套筒灌浆搭接及对接接头高应力反复拉压试验

为比较套筒灌浆搭接及对接接头间力学性能差异,进行了41个搭接接头和20个对接接头的单拉及高应力反复拉压试验。结果表明:单拉及高应力反复拉压时,两种接头均能实现最大力下总伸长率大于6%、延性系数大于4,强度基本满足规范要求;高应力反复拉压后单拉时,两种接头承载力均有所提高,但接头初始刚度和延性下降;防偏转措施可减少搭接接头残余变形,但其约束刚度有限,搭接接头残余变形略大于对接接头,防偏转搭接接头及对接接头残余变形基本满足规范要求;高应力反复拉压后单拉时,搭接接头套筒中部截面在加载前期纵向受拉、环向受压,加载后期纵向受压、环向受拉,对接接头套筒加载过程中均为纵向受拉、环向受压;高应力反复拉压结束后单拉时,防偏转、不防偏转搭接接头套筒中部截面近钢筋侧最大纵向拉应变分别为对接接头的0.10~0.39倍、0.13~0.18倍,最大环向压应变分别为对接接头的0.09~0.49倍、0.02~0.32倍,搭接接头对套筒材性要求较低;钢筋直径相同时搭接接头材料成本较对接接头降低约35%。

爆破扰动高应力巷道围岩力学响应特征研究

为研究深井厚硬顶板采场巷道围岩在高静载和强动载耦合作用下的力学响应,基于相似模拟试验分析原岩应力、采动应力及爆破扰动三阶段的巷道围岩应力场与位移场,结合光纤环向应变场研究巷道围岩破坏特征,探索爆破扰动应力波在不同煤岩体中的传播规律及巷道动力响应机制。研究结果表明:巷道开挖后顶底板卸压明显,两帮产生应力集中区,采动应力阶段应力集中区范围增加50%,爆破后顶板围岩沿垮落角大范围卸压,应力沿巷道左肩窝逆时针逐渐增大;浅部巷道围岩呈现向自由面膨胀–变形,受巷道肩窝处剪切滑移错动影响,锚杆、锚索支护场产生相反的位移量,应力波扰动后,巷道左帮产生拉伸裂纹并与锚杆支护场连成宏观裂纹,裂纹发育高度大于锚杆支护场高度;巷道围岩顶底板呈现明显的张拉破坏特征,左右肩角呈现张拉及剪切复合破坏形式;应力波由小阻抗介质进入大阻抗介质的衰减速度最快,在同种介质中衰减速度次之,由大阻抗介质进入小阻抗介质中应力波峰值反而增大,应力波峰值强度衰减后仍大于巷道顶板极限抗拉强度,导致巷道围岩大变形失稳并产生一定程度的动力响应。基于应力波连续穿过层状岩体理论模型,结合动静载叠加理论,可优化爆破参数从而实现减冲抗冲主被动联合支护。

扰动诱发高应力岩石动力响应及岩爆灾变机制

为揭示深部矿山岩爆发生机制,以硬质红砂岩为研究对象,利用岩石动静组合加载试验系统开展了无轴向静压及4个轴压条件下的不同入射能冲击试验,获得了纯动载及动静组合加载下岩样的力学行为与破坏特征。结果表明:试样最终形态分为完整、轴向劈裂、表面剥离、即时型粉碎和滞后型粉碎五类,其中,表面剥离和滞后型粉碎两类破坏模式表现出“岩爆”特征,即Ⅰ型应力−应变曲线、峰后释放能量、岩石自身静应变储能驱动碎片弹射、明显压剪破坏面;根据碎片弹射与动力加载的相对时间,进一步将表面剥离与滞后型粉碎破坏分别对应深地工程中的“即时型”和“滞后型”岩爆;动力扰动是岩爆的关键诱发因素,触发岩爆的临界扰动能随轴压比升高而逐渐降低。

岩体弱化方法及其在深部高应力硬岩机械化开采中的应用

战略性矿产资源的安全保供是国家重大战略需求,向地球深部要矿产资源在未来相当长一段时间内具有不可替代的战略性。为了保障矿产资源需求,深部高应力硬岩的安全高效开采是深部采矿必须解决的重大问题。首先,本文阐述了深部高应力硬岩采矿的技术挑战及“变害为利”的采矿变革思路,提出了高应力硬岩弱化后再开展机械破岩以实现商业化开采的关键技术对策。然后,总结了“接触式”和“非接触式”岩体弱化方法的机理、具体特点与发展现状,并对比分析了两类岩体弱化方法在辅助高应力硬岩机械破岩领域的发展潜力。最后,展望了以深部高应力硬岩热剥落损伤弱化辅助机械破岩为代表的安全高效连续采矿技术,为深部战略性矿产资源安全保供与深地工程发展提供了有益指导。

