复合扩管式锚索恒阻器的研发与试验研究

深部高应力、软弱围岩、强烈采动影响等条件下的巷道围岩频繁出现大变形,此类围岩大变形支护可控性普遍较差,常规锚索因其较低的延伸率无法适应巷道大变形而大量破断或锚固失效,导致巷道出现冒顶隐患。针对此类问题,研发了一种与常规锚索配合使用的复合扩管式恒阻器,其结构主要由止进端盖、扩径管、一体式托盘和锥式锁具组成,通过锥式锁具克服扩径管“扩胀—摩削”所产生的近似恒定的复合阻力,实现围岩大变形过程中的锚索支护阻力恒定,通过理论分析、数值模拟和静力拉伸试验等综合研究方法,系统分析和试验了复合扩管式恒阻器的力学特性和工作稳定性,掌握了该恒阻器扩径增量、锁具锥角对扩径管变形及恒阻器复合阻力的影响规律。试验结果表明:恒阻器复合阻力主要分为阻力快升段和近恒定阻力段2个过程,且近恒定阻力段作为主要阶段达到试验全程的85%~90%;锁具锥角、扩径增量直接影响了扩径管变形及恒阻器力学特性,锁具锥角小于20°时,扩径管变形均匀且恒阻器复合阻力发挥稳定,而扩径增量则决定了恒阻器复合阻力的大小,可通过调整扩径增量获取需要的锚索恒阻力;Ф17.8 mm锚索条件下,当锁具锥角为15°、扩径增量为5 mm时,恒阻器恒定阻力约为265.92 kN,Ф21.8 mm锚索条件下,当锁具锥角为15°,扩径增量为8 mm时,恒阻器恒定阻力约为424.15 kN,且工作状态稳定可靠,可较好的符合大变形巷道的恒阻支护要求。此外,该恒阻器还具有工作稳定性强、恒阻行程及阻力可调、结构简单、安装便捷等特点,是大变形巷道围岩控制技术的有效补充。

“三软”厚煤层回采巷道掘锚一体机工艺优化及应用

“三软”厚煤层回采巷道围岩整体强度低,且岩层结构组合普遍变化较大,造成掘进工作面悬露顶板稳定性差异明显,部分顶板稳定性较差区域无法直接采用掘锚一体机及配套施工工艺,造成掘进工作面频繁停工,整体掘进效率下降。针对此类问题,以沙吉海煤矿“三软”厚煤层回采巷道为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟等综合研究方法,阐明了掘进工作面悬露顶板漏冒、掘锚一体机陷入底板或跑偏、煤壁片帮是制约掘锚一体机在“三软”厚煤层回采巷道中应用的关键制约因素;考虑悬露顶板厚度、扰动影响系数、顶板各岩层强度及各岩层完整性等参量的影响,建立和推导了掘进工作面悬露顶板极限跨距计算公式;形成了以掘进工作面悬露顶板极限跨距计算为主导的巷道围岩稳定性分级方法,将“三软”厚煤层回采巷道围岩划分为极稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定5个级别;提出了不同稳定性级别围岩条件下掘锚一体机装备及施工工艺分类优化方案,并从截割滚筒位态调整、底板接地处理、巷帮作业平台增设等方面给出了困难作业环境下掘锚一体机应用对策。研究成果在沙吉海煤矿B1003W05工作面巷道进行了工程应用,其分类优化方案可有效保障掘锚一体机在“三软”厚煤层中的正常运行,相比邻近巷道采用悬臂式掘进机综掘工艺,掘进速度提升了1.0~1.8倍。

矿用锚索捻距与拉伸力学性能及锚固效果关系

矿用锚索主要由多根钢绞线缠绕而成,具有可弯曲、抗破断能力强及成本低廉等优点,在煤矿巷道围岩、特别是巷道顶板稳定性控制中广泛采用。捻距是制作锚索的重要参数之一,煤矿在选取锚索时,因了解尚浅而往往忽略这一参数。为探究捻距参数对锚索拉伸力学性能与锚固效果是否存在影响,采用理论分析与室内试验相结合方法,初步厘清了捻距参数对锚索拉伸时的几何变形特征的影响,明晰了其对锚索锚固力的影响机制。基于试验获得的锚索拉伸及锚固拉拔数据,构建数值模拟模型,与井下试验结果进行对比,得到了捻距与其极限拉伸载荷、最大锚固力的关系式,获取了能够充分发挥锚索拉伸力学性能与锚固效果的最佳捻距。研究结果表明:在锚索受到拉伸时,在一定范围内捻距与延伸率的关系为负相关,与拉伸极限载荷的关系为正相关;锚索-锚固剂界面存在一定的几何匹配关系,捻距减小至其13倍公称直径时,最大锚固力随着捻距的减小而增大;综合分析锚索极限拉伸载荷与最大锚固力等因素发现,能够充分发挥锚索拉伸力学性能与锚固效果的最佳捻距范围为13~14倍公称直径。研究成果增加了锚索捻距对拉伸力学性能影响的认识,明晰了对其锚固机制的理解,为锚索制作及煤矿选取锚索提供了参考及理论支撑。

