孔隙率对煤样力学性质及变形破坏特征的影响机制

为揭示孔隙对煤样力学性质及变形破坏特征的影响,采用UDEC-Trigon开展了不同孔隙率煤样单轴压缩数值模拟试验,分析了不同孔隙率煤样的力学性质和变形破坏特征,研究了孔隙对其宏观变形破坏、微裂隙及声发射演化的影响,阐明了孔隙尖端拉应力集中驱动尖端裂隙产生扩展并贯通导致煤样力学性质及变形破坏变化的影响机制,探讨了孔隙特征对其宏微观力学表现的影响。研究结果表明:(1)随孔隙率的增大,煤样UCS和残余强度呈指数规律递减,弹性模量和变形模量逐渐减小,但泊松比逐渐增大;(2)孔隙影响下煤样内部微观张拉裂隙更易起裂、扩展,随孔隙率的增大,煤样失稳由拉剪脆性破坏向张拉延性破坏转变;(3)孔隙影响下煤样声发射信号由突然急剧增加向缓慢增加演化转变;(4)孔隙尖端拉应力驱动微观张拉裂隙产生并扩展延伸,孔隙率越高拉应力分布范围越广、量值越大,微观裂隙大量起裂扩展并更易贯通,宏观裂纹分布范围越广、数量越多;(5)煤样内部拉应力分布及演化受孔隙结构特征影响显著,影响孔隙尖端微裂隙产生、扩展及贯通,导致煤样力学性质和变形破坏特征产生明显变化。研究成果可为煤矿巷道钻孔卸压防治冲击地压提供参考。

煤应变型冲击破坏尺寸效应声发射特征试验研究

为探究煤冲击破坏过程中的尺寸效应现象,采用自主研发的煤岩冲击破坏试验装置对5种不同尺寸的方形试样开展单轴压缩试验,并重点监测其声发射特征。研究表明:煤的弹性模量随边长尺寸的增加而增加,抗压强度及峰值应变随尺寸的增加而减小,尺寸较大的试样,在整体冲击破坏发生前会有局部小型冲击破坏的发生;随着边长尺寸的增加,声发射总振铃计数增长速度加快,声发射信号大能量更多在临近破坏阶段,但尺寸增加到300mm时,声发射能量尺寸效应不明显。大尺寸试样的声发射b值会因为局部冲击而产生突降;声发射定位信号反映了试样破坏方式,随着边长尺寸的变大,声发射定位信号愈加分散,试样破坏方式由剪切破坏为主转为张拉破坏为主。

物资供应对于煤矿企业的意义与发展探讨

物资供应对于煤矿企业意义重大，本文通过对煤矿企业发展受到局限的原因的探讨，提出了完善物资供应管理体系的必要性，并从物资的采购分析阶段和管理阶段分别进行了发展道路的探索。

基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置研制及应用

煤层加载刚度及峰后承载刚度是影响冲击地压发生的重要因素,为了系统研究基于局部矿井刚度理论的冲击地压发生机理及煤柱冲击破坏规律,开发了冲击地压实验室试验装置。试验装置主要由静力加载系统、储能系统、变刚度加载系统、开挖系统和多源信息监测系统5部分组成。该试验系统的主要创新如下:①加载系统中增加开挖装置,可在保压状态下通过开挖诱发试样产生应力集中及局部矿井刚度的降低,当试样受力达到其承载强度、局部系统刚度低于试样峰后刚度时将发生冲击破坏;②加载系统中设置了气囊式蓄能器−油缸的复合液压弹簧储能装置,可在静力加载过程中完成能量的储存;③设置了一种变刚度加载装置,系统可通过蓄能器初始气囊压力的调整实现不同加载刚度的设置;④试验装置可对试样从加载—稳压—开挖—冲击全过程进行实验室再现,使得冲击地压发生全过程煤柱应变监测以及冲击过程观测成为可能。通过对高强度混凝土试块和强冲击倾向性煤样进行初步实验室试验,验证了该模拟设备的准确性和可靠性,初步试验结果表明:低刚度加载条件下通过开挖底部试样可有效诱发煤柱发生冲击破坏,煤柱破坏由低刚度侧向高刚度侧扩展贯通,破坏后的残留煤柱呈现出“两侧宽中心窄”的哑铃状态。冲击破坏后的煤柱中心被一条横向锯齿裂纹贯穿,致使煤柱承载能力大幅度降低。该试验系统从加载储能及刚度角度出发,可实验室再现煤体在加载—稳压—开挖—冲击破坏的冲击地压发生全过程,为煤矿冲击地压发生机理研究提供试验平台。

