水岩作用下不同煤体厚度组合体力学特性及损伤规律研究

为研究水岩作用下煤岩组合体力学行为及其界面不均匀破坏特征,揭示井下隔水煤岩柱变形及富水环境下煤岩层变形规律.对不同高度比例的岩-煤-岩组合体开展干燥和饱水条件下单轴压缩试验,分析组合体应力-应变、强度及弹性模量劣化规律,探究水岩作用下煤-岩交接面处应力分布关系,明确组合体变形破坏特征及过程.研究结果表明:水岩作用下煤体高度对组合体力学特征具有较大影响,在干燥与饱水状态下,组合体单轴抗压强度与弹性模量均随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体挤裂破坏.但组合体强度损失劣化度随着岩体层间煤体高度增加,先增大后减小,当煤∶岩高度比为1∶2时,组合体强度对水的敏感度最大并出现极大值,这主要与煤岩交界面高度位置有关.弹性模量呈现降速缓释趋势,主要与组合体组成岩石性质有关.水岩作用下煤体部分为组合体整体失稳破坏的触发点位,延续影响煤体两端岩体,由于交界面产生侧向平面约束力,使煤体轴向抵抗变形能力得到强化,但随着煤体高度的增加,煤体中部所受约束影响迅速衰减.组合体变形破坏渐进性过程分为四个阶段:裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段.

不同含水率下煤岩组合体力学特性损伤规律研究

浅埋富水煤层长期受覆岩导水裂隙中地下水渗流侵蚀影响,矿井留设隔水煤岩柱及阶段间柱在水岩作用下产生力学损伤劣化。开采活动进一步加快损伤进程,并直接关系到工作面的稳定及安全生产。以陕西榆林锦界煤矿煤岩体为研究对象,制成砂岩-煤-砂岩(S-M-S)组合体,开展不同含水率条件下单轴压缩试验,揭示水岩作用下煤岩组合体的含水率变化规律、力学行为演化特征和声发射损伤规律,基于电镜微观扫描图像,分析水岩作用下组合体内部结构损伤劣化机理。研究结果表明:煤岩组合体吸水速率随着浸水时间的增加不断降低;水岩作用对煤岩组合体抗压强度和弹性模量有明显的劣化效应,组合体弱余强度随含水率增加不断降低,强度损伤速率随着含水率的提高不断加快;组合体的声发射计数和累计计数在水岩作用下衰减明显,并伴随组合体损伤破坏整个过程;水岩作用致使组合体内部结构原生链钝化,裂隙扩展,破裂形式发生明显改变。研究结果可为采动影响下煤岩矿柱水害预测评价提供指导。

基于贝叶斯-响应面法的煤矿开挖过程中不同含水状态岩体力学参数分析

在煤炭开挖过程中,准确评价不同含水率条件下岩层的力学参数,对于制定有效的排水方案,降低工作面顶板水害风险至关重要.然而,由于地层分布不均匀,试验测量误差等因素的影响,岩石参数往往呈现不确定性,进而降低了计算煤层开挖时上下岩层不均匀沉降和塌陷等问题的可信度.鉴于以上出现的问题,提出了一种基于贝叶斯更新参数的神经网络的响应面建模方法.该方法采用ACO-BP神经网络建立响应面,并通过贝叶斯公式进行参数的更新,以此建立高置信区间的响应面模型.以正交试验数据为样本,建立传统多项式响应面和神经网络响应面模型,并使用确定系数(R^(2))、20%误差对两种响应面模型进行验证和对比分析.结果表明:相比于多项式响应面,神经网络响应面模型的预测数据误差值更小,具备更高的预测精度和更强的寻找非线性关系的能力,同时利用贝叶斯更新参数的方法,降低了BP神经网络陷入局部最优的缺陷,能更好地进行岩体力学参数的预测和分析.使用神经网络响应面的方法对陕西榆林锦界煤矿31301工作面3-1煤层进行分析,得到孔隙率、含水率、抗压强度与弹性模量之间的非线性关系,并对弹性模量进行预测,预测值和实际值的拟合度可达到0.92,以此来验证了方法的可行性.

