强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化研究进展

【目的和方法】巷道围岩时效变形破坏、蠕变型冲击地压等灾害是深井面临的重大威胁,加之深部采动与结构变化的影响,亟需研究强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化规律,系统回顾煤岩体力学性质的尺度效应、非连续结构与多物理场效应,以及煤岩体长时稳定性、蠕变演化规律与力学模型。【结果和结论】强调不同尺度(细观-宏观-工程尺度)、不同尺寸(REV范围内)煤岩变形破裂过程中非连续结构(包括裂隙和矿物)与物理力学性质存在密切的关联特征。指出煤岩体跨尺度非连续结构导致应力场非均匀分布,造成力学各向异性、尺度效应及尺寸效应,进而出现非协调宏观破裂现象。透明解析与推演煤岩变形破裂过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化规律,是认识煤岩灾变内禀机制的关键。明确指出现有蠕变实验与蠕变模型在煤岩表面变形及破裂方面具有优势,但无法预测煤岩内部变形与非连续结构;为此提出了全尺寸CT扫描重构、数字体图像相关(DVC)、跨尺度等效岩体-等效晶质建模(SRM-GBM)相结合的破解方法。对扰动煤岩体蠕变前沿问题进行了讨论,阐明了非连续结构与应力引起内部变形损伤诱发蠕变这一新观点,指出非连续结构和应力是煤岩非协调蠕变的主控因素,最后建立了强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化的精细化建模及透明解析新方法。研究成果为相关矿山灾害的发生机理、预警与防控提供理论基础。

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采是一项重大的产业技术难题,系统分析了我国冲击地压矿井分布特征、开采现状及冲击地压发展趋势,深入剖析了冲击地压矿井面临的主要开采难题。从区域地应力监测反演、矿井开拓布局优化、煤柱尺寸优化、井上下联合卸压、置换充填开采、高层位离层注浆等方面,全面阐述了冲击地压矿井全生命周期防控技术发展现状。针对巷道冲击地压防治难题,研发了冲击地压巷道全巷协同智能自适应抗冲击支护技术与装备,利用吸能防冲液压支架实现了正常状态对巷道围岩进行强支护、冲击过程迅速让位吸能的效果,结合支架智能运移装置、支架监测预警系统及全巷协同自适应抗冲击支护智能设计方法,构建了冲击地压巷道智能化吸能支护防控体系。分析了采煤工作面智能开采系统防冲原理,提出通过对围岩采动应力、覆岩断裂结构等进行监测分析,基于三维地质模型、大数据算法等对冲击地压发生位置、概率进行预测预警,并通过智能开采系统对液压支架的支护姿态与支护力、采煤机割煤速度等进行智能联动控制,实现采煤工作面智能开采与冲击地压智能防治。从采场应力与覆岩结构智能监测、冲击地压灾害数据库构建、冲击地压灾害分类预测预警等方面,分析了冲击地压智能防控技术的研发重点,提出了煤矿冲击地压监测预警系统组成及总体架构。从顶层设计、关键技术、智能精准解危与效果评价等方面提出了我国煤矿冲击地压煤层实现安全高效智能开采的技术路径与研发方向。

区域多工作面协调开采防治冲击地压实践研究

矿井多工作面之间的开采扰动会诱发煤矿冲击地压灾害,区域工作面协调开采是此类冲击地压防治的关键手段之一。为了工程验证区域多工作面协调开采防治冲击地压的合理性和有效性,以冲击地压多发的义马矿区为例,基于模拟得到的协调开采原则及参数取值,制定了跃进-常村井间区域协调开采方案,通过对比不同协调开采程度区域的应力转移特征和冲击事件特征,评估了工作面协调开采效果。结果表明:跃进-常村井间区域中,跃进23092工作面和常村21162工作面煤层厚度和巨厚砾岩厚度较小,23092-21162工作面组和21170-21162工作面组开采时工作面之间煤柱宽度较大、两工作面水平距离和垂直错距较远,井间23092工作面和21162工作面为最优的接续工作面;跃进-常村井间区域协调开采程度高于耿村-千秋井间区域,协调开采使工作面之间由冲击和开采引发应力转移的频次和强度均明显降低,应力转移范围明显减小,协调开采效果明显。