轴向冲击下锚固锚杆变形与应力特征分析

冲击地压因其特有的易发、多发、难防治特征,成为影响煤矿生产最为突出的动力灾害之一,其中以回采巷道冲击地压发生最为显著。冲击地压巷道动力显现过程中,锚杆支护系统往往伴随着一定的动载冲击作用,关于锚杆支护系统在动载冲击作用下的力学响应研究对冲击地压防治具有重要意义。为研究锚杆支护系统中杆体不同位置对冲击载荷的响应规律,选择煤矿常用的500号左旋无纵肋螺纹钢锚杆,沿锚杆轴向不同位置粘贴应变片,利用锚杆力学性能综合试验台对支护单元施加轴向冲击载荷,分别采用激光位移传感器和动态应变仪采集锚杆杆体及不同位置变形数据,分析杆体变形规律及时序特征;利用LS-DYNA数值分析软件再现轴向冲击载荷下锚杆受载变形过程,分析锚杆不同位置的应力和变形特征。结果表明:①在171 kN初始拉伸载荷状态下,10 kJ轴向冲击能量使锚杆端部载荷瞬时增加至438 kN,此后处于振荡衰减状态,衰减速度逐渐增大。②10 kJ轴向冲击能量导致锚杆在30 ms内振荡拉伸和收缩,并最终产生28.39 mm的拉伸塑性变形。③锚杆杆体不同位置的变形受应力波的界面反射效应影响较大,塑性变形大部分产生在锚杆自由段,且距离锚固段与自由段分界面越近杆体塑性变形量越大。④锚杆不同位置对冲击载荷响应具有时序性,拉伸和收缩变形均由杆尾向锚固端头依次响应。⑤锚固作用可有效约束锚杆变形,吸收冲击产生的应力波,随着锚固深度加大,锚杆应力和变形响应幅值显著减小。

锚杆支护组合构件对钢筋网加固作用试验研究

针对深井高地应力巷道因围岩大变形导致金属网严重破坏引发支护失效的问题,对高地应力巷道支护常用的钢筋网配合单体锚杆、钢筋托梁、W型钢带3种组合系统在垂直载荷作用下的力学性能进行实验室测试,分析了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统峰值强度、承载刚度、残余强度及卸压程度的影响规律,得到了锚杆支护组合构件对钢筋网支护效应的加固特征。借助Ansys Workbench软件分析钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的整体位移变形量,得到了锚杆支护组合构件对钢筋网横向、纵向股线的位移约束差异性。基于锚杆支护组合构件对钢筋网的不对称加固特征及边界网丝概念的提出,探讨了锚杆支护组合构件对钢筋网支护系统的加固机理。结果表明:①钢筋网支护系统在垂直载荷作用下的承载性能可分为峰前承载区与峰后卸压区,W型钢带对钢筋网支护系统的强度强化作用是钢筋托梁的1.5倍,刚度强化作用是钢筋托梁的3倍。②锚杆支护组合构件对钢筋网的横向股线加固作用大于纵向股线加固作用,横向股线抗变形阻力分为垂直和水平两个分量,垂直分量由边界网丝与锚杆支护组合构件提供,水平阻力大小取决于边界网丝及焊接点剪切强度。③锚杆支护组合构件通过提高垂直约束作用、护表面积及护表区域内系统的抗变形能力增加钢筋网的支护强度与刚度。

着眼全球矿产资源配置积极实施“走出去”战略

未来十年，中国的工业和经济的高速发展必然会消耗大量矿产资源，中国矿产资源形势将十分严峻，已经威胁到经济安全运行。要保证矿产资源安全稳定持续供应，除加强矿产勘察，提高国内供应能力外，开展国外矿产资源风险勘察，积极实施“走出去”战略是大势所趋。我们已经取得一些经验和成果。对“走出去”的信心得到了极大地鼓舞和提高。预期未来几年内，在国外取得200-300个优选矿产资源勘察靶区，建成20～30座可供开发的大型矿产基地，提升中国在矿产资源领域的话语权和矿产品市场的定价权。

