采动诱发断层覆岩耦合失稳的突变效应

煤矿冲击地压灾害的频繁发生与复杂地质构造失稳关系密切,其中断层作为典型的地质构造是诱发冲击动力灾害的重要因素。推导了表征断层滑动特征的位移场和能量场的分布函数,并以河南义马矿区地质构造及千秋煤矿21221工作面为工程背景,搭建了模拟工作面开采过程和断层滑动的物理模型,监测了上覆岩层和断层区域位移、能量和温度等多参量演化规律,研究了断层覆岩失稳突变效应,探讨了开采扰动引起上覆岩层运动和断层滑移失稳关联耦合的力学机制。研究结果显示,开采扰动下,断层面上应力、位移及能量等参量极值点出现频率沿断层垂直方向从上到下呈现由密至疏的分布,断层面上部岩体较下部更易受到采动影响而处于非稳定状态,是断层滑动的主要动力源;断层滑动是一个由上到下、由局部到整体、先低能后高能的逐步加速且非连续的动态失稳过程,并伴随应变能依次表现出低能稳定、逐步积聚和高能活化3种状态,最大应变能增量出现于断层面上部,应变能的大量释放将加速断层自上而下的失稳滑移;断层面滑动过程中,岩体温度也随之呈现出阶次递增的特征,表现为微小扰动时的恒温阶段、应力积聚引起的局部上升阶段和滑动失稳引起的全域温度激增阶段;断层的非线性和非连续动态失稳现象与工作面上覆岩层的运动和垮落破断关系密切,基于开采扰动时上覆岩层运动和断层滑动之间发生的关联耦合响应,研究了断层覆岩耦合失稳的突变效应,具体表现为断层附近岩层压力的突增、断层面应力的剧烈变化、断层面位移加速变化并向下部发展、应变能大幅度频繁波动以及温度场的阶次递增。研究表明,覆岩垮落为断层的非稳态滑移施加了冲击载荷,应变能突然释放造成的断层严重滑移失稳也将对已经受过变形、遭受过破坏的上覆岩层带来二次剧烈冲击并发生大面积垮落,产生的卸荷作用为断层向该区域运移提供了附加空间,更加速了断层的滑移失稳和上覆岩层的垮落破坏,极易诱发冲击地压灾害。

煤系逆断层形成过程及其对采动灾害的影响规律

为研究煤系断层形成及其对采动灾害的影响规律,改进了煤系逆断层形成模拟试验系统,采用液压伺服控制实现位移和应力双重精确控制,煤层开采试验时只拆卸煤层后方回采位置部分透明板,保持内部构造应力不被释放,利用该系统进行了煤系逆断层形成与开采试验研究。结果表明:逆断层形成过程中各岩层位移可划分为3个区域:位移区、压缩区、稳定区;位移区绝对位移最大,相对位移较小,其范围随岩层埋深减小而增大;压缩区自上盘向下盘绝对位移逐渐减小,相对位移逐渐增加;稳定区绝对位移与相对位移均最小,其范围随岩层埋深减小而减小;上盘测点位移角随着测点与断层距离的减小逐渐增大,最大达到87.5°;逆断层形成过程中顶、底板水平应力呈先增大后减小的规律,且上盘水平应力大于下盘;断层下盘顶板垂直应力呈上升趋势,上盘煤层顶板垂直应力呈增大—减小—增大的变化趋势;对比分析国内22处煤系逆断层地应力实测数据表明,逆断层构造区域最大水平主应力和垂直主应力比k主要集中在1~4,本文试验中断层稳定后上、下盘k稳定于2~3;煤系逆断层形成后下盘煤层回采过程中,顶板垂直应力与水平应力均呈先增大后减小趋势,近断层岩层在构造应力与采动应力相互叠加作用下产生应力积聚,其峰值应力更高,导致回采后上覆岩层运动更剧烈;工作面向断层方向推进可分为矿压周期演化阶段和动力灾变阶段,在矿压周期演化阶段,煤壁及工作面上方的垂直应力呈周期性显著增加,高应力区域向下盘构造煤迁移,动力灾变阶段中工作面已处于高应力区域,在断层活化的影响下易引发冲击地压等煤矿动力灾害。

强化褐铁矿型红土镍矿烧结技术研究

针对褐铁矿型红土镍矿烧结生产过程中存在的水分偏高、料层过厚、料层温度低、透气性差、烧结矿强度低等问题,进行了强化褐铁矿型红土镍矿烧结的技术研究。研究结果表明:通过采取烧结制粒机制粒、增加制粒机中的布料角度、适当提高布料速度等措施可以提高烧结矿的产量和质量;通过采用高碱度烧结原料、高碱度烧结机、增加炉温及强化造粒等措施,也可显著改善褐铁矿型红土镍矿烧结生产质量,使各项指标均达到或超过设计值。综合考虑烧结原料成本和烧结工艺参数,在保证烧结矿质量的前提下,利用褐铁矿型红土镍矿进行烧结矿生产是可行的,但需要进一步对其进行强化研究。