冲击性煤体应力结构时间效应试验研究

煤矿工程中蕴含复杂的应力结构时间效应问题,与冲击地压灾害的发生与防治密切相关。针对冲击性煤体的应力结构时间效应开展试验研究,在陕西、甘肃以及内蒙古3个冲击地压矿井取得煤岩块体加工试件,通过煤单轴压缩动静载及蠕变试验研究加载速率的应力时间效应,采取长时分段试验方法研究煤原位解除条件下的应力时间效应,开展煤浸水以及煤岩组合试验研究结构时间效应。结果表明:煤体单轴抗压强度与加载速率具有正相关性,与原位解除时长和浸水时间具有负相关性,煤岩结构时间效应下的组合模式对其能量及强度属性有显著影响,冲击性煤体表现出应力与结构2个方面的时间效应。依据试验结果,提出塑限结构来解释应力作用下煤岩体的不可逆变形,再通过构建塑限结构时间效应模型,对比非弹性应变与不可逆应变的数值近似性,对冲击性煤体塑限应变特性进行了验证。

干燥和饱水条件下煤样破坏特征及红外辐射演化规律研究

为探究饱水煤样红外演化特征,对干燥和饱水煤样进行加载试验,对比分析干燥和饱水煤样受载过程中应力变化、温度变化以及红外辐射演化特征。结果表明:干燥煤样破坏产生喷射现象,而饱水煤样受载过程中较平静;相同应力条件下饱水煤样的位移量和塑性强度均大于干燥煤样的位移量和塑性强度,但弹性模量、载荷峰值均小于干燥煤样的弹性模量及载荷峰值;干燥煤样受载过程中平均热红外辐射温度整体为上升趋势,而饱水煤样表现为下降趋势;低温异常预示着发生张拉破坏,高温异常预示着发生剪切破坏;干燥和饱水煤样主要破坏方式分别为剪切破坏和张拉破坏。

煤矿冲击地压源头防治理论与技术架构

我国煤矿安全状况虽持续好转,但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重,仅近5 a就发生了8起冲击地压事故,累计死亡48人。我国煤矿冲击地压防治多为“头痛医头、脚疼医脚”,冲击地压发生源头、孕灾机理不清。同时,以山东巨野、兖州等煤田为代表的东部充分采动矿井,具有开采深度大、采动影响因素复杂等特征;以内蒙古鄂尔多斯和陕西彬长矿区为代表的西部非充分采动矿井,则具有高强度开采、厚硬岩层等特征,均给冲击地压防治带来了新的挑战。因此,煤矿冲击地压源头防治已成为当前亟待解决的重大工程科学问题。针对这一难题,从冲击地压基础理论与模拟技术、监测及危险区判识技术、区域与局部防控技术装备等3方面系统的分析了当前冲击地压研究取得的成果与不足,结合前期研究基础与现场实践,提出了煤矿冲击地压源头防治思想。进而将其梳理为煤矿冲击地压源头属性与特性、煤矿冲击地压全过程孕灾与源头防治原理等2个科学问题,冲击地压全过程精细模拟技术、矿井全生命周期煤岩体应力与全尺度覆岩结构监测技术、冲击危险精准甄别与智能识别技术、煤矿冲击地压井上下协同防控技术等4个技术问题。根据生产矿井和新建矿井的特点,分别制定了相应的防治思路与技术框架。研究成果为我国煤矿冲击地压防治提供了一种新的思路,为煤矿“零冲击”目标提供理论依据与技术支撑。

超前深孔顶板爆破防治冲击地压原理分析及实践研究

通过对超前深孔顶板爆破过程及影响因素的分析,揭示其防治冲击地压的机制。采用ADINA软件模拟研究三孔扇形布置条件下炮孔夹角及装药段长度变化对其防冲效果的影响,并从应力场、能量场2个不同的角度对其现场防冲效果进行检验。研究表明,在炮孔深度一定的前提下,三孔扇形布置的超前深孔顶板爆破可有效降低工作面超前高应力区的峰值并使其向煤体深部转移,使煤岩整体结构处于相对稳定的低势能状态,其爆破防冲效果随炮孔夹角的增大而增强,形成的剪应力降低区随装药段长度的增加而增大。

深部冲击危险矿井多参量预测预报及解危技术研究

针对深部冲击地压发生机理的复杂性及日趋严重性,对几种常用冲击地压预测手段的机理及适用条件进行分析,提出建立冲击地压多参量预测预报理论并成功应用于义马千秋煤矿的冲击地压预报,并对今后深部冲击地压的预测预报及防治提出了几点建议。

