冲击地压主控因素及孕灾机制

随着我国煤矿逐步向深部开采转移,冲击地压灾害日趋严重。在冲击地压从机理认知走向防冲工程进程中,首要的任务是厘清冲击地压孕灾主控因素,并进行风险程度判识。在上百个冲击地压矿井致灾评价分析基础上,提出了导致冲击地压发生的4类客观主控因素:煤岩冲击倾向性、开采深度、坚硬顶板、地质构造,以及3类人为主控因素:煤柱、采空区及采掘卸荷,并对各主控因素对冲击地压孕灾的力学机制进行了分析讨论。在客观主控因素方面,煤岩冲击倾向性是煤岩积聚变形能进而诱发冲击破坏的自身属性;开采深度与巷道围岩内积聚的变形能呈正相关关系,是冲击地压发生的必要条件;坚硬顶板大尺度周期断裂形成的冲击动载及动能是诱发冲击地压的“导火索”;地质构造对冲击地压的影响显著,对于断层构造而言,断层两盘将在开采扰动造成的突发卸荷影响下产生相对“回弹”;煤层变薄区等效弹性模量变大,超前支承压力呈“双峰值”分布,使得冲击影响范围扩大。在人为主控因素方面,煤柱作为高应力集中区,其尺寸、倾角及相对位置等将直接影响冲击地压发生的概率和强度;采空区会诱发超前支承压力集中区内围岩积聚弹性能的突然释放,尤其是在采高较大、顶板垮落不充分的情况下;采掘卸荷会导致应力集中区快速“迁移”,引发煤体内弹性应变能的大量释放,是造成冲击地压的重要外因条件。在此基础上,对山东新汶、山东鲁西、内蒙古鄂尔多斯、陕西彬长、新疆和甘肃等矿区冲击地压孕灾主控因素差异性,进行了对比分析,强调按层次对矿井、采区和工作面进行冲击地压主控因素及其影响程度判识重要性,构建了从降能、释能、阻能到抗能的冲击地压治理工程路径。

基于Otsu图像处理的岩石细观模型重构及数值试验

基于大津法(Otsu)多阈值分割方法,利用数字图像处理技术获取了花岗岩细观结构的表征图像,并结合颗粒流程序,重构了反映岩石非均质结构特征的细观模型。通过单轴压缩试验,分析了花岗岩的失稳破坏过程,并研究了细观结构强度对宏观强度及破坏形态的影响。研究发现:花岗岩试件失稳破坏过程中存在4种裂纹形式,加载初期首先产生界面裂纹,其次是云母裂纹,长石和石英在应力接近极限强度时才破坏;当增大胶结界面或矿物强度时,花岗岩的抗压强度随之增加,但增加梯度逐渐减小;胶结界面或3种矿物细观强度的增大会使该结构处裂纹数量减小,而增加其他结构处的裂纹分布;相对于中等强度的长石和高强度的石英,低强度的胶结界面和云母矿物对花岗岩宏观强度和破坏形态的影响较大,是关键细观结构。将Otsu图像处理技术与颗粒流程序相结合,建立反映岩石真实结构的细观模型,为研究岩石非均质性对宏观力学特性的影响提供了一种有效手段。

煤层钻孔钻进煤粉自动测量方法及试验研究

钻屑法是煤矿常用的冲击地压危险性检测方法,钻孔煤粉量的高效准确采集是工程现场比较关注的技术难点,直接影响检测评价效率和结果。基于钻孔排粉特征及流体质量称重原理,自主研发了一套适用于不同孔径钻孔的煤粉量自动测量装置,该装置由集粉装置、称重装置、数据处理系统和固定机构组成,可根据钻孔排出煤粉的流动质量及标定函数获得煤粉实际质量,通过室内试验和现场测试,检验了该方法的测量准确性。研究表明:根据煤粉流动质量–时间曲线可以有效辨识钻杆钻进及接杆工序;每米钻孔的煤粉流动质量累加值与实际质量呈明显的线性关系,标定函数与称重装置的称重滑道倾角、采样频率等装置测试参数相关;与常规称重法相比,煤粉自动测量方法的实验室测量误差最大值小于6.5%,现场测试平均误差为5.13%,误差小于10%的数据占比86.91%,装置测试参数和钻孔煤粉流量、粒径等不可控的工程因素对测量结果准确性影响很小;在保证准确性的同时,常规孔径钻屑法的接杆工序时长减少了25.16%,施工效率提升了11.84%。大直径钻孔浅部煤粉分布规律与常规孔径钻屑法一致,同时可获得更深处巷帮煤粉量分布。所提出的煤粉自动测量方法,提高了大直径钻孔钻屑法的施工操作性,可实现大直径钻孔的强排粉卸压–煤粉测量同步作业。

