断层作用下深部开采诱发冲击地压相似试验研究

以典型断层型冲击地压矿井为例,采用相似材料模拟试验方法,基于覆岩空间结构失稳与断层活化耦合致灾原理,分析了巨型逆冲断层下盘煤层开采采场覆岩运动过程、工作面倾向支承压力及断层面的应力变化规律,研究了巨型逆冲断层影响下巨厚坚硬顶板易冲击煤层冲击地压显现特征。试验结果表明:煤层开采诱发巨型逆冲断层冲击灾变过程分为3阶段:第1阶段,受煤层采动影响,上覆岩层发生空间运动,煤体中形成明显高应力集中区;第2阶段,覆岩多层空间结构演化诱发断层活化,断层活化导致空间结构外部岩体回转,给空间结构施加外部载荷,造成空间结构失稳加剧,煤岩体的应力激增,影响范围扩大;第3阶段,断层滑移释放能量,提供动载荷。根据应力监测数据变化规律,划分了逆冲断层的明显影响区域,研究结果为断层影响下煤层开采的防冲策略与设计提供可靠依据。

碎裂岩体失稳产生涌浪原型物理相似试验研究

崩滑体涌浪事件具有突发性和灾难性,且实测资料有限,原型物理相似试验研究这种涌浪现象是很好的方法。以三峡库区龚家方崩滑体涌浪事件为原型,探索构建三峡水库蓄水后干流上第一个涌浪大型物理相似试验模型,其长24 m,宽8 m,高1.3 m,几何相似比为1∶200。试验采用大理石材质、d50=1.47 mm的粗砂模拟碎裂岩体,利用波高仪、高速摄影机和爬高测试带监测河道内的水波变化过程,实施了以前缘入水速度为变量的6组涌浪试验。试验结果与龚家方涌浪事件调查结果对比表明,该试验方法可用于预测和研究类似碎裂岩体失稳产生涌浪问题。系列试验分析后,首次通过数据展示碎裂岩体失稳产生的涌浪在传播过程中波的追逐、叠加及反射波叠加等相互作用过程,精细地刻画了河道内涌浪传播和爬高衰减率的差异性。通过该原型模型系列试验,探讨碎裂岩体失稳产生涌浪模型试验的改进方向。采用的物理相似试验方法为碎裂岩体失稳产生涌浪研究提供了很好的借鉴,试验得到的数据及规律认识将为三峡库区类似岩质岸坡失稳产生涌浪预测提供极大的技术支撑。

基于相似试验的尾矿库溃坝泥石流预测分析

模型试验是较为准确预测尾矿型泥石流危害影响范围的研究手段。以四川盐源平川铁矿58号尾矿库为研究原型,应用相似试验原理建立该库的试验模型,进行全溃坝试验。试验中冲击压力在断面1达到峰值21 kPa;泥深呈周期性变化在断面2达到最大值5.8 cm,流速随泥石流演进长度不断减小,在断面1出现最大流速1.7 m/s。试验结果表明,溃坝泥石流的冲击压力、泥深和流速在运动过程中先快速到达峰值,然后逐渐减小,而泥深的变化呈现一定的波动性。各断面冲击压力、泥深和流速的峰值出现的时间并不相同,其出现先后与流通地形有很大关联。

锻造操作机相似试验台设计和仿真

锻造操作机具有重载、大惯量、机构混联等特性,这对操作机的快速高精度控制提出了很高的要求。为了满足操作机的控制要求,各种控制方法被提出并通过仿真验证了可行性。但是,直接将这些控制方法应用到重载荷的操作机上是不恰当的。设计了一台机、电、液一体化的锻造操作机相似模型,该模型在尺寸、运动和受力特性上和作为原型的某锻造操作机相似。同时,还建立了该样机的AD-AMS虚拟动力学模型,适用于控制方法的仿真和验证。