煤矿冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制研究进展

煤矿冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制研究对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的科学意义和工程指导价值。人类采掘活动使得在地壳运动等强挤压过程中形成的断层等复杂地质构造受到扰动,结构面的活化和失稳将释放大量在构造成型期间所积聚的弹性应变能,进而极易诱发冲击地压等动力灾害。从断层构造成因、地质赋存状态和高水平原岩应力环境的角度介绍了冲击地压发生的地质环境特征,总结了与断层构造相关的冲击地压发生模式,凝练了开采扰动下断层滑移失稳的力学机理和断层构造失稳诱冲的多物理场前兆特征等2个关键科学问题,建立了考虑工作面开采影响的断层结构力学模型和厚层顶板赋存的物理模型,推导了断层面上下盘相对滑动位移计算的逐点积分方法,提出了可表征断层滑动摩擦与能量释放相关性的断层结构势能的概念,分析了开采扰动下断层面位移场、应力场和能量场的动态演化特征,系统阐述了断层构造的失稳特点和诱冲力学机理。研究结果显示,工作面开采条件下断层区域位移场表现为由局部静态滑移突然向整体剧烈滑动转变的非线性动态演化过程,并伴随着断层面上下盘之间的相对位移出现由缓慢滑动突然变化为急剧滑移的失稳现象,断层面最大位移也由断层顶部突然转移至断层中部靠近煤层的区域,对工作面造成极大冲击破坏。随着煤层的逐步开采,断层面正应力和剪应力在同步演化发展过程中发生了分化的现象,表现出正应力增加而剪应力降低或剪应力增加而正应力降低的特征。断层结构面和上覆厚层顶板的交界区域在上覆岩层下沉和侧向压力的共同作用下完成了最大滑动静摩擦向滑动失稳摩擦的动态转换过程,位移场的缓急突变和应力场的正剪分化现象均出现在该转换期间,而最大位移的出现也预示着断层结构发生了剧烈的滑移失稳。断层结构失稳前,由于厚层顶板坚硬且不易破断使得断层结构保持相对稳定,此时断层结构势能处于长期积聚而未释放的状态。监测数据显示,与断层结构势能相关的微震事件数、声发射事件数和电磁辐射强度值等数据均出现缺失的现象。断层滑移失稳后,该类监测数据又由几乎为零转为突然激增,并伴随着剧烈的滑动和对工作面的冲击破坏。综上所述,在复杂断层构造赋存、高水平原岩应力环境和开采扰动下,岩层运动与断层滑移的耦合作用是断层失稳的主要原因,而伴随的位移场缓急突变、应力场正剪分化和能量场激增滞后等多物理场演化规律均可作为冲击地压发生的前兆特征。

月亮山隧道围岩变形规律及稳定性

隧道开挖时,控制围岩变形是工程安全的重要保障。以湖北省月亮山隧道为例,选择三个典型隧道断面数据进行围岩变形研究,得到了围岩变形-时间关系曲线。通过利用最小二乘法和nlinfit函数法对量测数据的处理,得出两种回归分析方法下拟合程度的比较分析研究,从而发现一种更简便的计算方法和更适合该隧道的回归方程,预测了收敛趋于稳定的时间和总变形量,确定预留变形量,为二次衬砌提供合理的支护时机。同时运用FLAC3D三维有限元软件进行了数值模拟,分析了该隧道施工的空间效应,得到了围岩变形稳定距离。最后对隧道围岩稳定性进行了评价,给出相应的处理建议,对隧道的设计修改和施工具有重要的指导意义。

海底集矿车对称采集路径覆盖率问题分析研究

对海底集矿车采集路径规划覆盖率问题进行了研究分析,结果表明,在对称转弯半径不变的情况下,随着采集宽度增大,覆盖率、单次覆盖率、有效覆盖率和净覆盖率呈增大趋势,并且当采集宽度与转弯半径相等时达到最优值。

冲击地压矿井巷道U型钢支护极限承载能力研究

煤矿巷道围岩的冲击破坏程度与支护形式密切相关,探究冲击地压矿井巷道U型钢的极限承载能力,是研究深部煤炭资源安全开采的重要课题,对矿井冲击地压的防治具有重要意义。本文以义马煤田典型冲击地压矿井为工程背景,建立均匀围压条件下U型钢支护变形的力学模型,给出U型钢变形量的解析解,对比分析均匀和不均匀荷载作用下U型钢和巷道的变形规律,研究了荷载增加时U型钢支护可承受的上覆岩层极限荷载和极限埋深。通过现场监测巷道不同U型钢支护条件下顶底板移近量、移近速度的变化,分析了提高U型钢承载能力来控制巷道变形和冲击地压的机理。研究结果表明:随着荷载增加,巷道变形量和应变能均将出现一个急剧加速点,该点可用来确定应用U型钢支护的极限埋深均匀荷载下为1600 m,非均匀荷载下为1400 m,当达到极限埋深时,U型钢将完全处于失效状态,巷道变形激增;在冲击地压矿井巷道进行U型钢支护设计时,改善围岩支护接触条件、对U型钢边界施加均匀荷载,对提高U型钢的支护性能具有重要作用。采用承载能力更大的U型钢支护方式能吸收更多来自围岩释放的能量,对巷道顶底板移近量的控制较为稳定,使得巷道变形无法瞬间激增,保证巷道的稳定性,实现对巷道冲击地压的有效控制。

