基于三维扫描与打印的岩体自然结构面试样制作方法与剪切试验验证

无法大量制作表面形态完全一致的含自然结构面的剪切试样一直是困扰岩石结构面力学试验深入研究的难题之一。借助最新发展的3D打印和表面快速扫描技术,提出了岩石自然结构面试样制作新方法。该方法采用三维扫描仪获得岩石自然结构面表面形态的高精度点云数据,然后通过逆向工程软件重构自然结构面的表面形态和含自然结构面的虚拟剪切模型,进而通过3D打印技术制作含自然结构面的PLA(绿色环保材料聚乳酸)塑材模具,最后借助PLA结构面模具在制样盒内通过相似材料浇筑成型出剪切试样,从而实现批量制作结构面形貌完全一致的相似材料结构面剪切试样,满足多种组合试样方案下岩石自然结构面的深入分析。采用这一方法针对3种岩石自然结构面进行了批量制作和剪切试验测试表明:(1)浇筑制作成试样的结构面表面高程与原始结构面高程之间的误差分析显示,岩石自然结构面可以高精度地复制到剪切试样中;(2)相同剪切试验条件下多个剪切试样的剪切位移-剪切力曲线的重合度非常高,表明制作的结构面剪切样的一致性好且试验结果离散性小;(3)通过剪切结构面试样在剪切前后的表面形态扫描分析发现,相同试验条件下自然结构面的剪切破坏形态具有非均匀性。

资源整合矿井复采面垮落废巷注浆加固技术研究

为解决海天煤业3616工作面存在的过废巷问题,通过FLAC3D数值模拟及探巷实测手段,研究废巷的赋存状况,确定废巷的垮落特征;基于此,选用水灰比可调范围大的新型双液注浆材料,开发分次成孔、插管注浆的治理工艺,解决在破碎区打钻注浆遇到的钻进困难、塌孔、漏浆等问题。工程实践表明,用该治理工艺可实现快速成孔且可避免浆液过快、过慢凝固引发的堵孔、漏浆问题。在注浆后的工作面推进过程中,在废巷垮落区域未出现影响生产的大范围冒顶、片帮现象,该治理工艺的合理性得到证明。

基于TIN的三维地层建模及可视化技术研究

基于多层格网模型的表面建模方法,以及以此为基础形成的类三棱柱体元建模方法,要产生大量冗余的三角形面片或者细长的三棱柱单元,既不利于三维模型的快速浏览,也不能满足数值计算单元剖分的原则。采用TIN(不规则三角网)来表达地层面模型可以消除数据冗余。根据数据源的特点,实现了直接通过逐点插入法构造TIN模型,或者先通过Kriging插值法构造格网模型,再转化为TIN模型,以及利用等高线数据构造TIN模型。对TIN的裁剪算法进行了探讨,实现了地层面裁剪和断层的三维建模技术。借助可视化开发类库VTK,实现了三维地层模型的多种可视化表达方法。根据龙滩水电工程地质勘查情况,建立了坝址区域的三维地层模型。

残采区多形态废巷注浆综合治理技术

针对海天煤业井田范围内存在大量废巷问题,通过现场调研、钻孔窥视、理论分析等方法研究了废巷的存在形式,依据废巷的特点将其归纳为完整型与冒落型两种形式。基于此研究了治理方案,提出针对完整型废巷的地面建站注浆充填工艺与针对冒落型废巷的井下移动式注浆加固工艺,并分别提出与之相适应的注浆材料,即粉煤灰基材料与新型双液材料。工程实践表明:地面建站充填工艺治理完整型废巷效果较好,系统制浆能力可达60 m3/h,并能够实现自动化控制。井下移动式治理工艺对于冒落型废巷具有较强的适应性,可以解决冒落区的成孔难与漏浆问题。通过对以上两种类型废巷注浆治理后,工作面推进均较为顺利,没有出现影响工作面正常生产的顶板、瓦斯问题。

高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析

高水巷旁充填材料在煤矿沿空留巷工程中得到了广泛应用,水灰比对其力学性质关系密切。首先通过扫描电镜分析了高水材料的微细观形貌,其次通过RMT-301伺服试验机对1.3~2.5∶1等6种水灰比的高水材料试样进行了单轴压缩试验,得到了各水灰比试样的全应力-应变曲线,分析了试样的变形特征、强度及破坏特征、能耗特征随水灰比变化的规律。结果表明,高水材料的微观结构为固、液、气构成的多孔海绵状结构;高水材料的变形特征与岩样相似,也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段,弹性模量、割线模量和峰值强度等随水灰比提高多呈指数函数关系下降;随着水灰比增大,试样由脆性破坏逐渐过渡到延性破坏;随着水灰比增大,试样吸收的总应变能与可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降,而耗散能变化幅度不大。