相似试验在排土场滑坡泥石流研究中的应用

在研究矿山排土场滑坡泥石流的危害时,模型试验能够较为准确地预测泥石流危害的影响范围。以四川盐源平川铁矿排土场为原型,应用相似试验原理建立该排土场某一滑坡体的试验模型,进行滑坡泥石流试验。试验中泥石流在距离排土场滑坡体下游3.6 m处停止堆积运动,泥深最大值为4 cm(断面1),最小值在为0.5 cm(断面3),但是泥深的变化呈现出一定的波动性,各断面的泥深并非到达最大值后就持续减小。根据相似试验的预测,平川铁矿排土场下游的部分重要设施会受到滑坡泥石流的破坏,确定了危害影响范围,评估了排土场下游设施可能的受灾程度。

孤岛工作面上覆岩层变形破坏规律相似试验研究

针对平煤八矿孤岛工作面的实际开采条件,采用相似材料模拟试验的方法,研究了巷道掘进和工作面开采过程中上覆岩层的变形破坏规律,得到了孤岛工作面上覆岩层运动特征。分析结果认为,合理的巷道位置应布置在靠近采空区的应力降低区内,煤柱宽度取5～6m为宜,不宜大于10m。

二次卸荷中边坡应力变化规律的相似试验研究

通过相似试验,研究了驻留矿体开采边坡岩体应力变化机理,分析了边坡稳定性情况。研究表明,在露天开采过程中,水平应变呈增加趋势,地应力向露天采空区方向卸荷;驻留矿体的开采过程中,水平应变呈减小趋势,边坡内部应力重新分布,地应力向地下采空区方向卸荷,在地下采空区周围形成应力集中区,从而使边坡表面水平应力呈减小趋势。但驻留矿体的开采不会对边坡的稳定性产生较大影响。

动态采空区非线性氧化升温相似试验研究

为深入研究采空区遗煤的氧化升温特征,利用容积平均法构建传热传质模型,搭建采空区氧化升温相似试验台,试验研究采空区遗煤氧化的非线性升温过程,并通过现场试验数据验证相似试验的结果。结果表明:采空区温度场中,高温区域主要集中在进风侧,并且随着工作面动态推进,不断向前迁移,采空区温度随时间呈指数增长;工作面推进速度是影响采空区温度升高的重要因素,推进速度越快,采空区升温速率越小,其中,工作面推进速度与采空区最高温度之间呈负指数减小的关系;同时,随着工作面推进速度的加快,采空区高温点位置距工作面距离不断增加;采空区特征点升温曲线拟合结果显示,现场试验值与相似模拟值基本吻合,证明了相似试验的合理性。

矿山开采过程中顶板冒落冲击振动规律相似试验研究

以某矿山无底柱分段崩落法采场结构参数为参照,以相似理论为基础,设计相似试验物理模型,研究采空区顶板在不同冒落高度、不同冒落量、采场有无安全垫层以及不同材料强度4种情况下顶板冒落冲击下部采场的振动变化规律。试验结果表明:①振动速度大小和冒落高度、冒落量、材料强度呈正相关的关系;②振动速度大小随着冒落高度的增加存在一个突变期,在突变期内振动速度增长最快;③采场内存在适当厚度的散体垫层对冒落体具有良好的缓冲作用;④在各个试验条件下,距离冲击位置越近的测点速度变化越明显;⑤随着振动波在岩体中的传播,存在某一临界深度,当超过这一临界深度时,上部采场顶板冒落造成的冲击振动影响很小。

竖直地埋管热相似试验台原理及试验验证

以考虑岩土竖向分层的竖直地埋管换热器传热模型为基础,通过热相似原理对该传热模型进行相似转换,得到了几何、时间、流速等相似倍数的关系。以某工程为例,基于相似准则,搭建了竖直单U地埋管相似模型试验台。通过该试验台地埋管运行24h(相当于原型运行64d)的测试数据,对已建的三维数值模型(相似模型和原型)计算结果进行验证。结果表明,地埋管出口温度平均相对误差为1%,进出口温差平均相对误差为8%,土壤温度相对误差为3%。该试验台实现了以较小成本和可控短期运行时间对复杂工况下地埋管长期换热规律的研究。