高应力破碎围岩巷道控制机理及支护技术

为解决高应力破碎围岩巷道围岩支护效果差、变形破坏严重等问题,以东峡煤矿37221-2回风巷为背景,通过现场勘察、理论分析和现场试验相结合的方法,研究了高应力破碎围岩巷道的变形破坏特征和控制原理。基于原支护方案及分析成果,提出了“注浆管浅部注浆+锚杆+注浆锚索+钢筋网”的联合支护方案。现场工业试验结果表明,采用优化支护后顶底板最大移近量和两帮最大收敛量同原支护方案相比,分别减少了约77%、82%,围岩的整体性和稳定性良好。该研究可为高应力破碎围岩巷道、围岩控制提供参考和技术支持。

复杂地质高应力条件下回采工作面冲击地压防治技术研究

针对济宁三号煤矿163下06工作面已探明正断层32条,逆断层1条,回采期间揭露隐伏断层11条,局部过联络巷、探巷不规则回采,不规则煤柱留设,局部煤体分割严重等,地质和开采技术条件复杂,应力集中程度高,冲击危险程度高;文章提出了,划分冲击危险区域、加强支护、宏观矿压动态观测、钻屑检测、应力在线监测,微震监测;大直径钻孔卸压、坚硬顶板深孔预裂等冲击地压综合监测防治措施,结果表明可以有效降低局部地应力异常集中,释放积聚的弹性能,取得了良好效果,确保了该工作面安全高效回采。

低频扰动下高应力砂岩非线性动态力学响应特征

受煤矿残采区上行开采扰动影响,层间岩层在高静应力和低频扰动荷载耦合作用下的失稳是引发遗煤资源复采动力灾害的主要原因之一。为研究低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的动态响应特征,以煤系地层砂岩为研究对象,基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展不同幅值低频扰动荷载(5 Hz)作用下高应力砂岩(80%单轴抗压强度(UCS))动态单轴压缩试验,揭示了低频扰动下高应力砂岩的裂纹演化规律、渐进损伤行为和非线性动态响应特征。结果表明:①小幅扰动荷载作用过程中高应力状态砂岩并不会失稳,80%UCS预静载状态下诱使砂岩发生破坏的低频扰动幅值门槛值为15%UCS,在越过应力门槛值的扰动荷载作用过程中,高应力砂岩破坏前的扰动荷载循环周期数随幅值增大指数型衰减。②在砂岩内部随机分布的微裂纹萌生和渐进扩展影响下,动态割线模量、峰值应变、耗散能密度和声发射b值随扰动荷载作用时间的非线性演化特征显著。③指数型应变演化曲线在砂岩破坏前有明显的拐点,可以作为低频扰动下高应力砂岩动态破坏的前兆信息,用于相应动力灾害预警。④在越过门槛值的低频扰动荷载作用过程中,动态割线模量演化曲线近似指数型衰减,且非线性拟合参数可以用以量化割线模量劣化速率,砂岩的割线模量劣化速率随幅值线性递增非线性变化。⑤扰动荷载作用初期的上升时间和幅值的比值(RA)可以用于砂岩动态破坏超前预测,相应地,扰动荷载作用过程中RA的突增可以作为砂岩动态破坏的前兆预警信息。未越过门槛值的低频扰动荷载作用过程中,砂岩微破裂以张拉或混合破裂为主,剪切破裂占比仅为12.15%;幅值为15%UCS、20%UCS和25%UCS的扰动荷载作用过程中,剪切破裂占比分别为37.17%、52.75%和53.62%,随扰动荷载幅值增大对数型增加。