基于Lattice Boltzmann方法的瓦斯渗流模拟研究

为了更好地处理瓦斯渗流中的吸附-解吸问题和复杂边界条件,Lattice Boltzmann方法(LBM)被引入到瓦斯渗流模拟研究中。给出了考虑Klinkenberg效应和吸附-解吸特性的LBM瓦斯渗流方程和建模方法,得到了2种因素对渗流的影响,模拟研究获得了煤体中瓦斯压力在时间上的演化和空间上的分布规律、不同裂隙分布对瓦斯流动的影响,对比分析了抽放压力及抽放孔布置对瓦斯抽放效果的影响等,并初步探索了煤体细观结构图像处理与LBM相结合的瓦斯渗流模拟研究新思路。

基于颗粒流理论的煤岩冲击倾向性细观模拟试验研究

为了研究煤岩不同细观参数均质度对冲击倾向性的影响,利用细观颗粒流软件模拟了弹性模量和黏结强度分别服从Weibull分布的非均质煤岩,并通过进行单轴压缩试验分析了破坏过程中的能量积聚与释放,研究了不同均质度m的煤岩冲击倾向性。分析表明:颗粒弹性模量均质度m与宏观弹性模量之间呈幂函数关系,m越大,峰前积聚的能量越多,冲击倾向性越明显;颗粒间黏结强度均质度m与宏观抗压强度之间呈幂函数关系,m越大,峰前积聚的能量越多,煤岩破坏由塑性向脆性转化,峰后能量释放速度加快,冲击倾向性越明显;黏结强度均质性影响峰前的能量积聚和峰后的能量释放,而弹性模量均质性只影响峰前的能量积聚,黏结强度均质性对冲击倾向性的影响大于弹性模量,起主导作用。

尺寸效应对煤层冲击倾向性测试结果的影响

为研究岩石尺寸效应对冲击倾向性测试结果的影响，进行了高径比相同，直径区间为25-75mm的细砂岩试件的单轴抗压强度试验和颗粒流模拟分析。试验结果表明：小尺寸试件抗压强度较低，声发射产生时间较早、数量较多，峰前积聚能量较小；峰后为塑性失稳、劈裂破坏，能量释放速度较慢，冲击能量指数较小，冲击倾向性较弱；大尺寸试件抗压强度较高，声发射事件数量较少，并且主要集中在极限载荷附近，峰前积聚能量较大，峰后为脆性失稳、剪切破坏，能量迅速释放，冲击能量指数较大，有较强的冲击倾向性；得到了不同尺寸试件的冲击能量指数修正系数，减小了尺寸效应对冲击倾向性测试结果的影响。

水力耦合作用下裂隙岩体破裂扩展及声发射能量损伤规律

裂隙岩体稳定性在很大程度上受控于非连续面的分布形态和特性,在水力耦合条件下,裂隙的分布形态对地下洞室围岩稳定性尤为关键。首先,应用RFPA计算程序分析类岩石试件不同位置裂隙岩体的破裂过程、声发射特性及能量耗散规律;其次,根据声发射自定义水力耦合条件下的岩体损伤模型;最后,对水力耦合条件下隧道裂隙围岩的损伤破坏过程进行了模拟研究。研究结果表明:受裂隙位置影响,岩体受到荷载作用时,在预制裂隙两端产生拉应力集中区,受压区分布于裂纹扩展区域,各工况裂纹扩展以张拉破坏为主,裂隙工况由中部向端部变化时,其破坏效应角β逐渐增大;孔隙水压能够促进拉应力的产生,对上部和下部裂隙工况的裂纹破坏起主导作用,对中部裂隙工况破坏具有一定辅助作用,裂隙内最大孔隙水压力随裂隙位置呈“U”形演化特征;孔隙水压力的初始加载值设置越大,各工况破坏时的峰值强度和最大水压力越低;预制裂隙形成的主破裂路径长度与声发射数目和能量累积能力呈正比关系,损伤变量指标随受载过程呈“稳增长—剧增长—稳增长”变化趋势;当裂隙处于隧道右上部时,对围岩稳定性影响最显著且围岩损伤具有滞后性。