深埋底抽巷炮掘水间隔装药结构与炮眼布置优化

为了有效解决岩巷钻爆法施工单次循环进尺较短、掘进面超欠挖等问题,以赵家寨矿14206工作面底抽巷为工程背景,采用数值模拟方法,从有效应力、振速、岩石损伤以及掘进面爆破效果等角度出发,分析了不同装药结构下岩石破碎特征。研究表明,全长装药和水间隔不耦合柱状装药结构的破碎半径相同,均为60 cm;通过巷道全断面爆破数值计算,揭示了2种炮孔间距下岩石阶段性破坏的演化规律,结果表明内部掏槽孔和崩落孔的布置间距应小于炸药有效破碎半径。现场试验结果显示,优化后的装药结构,其炮孔利用率达90%,进尺深度由1.5 m提高至1.8 m,整体装药量下降了5%。

巷道顶板蝶叶塑性区穿透致冒机理与控制方法

针对高偏应力环境下层状顶板巷道冒顶事故频发、支护困难等问题,采用理论分析、数值模拟、现场探测和现场工程试验等综合研究方法,揭示了层状顶板巷道蝶叶塑性区的分布规律,阐明了蝶叶塑性区穿透分布致使巷道冒顶的力学机制,结果表明:蝶叶塑性区具有隔层穿透发育的特征,未发生塑性破坏岩层的存在不能阻断蝶叶塑性区在软弱岩层形成;顶板蝶叶塑性区穿透分布伴有强烈的变形压力,使软弱岩层塑性区下位未发生塑性破坏岩层受到持续巨大的"挤压"载荷,致使其发生断裂破坏,是巷道存在冒顶隐患的内在原因。据此提出了防止此类巷道冒顶的关键在于维护塑性区围岩稳定,需锚杆(索)长度大于塑性区边界,且具备可承受大变形而不破断的能力。基于以上研究,对神东保德矿81306二号回风巷进行了支护补强设计和试验,试验结果表明该支护对策能够有效维持巷道顶板稳定。

巷道顶板多点离层监测仪的设计与应用

论文从机械式深基点位移放大器和深基点位移计两方面,论述了巷道顶板多点离层监测仪的设计原理,介绍了巷道顶板多点离层监测仪的安装及操作过程,并在神东煤炭集团寸草塔矿实施应用,通过对所得数据进行分析,详细准确地了解了22112回风巷顶板离层情况,为顶板分类、矿山压力显现研究提供了基础数据,为巷道支护优化方案提供重要理论设计依据。

浅埋薄基岩采煤工作面上覆岩层纵向贯通裂隙“张开—闭合”规律

浅埋深薄基岩采煤工作面上覆岩层纵向裂隙贯通是形成溃砂溃水通道的主要因素,为掌握该种裂隙"张开—闭合"规律,采用相似模拟、理论分析、现场实测等综合研究方法,深入分析了该种裂隙的张开闭合过程与形式,结果表明:纵向贯通裂隙的张开始于周期来压来临之前,随着工作面的继续推进,该种裂隙随着水平力、岩块错位量的动态变化而逐渐扩展,当扩展至极限时,纵向贯通裂隙随着关键岩块的切落而迅速闭合,伴随着下次周期来压的出现,之后出现该贯通裂隙的进一步压实,以及下一条纵向贯通裂隙的出现。基于上述研究,从工作面推进速度、液压支架支撑力、采空区的充填程度等易于工程控制的3个方面阐述了其对纵向贯通裂隙张开闭合的影响机制,为浅埋薄基岩工作面溃砂溃水隐患控制提供有效依据。

巷道蝶叶塑性区顶板冒落特征与层次支护研究

针对巷道蝶叶塑性区顶板破坏深度大、变形剧烈、冒顶事故频发等问题,综合现场调研、理论分析、数值模拟等方法,考虑巷道顶板不同服务阶段的变形破坏特点,研究分析了巷道顶板破坏失稳机理和不同层位顶板的控制要点,提出了以冒顶控制为主的顶板层次控制技术,阐明了辅助支护材料、普通长度锚杆、接长锚杆、长锚索对不同层位顶板的层次控制原理。据此,在保德矿81306工作面回采巷道蝶叶塑性区顶板进行了层次支护设计,并进行了顶板下沉量和接长锚杆支护力监测,结果表明:以冒顶控制为主的巷道顶板层次支护体系较好的维护了顶板整体稳定,保证了巷道安全与正常服务。