褐煤协同球红假单胞菌固定SRB颗粒处理AMD中Fe^(2+)、Mn^(2+)试验研究

针对硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacteria,SRB)易受高浓度重金属、低pH抑制,以及需要投加碳源材料等问题,采用微生物固定化技术,以SRB、球红假单胞菌和褐煤作为主要固定基质,制备褐煤协同球红假单胞菌固定SRB颗粒(L-P-SRB),探究L-P-SRB对酸性矿山废水(Acid Mine Drainage,AMD)中含Fe^(2+)、Mn^(2+)和SO_(4)^(2-)的去除效果。基于还原动力学及吸附动力学结合扫描电镜(SEM)和傅里叶红外光谱仪(FT-IR)等手段,揭示L-P-SRB处理AMD的机理。同时,探究了低温处理L-P-SRB对AMD的修复效果,为低温条件下矿区处理AMD提供一定的依据。结果表明:L-PSRB对Fe^(2+)和Mn^(2+)的去除率分别为91%和79%,吸附Fe^(2+)和Mn^(2+)的过程均符合拟一级动力学;对SO_(4)^(2-)的去除率分别达到了91.28%和81.94%,还原SO_(4)^(2-)的过程符合一级动力学。与Fe^(2+)相比,Mn^(2+)对L-P-SRB活性有一定的抑制作用。L-P-SRB能将废水中的Fe^(2+)、Mn^(2+)和SO_(4)^(2-)一次性去除,很好的解决了褐煤只能单纯吸附重金属离子和SRB需要投加碳源的问题。低温冷藏处理不会抑制L-P-SRB的活性,为一次制备多次使用提供了依据。由SEM和FT-IR检测可得,L-P-SRB在处理废水的过程中,球红假单胞菌优先发挥作用,破坏褐煤的结构,部分官能团被破坏,褐煤中的C—C、C=O以及环烃、烷烃、烯烃的侧链断裂,产生大量小分子有机物,增大了颗粒的比表面积,提高了颗粒的吸附能力。同时褐煤为SRB还原SO_(4)^(2-)提供了载体和大量的碳源,促进了SRB的生长,提高了对AMD的处理效果。

干湿交替对碱性煤矸石中重金属释放潜能影响及风险评价

为探究干湿交替对碱性煤矸石中重金属释放潜能和赋存形态的影响,以陕西省榆林市某矿区碱性煤矸石为试验对象,通过静态浸泡和动态淋滤试验,研究了干湿交替作用对碱性煤矸石中重金属Fe、Cu、Cr释放潜能的影响规律。同时通过五步提取试验,探讨了各重金属的赋存形态变化规律,并通过风险评价准则(Risk Assessment Code,RAC)对重金属进行了潜在生态风险评价。结果表明:碱性煤矸石中重金属释放主要以动态淋滤过程为主,经干湿交替处理后的煤矸石样品,在静态浸泡条件下各重金属元素的释放潜能均小于动态淋滤过程;在动态淋滤试验中,不同含水率、不同干湿交替周期处理后的煤矸石样品其碱度和和重金属元素的释放潜能均会出现不同程度的下降,且含水率为30%条件下较60%下降更为明显。在含水率30%条件下,碱度和Fe、Cu、Cr的累积释放率最高,分别降低了0.0124%、0.0098%、5.4802%、1.4285%;Fe、Cu、Cr的赋存形态发生转化,在含水率60%条件下,干湿交替14次时,Cu的残渣相较空白组降低了18.76%;RAC潜在生态风险危险评价表明未经干湿交替处理的煤矸石Fe、Cu、Cr的风险等级分别为无污染、中度污染、轻度污染,经处理后的煤矸石中Fe、Cu、Cr活性形态质量比都有不同程度的提高,Cu的潜在风险等级由轻度风险提高到中度风险。

