预切缝位置及深度对SBM滚刀破岩的影响

利用水射流对岩体进行预切缝是提高竖井全断面掘进机破岩效率、实现深部资源机械化开发的关键技术。针对预切缝位置及深度合理参数选取的难题,首先指出了锥面刀盘带动下滚刀破岩的工况特征,进而基于Cohesive单元方法,建立了预切缝条件下的滚刀破岩离散-连续耦合数值模型。以完整岩体为对照组,对比分析了不同预切缝距离和深度对滚刀破岩的受力特征和岩石破碎特征的影响规律。阐述了预切缝条件下,滚刀破岩时密实核形成、块状岩渣形成、Hertz裂纹扩展3个阶段性特征,指出了岩体的非对称破碎特性和不同区域岩渣的形成机制。最终从滚刀受力、破岩面积、破岩比能耗、岩渣破碎程度4个方面综合分析,确定了预切缝的最佳距离和深度取值范围。研究结果表明:预切缝可以显著减小竖井全断面掘进机滚刀破岩过程中的贯入力和侧向力。与完整岩体相比,贯入力峰值降低了44.0%~10.3%。侧向力峰值降低了35.2%~6.5%。预切缝间距及深度较小时,会限制滚刀破岩范围,同时使得破碎岩体块度更小,导致破岩比能耗增高。随着预切缝深度的增大,破岩体积先增大后趋于稳定,比能耗先减小后保持不变。最终,确定了切缝距离为70~90 mm,深度为60~80 mm时破岩效果最佳,破岩体积较无切缝时提高约1倍,破岩比能耗降低69.2%。研究结果为刀盘辅助破岩装备的设计及参数确定提供了参考。

“需求牵引、专业定制”:MBA培养模式的创新与实践

专业学位研究生教育是培养高质量应用型专门人才的重要途径,目前专硕培养模式中存在课程体系针对性不够、教师资源匹配度不高、培养环节实践性不足等问题。为解决这些问题,北京科技大学经济管理学院与中国机电产品进出口商会合作,创建了“需求牵引、专业定制”的对外投资合作方向MBA培养模式,进而提出构建以人才供需匹配为目标、以“一生双师”为培养路径、以建立学校和商会合作战略联盟为可持续保障机制的专业学位研究生培养模式。专业学位研究生培养模式取得了较好成效并积累了实践经验,可供复制和推广。

金属矿山硬岩巷道分阶段掏槽爆破数值模拟研究

针对地下金属矿山深部硬岩强度高,掏槽难度大,掘进效率低下的问题,以首钢杏山地下铁矿巷道掘进项目为背景,基于数码电子雷管精准逐孔起爆,提出针对直眼桶形掏槽爆破的掏槽区孔内分段与孔间、孔内延时相结合的分阶段爆破方案。采用数值模拟以及现场试验方式,在现场原传统方案的基础上,对掏槽区炮孔进行孔内分段、孔间以及孔内微差起爆的分阶段起爆设置。通过LS-DYNA数值模拟软件建立掏槽区三维模型,设置了原传统方案和3种分阶段方案进行模拟计算,对比分析了原传统爆破方案和分阶段方案在掏槽区的有效应力峰值演化情况。数值模拟结果表明:采用孔间短延时分阶段爆破方案能够改变有效应力峰值波动形态,与原传统方案相比,掏槽区沿炮孔方向岩体的有效应力峰值状态提升40%~57%,炮孔底部0~30 cm半径岩体有效应力峰值状态提升幅度在84%~92%。在数值模拟结果的基础上,开展了现场试验验证,现场试验表明:在矿石点位掘进中,采用孔间短延时微差起爆能够改善碎石挤死的现象,采用孔内短延时微差起爆能够提高抛掷能力,改善上段炮孔爆破后产生碎石的抛掷效果,避免影响后续炮孔爆破,在硬岩爆破中二者结合可以明显改善爆破效果,掏槽进尺提高28%;在岩石点位掘进中,采用孔间短延时,孔内长延时设置能获得良好的掘进效果。