深井高应力环境下束状组合孔拉槽爆破优化研究

为探究深井高应力环境下,采场束状组合孔拉槽爆破损伤破裂规律,采用LS-DYNA数值分析软件进行研究。通过建立平面数值模型,分析了无静应力、单向静应力和双向等值静应力3种条件下束状组合孔爆破破裂损伤情况。此外,对不同静应力条件下束状组合孔的孔间距和外围辅助空孔的布置方式进行优化,并进行工程试验验证。研究结果表明:相比无静应力条件,单向静应力和双向等值静应力条件下束状组合孔爆破损伤裂纹扩展受到抑制,静应力越大,抑制作用越显著。工程实践表明,根据静应力的大小调整束状组合孔孔间距和外围辅助孔布置方式,能够获得良好的拉槽爆破破岩效果。

高应力反复拉压作用下冷压灌浆套筒连接性能研究

为了降低工程使用成本,设计一种由无缝钢管冷压制成的灌浆套筒,并对其进行高应力反复拉压试验,研究其抗震性能和变形能力;分析了套筒肋间距、肋深、钢筋锚固长度和直径对灌浆套筒性能的影响;采用延性比对灌浆套筒接头的连接性能进行了评估。结果表明:试件的破坏类型分为钢筋拉断和钢筋拔出两种方式;钢筋直径为20 mm的试件极限锚固长度为5.5d(d为钢筋直径);肋深为0.5 mm的套筒u_(20)(u_(20)为接头经高应力反复拉压20次后的残余变形)不满足规范要求;随钢筋直径的增大,试件极限抗拉承载力和极限位移增大;随锚固长度增加,极限位移减小;肋间距和肋深的改变对试件的极限荷载、屈服荷载和位移无显著影响;钢筋直径增加时,套筒表面最大应变值成倍增加,说明钢筋直径越大对套筒结构稳定性越不利;对于该规格的套筒建议选用20 mm及以下直径的钢筋;试件延性比均大于4,且延性比为规范要求最低值的4.122 5倍~7.332 5倍,说明该接头具有较大的安全余量。

高应力状态下两河口堆石料蠕变特性试验研究

堆石料是土石坝的主要填筑材料,其蠕变特性直接决定着土石坝工后变形的大小。对两河口水电站砾石土心墙堆石坝的两种筑坝堆石料,开展室内大型三轴蠕变试验,结果表明:①在低应力水平下,试验侧向应变为正;在高应力水平下,试验侧向应变为负;②采用幂函数外推30 a对应的试验值,将其作为堆石料蠕变试验的极限应变,所得剩余蠕变与时间呈良好的幂函数关系;③最终剪切蠕变与剪应力呈倍数关系,轴向蠕变衰减幂指数与剪切蠕变衰减幂指数基本相等,最终轴向蠕变是最终剪切蠕变的1.5倍。最后,提出了更简洁的两参数幂函数蠕变模型,模型参数物理含义明确,便于在工程中使用。研究可为土石坝工后变形的初步估算提供参考。

高应力大断面巷道围岩注浆加固机理及其应用

为解决高应力大断面巷道服务期间变形严重的问题,利用莫尔-库仑准则和力学平衡原理,开展巷道松动圈注浆加固机理和力学模型分析,采用FLAC3D仿真计算软件对4种不同支护形式进行数值模拟,研究不同支护状态下巷道变形演化规律,并开展现场工程实践。研究结果表明:增加承载层的长度可以有效提高巷道围岩的稳定性,注浆加固可黏合破碎岩体,形成骨架结构;分层掘进可减小巷道围岩自由面,从而减缓应力释放速度;滞后注浆可在应力基本释放后对破碎岩体进行最大程度的黏合加固,加固后的松动圈形成整体结构后配合锚杆索支护,能够有效减少围岩破坏以及塑性区发育。实践证明:采用“分层掘进+滞后注浆+锚索补强”支护方案后,掘进期间,顶底板最大移近量约为50 mm,两帮最大移近量约为140 mm,底鼓量约为75 mm;5303工作面回采期间,顶底板最大移近量约为125 mm,两帮最大移近量约为350 mm,底鼓量约为173 mm,虽然回采期间巷道变形量较大,但整体变形可控,能满足深部大断面巷道支护要求。“分层掘进+滞后注浆+锚索补强”支护方案能够有效解决高应力大断面巷道严重变形问题,可在类似地质条件的矿井推广。

