“双碳”战略下矿业工程研究生创新能力培养模式与方法探索

实现“双碳”目标,加快绿色低碳科技革命,根本上要靠一流创新人才。本文以安徽理工大学矿业工程研究生创新能力培养为例,深入分析了研究生培养现状,探索了“双碳”战略下研究生创新能力培养模式与方法,通过优化“双碳”背景高质量人才培养顶层设计、完善研究生课程体系建设、健全校企双轨导师制、发挥科研平台优势作用、国际化人才培养、增设研究生定期学术交流、科研奖励和评价制度等举措,培养创新能力和工程实践能力强、国际化视野的“双碳”战略下矿业工程人才,对新形势下工科研究生教育具有积极的借鉴意义。

全长锚固锚杆支护软岩巷道围岩承载结构力学响应解析

为研究高应力软岩巷道围岩在全长锚杆锚固后围岩力学承载结构的稳定性,考虑软岩峰后强度软化时的扩容特性和全长锚固锚杆受力边界条件,建立了全长锚固锚杆力学模型,推导得到锚杆受力解析式。并通过将锚固力等效为体积力的形式建立了全长锚固围岩力学模型,将其由浅及深依次划分为锚固残余区、锚固塑性软化区、非锚固塑性软化区及弹性区,推导了各分区的应力表达式。结合工程算例分析了空间效应、扩容系数、锚杆长度和托盘反力等因素对围岩应力和锚杆受力的影响规律。结果表明:受空间效应影响,巷道变形破坏呈现渐进式发育,借此提出了“锚固调控区”的概念,即在全长锚固锚杆支护过程中,围岩的虚拟支护力和锚固力处于此消彼长的状态,从而抑制围岩应力向深部转移,有效减小了塑性区范围。锚杆安装时机越早,作用于杆体的围岩变形越大,且与围岩之间更易形成共同承载体;锚杆轴力与扩容系数呈正比关系,随着扩容系数增大,锚固力增长速率显著加快,保证了锚杆对围岩径向应力的恢复作用;锚杆长度越大,围岩/锚固剂界面粘结范围越广,使得沿杆体的轴力分布及其峰值明显增大,进而使围岩切向应力峰值区向洞壁方向偏移;全长锚固锚杆托盘反力对残余区和塑性区边界的影响较小,其作用主要体现在改善锚杆受力情况,充分发挥锚杆锚固作用及护表能力。

软岩保护层开采采动卸压效果的预测及应用

为了研究软岩保护层不同开采参数下采动卸压影响规律,探讨5种不同开采参数下被保护层的等效膨胀率和等效卸压率,构建软岩保护层卸压效果改进鲸鱼BP神经网络预测模型,对不同开采参数下被保护层卸压程度进行预测,通过灰色关联度分析影响采动卸压效果的主次影响因素。研究结果表明:对软岩保护层卸压效果产生影响的主要因素是关键层位置,其次是层间距、采高、面长和埋深,灰色关联度分析结果与实际情况相吻合。模型能较为准确地预测各种情况下被保护层的卸压情况,预测误差小于5%,并且模型易于实现、操作简单。研究结果可为软岩保护层卸压开采提供重要的参考价值。

深井软弱围岩联合控制技术及耦合叠加拱承载效应研究

为有效解决深井软弱围岩巷道稳定控制技术难题,以淮南某矿-962 m轨道大巷为工程背景,依据软岩应力-应变曲线及围岩应力变化和强度之间的关系,建立圆形巷道围岩破坏分区力学模型,将开挖后的巷道由表及里依次划分为残余区、塑性软化区、塑性硬化区及弹性区,以阐明锚杆(索)锚固系统变形失稳机制,并提出深井软弱围岩的控制要点及关键技术。在此基础上,提出高预应力支护构件遏制残余区扩展、有效的支护承载区发挥围岩承载能力、极大提高软弱围岩承载强度及完整性、薄弱部位补强支护形成完整承载圈等4个围岩控制要点,进而提出“以高强预应力锚杆(索)为核心,浅、深孔分次注浆为基础,底角与底板锚注加固为关键”的全断面强化联合控制方案。结合支护方案特点提出实现内、外承载的“耦合叠加承载拱”结构。该耦合承载拱将支护体与围岩的相互作用和所提供的径向支护力相统一,对锚杆(索)支护阻力具有显著的放大作用。研究结果表明:围岩残余范围随硬化系数、软化系数、支护阻力及内聚力和内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大,而残余区、塑性软化区、塑性硬化区的边界发生渐进式扩展变换是导致围岩大规模破碎和锚杆(索)锚固失效根本原因。通过工程计算得到轨道大巷围岩屈服软化时的原岩应力阈值可达29.09 MPa,验证了支护方案的可靠性。轨道大巷经联合控制后围岩变形量仅为原支护参数下的12.6%~14.3%,在40 d后变形速率低于0.2 mm/d,实现了对巷道的稳定性控制。