因材施教 应才培养 打造一流本科教育培养德才兼备的高素质人才

坚持以本科为本,是世界一流大学的重要特征。本科教育既关系着高等教育的发展和世界一流大学的建设,也关联着立德树人根本任务的落实。新时代新阶段打造一流本科教育,至为关键的是根据学生特点和发展志趣因材施教,同时呼应国家需求和时代主题予以应才培养,最终通过人才培养模式改革将二者有机结合,培养一大批德才兼备的高素质人才。文章通过分析高校本科教育改革创新的基本趋势、存在问题以及特色举措,为新时代加强和改进本科教育,推进本科人才培养模式改革提供一线经验和实践案例。

起爆方式对间隔装药应力场分布及裂纹扩展的影响

通过模型实验研究了不同起爆方式对空气间隔装药炮孔两侧损伤分布的影响规律,借助数字图像相关实验系统,获取了全场应变场演化过程及空气段应变衰减规律,同时借助透射式焦散线实验系统,探究了起爆方式对预制裂纹动态断裂行为的影响.实验结果表明:柱状药包炮孔两侧产生的损伤范围具有显著的分形特征.采用外侧起爆时,空气段中心两侧均产生损伤,而采用其他起爆方式时,空气段均未出现损伤.不同起爆方式对空气段应变场径向压应变的影响主要体现在应变大小、衰减速度两个方面,对轴向拉应变的影响主要体现在时效性、衰减速度两个方面.不同起爆方式下预制裂纹端部断裂行为差别较大.采用内侧起爆、外侧起爆时,裂纹均为水平扩展,呈现典型Ⅰ型裂纹,裂纹起裂主要由拉伸破坏引起,异侧起爆时裂纹起裂为Ⅰ-Ⅱ混合型,具体表现为拉-剪破坏.基于数值模拟软件LS-DYNA,解释了预制裂纹端部起裂成因,得到了孔壁处应力场分布规律,不同起爆方式对炮孔轴向孔壁处压力分布影响显著,装药段主要体现在压力峰值位置和压力分布形态两个方面,空气段主要体现在压力峰值大小和压力分布形态两个方面.

初始应力状态对侧限条件黏土动态压缩过程和力学性能的影响

随着中国能源资源开采逐步向深部转移,采用浅部参数研究深部问题、采用静态参数研究动态问题会造成工程设计时的科学依据不足。由于黏土的初始应力状态对其动力学性质有显著影响,本文采用长时、分级、高压固结方式模拟黏土的原始应力赋存环境;采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验装置对侧限条件下的高压固结黏土进行峰值应变率范围为200~800 s^(–1)的冲击压缩试验,分析了黏土应力记忆效应、应变率效应和动态压缩过程。结果表明:黏土的应力历史影响了其动态压缩过程,试样依次经历压实段、线弹性加载段、线性卸载段;在动载下,黏土压实段与线弹性加载段应力拐点的均值为3.8 MPa,与先期固结应力4.2 MPa具有相关性,且压实段应变均值约为试样破坏应变的33%。采用200和300 mm的短子弹进行冲击加载时,黏土试样未发生稳定的塑性变形;分析应力–应变率曲线发现,黏土的压实过程吸收了一部分动载能量,使其无法持续进行动态压缩行为,但进入动态压缩阶段后黏土受子弹长度影响较小;黏土试样动态加卸载段模量随应变率同步增加,但加卸载模量的比值稳定在0.45左右,表明更高的冲击速度没有造成试样进一步损伤,这与冲击后的宏观破坏现象及塑性变形分析相互印证。针对软弱、松散颗粒体材料,高压固结方式为研究其动力学性质提供了一种思路。