水岩作用下砂岩的崩解机理及加固方法的研究进展

水-岩相互作用是导致砂岩崩解的主要因素之一。砂岩作为一种天然多孔隙沉积岩,是工程建设中经常遇到的一类特殊岩土体。之前的研究主要关注砂岩在自然状态或水岩作用下宏观力学性能的变化,而对水岩作用下砂岩的劣化机理的研究较少,尚未找到经济有效的处理砂岩的方法。本文首先从砂岩的基本性质出发,综述了相关研究在力学性能、微观形态和能量耗散等方面对砂岩劣化机理的探索,进一步提出了抑制砂岩崩解的主要措施,为砂岩在工程建设中的应用提供了理论基础,并有助于针对各种砂岩崩解引起的工程问题提出更完整的处理策略。

我国采煤沉陷及其控制研究现状与展望

深部开采已经是我国煤炭资源开采目前或将要面临的问题之一。同时,“三下”压煤的亟待开采和与环境相协调的煤炭开采技术的研究,也是煤炭行业可持续发展和保护地表环境必须的研究课题。通过论述分析采煤沉陷现状、控制采动覆岩方法、采煤沉陷相关理论研究,可以得出,我国采煤沉陷分布广泛、涉及面广、影响严重,采动覆岩控制的方法和理论,仍然存在与矿业发展不协调或有待改善的地方。“三下”压煤的全煤层开采研究、覆岩移动规律细化数值模拟、充填开采工艺设计及地表移动预计程序的更新或开发等方面,将是现阶段开采沉陷学科深入研究的重点。最后展望了符合绿色开采理念的采煤方法或煤炭技术途径。

大倾角煤层开采最大下沉角的二次插值分析

当开采煤层倾角较大(倾斜及急倾斜煤层)时,用一次直线继续拟合最大下沉角θ与煤层倾角α的关系存在较大的误差,而利用二次曲线拟合θ-α关系则可解决此问题。提出并论述了最大下沉角迂回点的定义与存在性,同时就θ与α的二次曲线拟合进行分析并且结合实际给出计算实例。经过实测和岩移分析,结合实际应用提出:大倾角煤层开采时的θ-α关系一定是且能够用二次多项式表示,同时可以由已确定的多项式计算出迂回点值的大小。

沉陷区地表与建筑物变形分析及兴建评价

通过简要分析开采沉陷地表移动、采动区地表与建筑物变形协同关系、地表兴建建筑物的评价因子和方法,指出矿区采煤沉陷稳定区域通过科学合理指标因子评价分析,可以在确定范围内进行适当规模的非特殊建筑物的兴建建设。

采煤沉陷区土地复垦研究工程实践分析

由于地下煤炭的开采,采煤沉陷使得可正常利用的土地受到破坏,因此在不可再生资源煤炭被大规模开采完以后,深入研究并开发利用再生资源和社会良性发展的基础条件土地资源势在必行.本文是在采煤沉陷区土地复垦研究基础上的工程实践应用及分析,主要论述了沉陷区土地复垦的社会背景、牛心台煤矿采煤沉陷区土地复垦工程实践、土地复垦工程项目分析.最后指出,在现有的技术和资金支持下应积极开展针对各矿区采煤沉陷区的土地复垦研究及工程实施,恢复宝贵的土地资源价值.