含夹矸厚煤层地面定向钻预注浆围岩改性及巷道支护技术研究

为解决复杂地质条件下,巷道掘进期间施工难,工序复杂等问题,以淮北矿业信湖煤矿818里机巷为工程背景,提出了利用地面定向钻预注浆技术对巷道围岩进行掘前治理的方案,运用FLAC^(3D)软件模拟了注浆前、后巷道开挖后围岩变形特征,并在现场注浆试验后,通过钻孔窥视的手段,观察了浆液在围岩中的扩散情况;结合巷道的地质条件及施工特点,确定了夹矸顶板巷道的支护形式,并对注浆区域与非注浆区域进行长期持续性的矿压监测。结果显示:同一支护形式下,治理区域相较于非治理区域,两帮移近量和顶板下沉量分别降低了31.82%、36.77%,证明了地面定向钻预注浆围岩改性技术,对加强围岩自承载性能,提高巷道稳定性具有良好效果。

深部低渗透强突出煤层群首采下保护层确定和效果考察

软岩保护层在深部低渗透强突出煤层群首采保护层选择中具有潜在的应用前景。在阐述下保护层开采覆岩移动与采场裂隙演化及瓦斯运移关系的基础上,以芦岭矿为工程背景,通过FLAC3D数值试验,研究软岩保护层开采后的卸压效果,并和不同层位的薄煤层开采卸压效果对比分析。结果表明,在采厚相同的情况下,开采10煤保护层相对于软岩保护层,卸压程度弱,保护范围小,保护效果差。软岩保护层开采后,被保护层处于弯曲下沉带的下限范围。受采动影响,有大量的离层裂隙生成。考察期范围内上覆被保护层(8、9煤层)瓦斯抽采率达62.9%,表明软岩保护层开采能够对上覆被保护层(8、9煤层)起到显著的卸压效果。研究结果可为其他矿区保护层开采选择提供参考,丰富国内保护层开采实践。

上提综采面破碎顶板片帮冒顶分析与控制技术研究

片帮冒顶是制约综采工作面安全高效开采的主要因素之一。为了控制上提综采面片帮冒顶,研究了工作面片帮冒顶的机理,分析了煤壁片帮、冒顶的主要因素,包括地质构造影响、顶板破碎、邻近工作面采动影响、矿压因素等;运用FLAC3D软件,通过数值方法,分析了邻近工作面开采对上提面的影响,结果表明,由于受邻近面采动影响,工作面发生片帮冒顶的几率较大。在以上研究的基础上,提出了采用注射马丽散加固煤帮控制片帮冒顶方案。方案实施后,有效地控制了端面冒顶和大面积片帮,使该工作面转向正规循环作业。

远程下保护层开采煤岩卸压效应研究

基于保护层开采覆岩移动破坏特征,分析了远程下保护层开采煤岩卸压的可行性,采用FLAC2D数值模拟软件对被保护煤层的应力分布特征、煤厚变形规律、水平位移规律、卸压范围及卸压角进行了研究。结果表明:下保护层开采时,断裂带高度已发育到被保护层,煤层产生膨胀变形,生成大量的次生裂隙,使被保护煤层产生不同程度的卸压,同时水平位移的产生也有利于煤层透气性增加。在走向方向上,被保护层向保护层采空区方向内错约30 m,煤层进入稳定膨胀变形区,走向有效卸压角的大小为66°左右。研究结果应用于工程实践后,淮南某矿13-1煤层瓦斯压力由原来的4.4 MPa变为卸压后的0.7 MPa,煤层透气性系数增大了1 061倍,表明该方法是较好的区域性防突措施。

沿空掘巷合理煤柱尺寸的数值模拟研究

以张北煤矿6煤为工程背景,采用理论计算,得出沿空掘巷合理煤柱宽度,并运用FLAC2D数值模拟软件对沿空掘巷不同煤柱宽度条件下,巷道两帮应力及巷道顶板位移和帮部位移的变化规律进行分析研究,得出适应工程实际的参考煤柱宽度。