竖井巷道掘进超前地质探测研究进展与展望

以掘进机为代表的机械破岩是未来竖井巷道掘进技术发展的方向,为保障竖井巷道快速机械智能化掘进的安全,超前地质探测是不可或缺的工序。从探测范围、适用条件以及优势不足等方面对常规超前地质探测技术和随掘超前探测技术的发展现状与特点进行了分类总结,常规超前探测技术各有一定的适用范围,在钻爆法施工环境中得到了较好地应用。在面对掘进机复杂的施工环境时,常规超前探测技术难以适用。而随掘超前探测可以实现掘进与超前地质探测同步进行,实时预测工作面前方的不良地质,是井巷机械智能化掘进超前地质探测技术研究的重点。其中,竖井全断面掘进机是综合机械化凿井的发展方向和趋势,但其施工环境非常复杂,基于掘进机破岩震源地震波的超前地质探测是有效的预测方法。针对全断面竖井掘进机破岩震源超前探测方法的难点,即施工环境和破岩震源地震波场的双重复杂性,从多个方面提出了解决思路:针对震源先导信号,采用多种方法联合去噪,压制破岩震源干扰波;对于地震记录信号,采用以互相关为核心的地震记录重构方法恢复有效波场;开展竖井全空间三维立体探测和高精度成像的研究等。此外,开展多种随掘物探方法联合反演能够提高地质判识的可靠性和解释精度。研发竖井掘进机的掘探一体化装备是未来深入研究的方向。

岩石爆破基础理论研究进展与展望Ⅰ—本构关系

岩石爆破技术在国民经济建设中发挥着重要作用,尤其在资源开采、基础设施建设等领域.本文对岩石爆破本构关系进行了深入研究和探讨,在传统本构关系研究的基础上,提出了本构关系1.0、2.0和3.0的演化阶段,分别探讨了矛盾关系、能量平衡以及最小作用量理论.本构关系1.0从岩石与爆炸、冲击荷载的相互作用出发,强调了矛与盾的关系,重点分析了岩石材料的动态力学响应;本构关系2.0以能量为切入点,将含有节理裂隙、层理和腔体等缺陷以及显著各向异性的岩石视为复杂结构材料,研究荷载输入能量与材料破坏所需能量之间的动态平衡关系,解析结构强度与输入能、耗散能及可释放应变能之间的关联;本构关系3.0关注爆炸荷载下应力波的传播规律及其与介质破坏效应的关系,特别是通过最小作用量理论来优化能量的传播路径,提高炸药能量的利用效率.这些理论不仅揭示了岩石在不同荷载条件下的力学行为,还为优化爆破设计和改善爆破效果提供了理论依据.同时,本文结合人工智能和大数据技术,提出了岩石材料工程基因的概念,通过建立岩石基因库,系统化管理岩石的物理力学参数,构建性能预测模型,提升了对岩石特性的理解和工程应用的精确度.未来,岩石材料基因库有望在矿产资源开发、地质灾害防治和基础设施建设等领域发挥更大的作用,推动工程技术的发展和应用.

高地应力巷道掏槽爆破的应力演化与损伤破裂研究

近年来,矿产资源的开采状态由露天转地下,由浅部转深部,在深部岩体的钻爆法施工中,地应力对爆破效果有显著影响。有关掏槽爆破机理和应用的研究主要是针对浅部地层中的巷道爆破施工,没有考虑地应力对爆破效果的作用。采用一种考虑爆破荷载下粉碎区能量耗散的改进型连续-非连续单元法(Continuum-Discontinuum Element Method,CDEM),基于二维平面应变模型,分别研究了普通直眼掏槽爆破和大空孔直眼掏槽爆破在不同地应力条件下的应力演化过程和破裂损伤特征。数值模拟结果表明,大空孔的存在增强了爆炸应力波的反射拉伸作用,削弱了地应力对爆炸裂纹扩展的抑制作用,促进了爆炸主裂纹的扩展,增加了掏槽爆破的分形损伤和损伤面积,提高了掏槽爆破的岩体破碎程度。双向等压地应力对爆炸裂纹的扩展有抑制作用,对径向爆炸裂纹的扩展尤为显著。较大的地应力削弱了孔间爆炸应力波的相互作用,相邻炮孔对爆炸主裂纹扩展的导向效应减弱。随着地应力的增加,爆炸裂纹的分形维数和分形损伤整体上呈逐渐减小的趋势,但是大空孔直眼掏槽爆破的裂隙区分形损伤和损伤面积均显著大于普通直眼掏槽爆破的裂隙区分形损伤和损伤面积。说明在高地应力环境下,大空孔直眼掏槽爆破依然能够显著增加岩石破碎程度和破碎范围,提高爆破效果和破碎效率。