基于西原加速模型的煤岩蠕变试验研究

西原模型能很好的模拟初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段,但却不能描述加速蠕变阶段。为了描述加速蠕变阶段,通过改变已有西原模型的时间参数,得出另一种模型(根据该模型的特点命名为西原加速模型),并由理论推导出其表达式。通过煤样的单轴压缩蠕变实验,取得相关实验数据,然后利用数值分析软件Matlab将实验所得数据与理论研究结果进行拟合分析,得出其吻合程度较高,说明该模型能很好的反映实际情况,并弥补了西原模型不能够反应蠕变第3阶段的不足。

地下水位下降对采矿覆岩下沉影响探析

地下采煤会导致地表下沉盆地的形成。然而地下水尤其是承压水的流失即水位降低对地表下沉盆地的形成存在不可忽视的影响,而对两者之间的关系及其过程的力学机理是岩移领域亟待研究的课题之一。矿区地下水位降低的主要原因为承压水通过采动裂隙向下渗流、煤层开采前顶板岩溶含水岩层的疏干以及地面人为钻井取水。根据对一具体矿区地下水位下降对地表沉陷影响实测数据的分析得出,在以采煤为主导条件导致地表下沉的过程中,几乎全部的开采沉陷量中均包含有由于含水层释水而造成的沉陷量。通过对上覆岩层力学机理分析,指出水位降低对覆岩移动、地表下沉的影响是由于一定地质条件下可渗水性岩石的物理力学特性、渗水对其它岩石的软化、释水后原冲积层的压密固结以及水渗透过程中的水岩耦合作用等因素综合作用所致。同时,在以上理论的基础上还探讨性地建立了地下水位下降对地表下沉贡献模型,在此模型基础上可以建立2个或2个以上影响因素对地表下沉的贡献模型。最后以框图形式概括了地下水位下降及其对地表下沉影响的综合过程。

动载下巷道围岩微震响应特征及支护研究

为探讨动载下深部巷道围岩变形特征,采用微震监测系统、顶板动态监测仪及FLAC3D数值模拟软件研究深部工作面回采中微震活动特征及巷道变形破坏特征,模拟动载前后巷道围岩及支护体力学响应特性。研究结果表明:微震事件分布与累计损失能量均呈现出明显的3阶段特征,与工作面开采过程出现的初次来压、采空区初次见方和遇见断层现象相对应;微震事件的分布在时间和空间上具有一致性;动载下顶板破坏程度大于底板及两帮;动载扩大了巷道围岩塑性区范围,改变了围岩的受力状态,增大了围岩的变形量与支护体的受力;通过增加锚杆直径、长度、排距及提高预紧力对支护结构进行优化,现场监测数据表明,优化后支护方案保证了围岩的完整性,限制了围岩的变形,减小了锚杆受力,能够有效控制采动影响下巷道围岩的变形,对采动影响下深部巷道维护保证煤矿安全生产具有参考应用价值。

基于范例推理的软基处理评价方案研究

高速公路软土地基处理方案是影响工程质量、工程造价和建设工期的关键因素之一。为制定技术可靠、经济合理、安全适用的软基处理方案,提出采用反映属性特征值之间的统计参数——变异系数来计算属性参数的权重,系统研究了基于变权的高速公路软基处理范例推理智能评价方法。通过大量有明确结论的软土处理工程实例,建立软土地基处理方案范例库,用变异系数来确定属性参数的权重,采用Euclidean Metric Distance计算公式计算目标范例与源范例的相似性,找到与目标范例最为相似的源范例。实例分析结果表明,基于变权的软基处理范例推理智能评价方法具有较高的可靠性。研究成果将为制定科学合理的软基处理方案提供科学依据。

多台阶岩质边坡的稳定性分析及加固效应

为掌握多台阶岩质边坡在开挖过程中的动态变形特性及其稳定性,确定在不同施工顺序下预应力锚索对边坡的加固效应,以具体岩质边坡工程为例,基于强度折减理论,利用FLAC3D模拟分析其在开挖过程中及形成后的变形特征;对比分析不同开挖、支护顺序下预应力锚索对边坡的加固效应.研究结果表明:开挖容易使局部岩体发生破坏;预应力锚索的使用,使岩体的完整性得到提高,并能很好的约束岩体水平位移,有效改善边坡的稳定性.