轴对称单轴压缩岩石材料应变局部化剪切带数值模拟研究

利用FLAC3D数值软件中的应变硬化—软化本构模型,模拟轴对称单轴压缩条件下岩石试件应变局部化剪切带的形成过程,同时对不同端面效应下长径比效应对应变局部化剪切带的影响进行分析。结果表明,岩石试件的应变局部化剪切带的启动、发展到最终形成是一个渐进的演化过程。端面效应和长径比效应均影响应变局部化剪切带的形状和岩石强度。光滑边界应变局部化剪切带形成于试件上下端面,摩擦边界形成于试件中部区域,且摩擦边界时试件的峰值强度高于光滑边界,峰值强度后的软化阶段陡峭于光滑边界。随着岩石试件长径比的增加,岩石的峰值强度在逐步降低,达到峰值强度所需的时步却呈增加的趋势。这一研究成果有助于加深理解岩石破坏过程。

“双一流”背景下矿业工程创新人才培养模式分析与探索

文章分析了在"双一流"建设背景下,安徽理工大学矿业工程学科在创新人才培养中所存在的问题,并提出了矿业工程学科创新人才培养模式的具体改革措施,包括构建创新人才思政教育工程、完善生源选拔机制、拓展毕业生多元化发展途径、探索多层次及梯度式人才培养模式和深化课程体系改革五个方面。

淮南矿区深部综采工作面覆岩两带高度发育特征研究

为了确定深部综采工作面覆岩两带发育高度,采用经验公式预测、数值模拟及现场岩芯质量指标3种方法对覆岩两带高度及发育特征进行了研究,结果表明:煤层采出后,两带发育特征呈现出"马鞍型"形态,且最大发育高度位于工作面开切眼及停采线上部。采用3种不同方法计算得出的两带高度分别为42.29～45.77,57,53～55 m。通过对比发现,数值模拟结果与现场实测结果较为接近,而采用经验公式预测结果偏小。最终确定深部综采工作面覆岩两带高度为55 m。

基于虚实结合的港口装备控制实验平台

针对港口装备控制实验因缺乏相应实验设备难以有效开展的现状,提出了虚实结合的港口装备实验平台概念。利用Flexsim软件搭建起港口装备的三维仿真控制模型,对其进行二次开发,实现将模型状态信息写入Excel电子表格并且同时从中读取控制信号;利用Win CC组态软件与PLC组态通讯,并且通过读写Excel实现控制信号与反馈信息在控制硬件PLC与虚拟模型之间传递。该实验平台突破了大型实验装备缺乏的限制,可为港口大型装备相关控制实验的开展提供对象模型,实现控制过程的三维可视化,对大型装备实验开展具有借鉴意义。

综放沿空动压巷道锚网索耦合支护研究

为合理设计综放沿空动压巷道支护参数,以恒昇煤矿9102工作面沿空运输巷为例,用钻孔窥视仪和多点位移计观测巷道围岩裂隙发育状况和变形特征;用FLAC3D软件模拟锚杆锚索采用不同支护参数时围岩支护应力场分布特征,定义压应力区耦合系数评价锚杆锚索耦合性能,在此基础上优化支护参数,并模拟对比采用原有支护与优化支护时围岩偏应力及位移分布特征;开展现场试验。结果表明:减小锚索间距、增加锚索长度和锚索预紧力能使预应力锚杆和锚索在围岩内形成有效连续的压应力集中区;当压应力区耦合系数大于1. 4时,应力集中区高度超过顶煤厚度;当锚索长度为8 m时,锚索锚固段所在岩层偏应力较低,锚网索支护系统的可靠性较强;支护参数优化后,顶板离层与围岩大变形基本得到控制,能够保证沿空巷道的安全。

培养采矿专业学生解决复杂工程问题能力教学实践研究

为培养采矿专业学生解决复杂工程问题能力,以学生学科比赛为契机,通过组建团队开展采矿学科模型制作,进行了采矿专业学生解决复杂工程问题能力的培养教学实践,构建强突出高瓦斯软岩保护层开采模型,组织了一支任务分工明确的跨学科团队,确定了模型制作总体思路,团队制作完成了立体全方位展示软岩保护层开采方式的工作机理的实物模型。

