圈影响因素的选择和建模选型。松动圈影响因素选择的重点在于次要因素，而建模选型在于引入其他模型对原有模型的核心元素进行寻优。建议应因地制宜地选择影响因素或引入灰色预测模型，同时必须经本地数据库训练修正后使模型达到最佳。实际工程中，由于强度准则法基于均质岩体中静水应力作用下的圆形巷道模型，巷道半径和侧应力系数取值及岩性不均一将会严重影响

分析了矿震激发震动波能量的传播模式、衰减特征及动态应力降大小,并基于能量和刚度理论,分析了动静载组合作用下巷道煤体的冲击破坏机理。研究表明,矿震震动能量的传播衰减特征主要依赖于能量几何扩散、传播岩体介质的阻尼衰减,以及矿震震源的震动位移场和能量辐射特征的综合影响。矿震动载传播至采场或巷道围岩时,分别与煤岩系统的静态应力(能量)场进行能量标量和应力矢量叠加。矿震动载的能量叠加可使煤岩系统聚集的能量增加,而应力叠加使系统内煤体变形破坏做功所消耗的能量减小,从而使系统聚集和消耗的"差能"增加。系统可释放的"差能"越多,煤体失稳的可能性越大,当动静载组合作用下煤岩系统同时满足冲击矿压发生的能量和刚度条件时,煤层发生动态冲击破坏。

以七岭煤业综采工作面回采巷道为例,采用FLAC3D数值模拟软件,分别对工作面回采巷道掘进期间巷道围岩屈服破坏特征、巷道围岩垂直应力、巷道围岩位移特征进行分析,得出坚硬顶板条件下回采巷道最优的支护方式和支护参数,并且成功的应用于工程实践。