综放工作面煤柱巷道软岩底板非对称底臌机理与控制

针对综放工作面煤柱巷道非对称底臌剧烈、支护维护困难、起底工程量大等难题,以大南湖一矿综放工作面煤柱巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验等综合研究方法,分析了煤柱巷道围岩周边应力环境特征及其作用下的变形破坏形态。结果表明:煤柱巷道底板强度低下以及在采动影响下围岩应力环境出现非均匀现象,进而导致巷道底板塑性区出现非均匀分布,是造成非对称底臌的内在原因;底臌变形规律监测结果显示,非对称底臌程度与放煤厚度有内在联系,放煤厚度在5.9 m范围内,放煤厚度越大,基本顶岩层破断偏转角度亦越大,巷道围岩周边主应力比值、主应力旋转角度等参数越大,底板塑性破坏引起的非对称底臌变形越剧烈;底板最大塑性破坏深度位置随着主应力方向旋转角度的增加,逐渐向巷道中部位置移动,导致底臌变形最大位置分布不同,同时,煤柱巷道的这种底臌变形可控性较差,现有技术条件下企图采用高强支护是不可行的,控制上应以适应底臌变形为主;然而,当放煤厚度超过5. 9 m,基本顶岩层有沿煤柱边缘失稳切落的可能,巷道围岩应力环境趋于原岩应力状态,巷道围岩塑性区分布范围大幅降低,底臌变形较小。据此,以巷道非对称底臌规律为依据,提出了以调整采掘关系、优化巷道底臌硬化方案为主的底臌控制对策,现场应用效果良好,底臌变形量有效减少的同时,巷道底臌处理工作量亦大幅降低。

深部大跨度切眼顶板分区控制技术

针对深部大跨度切眼顶板自稳能力差、变形剧烈、支护困难等问题,以赵固二矿1105大采高工作面切眼支护为工程背景,综合现场调研、理论分析、顶板探测等方法,分析了深部大跨度切眼冒顶机理和不同顶板的控制关键,提出了以接长锚杆支护为主导的顶板分区控制技术,阐明了不同顶板分区的控制原理。据此,对赵固二矿1105切眼二次成巷进行了支护设计,并进行了顶板下沉量和顶板失稳垮落规律监测,结果表明:接长锚杆与中部层位顶板共同形成的"锚固体岩梁"呈现出较好的稳定性,各层位顶板均得到了有效控制,保证了切眼顶板安全与正常服务。

深井巷道围岩分次控制原理与强力支护技术

针对深井巷道围岩变形剧烈、变形持续时间长、支护难度大等问题,分析可知深井巷道围岩变形可控性较差,拟采用一次支护控制围岩变形,但现有工程技术条件下很难实现,且经济效益较差,据此提出基于高强多边形封闭式型钢支架的巷道围岩分次控制技术,对多边形封闭式型钢支架进行优化设计,一次支护采用锚杆＋锚索联合支护让压,二次支护在巷道变形量接近锚索极限延伸量的80%时进行,采用高强多边形封闭式型钢支架强力支护,在邢东矿应用结果表明：采用新支护方式的巷道围岩变形量较小,顶板总变形量能够控制在52-72 mm,该支护技术能较好地保证围岩稳定性。

布尔台矿采动巷道顶板变形破坏特征与支护技术研究

针对神东集团布尔台矿二次釆动回采巷道顶板破裂深度大、变形量严重、冒顶事故频发等问题,采用现场观测、数值模拟试验和理论分析相结合的方法,研究采动巷道顶板变形破坏特征和工程可控性。结果表明:巷道二次采动影响期间顶板变形破坏严重,增加支护强度对顶板变形的控制效果极为有限,顶板下沉量远远超出锚索的承受能力,顶板破裂深度高达4 m左右,在现有技术条件下试图通过高强支护来限制顶板下沉是达不到的,须采用以控制冒顶为主的高延伸率、大锚固范围支护材料。据此,对锚杆接长装置进行了优化设计,并在布尔台矿42105回风巷进行了支护补强试验,试验结果表明优化后接长锚杆支护技术能够有效防止巷道冒顶。

采动影响巷道顶板辅助材料支护设计方法研究

目前巷道辅助材料支护设计暂无具体的设计方法,主要以工程类比思想和设计者的工程经验指导设计,易造成辅助材料在巷道围岩性质较好区域支护过剩,围岩性质较差区域支护强度不足。针对此类问题,提出了合理的辅助材料支护参数应能保证支护后裸露岩层的尺寸小于巷道顶板表层岩层稳定跨距,同一条巷道中可根据顶板不同的表层岩层稳定跨距采用不同的辅助材料支护参数,并确定了采动影响条件下巷道顶板表层岩层稳定跨距的计算方法;同时将顶板表层岩层稳定跨距分成4类,给出了每类顶板的辅助材料选择原则,介绍了此种设计方法和原则在神东矿区补连塔12420回风巷和乌兰木伦矿12302回撤通道部分区域的应用情况。