锚杆支护钢筋网传力机制及分区承载试验研究

为了掌握钢筋网在控制巷道围岩变形过程中自身的破坏规律,通过对钢筋网进行垂直载荷试验及数值模拟仿真计算(Ansys),得到了钢筋网在静载荷作用下的传力机制及分区承载特性:钢筋网中心“十”字拉伸区内的钢筋主要受垂直载荷导致的拉伸作用,且为主传力筋而呈现出拉伸破坏,主传力钢筋与模型边界固定的绑丝脱扣破断;局部扭曲承载区内钢筋非主传力筋,且区域内的矩形网格受到扭曲作用变为菱形网格。基于钢筋网传力机制与分区承载特性,提出“十”字拉伸区钢筋扩径改造、局部扭曲承载区节点抗扭加固、绑丝扎捆中区强度增加3种优化方案,有针对性地对钢筋网进行分区强化,从而提高钢筋网的稳定性。

锚杆支护金属网力学性能及传力机制试验研究

鉴于目前井下金属网常见的强度及刚度失效2类破坏方式严重制约巷道安全可靠性问题,采用自主研发的金属网静载试验系统对3类金属网进行了测试,得到了3类金属网在垂直载荷作用下的支护强度、刚度及变形破坏方式;借助有限元分析软件Ansys得到了3类金属网在垂直载荷作用下的应力分布规律;采用理论分析的方法得到了3类金属网的传力机制问题,并进一步根据3类金属网的力学响应特征、应力分布规律及传力机制分别给出了结构优化建议。研究结果表明:①金属网支护系统在垂直载荷作用下的载荷-位移曲线变化可分为载荷传递阶段、网丝变形阶段及结构破坏阶段3部分。②钢筋网具有高刚度支护特征,菱形网具有高强度支护特征,垂直载荷作用下经纬网的网丝错动会大幅度降低其支护强度及刚度。③钢筋网及经纬网以中心“十”字型区域内的网丝承受轴向应力,菱形网以中心“X”字型区域内的网丝承受轴向应力。④钢筋网支护系统在承载过程中呈现出中心“十”字型传力方式,菱形网呈现出中心“X”字型传力方式,经纬网网丝在外部载荷作用下由高应力区向低应力区滑移。⑤直接决定金属网支护作用的边界网丝,在垂直及水平方向上分别受到剪切及扭曲作用,且绑丝强度对边界网丝的水平扭曲作用影响较大。⑥3类金属网是否能进行有效支护,应围绕传力机制问题分别进行局部绑丝加固、节点约束防滑及配套锚杆间排距优化等加强措施。

开挖诱导锁固断层滑移的实现方式及影响因素

国家重大科研仪器研制项目“煤矿巷道断层滑移型冲击地压模拟试验系统”旨在研制大型三维断层滑移型冲击地压物理模拟仪器,断层滑移的诱导实现是项目面临的首要难题。为获得开挖诱导断层滑移的合理实现方式,提出了包含锁固段的断层结构形式,设计了单断层和双断层布置条件下开挖诱导断层滑移的试验方案,开展了相似模拟试验和数值模拟试验,系统研究了加载板摩擦、断层倾角和围压对断层滑移和锁固段破断的影响,给出了仪器设计的初步建议。研究结果表明:(1)断层滑移型冲击地压物理模拟仪器适合采用“三向四面”加载方式,模型体可采用单断层布置或双断层布置,断层结构可采用岩桥型锁固段。(2)在三维加载条件下,断层上盘底部瞬时开挖可成功诱导断层滑移。开挖后开挖空间上方模型体发生局部破坏,断层主滑方向边界应力降低;断层主滑方向边界应力恢复对残留断层上盘形成加载,导致断层在锁固段处滑移、锁固段被剪断。(3)断层滑移行为受加载板摩擦、断层倾角与围压的共同影响。加载板摩擦因数应不超过0.2;单断层布置时,断层倾角应不小于50°,双断层布置时(边界断层倾角为45°),滑移断层倾角应不小于60°;断层主滑方向边界应力应远大于断层倾向方向边界应力,断层走向方向边界应力应大于断层倾向方向边界应力。