鄂尔多斯高原台地边缘地带地应力随钻测量与分布特征

传统水压致裂法和新的热胀致裂法等测量地应力均属于先成孔后测量,容易发生钻孔后变形、自然开裂和应力释放,很难从根本上保证裂纹是试验时发生还是钻孔后已自然发生,难以保证测量结果的准确性.为了克服常规水压致裂法地应力测量过程中钻孔完整性和致裂过程真实性难以确定的问题,采用地应力光声随钻测试系统对鄂尔多斯高原西南边缘地带典型区域地应力进行了水压致裂法测试,揭示了高原台地边缘地区的应力特点,获得了地应力随深度的变化规律,并与华北平原典型区域地应力测试统计结果进行了比较.研究表明,鄂尔多斯高原西南边缘台地地带的地应力处于中国大陆浅层地壳地应力统计结果的低段区间,高原边缘地带的地应力随深度呈线性增长,最小水平主应力随深度的增长速度高于最大水平主应力的增长速度;最大最小水平主应力低于华北平原区;受区域构造及高原台地地形等影响,鄂尔多斯台地边缘的地应力方向相较于华北平原区,向东发生了偏转;最大最小水平主应力与垂直应力之比所反映的侧压系数低于华北平原区,但两个水平最大最小主应力的差异性高于华北平原区.这说明,尽管高原边缘地带地应力总体水平低于华北平原区,但较大的水平应力差异性容易使地下空间发生剪切破坏,将不利于地下工程的稳定性.由此可见,在台地边缘区域进行地下工程设计和建设时,应重点关注井巷工程的方向布置和低水平应力高应力差值带来的负面影响.

基于数值模拟的岩石巷道深孔分段装药掏槽爆破研究

随着炮孔深度增加,炮孔底处岩石夹制作用增强导致破岩效率和炮孔利用率较低,原有的连续装药方式不能解决上述问题。在这个基础上,研究了岩石巷道深孔分段装药掏槽爆破技术来提升掏槽爆破效率。使用光滑粒子流体动力学−有限元方法(SPH-FEM)建立了不同分段装药结构的单孔掏槽爆破模型,分析了不同模型爆破过程中岩石粒子抛掷速度、岩石抛掷数量以及爆破腔体特征。结果表明:不同装药结构会影响炮孔附近岩石的损伤范围,传统的连续装药结构在炮孔径向形成的损伤区域比分段装药结构大。此外,连续装药结构由于炸药集中在炮孔底部使得炸药能量分布不均匀,导致掏槽爆破效果差;采用分段装药结构可以增加岩石破碎数量和优化爆破腔体,岩石粒子在飞散过程中会产生2次加速现象;第一段装药比例较大或者较小会明显造成炸药能量利用不合理以及爆破腔体效果差。在模拟中设定的炮孔长度、岩石参数以及炸药性能条件下,当第一段装药比例为0.4时,深孔岩石巷道掘进掏槽爆破能够充分利用炸药能量,达到较好的掏槽爆破效果。将数值模拟得到的最优分段比例应用到现场巷道掘进爆破施工中,并利用数码电子雷管实现掏槽孔内2段炸药的延时起爆。现场试验结果表明分段装药能够在深孔掏槽爆破中创造良好的爆破效果以及提高炮孔利用率。