集热管可调式太阳能热水器的研究与开发

集热管可调的太阳能热水器是在原有太阳能热水器的基础上进行结构改造,可以通过调控架调控集热管的转动,进而调节集热管的采光面积。文章着重介绍了可调集热管的设计原理、可行性分析等方面,并阐述了集热管可调式分体太阳能热水器的开发的意义和推广前景。

锚杆支护实践教学实验台的设计与应用

分析了锚杆支护教学的要点和难点,模块化设计了锚杆支护实践教学实验台,并展开了顶板钻孔施工与锚杆锚固实验、锚杆锚固质量检测实验、顶板合理锚固层位判别实验、实际锚固状态下锚杆力学性能测试、锚杆预紧力损失监测等方面的实践教学。该实验台对于学生完善专业知识、提升实际动手能力、增加专业知识学习兴趣、增强团队合作意识等方面具有积极作用。

科研型实验室的教学转化与应用

针对采矿工程专业实践教学的特殊性和复杂性,提出了对科研型实验室进行教学转化的理念,以河南理工大学矿压控制实验室为例,介绍了该实验室教学转化的方案及其在采矿工程课程《矿山压力与岩层控制》中的应用,实验课堂反应良好,对于提高实验室利用率、学生理解专业知识点、提升动手能力、提高学生学习热情具有积极意义。

新型农田施肥播种控制系统的研究与开发

本文是在传统施肥播种控制系统基础上,对农田施肥播种控制系统进行进一步的研究与开发。传统的施肥播种控制系统设计的思想是均匀化,而新型施肥播种控制系统以高效、便捷为指导思想。它的高效、便捷在于它可以根据土壤状况人为或自动改变作用孔的大小或排种器的转动情况,从而改变播种和施肥量的大小。适量的播种施肥必将能降低生产成本,提高农田产量,创造更多的经济效益。

深部煤与瓦斯共采中的优质瓦斯通道及其构建方法

瓦斯抽采钻孔围岩的破坏形态和范围对于瓦斯通道区域的联通具有重要影响。以钻孔围岩"蝶形塑性区"理论模型为基础,对深部煤与瓦斯共采中钻孔瓦斯导向通道进行了研究,结果表明:深部环境和采矿活动引起的"加载"与"卸荷"效应,会使钻孔围岩出现有利于瓦斯导通的"蝶形塑性区",蝶叶长度可达钻孔直径的几十倍以上。以"蝶形塑性区"理论为基础,提出了优质瓦斯通道的概念:通过协调采矿工程活动与瓦斯抽采钻孔布局,形成有利于瓦斯抽采的瓦斯导通和流动网络;并确定了以构建优质瓦斯通道的应力环境,确定钻孔布置岩层层位及协调采矿活动与钻孔时空关系为主要内容的优质瓦斯通道构建方法,以实现优质瓦斯通道的高效性、稳定性、长期性,提高瓦斯抽采效率。

掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理猜想

借鉴巷道蝶型冲击地压理论及非线性动力系统理论,提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理的猜想,认为掘进巷道煤与瓦斯突出的力学本质是巷道掘进工作面前方极短时间内出现一定程度的蝶形塑性区增量,引发围岩内弹性能与瓦斯能的叠加并迅速释放,进而发生煤与瓦斯突出。从蝶型冲击地压与蝶型煤与瓦斯突出在塑性区变化规律上的一致性及突出能量源的大小等方面对猜想的合理性进行了论证,构建了煤与瓦斯突出危险性的评估指标体系,提出了发生煤与瓦斯突出的强度、应力、角度和触发事件等4个必要条件,确定了发生煤与瓦斯突出的充分条件;首次对煤与瓦斯突出现象、发生条件与过程进行了定量分析与定量(非定性)解释。研究成果为煤层巷道煤与瓦斯突出的预测、预报和防治提供了全新的思路。

大采高超大断面切眼长锚杆锚索组合支护技术

为了解决大采高工作面超大断面切眼的支护问题,在赵固二矿1105切眼导硐进行了顶板岩层结构精细探测和岩层移动规律研究,结果表明赵固二矿1105切眼顶板表面至深部呈现裂隙密集区、裂隙渐疏区、裂隙稀少区等特征,3.5m以上裂隙发育较少,顶板4～6m范围内为稳定岩层,据此提出了长锚杆锚索组合支护技术,并采用理论计算、计算机数值模拟方法对支护参数进行了优化设计。该方案在赵固二矿1105超大断面切眼进行了现场应用,监测结果表明该方案能够有效控制巷道围岩,长锚杆支护效果良好。