基于线性储能规律的红砂岩蠕变能量演化分析方法

为了研究红砂岩蠕变过程中的能量演化规律,进行红砂岩单轴循环加卸载试验、单轴分级蠕变试验以及蠕变后的单轴循环加卸载试验,提出一种岩石蠕变能量演化分析的新方法。研究结果表明:单轴循环加卸载试验将红砂岩内部孔隙、微裂纹等缺陷逐渐被压密后,红砂岩变为非线性伪弹性体,加载曲线与卸载曲线形成一个密闭的滞回环;红砂岩变为非线性伪弹性体后继续承受加卸载会再次产生残余变形,因此,红砂岩在单轴循环加卸载作用下的残余变形规律为较大残余变形—无残余变形—再次产生残余变形;红砂岩单轴循环加卸载产生的耗散能密度达到初次稳定时的循环次数与出现非线性伪弹性体的循环次数基本保持一致,在应力上限恒定的单轴循环荷载作用下,红砂岩的弹性能密度基本保持不变;假设蠕变过程中长期荷载对红砂岩弹性能密度无影响,根据假设进行蠕变后的单轴循环加卸载试验,验证了假设的正确性;首次加卸载存在线性储能规律,基于红砂岩线性储能规律和蠕变后红砂岩弹性能密度基本不变特性可以得到蠕变的弹性能密度与耗散能密度。

复合顶板稳定性分析及支护参数设计

为了研究复合顶板下沉量大、支护失效等矿压现象,总结了不同围岩条件下复合顶板的破坏形式,以临汾恒昇煤业9102工作面回采巷道为研究对象,采用顶板离层监测、钻孔窥视、数值模拟等方法,揭示现场复合顶板巷道失稳机理。研究分析及数值模拟结果表明,锚杆支护下在顶板浅层形成的"锚固梁"要满足强度要求;锚索支护下,将"锚固梁"与深部岩层组合,使顶板满足位移要求,从而达到控制巷道稳定性的目的。改进的支护方案顶板最大拉应力和剪应力分别减少了55%和33%,"锚固梁"垂直方向应力是原支护方案的4倍,顶底板和两帮的位移量均小于100 mm,满足现场安全回采要求。基于锚杆、锚索耦合支护模型为复合顶板巷道支护提供了分析方法,为同类巷道支护设计参数的选择提供了借鉴。

厚顶煤夹矸顶板下巷道复合支护技术研究

针对厚顶煤夹矸顶板传统支护方案下巷道围岩变形量大,垮落威胁严重的问题,以信湖煤矿81采区818工作面运输巷为研究对象,采用理论分析、FLAC^(3D)数值模拟方法,对原始支护参数进行优化研究,提出了厚顶煤夹矸顶板下"三心拱U型钢棚+锚索梁+锁腿梁"复合支护技术,解决了巷道支护的难题。井下试验和现场实测结果表明:复合支护后,巷道围岩应力状态明显改善,顶板下沉量控制在50mm,锚索稳定支护载荷332kN,为其破断载荷的56.9%,可以对巷道起到良好的支护作用,满足矿井安全高效生产的需求。

不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

为研究不同围压下黄砂岩的力学特征、声发射特征和岩石破裂形态,采用ROCK 600-50型岩石三轴流变仪与声发射系统对黄砂岩进行常规三轴试验,研究不同围压下的黄砂岩的峰值应力、峰值应变、残余强度及破坏形态变化特征,讨论了黄砂岩破裂过程声发射计数演化规律。结果表明:黄砂岩试件的峰值应力、轴向峰值应变和残余强度均随围压的增加而增大,围压对径向峰值应变影响较弱,通过对声发射计数分析,黄砂岩破坏程度随围压增大更加剧烈,会出现二次或多次破坏,围压减少了黄砂岩破坏过程中主裂纹数目,并明显抑制了次生裂纹的产生。

三软煤层沿空掘巷煤柱稳定性分析及支护技术

针对许疃煤矿3238工作面风巷沿空掘进施工位于上一采空区顶板断裂形成的应力集中区,且局部老空区水长期浸泡小煤柱,造成施工巷道变形显著这一现状,通过理论分析,构建了覆岩及煤柱力学模型,揭示了3238风巷围岩破坏特征及控制原则,理论计算了煤柱的塑性区和破裂区范围,并结合数值模拟及现场试验,综合研究表明,3238风巷合理的小煤柱留设为5m;提出了"顶帮同治、治底固帮、整体承载"的控制技术,同时对该巷道施工了一次"强支护"及小煤柱注浆加固等关键技术;结合窥视结果及现场支护应用,一次"强支护"及小煤柱注浆加固措施可满足安全生产要求。