复杂岩层大断面硐室群围岩破坏机理及控制

针对复杂岩层巷道交叉点高应力集中区四周硐室群开挖围岩稳定性控制和支护技术等难题,通过对现场取样测试硐室群围岩物理力学参数、黏土矿物成分和松动圈大小,分析了赵庄煤矿三盘区带式输送机头硐室群及周边巷道围岩变形破坏特征和机理,表明硐室帮部煤柱和底板围岩是加固支护重点。利用FLAC3D数值模拟软件分析了硐室群开挖对硐室群及周边巷道围岩应力分布和塑性区分布范围的影响。基于理论分析和数值模拟提出了硐室及周边20 m范围内巷道围岩"强柱固底"的加固支护方案。现场工业试验表明,加固支护后,硐室群及周边巷道围岩变形得到了有效控制,围岩内部裂隙基本被浆液填充,60 d内围岩顶底板和两帮最大移近量分别为30 mm和50 mm,达到了理想的加固支护效果。

节理介质断裂控制爆破裂纹扩展的动焦散试验研究

为研究闭合和张开节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展机制,采用有机玻璃模型,用切缝药包形成初始裂纹,进行爆炸加载下透射式动焦散试验。试验结果表明:2种节理对裂纹扩展影响都很大,初始裂纹都没穿过节理,但在节理两端产生翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展;在张开型节理试验中,切缝药包爆炸后25μs时节理两端出现焦散斑,2条翼裂纹最长只有2.5 cm;闭合型节理则在1μs时产生焦散斑,比张开型产生的时间早了24μs,翼裂纹最长达5.6 cm。2种试验中翼裂纹尖端复合动态应力强度因子呈由小变大再变小振荡变化的趋势,初始阶段动态应力强度因子KdII低于KdI,闭合型应力强度因子峰值为1.72 MN/m3/2,大于张开型峰值1.28 MN/m3/2。研究结果可为节理岩体定向断裂控制爆破提供理论依据。

特殊条件下大采高工作面回撤通道稳定性控制研究

为了实现特殊条件下大采高工作面设备快速安全回撤,以赵庄矿5310工作面回撤通道为工程背景,综合采用现场调研、数值模拟、理论分析等方法,研究了基本顶不同断裂位置和周期来压步距对回撤通道的影响,进而确定合理的回撤通道位置;根据回撤通道赋存特征和围岩条件,坚持"顶帮协同控制"的原则,在提高支架初撑力的基础上,顶板采用全锚索支护、煤帮为锚网索联合支护。现场监测表明,该支护方案能够实现工作面设备顺利回撤,可为类似条件下工作面回撤通道的稳定性控制提供借鉴和参考。

基于硬岩快掘技术的切缝药包聚能爆破试验研究

为了检验切缝药包在岩巷快掘中的适应性及控制爆破参数,首先优化爆破参数的设计,使得炮眼利用率达到90%以上,达到快速掘进和光面爆破的要求,在爆破方案取得成功后进行全断面两边周边眼对比试验和全断面控制爆破对比试验,通过对比,全断面周边眼进行控制爆破眼痕率可以达到90%,同眼距情况下,0.5 kg为最优,装药量比光爆和原方案分别减少16.7%和37.5%;同药量情况下,眼距由原来的450 mm可以扩大到550 mm,提高22%以上。试验结果表明,简易切缝药包不仅成型好而且为企业创造较高的经济效益,适合在岩巷快掘施工中推广。

基于注浆试验的深井软岩CT分析

深井注浆围岩内部结构复杂而隐蔽,目前尚缺乏对其强度等特性定量测试分析的有效方法,通过三轴压力相似模型试验,制作了高应力深井破坏软岩等效试件,采用优化的浆液配比和自主研发的MYZJ-2型实验室液压注浆系统对破坏软岩进行了实验室注浆试验,测试注浆后试件单轴抗压强度,利用CT扫描技术对注浆试件裂隙变化情况进行了观测研究,并分析了试件内部裂隙分形维数变化规律。研究结果表明,采用水灰比1∶0.6,膨润土比例为水泥重量4%的超细水泥浆液对等效破坏泥岩试件注浆加固后,试件承载能力得到一定程度恢复,且峰后残余强度较注浆前提高约40%,韧性能力提高,试件内部裂隙基本被浆液填充,裂隙分形维数由注浆前1.385减小到注浆后1.074,注浆效果较好。