采动条件下褶皱构造区不均匀应力场演化特征研究

褶皱作为地壳岩层运动形成的地质构造之一,其附近岩层分布较大的残余不均匀构造应力,是诱发煤矿冲击地压的主要因素。针对这一问题,以义马煤田千秋煤矿21221工作面为工程地质背景,建立了褶皱构造赋存条件下的数值模型,施加了不均匀构造应力,分析了工作面开采时褶皱构造区域应力场的演化特征,研究了采动影响下褶皱构造不同区域矿压显现规律。研究结果表明:褶皱构造的原岩应力场的分布具有明显的空间分布区域性,即垂直应力和水平应力在向斜和背斜轴部表现出不同的分区特性,向斜轴部处出现了应力集中。随着工作面推进过向斜和背斜,水平应力和垂直应力在采空区顶板和底板均形成了椭圆形卸压区,垂直应力卸压区演化沿褶皱向斜或背斜法线方向逐渐扩大,垂直应力在工作面超前区域出现了一定范围的应力集中,应力集中区远离轴部扩大;水平应力在工作面垂直方向上较远处区域出现了应力集中,应力集中区逐步向顶板和底板远处发育,水平应力在卸压区内顶板应力的释放程度要明显高于底板。在工作面过褶皱轴部和翼部阶段,工作面超前支承压力的峰值随开采距离的增加而增大,应力集中系数则先增大后减小。工作面自背斜轴部俯采时工作面前方支承压力较大,自向斜轴部仰采时较小。当工作面过褶皱轴部时,直接顶受压状态的应力集中程度逐渐减小,减小的过程伴随着能量释放激增的现象,此时极易诱发冲击地压。

巨厚坚硬顶板变形及垮落的动态演化特征研究

义马煤田赋存一层巨厚坚硬岩层,是矿区诸多动力灾害的主要诱因。本文以义马煤田千秋矿21221工作面为工程背景,开展了顶板岩层冲击倾向性的实验测定,采用相似模拟和数值分析方法研究了工作面回采过程中巨厚坚硬顶板运动特征,分析了巨厚坚硬顶板垮落垂直位移动态演化规律,建立了采动应力分布与顶板运移的关系。研究结果表明:巨厚坚硬顶板破断过程可分为初始平静期、稳定运动期和整体垮落期三个阶段;顶板垂直位移量在初始平静期变化小,稳定运动期基本集中在采空区,向上呈现梯形递减趋势,整体垮落期则急剧向上发展。巨厚坚硬顶板运动呈现离层、瞬间下沉、离层闭合、间歇性稳定、瞬间垮落压实的非稳定动态变化现象。在工作面回采过程中,巨厚坚硬岩层变形和运动对采场施加了持续且不稳定的下沉压力,其结构失稳导致采场矿压发生强突变和采动应力突降,是冲击地压发生的重要诱因。

分层开采时断层滑动位移演化特征研究

本文结合义马煤田地质构造,以千秋矿21221工作面为工程背景,进行了采动影响下断层滑移失稳相似模拟实验研究,探究了煤层分层开采扰动对断层滑移失稳的影响特征规律。结果表明,煤层上分层开采时顶板已发生较大程度的松动及离层现象,下分层开采时,顶板岩层进一步发生垮落现象,下分层开采扰动引发上覆岩体垮落范围更大,使断层周围位移变化更强烈、上下盘错动更明显、煤岩体中积聚的应变能峰值更高;同时,断层滑移滞后于煤岩体中应变能的剧烈释放,应变能峰值“突降”现象可作为判断断层滑移失稳的前兆;煤层下分层开采较上分层开采时能量剧烈释放的时间更早,更易诱发冲击地压灾害的产生。

BP网络并串联模型用于施工质量管理评价的研究

基于人工神经网络的发展,提出一种BP网络并串联模型对施工企业项目质量管理进行智能评价。通过建立的神经网络并串联模型的测试相对误差和实际应用的预测结果.验证其在质量管理评价问题中的有效性,测试结果中相对误差最高不超过0.5%,实际案例中的预测结果和实际结果一致,表明BP网络并串联模型用于分析和解决施工质量管理评价问题可行。

高精度外圆磨床磨削测力仪的研制

磨削力在磨削加工中起着重要的作用,本文针对实验实际需要,研制了一台经济实用的磨削测力仪,利用研制的测力仪对MM1420A磨床的磨削力进行实时检测。结果表明,该测力仪能够实时监控磨削过程中磨削力的变化,保证加工质量,为提高磨削生产效率、降低成本提供了有效途径。