锚网−围岩接触面注浆充填预应力施加技术

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技术原理;其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验,分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律;最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验,得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值,验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明:①金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素,围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段;②在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加,面应力变化趋势主要分为:初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段;③网后注浆过程中,面应力变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关,面应力上升过程中,注浆压力、金属网变形量也随之升高;④网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度,面应力上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势,受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术,为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

结构性煤体间歇性破坏行为的实验及数值模拟研究

不连续结构弱面广泛分布于煤岩材料内部,导致其在单轴压缩条件下获得的应力–应变曲线在峰前阶段反复出现应力突降现象。为探究富含不连续结构弱面煤岩材料受载后产生间歇性破坏行为的内在机制,自大同塔山煤矿选取层理裂隙较密集煤块,加工标准煤样,进行单轴加载测试,并实时监测单轴加载过程中煤样声发射信号,从应力及能量演化、声发射特征、宏观破坏形态等角度分析煤样间歇性破坏行为;依据煤样结构性特征建立颗粒流数值模型,探究煤样在间歇性破坏过程中的内部破裂行为及裂隙演化规律,并将数值模型与实验室煤样破坏形态进行对比分析。研究表明:(1)弹性变形能演化趋势与应力–应变曲线形态相似,在峰值强度时达到最大,试件破坏后完全释放;能量耗散量在应力突降时激增,试件破坏后增长至与输入总能量相等。(2)声发射事件振铃计数及能量演化规律与应力–应变曲线具有良好对应关系,应力平稳上升时,声发射事件较少,且多为低能级事件;应力突降时,大量高能级声发射事件丛集。(3)声发射b值及分形维数D反映微破裂尺度分布及其有序性,临近破坏前二者剧烈震荡,表明煤样内部不同尺度裂隙交替出现,由无序向有序反复调整,完全丧失承载能力前存在多次间歇性局部破坏。(4)数值计算发现,原生裂隙尖端最先产生张拉破裂,当应力突降时,颗粒间黏结及裂隙数量激增,微破裂相互沟通形成大尺度裂纹,或裂纹向试件表面迅速扩展。不同空间位置的局部破坏造成峰前应力–应变曲线锯齿张爬升,大尺度裂纹的产生将试件切割成为独立承载的结构单元,破坏试件承载整体结构,是试件强度劣化的内在原因。

破碎岩体锚固及承载失稳机制研究

破碎岩体锚杆支护加固作用已被普遍证明,但对荷载作用下破碎岩体锚固及承载失稳机制仍不清晰。基于此,开展系列破碎岩体锚固试验,揭示破碎岩体锚固及承载失稳机制,得出不同条件下破碎岩体稳定承载支护条件,提出破碎岩体锚固支护建议。与常规岩体锚杆支护受力特征截然相反的是,破碎岩体在荷载作用下产生变形破坏特征响应时,锚杆受力呈现逐渐衰减演化特征,锚杆支护对破碎岩体支护作用仅体现为施加预紧力产生的主动支护效应。锚固破碎岩体间呈力链结构铰接,以压力拱结构承载,拱下岩体起着支撑压力拱及将锚杆支护作用传递至压力拱的力学媒介作用,是压力拱能否稳定承载的关键。破碎岩体产生变形破坏响应特征时,岩体间力链结构稳定性降低,拱下岩体对压力拱支撑及将锚杆支护作用传递至压力拱的力学媒介作用减弱。破碎岩体锚固失稳机制表现为拱下岩体支撑作用弱化及锚杆支护作用衰减双重因素叠加诱导的结构性失稳。不同物理力学及支护参数条件,改变的是压力拱拱下岩体稳定性及其力学媒介作用,影响破碎岩体压力拱结构稳定性及锚杆支护作用。获得了不同物理力学参数条件下破碎岩体锚固稳定承载条件,提出了破碎岩体锚固支护合理建议:统计破碎岩体平均粒径,确定合理锚杆支护密度;提高锚杆预紧力及护表支护强度。