不同应力下煤体钻孔试验及钻进能量响应研究

针对钻孔过程中煤体应力对钻进能量的影响问题,利用自制的恒钻压钻进试验装置开展煤岩钻孔试验,测定了钻进参数,研究了钻进能量与煤体应力的关系;利用钻屑参数计算了钻屑表面能,研究了煤体应力与表面能的关系,通过对比钻进能量和钻屑表面能,对钻孔过程中能量的转化进行了分析。研究结果表明:扭矩功在钻进能量中占比95%以上,钻进能量随煤体应力增加而增加,近似呈线性关系;钻屑量和钻屑表面能均随煤体应力增加而增加,钻进能量向钻屑表面能转化过程中存在8%~33%的能量损耗,损耗能量的形式主要是声能和钻头摩擦生热。

油田开发精细化管理评价及提升途径研究

现阶段,我国大部分探明的油田经过开发,原油的储量已经日渐减少,这就增加了油田开发的难度。由于原油埋藏深,导致开采的原油量含水率在渐渐攀升。油田开发成本的升高,给油田开发工作带来了巨大的生产压力。因此,各个油田为保证原油开采的质量以及产量,减少原有含水量,都在对油田开发管理模式进行不断的探索与改善。其中,油田开发的精细化管理是一种能够最大程度的减少和降低管理成本的管理方式。它是一种发达的企业管理理念,对于油田的精细化管理以及维持原油开采稳定性起到积极的促进作用。本文从油田开发精细化管理进行分析探讨,并提出加强措施,仅供参考。

课堂教学的现实瓶颈与“革命”路径

课堂教学革命有其深远的历史意义和时代特征。课堂教学作为学校教学中基本而又不可替代的角色,目前存在一系列现实瓶颈:教学过程中教育意义的流失与社会化价值的流失尤为严重,已然跟不上国际教育改革发展的趋势,同时,也不符合社会发展对人才的培养要求,因此,课堂改革势在必行,坚持“素养核心、学生本位”的基本理念,以中国具体国情为基础,从观念上、模式上、实施上全方位保证课堂革命的顺利开展和执行,探索构建一流教育、培养一流人才的革命路径。

软岩巷道扩孔锚固机理及支护控制数值模拟研究

针对深部煤矿巷道应力复杂、软弱围岩变形较大的问题,提出一种端部扩孔锚固方法,通过理论模型及数值计算,分析了端部扩孔锚固界面应力分布、脱锚长度扩展及端面挤压应力分布;研究了不同锚固方式巷道围岩变形、应力集中特征。结果表明:相比于常规锚固,界面剪应力在拉拔端附近先增大后减小,且在扩孔起点处附近也存在一个峰值,整体分布形态上呈现双峰值特征;在相同拉拔荷载下,扩孔锚固脱锚长度明显减小;扩锚端面可提供一定挤压抗力,沿扩锚端面径向向外逐渐降低,随扩孔直径增大,挤压抗力明显上升;扩孔锚固巷道顶板变形量比常规锚固降低了36%,巷帮应力集中系数降低了37%;在保证相同巷道稳定性控制效果前提下,扩孔锚固排距可按1.3倍进行布置,有效降低了锚固施工量。

急倾斜采空区矸石充填顶板控制变形分析

根据急倾斜煤层采空区矸石充填开采下顶板受力特征,建立了顶板岩层梁式力学模型,得到了考虑充填矸石支撑作用的顶板挠度计算式,研究了不同充填量及强度的矸石对不同倾角顶板变形的控制作用。

卸压煤体缓冲吸能效应模拟分析

为了研究卸压煤体对冲击能量的缓冲吸能效应,利用颗粒流软件建立了巷道围岩局部模型,分析了完整煤体与卸压煤体对冲击能量的缓冲吸能效果,不同损伤度和破碎深度卸压煤体的缓冲吸能效果,不同损伤度和破碎深度条件下支护体受力变化。结果表明:与完整煤体相比,损伤度40%卸压煤体对冲击能量的消耗是完整煤体的2倍,卸压煤体吸能效果远高于完整煤体;随着卸压煤体损伤度或破碎深度增加,静载作用下支护体受力递增,但冲击作用下支护体受力递减,强卸压煤体对冲击能量的缓冲效果更明显,但静载下支护强度相应增加;当卸压煤体的损伤度在40%,破碎深度为3 m时,卸压煤体能达到较为理想缓冲吸能效果。