平顶山矿区远程下保护层开采技术研究

针对平顶山矿区深部开采的瓦斯治理现状,采用数值模拟和现场实测手段,分析了远程下保护层开采后,上覆煤岩层在采动过程中的应力分布和膨胀变形规律,结果表明:平顶山矿区的煤层群赋存条件为远程保护层开采技术的应用提供了良好的自然条件,尽管煤组间距较大,但卸压增透效果显著,配合合理的卸压瓦斯强化抽采措施,能够消除远程被保护层的突出危险性,说明改变现有的开采布局,采用远程保护层开采技术,有利于对深部煤炭资源的安全开采。

矿井相对瓦斯涌出量动态无偏灰色马尔科夫预测

矿井瓦斯涌出量预测对于煤矿瓦斯防治具有重要意义。为预测矿井瓦斯相对涌出量,以传统灰色GM(1,1)模型为基础,构建动态无偏灰色马尔科夫模型,通过分析潞安矿区某矿2003—2010年的煤矿相对瓦斯涌出量数据,预测2011—2012年煤矿相对瓦斯涌出量数据,利用无偏灰色GM(1,1)模型代替传统灰色GM(1,1)模型,通过拟合得到煤矿相对瓦斯涌出量数据变化趋势,并在此基础上利用马尔科夫模型进行预测,并在此预测中进行原始数据更新,并对4种预测方法的预测结果进行对比分析。结果表明,动态无偏灰色马尔科夫模型不但能够消除传统灰色GM(1,1)模型自身的固有偏差,而且能提高预测精度,平均绝对误差为3.2%,平均相对误差为2.59%,均低于传统灰色GM(1,1)模型与一般灰色马尔科夫模型。动态无偏灰色马尔科夫模型对于煤矿相对瓦斯涌出量数据的平均预测精度达到96.74%。

大采高工作面末采防片帮注浆加固技术

在理论分析工作面煤壁破碎机理的基础上,运用课题组研制的水灰比可调控的高性能无机注浆材料结合层次分区注浆加固技术在末采阶段进行注浆加固。浅部注浆形成有效的止浆层,显著地提高了深部注浆效果。工作面的破碎煤体得到有效的充填和固结,煤体整体性得到显著的提高。

工程地质三维建模及分析系统设计研究

采用边界表示(BRep)结构和TIN模型的混合数据结构,借助GIS技术,开发集基础数据管理和三维地质建模为一体的工程地质三维建模及分析系统。采用TIN模型来拟合构造复杂的地质曲面,提出包括直接由离散点生成TIN模型、或由地形等高线生成TIN模型,以及由规则格网数据生成TIN模型的多种构造方法,并实现地质层面TIN模型的求交、裁剪,以及缝合等关键技术;引入颜色、纹理等"渲染"技术,实现地质信息的逼真表达;此外,探讨基于三维地质模型的任意地质剖面分析、岩土体分布面积和体积计算等基本分析技术,最后将系统应用于滑坡、高边坡、水利水电以及公路边坡开挖等工程地质三维建模和分析中,验证该理论及系统的可靠性和通用性。

空巷似膏体材料充填技术研究

针对巷式开采遗留空巷影响工作面正常回采的问题,采用粉煤灰基似膏体材料对空巷进行充填试验,研究了充填辅料含量分别为3%、4%、5%时材料基本理化性能,并对充填工艺及充填效果进行分析。结果表明:随着辅料含量的增加,抗压强度逐渐增加,至充填辅料含量5%时,90 d单轴抗压强度为6.55 MPa,膨胀率为2.4%左右可使充填体接顶良好,抗压强度满足要求,30 min内浆液流动性大于210 mm。结合现场系统半连续搅拌、连续放浆,配合合理的循环比,可实现管路自流输送,空巷充填消除了空巷瓦斯、水患、顶板等隐患,提高了煤炭采出率。

综放工作面注水降尘技术

赵庄二号井开采的3#煤层为厚煤层,选用的是综采放顶煤采煤方法,生产过程中粉尘浓度较大,传统的喷雾降尘方法不能够满足现场降尘的需要。为了进一步降低工作面粉尘浓度,改善工作面劳动环境,为创建安全、高效型矿井提供良好的生产条件,文中针对3#煤层孔隙率小、渗透性低、润湿性差等特征,采用混合注水方式进行煤层注水降尘技术分析研究及现场试验。分别从钻孔布置方式、注水封孔工艺、注水工艺及参数和降尘效果等方面进行了阐述,分析了煤层注水对工作面超前支承压力的影响变化,并提出了添加烷基酚聚氧乙烯醚TX-10表面活性剂改善煤体润湿性,增强了煤层注水润湿效果。结果表明,实施注水工艺技术后,煤层水分平均增量为1.61%,全尘平均降尘率达58.71%,呼尘平均降尘率为57.34%,大幅度降低了工作面粉尘浓度;添加润湿剂后,增加了钻孔注水量,缩短了注水时间,扩大了润湿范围,改善了注水效果。实践证明,该套注水降尘工艺用于综放工作面降尘是切实可行的。

冲击地压应力状态及卸压治理数值模拟

深部开采中的冲击地压现象与巷道、采场围岩的应力状态密切相关,通过爆破卸压改变围岩的应力状态是最为直接和有效的治理措施.采用FLAC3D对典型冲击地压巷道的应力状态进行了数值模拟,结果显示由于开挖卸荷作用引起的应力集中区域是冲击地压现象频发的部位.提出了两种孔深10 m以及延伸辅助眼浅孔3种卸压治理方案,分别模拟卸压后围岩的应力分布状态,结果表明:3种方案都起到了缓解区域应力集中的效果,但延伸辅助眼浅孔方案卸压效果更明显,且打孔及装药容易,与掘进工作同步,是一种经济有效的治理方案.