深井高应力腐蚀环境下锚杆强度劣化机理及预测

煤矿深部开采除了面临“三高一扰动”之外,还面临井下腐蚀性大气和高应力、强扰动等因素共同形成的高应力腐蚀环境,井下大气腐蚀环境等级能达到CX(极高腐蚀)级。以山东巨野煤田深部矿井为工程背景,首先分析了深井开采高应力腐蚀特征及影响因素,对锚杆杆体材料开展实验和理论研究,揭示了高应力腐蚀环境下锚杆强度劣化机理,推导了杆体强度劣化理论模型。①通过对杆体材料开展SEM、腐蚀SSRT和加速腐蚀实验发现:腐蚀会造成杆体材料的断后伸长率和断裂时间的衰减,相较于惰性条件分别减少了8.22%和8.34%;随腐蚀率增加,材料破坏形式由韧性破坏向脆性破坏转变,区域腐蚀类型逐渐由点蚀发展为均匀腐蚀。②结合实验结果、电化学理论与非均匀腐蚀模型,引入Pruckenr温度影响因子,推导出杆体材料强度劣化时变模型。深入探究该模型中服役环境温度T、杆体截面半径R和杆体材料常温腐蚀速率V_(h,298K)对杆体服役寿命的影响发现,R与服役寿命呈线性正相关;T和V_(h,298K)与服役寿命的关系表现为服役寿命衰减程度随影响因素水平升高而减小。③结合实验结果与锚杆防冲吸能原理,对巷道锚杆支护极限抗冲能力进行计算分析。结果表明,随锚杆腐蚀率增加,锚杆吸能减少,可抵抗最大震级降低,巷道动力失稳灾害发生风险增加。

高应力特厚突出煤层水力割缝卸压防突技术研究

针对采动形成的高应力煤柱区瓦斯动力灾害防控难题,以窑街煤电集团有限公司金河煤矿16219工作面为工程背景,综合采用数值模拟、理论分析、微震分析、工程实践相结合的研究方法,揭示了煤柱区的应力演化规律,在分析水力割缝卸压增透原理的基础上,优化并实施了水力割缝卸压增透措施,并对卸压防突效果进行了考察。结果表明,受周边采动影响,16219工作面首分层开切眼及回风巷交叉区域的煤体出现了高应力集中现象;通过对常规掘进与开挖缝槽后掘进2种情况的模拟对比分析,表明开挖缝槽能有效缓解高应力集中区内巷道周边煤体的应力集中状况;针对均一的缝槽尺寸可能导致巷道周边形成小范围应力增高区的现象,进一步优化了高应力集中区的水力割缝参数,合理增加了巷道周边水力割缝钻孔的出渣量。割缝作业实施后,微震监测数据显示大能量事件的占比有所减少、小能量事件的占比增加,煤体的弹性能有所释放,测试煤层残余瓦斯含量降低至4.73 m^(3)/t,表明煤层的突出及冲击危险性均有所降低。

深部高应力巷道围岩变形特征及控制技术

以某矿位于121/2煤层底板的2901岩石大巷支护为背景,为有效控制巷道围岩变形,根据大巷围岩力学结构及层位分布特征,以弹塑性区范围、切向径向应力变化、121/2煤距巷道顶板距离及煤层厚度为依据将巷道划分为常规段、较困难段、困难段三区段进行管理。大巷距121/2煤层底板间距6 m以上时为常规段;大巷距121/2煤层底板间距小于6 m区域为较困难段;大巷顶板破碎及煤层厚度变化较大区域为困难段,对三段分别设计合理的支护方式,并进行数值模拟。对支护效果进行十字布点观测,最大顶底板位移量85 mm,最大两帮位移量111 mm,巷道变形得到了很好的控制,满足安全生产的需求。

油田跨越段管道高应力风险点分析研究

地处复杂地形的油田集输跨越段管道存在高应力风险点,一旦泄漏将对环境产生巨大影响。因此,针对跨越段管道高应力点分布进行分析研究十分必要。对于黄土高原地区油田某典型集输跨越段管线,采用有限元分析方法对管体及介质自重、土体移动和两者叠加作用下的跨越段管道应力风险点分布进行研究,揭示了其分布规律。随后,采用便携式超声应力检测仪对有限元模拟的现场典型跨越段应力风险点进行检测验证。结果表明:土体移动对跨越段管道应力集中程度的影响大于管体及介质自重的影响,土体移动作用下跨越段管道山脚转角处应力集中程度大于山顶转角处。该研究结果可为油田日常保养及维护操作提供重点方向。