兰家沟钼矿巷道围岩稳定性分析

针对金属矿山开采巷道围岩变形失稳破坏问题,以兰家沟钼矿巷道为例,对兰家沟钼矿深埋平巷中典型区段建立MIDAS三维模型,分析支护初期围岩应力、应变变化规律及支护结构的内力变化,并通过现场测试分析验证支护结构的合理性,对巷道围岩失稳与破坏机理、支护结构作用进行了深入研究。

煤矿矸石充填材料压实耗能特性试验研究

充填材料在压缩变形的过程中会吸收能量,对于煤矿的充填开采,充填材料的能量变化规律会对工作面的能量产生很大的影响,受力相同时,充填体吸收的能量越多,其周围岩体的能量变化就越小。所以,本文将利用试验的方法来研究固体充填材料的耗能问题。基于矸石的侧限单轴压缩试验,计算了矸石变形过程中单位体积的应变能,分析了不同粒径、不同加载速率和不同初始加载应力对矸石的耗能和变形破坏的影响。研究结果表明,矸石的粒径越小、加载速率越小、初始加载应力越大,相同应力条件下的变形就越小,达到相同应变时应变能密度越大,消耗的能量越多。矸石的耗能和变形主要分为3个阶段,其中第一阶段的变形占总变形量的50%左右,但能量消耗仅占总能耗的10%左右,第二阶段的变形占总变形量的25%左右,能量消耗也占总能耗的25%左右,第三阶段的变形占总变形的25%左右,但能量消耗占总能耗的65%左右。

土工格栅不同速率拉伸性能试验

为研究土工格栅在不同拉伸速率条件下的力学特性及其作用机理,通过对2种土工格栅进行不同拉伸速率条件下的拉伸性能试验,分析土工格栅的拉伸速率与强度、伸长率、变异系数和拉伸模量的关系.试验结果表明:土工格栅随拉伸速率的增加其2%、5%伸长率下强度和峰值强度都趋向于幂函数曲线;伸长率受速率影响并不显著;土工格栅拉伸模量随着拉伸速率的增加逐渐增大,但是达到80mm/min以后出现下降趋势.

工作面厚硬顶板力学变形研究

实际生产中,有些矿区覆岩中经常存在两层以上相邻的坚硬顶板岩层。当靠近煤层的二层或多层硬岩层间产生复合效应时,影响覆岩采动特征的老顶将不止一层。为研究清楚复合顶板的变形,有必要研究两层以上坚硬复合岩层的力学特性。基于板理论基础,研究了两层及以上的坚硬层叠岩板的力学特性,建立了坚硬层叠岩板的力学模型并对其进行了分析,给出了最大挠度的计算公式及岩板在覆岩层载荷作用下的变形公式,以及在竖向压力作用下坚硬层叠岩板的位移计算方程、方法,最后给出坚硬层叠岩板的弯曲下沉计算实例。该研究成果为垮落带注充控制岩层及地表移动提供了理论依据。

条带开采采空区覆岩移动规律数值模拟分析

为了准确而有效的掌握条带开采上覆岩层移动机理,采用FLAC3D数值模拟软件,对辽宁省灯塔市西马煤矿北二采区西上岗子村下压12煤采空区上覆岩层变形传播机理进行研究。模拟研究表明,采用FLAC3D软件可以较好地模拟条带开采上覆岩层长期变形特征。通过对各采空区和煤柱顶板及对应地表布设位移测点,得到顶板和地表不同时间段的竖向位移变化曲线。研究结果经分析得到,煤层开采后采空区顶板在自重和上覆岩层作用下,短时间内变形状态仍有较大变化;开采后21个月,各采空区顶板沉降变形开始趋于稳定;24个月后各煤柱顶板沉降变形开始趋于稳定;27个月后地表沉降变形开始趋于稳定;最终,采空区上覆岩层应力分布重新达到平衡。