大采高长工作面主撤巷道合理布置研究

为了确定寺河矿4301大采高长工作面主撤巷道的合理位置,减少煤柱损失,通过研究工作面超前支承压力分布规律,探讨合理的煤柱留设宽度,进而确定主撤巷道的位置。采用现场观测和数值模拟相结合的方法研究工作面超前支承压力的分布规律,研究表明:工作面末采阶段,工作面超前支承压力峰值位置保持在距工作面8～10 m处,影响范围约50 m,剧烈影响范围约为20 m;合理的煤柱留设宽度应为35～45 m,即主撤巷道应布置在距盘区集中巷35～45 m处,既保证了主撤巷道的稳定,同时也减少了煤炭资源的损失。

采场弯曲下沉带内巷道底鼓规律及控制技术

为解决遗留煤炭资源回采时巷道掘进工程量大的问题，采用现场实测的方法分析了动压条件下上部巷道变形规律，提出了底鼓治理方案，结果表明：在原有支护条件下，受下部工作面回采影响巷道变形主要以底鼓为主，最大达788mm；巷道底鼓剧烈变形区主要在工作面前方35m至后方13m的区域，该区域内底鼓量占总底鼓量的76％～81％；提出了巷道临时支护方案及后期底锚杆加固方案，有效控制了动压条件下巷道底鼓。

大采高工作面复用巷道二次注浆加固技术

为了解决大采高工作面复用巷道留设困难的问题,实施二次注浆加固技术。通过对矿压显现规律和巷道变形破坏规律的分析,确定了二次注浆加固的方案,使用新型注浆材料,对二次注浆加固的工艺参数进行了优化设计,并使用现场监测和FLAC3D数值模拟软件对二次注浆加固效果进行验证分析。试验结果表明:二次注浆加固后,锚固结构的支护效率和破碎煤体的整体性得到了提升,复用巷道两帮移近量减少73%,顶底板移近量减少51%,有效地解决了复用巷道的留设困难问题。

采矿工程专业虚拟实习及教学技术研究

采矿工程专业课程涉及面广、内容抽象、实践性强,传统教学手段表达能力有限,存在课堂教学效果差、实践教学经费紧张等问题。将虚拟现实技术应用于采矿工程专业实习及教学当中,为学生营造"自主学习"的环境,使其身临其境般地感受矿井巷道布置、设备运转,以及矿井主要生产系统,从而达到良好的教学效果。本文对虚拟矿井实习及教学系统的框架和实现方法进行了简要分析。

“两硬”围岩孤岛工作面矿压显现规律研究

为了更好地对寺河二号井"两硬"围岩(即坚硬顶板和坚硬底板)地质条件下的工作面开采工作进行掌握和指导,采用相似模拟试验、现场监测相结合的方式,对寺河矿二号井IX4302孤岛工作面矿压显现规律进行了分析研究。研究结果表明,受"两硬"围岩和孤岛形态的双重影响,工作面周期来压明显,基本顶初次来压步距为45.7m,周期来压步距平均为16.4m,但动载系数普遍较小;超前支承压力峰值位置位于煤壁前方11m处,回采巷道变形较小,对类似条件工作面安全高效回采提供了参考和指导。

远程保护层开采上覆煤岩层移动规律

采用UDEC离散元数值模拟研究方法,对平顶山矿区远程下保护层开采条件下上覆煤岩层卸压特征、膨胀变形特征进行了分析。结果表明,在采动或重复采动作用下,上覆煤层卸压特征明显,透气性增加显著。

深井矿山硬岩巷道岩爆治理方案研究

根据工程实例对深孔、中深孔,以及延伸辅助眼浅孔爆破卸压进行了数值模拟分析,表明深孔卸压方案并不合理,延伸辅助眼浅孔爆破卸压方案是一种合理经济的卸压方案。

近水平远距离下保护层开采卸压范围

为了确定晋城矿区保护层开采的卸压保护范围,采用相似模拟、现场实测的方法,研究了保护层开采过程中被保护层的竖向变形规律,得出了保护层开采的有效卸压范围,为相似条件下保护层开采及被保护层巷道布置提供依据。研究表明:保护层开采后,被保护层煤体出现明显的竖向变形,沿工作面推进方向上依次分为压缩区、膨胀区、卸压膨胀区、膨胀区、压缩区;沿煤层上山方向的有效卸压保护角为81.6°,下山方向的有效卸压保护角为79°,走向有效卸压保护角为67.7°;在工作面后方37 m以远,3#煤体膨胀逐渐趋于稳定膨胀值为93 mm,膨胀率为1.55%,煤体卸压充分。