基础力学自主创新设计案例与教学实施

跨学科综合设计能力是工科学生必备的基本素养,也是工程教育认证的基本要求。围绕基础力学实验课程学生创新设计能力如何培养问题,开发了适用于培养学生解决工程问题能力的新型电阻应变式传感器研制实践教学案例。该文对电阻应变式传感器结构设计的基本流程、优化、标定等技术及案例实施过程进行了详细的阐述。从实际的教学效果看,该案例融合了工程背景、力学基础理论和数值计算等多学科知识,实施过程不仅能强化学生对基础力学知识的理解和综合应用,还能提升学生的实验设计能力,培养学生的科学思维和工程意识。

侧压力系数对煤体水力裂缝扩展规律的影响研究

为研究水力压裂过程中煤体水力裂缝起裂及扩展特征,采用颗粒流软件PFC2D建立煤体流固耦合模型,分析了侧压力系数对裂缝扩展及动能演化规律影响。结果表明:煤体水力压裂破坏形式为拉剪破坏,其中距离注水孔较近的裂缝主要源于张拉破坏,而距离注水孔较远的裂缝产生较多剪切破坏;侧压力系数λ在1.6~3.4范围内,煤体的起裂压力随侧压力系数增加而减小;相同时间内水力裂缝延伸距离随侧压力系数增加而增加,当λ≥2.8,裂缝转向后沿着煤样对角方向延伸;扩展速率由快到慢,侧压力系数增大不仅促进水力裂缝的发育,还增大裂缝的扩展速率,但随着侧压力系数的提升,其对裂缝扩展速率的影响逐渐降低。

岩石冲击破坏室内试验方法研究现状及展望

针对冲击地压发生机理与前兆信息试验研究问题,从应变型冲击试验、动载型冲击试验、岩石变形信息监测技术3个方面归纳模拟研究冲击地压的主要试验方法。综述应变型冲击试验的主要原理与方法,如模拟巷道开挖的真三轴卸荷试验、考虑围岩能量补给的柔性加载试验及围岩结构特征的煤岩组合体试验;总结动载型冲击试验的主流试验方法,如多波形扰动破坏试验、多维静载-霍普金森冲击试验等;阐述岩石变形破坏过程中声发射、表面应变场与温度场、内部裂隙场与应力场的监测技术手段。指出围岩结构体冲击模拟试验方法、岩石破坏后多信息监测技术等方面的发展方向,期望对岩石冲击破坏室内试验方法改进与创新提供指导。

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0~70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。

采矿与力学相融合的创新实验项目建设与实践

创新实验教学项目的开发与建设是新时代全面推进创新教育的要求。基于采矿工程背景及力学实验技术,以实践创新技能培养为导向,以矿业类科研项目为依托,设计制作了顶板岩层移动相似模拟实验教学装置及地表沉陷三维相似模拟实验教学装置,成功建设了“煤炭开采顶板运动相似模拟实验”及“煤炭开采地表变形相似模拟实验”两项创新实验项目,初步形成了教研结合的实验教学模式。教学实践表明,学生对具有明显工程背景及开放性、挑战性更强的实验项目更感兴趣,增强和培养了学生的科研兴趣和力学应用能力。

基于导师团队协作模式的研究生创新能力梯级培养

随着"新工科"概念的提出,已有研究生教育中的单一学科培养模式已不能满足当代科技发展的需要,随着科学技术的发展,造就具有复合知识、能力与素质结构的拔尖创新人才,已经成为世界研究生教育改革与发展的重要趋势。因此以复合人才培养为导向,以导师团队为研究单元,考虑团队中导师成员年龄层次、专业及学科背景的差异、研究生专业及年级的差异,充分发挥团队中的学科交叉和相互协作,从研究生培养体制的改革着手点、改革措施、改革目标等几个方面详细阐述了建立研究生创新能力梯级培养模式,为推进我国研究生教育创新、提高研究生教育质量进行了一些有益的探索。

浅谈在新形势下做好石油企业保密工作

随着社会的发展进步，保密工作面临严峻的考验。作为社会稳定发展的重要能源保障，石油企业保密_Y-作显得尤为重要，甚至关系到国家安全。本文结合当前新形势下，如何做好石油企业的保密工作作以论述。