高应力破碎围岩巷道锚注支护技术

为解决东曲煤矿28204工作面顺槽在掘进过程中围岩变形严重问题,分析了巷道围岩及顶板变形、裂缝时空演化规律,根据围岩的阶段变形特征确定了最佳注浆时间,提出了新型巷道锚注支护技术并进行了效果评价。结果表明,28204轨道顺槽570~670 m试验段顶板最大下沉量为35 mm;轨道顺槽670~1150 m和皮带顺槽1030~1150 m正常推进阶段工作面采空区平均垮落距离为3.6 m;超前5 m范围内最大顶板下沉量为100 mm,实现了高应力破碎围岩巷道的有效控制。

高应力扇形中深孔采场边帮控制爆破参数优化

针对扇形孔采场爆破边帮控制问题,提出了一种将靠近边帮的扇形炮孔施工成垂直平行孔用以控制边帮的构想。首先,通过理论计算得到4组平行炮孔不耦合系数与炮孔间距匹配下的模型参数,使用LS-DYNA对4组参数进行数值模拟;然后,通过对比分析4组模型在无地应力作用和不同方向地应力作用时的爆破裂纹扩展情况,获得最优参数;最后基于优化参数开展工业试验。结果表明:高地应力会促进最大应力方向爆破裂纹扩展;4种模型中,不耦合系数为1.65,炮孔间距为1.1 m时开挖区域破岩效果最为合理;在试验采场开展工业试验,使用优化后的爆破参数进行爆破,采场回采后边帮平整,稳定性较好,验证了研究结论的正确性。

液压支架在煤矿高应力工作面中的适应性与优化

随着煤矿开采深度加大,工作面岩体应力增大,对支护设备的要求日益提高。液压支架作为现代煤矿常用支护设备,在高应力工作面中的适应性和优化尤为重要。本文对液压支架在高应力工作面的应用进行深入研究,从材料、结构和工作机制三个方面展开。通过仿真和现场试验验证,提出几种优化设计和适应策略,提高液压支架的工作性能和安全性。

高应力下岩石损伤破裂机制研究进展

随着我国隧道和地下空间迅速向深部发展,深入认识高应力下洞周围岩力学特性及损伤破裂机制对岩石地下工程施工设计和安全防护具有重要意义。从深埋岩石力学特性、声发射特征及损伤破裂机制等三个方面介绍了高应力下岩石损伤破裂机制研究进展,表明:1) 目前针对不同应力、加卸载速率等条件下的岩石变形、强度和破坏特征研究已相对成熟,但针对多场耦合等复杂环境下岩石力学特性及微细观破裂机制方面的研究还相对较少。2) 利用声发射特征参数变化规律来反演岩石破裂特征及前兆点预测的研究已较为成熟,但针对岩石峰值后残余阶段的声发射特征研究及利用声发射特征参数反演岩石损伤理论的归一化研究尚处于一个不断完善的探索阶段。3) 目前所建立的岩石统计损伤本构模型考虑了岩石材料的各向异性,使模型的计算结果更趋于实际,但大多仍处于理论阶段,有待结合室内或者现场试验验证。

鑫安煤矿构造高应力软岩巷道变形特征及围岩稳定控制

鑫安煤矿辅助顺槽受断层构造带影响,地层易破碎、结构稳定性差,巷道围岩变形大,支护结构损毁非常严重,表现出强烈的结构性大变形特征,经过反复扩刷、返修仍不能停止其变形。为了确保巷道围岩稳定性,降低巷道支护成本,减小巷道有害变形和返修工作量,本文研究了山东省泰安市鑫安煤矿−800 m回风大巷工作面在使用传统常规长短锚索+钢带支护、不同顶锚索长度下大变形升阻锚索支护的巷道围岩应力变形情况和支护锚固效果,采用工程现场勘探、巷道岩体室内力学测试和UDEC数值模拟等研究方法,分析了现场结构性大变形巷道的破坏特征、辅助顺槽岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、UDEC应力场分布特征和巷道塑性区的发育特征。在满足巷道安全生产的前提下,降低支护成本,得到最优支护方案,并应用大变形抗剪升阻的控制技术,将大变形抗剪升阻装置应用于工程现场,优化了施工工艺,简化了大变形抗剪升阻装置施工时安装工序。研究成果对深部巷道结构性大变形控制具有较大的应用价值,并为类似地质条件矿井支护提供一定的参考。