壳体容器跌落事故的相似试验设计与有限元分析

壳体容器的跌落事故是冲击动力学行为,存在几何非线性和材料非线性的特征,因此设计较准确的相似模型试验具有较大难度。本文通过理论分析方法给出了壳体容器跌落的相似模型试验的设计要求,在不考虑材料率相关效应的情况下,给出了各物理量的相似常数,确定了相应的相似准则。在此基础上,通过数值模拟方法,对不同比例的相似模型试验进行数值计算,并对这种相似模型试验的设计进行评价。通过计算发现,在一定的假设和试验设计条件下,各相似常数的误差较小,能很好地反映模型参量的相似性,从而可通过相似模型试验来研究壳体容器的跌落事故。本文为壳体容器跌落事故的相似模型试验的设计提供了理论分析和数值模拟的参考方法。

刚柔耦合吸能支护煤岩巷道冲击破坏相似试验与数值计算对比分析

冲击地压巷道支护问题一直是研究的热点。采用相似模拟试验和数值模拟的研究方法,对裸巷和刚柔吸能支护巷道的冲击破坏过程进行研究。试验和数值计算结果均表明,无支护巷道冲击变形破坏较严重,在巷道顶板和两帮壁面均出现裂缝扩展和贯通,甚至出现抛出物冲入巷道和塌落现象;刚柔吸能支护具有缓冲和吸收冲击能作用,表现为巷道顶板和两帮壁面发生向巷道内部变形,同时有局部壁面出现裂缝,但巷道整体性完好;裸巷和吸能支护巷道冲击破坏规律基本一致,吸能支护巷道冲击破坏程度弱,整体性好,刚柔耦合支护更有利于冲击地压巷道支护。

高深溜井悬拱堵塞相似试验研究

针对矿山高深溜井矿石悬拱导致溜井堵塞的问题,以眼前山铁矿2#主溜井为工程背景,用极限平衡法分析了矿石成拱机理,并利用亚克力管构建相似模型,综合含水率、材料级配等参量,对溜井卸矿进程进行模拟。通过观察放矿过程中料头的凝结状态,总结含水率、材料级配及料头高度对矿石成拱的影响规律。结果表明,利用亚克力管的相似模拟结果与实际情况较为符合,验证了相似模拟的可靠性。研究结果对矿山高深溜井成拱堵塞的防治具有一定指导意义。

基于相似试验的疲劳寿命预测方法

本文基于相似结构的疲劳试验结果,结合相关疲劳理论和有限元仿真计算结果,对接头的应力分布进行了有限元计算,提出了一种基于有限元分析结果反演疲劳寿命的预测方法。基于该方法,开展了重要接头的寿命评估,试验验证结果表明该预测方法能够准确地预测接头的疲劳寿命,对直升机结构疲劳设计具有重要的工程指导意义。

基于相似模拟试验的顶板导水裂隙带高度及发育形态研究

目的 为研究采动影响下顶板导水裂隙带高度及其发育形态,方法 以司马煤矿三采区1303工作面为研究对象,开展相似模拟试验,并以此为基础,对顶板的岩性组合加以改变,结合数字照相量测系统对不同岩性组合顶板导裂带高度和发育形态进行分析,并进行理论验证。结果 结果表明:(1)工作面推进长度为160 m时,硬岩岩性顶板模型、硬-软岩岩性组合顶板模型以及软岩岩性顶板模型的导水裂隙带最大发育高度分别为69.6,55.6,61.1 m;(2)3种模型的导水裂隙带发育形态分别为底角50°的正梯形、前底角62°后底角60°的近似正梯形、前底角50°后底角60°的梯形;(3)根据模型试验和数据统计结果,给出适用于长治二岗山断褶带以南井田导水裂隙带发育高度预测式;(4)运用材料力学方法分析垮落角形成规律,垮落角与导水裂隙带发育高度呈反正切函数关系,并计算得到3种模型导水裂隙带前底角发育角度,分别为49.24°,61.21°和51.12°。通过导高计算公式得到3种模型导水裂隙带发育高度分别为74.1,51.1,59 m,均与相似模拟试验结果吻合。结论 研究结果对各类岩性顶板煤矿导水裂隙带发育高度预测具有参考意义。