充填材料对节理岩石动力学性能影响的模拟试验

采用相似材料模拟制作与真实节理岩石性质相同的节理模型试件,通过在大直径(50 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)装置上对人工制作的节理岩石试件进行冲击试验,探究节理充填材料对岩石动态力学性能的影响。试验结果表明:随着充填材料强度的降低,节理试件动态弹性模量降低,动态抗压强度呈指数形式衰减,软材料充填的试件呈现塑性破坏,试件整体破坏形态与充填材料性质相关。能量分析,反射能量比随充填材料强度降低呈增大趋势,透射能量比降低,耗散能量比与充填材料性质相关,由能量表征的损伤变量与冲击速度呈弱幂函数关系,满足d=-0.11v2+1.31v-3.01,试件破坏时的损伤d=0.458。

爆炸载荷下缺陷介质裂纹扩展的动焦散试验

应用动态焦散线测试系统,模拟含缺陷岩体爆破过程,进行了PMMA(有机玻璃)模型透射式动态焦散线试验,着重研究了与预制裂隙共线的炮孔爆炸作用下裂纹扩展的规律.试验结果表明,爆炸载荷下裂隙两端分别产生了1条翼裂纹A和B,翼裂纹A的长度大于翼裂纹B的长度,2条翼裂纹向相反的方向扩展;随着翼裂纹长度的增加,裂纹扩展速度出现快速增加,减少,再增加,再减少的振荡过程;翼裂纹扩展加速度也始终存在着加速与减速不断交替变化的现象;翼裂纹尖端动态应力强度因子呈快速增大到逐渐减小连续振荡变化的趋势,动态应力强度因子KdⅠ最大值为1.3 MN/m3/2,KdⅠ一直大于KdⅡ.

大断面软弱煤帮巷道注浆加固支护技术

为解决曙光煤矿轨道巷矿压显现剧烈、巷道变形严重等问题,通过优化合理的注浆参数,采用深、浅孔注浆与锚索联合方式对巷道软弱煤帮进行加固支护,对巷道稳定性进行了研究。研究结果表明:软弱煤帮注浆加固支护使巷道原来破碎的围岩形成一个整体,提高了围岩其自承载能力,减轻了巷道顶板承载压力;采用深浅孔相结合的注浆方式对浅部巷道围岩实现封闭,使锚索能在深部围岩产生了有效的拉力;采用对两帮注浆加固方式的巷道两帮移近量较一帮注浆方式降低约50%,较巷道原有支护方式,降低约85%,巷道围岩整体变形得到了有效控制。

EMD和FSWT组合方法在爆破振动信号分析中的应用研究

针对传统经验模态分解EMD时频分析功能不足的缺陷,提出了基于经验模态分解EMD和频率切片小波变换FSWT组合的爆破振动信号分析方法。对实际工程采集到的爆破振动信号进行EMD分解,根据相关性系数确定优势分量实现信号重构,并获取重构信号全频带FSWT时频特征。利用FSWT逆变换能切割任意频率区间的特点,将重构信号选择时间、频率切片区间进行了更为细化时频特征提取。研究了EMD-FSWT组合方法、Hilbert-Huang变换(HHT)、小波变换(WT)三种方法的消噪滤波效果,并与短时Fourier变换(STFT)、重排平滑Wigner-Ville分布(RSPWVD)两种传统时频方法进行了对比。分析结果表明:EMD-FSWT组合方法,对瞬态信号在时频域上的分辨率更高,消噪和滤波效果好,适于对爆破振动信号进行更为精细化的时频特征分析。