《相似理论与模型试验》典型案例库建设与教学实践

相似模拟研究方法是解决各类采矿问题的重要方法之一,因此,《相似理论与模型试验》是矿业工程等相关专业硕士研究生必修的一门专业课程。针对学生在学习《相似理论与模型试验》课程过程中,存在理解程度不够、工程意识不足,对相似试验中基础理论理论理解不深,创新能力较浅,不能很好解决实际工程设计等现状。基于工程案例教学方法,通过选取简易经典的课程内容以及诸多工程实例建成相似模拟方法研究采矿问题教学案例库,并应用于教学实践。结果显示,选取典型工程案例讲解《相似理论与模型试验》有利于学生在自我思考和独立研究中锻炼能力,并进一步培养学生的创新性思维,提高学生的综合素质。

主溜井矿石运移及井壁破坏特征的相似试验研究

为研究溜井矿石运移及井壁破坏特征,以金山店矿垂直主溜井为例,根据工程特点和相似理论,构建了由井口卸矿模拟装置、井筒适配装置、底部放矿适配装置、高速摄影系统和数据分析系统等部分组成的溜井溜放矿相似试验平台。以运动学理论为基础,在试验平台上进行溜矿段溜矿相似试验,得到了溜矿段矿石的运动轨迹,试验的井壁冲击破坏部位按相似比还原后与理论分析和矿山井壁冲击破坏检测结果相近;以椭球体放矿理论为基础,在试验平台上进行贮矿段放矿相似试验,得到了贮矿段井壁磨损分区范围,试验的井壁磨损破坏区域按相似比还原后与理论分析、PFC2D放矿数值模拟以及矿山井壁磨损检测结果相符。研究结果表明,溜井溜放矿相似试验平台及其溜放矿相似试验适用于溜井的矿石运移及井壁破坏特征研究,试验结果为金山店矿现服役主溜井的井壁加固方案优化和新设计的采区溜井支护方案优化提供了依据。

溜井溜放矿相似试验平台的研制与应用

溜井内矿石的运移特征,是制定溜井结构优化、井壁检修和生产管理方案的重要依据。而通过溜井现场溜放矿试验获得溜井内矿石的运移特征因制约因素多而难以实现,为此,研发了集溜放矿模拟系统、数据采集系统和数据分析系统于一体的溜井溜放矿相似试验平台,实现溜放矿全过程的模拟和数据的高效处理与分析。以该试验平台进行溜放矿相似试验,得到的试验结果与实测数据一致。试验结果表明,该试验平台适用于溜放矿相似试验研究,为研究溜井内矿石运移特征提供了一种有效的方法。

龙湖煤矿沿空留巷相似材料模拟试验研究

为开展龙湖煤矿沿空巷道巷旁堆积体动态演化物理相似模拟试验,对相似材料的配比进行了试验研究。选取细河砂作为骨料,碳酸钙和石膏为胶料,设计了3因素4水平的正交试验。通过对相似材料动态和静态参数的极差分析和多元线性回归分析,得到了3因素对相似材料动态和静态参数的影响规律。采用该相似材料的配比进行物理相似模拟试验。结果表明:在沿空留巷期间,巷旁堆积体受到上覆岩层运动的影响,其结构形态不断变化。在巷旁堆积体形成初期,由于尚未形成稳定结构,其一直处于“自组织调整”状态。当巷旁堆积体形成稳定结构后,受到上覆岩层运动的影响,可能会发生巷旁堆积体挤压巷道的现象。

岩溶洼地建库背景下水-气耦合试验相似材料研制

在岩溶洼地建库研究中,为研制出满足水-气耦合模拟试验所需的相似材料,以砂子、普通水泥、石膏为原料,设计了4组不同粒径级配的试验组。通过岩石低渗测试技术和核磁共振分析技术,分析了4组不同颗粒级配相似材料的渗透率、孔隙分布及逾渗特征。研究结果表明:在分形维数Df=1.68~2.31范围内,相似材料的渗透率随颗粒级配分形维数增加而线性增大。4组试样中,分形维数越大,则材料内孔隙总量越多,孔径分布越集中,对应的主控孔隙尺寸降低。随着分形维数的增大,灰度阈值升高,逾渗阈值降低,材料越容易发生逾渗。基于实测渗透率,建立了相似材料的渗透率计算模型,计算值与实测值吻合度较高。研究成果成功运用于岩溶洼地模型试验并取得显著效果,为进一步研究水-气作用提供了合适的试验材料。