采动巷道矿压显现特征及力构协同防控技术研究

以西北地区典型冲击地压矿井为工程背景,研究采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,通过对典型厚硬顶板条件下重复采动巷道冲击地压显现特征及主控因素的分析,采用"点-面-区"相结合的方式对深部厚硬顶板采动巷道应力分布进行了探测,确定了回风巷冲击地压严重的主要原因为区段煤柱侧向覆岩结构破断和采动应力的叠加作用。提出冲击地压防治要从采动巷道围岩结构和应力环境双方面入手,通过调整采动巷道围岩应力环境,人为干预高低位岩层破断位态,增加高低位厚硬顶板破断所释放弹性能量的传递损耗,优化巷道围岩支护参数,提高工作面超前应力峰值附近巷道刚性支护系统瞬时吸能让压能力,并根据采场煤层赋存条件、围岩结构特征和应力环境不断改变的特点,动态调整各种措施的时空组合方式进而实现采动巷道的围岩稳定性控制。通过典型冲击地压工作面现场防冲实际,验证了采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,为西北地区深部厚硬顶板条件下采动巷道冲击地压防治提供理论指导。

组合煤岩结构体冲击倾向演化数值模拟

针对单纯以煤层或顶板岩层进行煤层冲击倾向性判定存在"低估"问题,采用RFPA2D模拟软件开展不同高度比和不同顶板强度、厚度、均质性及接触面角度下组合煤岩结构体的冲击倾向性数值试验.研究结果表明:组合煤岩结构体冲击倾向性高于纯煤层或岩层测定结果,更接近实际.随着顶板强度、厚度、均质性的增加,组合煤岩结构体冲击倾向性增强,随接触面角度的增大,其单轴抗压强度降低,峰后塑性变形阶段越来越明显.在接触面角度一定的情况下,随着顶板岩体强度的增加,组合煤岩结构体冲击破坏声发射累计释放能量减弱.

逆冲断层下冲击危险煤层采场矿压规律试验研究

为了了解义马矿区F16大型逆冲断层对该矿区5个生产矿井回采工作面的矿压的影响情况,在考虑断层结构面的分形特征和断层两侧覆岩赋存特征的基础上,通过搭建大型相似模拟试验平台,采用位移、应力等多种监测手段,研究了随工作面向断层方推进过程,靠近断层附近时工作面覆岩运动特征和矿压显现特征。研究结果表明,受断层构造运动和上覆巨厚砾岩的影响,当工作面未进入断层影响范围前,工作面覆岩"三带"特征明显,底板基本不受采动应力影响。进入断层影响区后,顶板离层量呈跳跃式增长,采动应力诱发断层"活化",底板应力达到最大值。当推过断层一段距离后,随着上盘关键岩层悬臂岩梁长度的增加,工作面煤壁发生屈曲破坏,底板应力增加,待岩梁垮断挤压应力释放后,底板应力随之下降,伴随着工作面上方"短砌体梁"结构发生切落且沿断层面滑动。

超前深孔顶板爆破防冲数值模拟及应用研究

通过对超前深孔顶板爆破防冲机理及影响因素进行分析,以典型的冲击危险矿井为背景,在对顶板强度及爆破参数现场实测的基础上,模拟分析不同爆破参数(爆孔夹角、装药段长度)下的超前深孔顶板爆破效果,并采用多种监测手段对其现场防冲效果进行检验。研究发现,在爆孔深度一定的前提下,相同的爆孔角度,随着装药量的增加,超前深孔顶板爆破的影响范围也随之增大,巷帮煤体内的高应力区范围及峰值应力梯度下降越明显。在相同装药量前提下,通过调整爆破角度下,可使巷帮的高应力向深部转移甚至消失,对深部煤炭的安全开采具有重要的意义。

煤岩结构体多级应力控制防冲实践及动态调控

通过对煤岩结构体受力状态的理论分析并结合现场实践,提出了从区域应力协调到局部应力控制的煤岩结构体多级应力控制防冲技术理论。针对深部采场应力多变和冲击危险影响因素多样,建立以煤岩结构体应力/强度比及冲击危险多参量组合评价的应力控制动态调控技术。研究发现,煤岩结构体的冲击失稳孕育过程与组合煤岩试件的受力失稳过程基本相同,以煤岩结构体稳定性为基础,应力控制为中心的多级应力控制技术可有效控制冲击地压,在强冲击危险工作面切眼对掘期间,根据多参量监测评价系统及现场防冲实时反馈信息动态调整局部应力控制技术及相关卸压参数,实现了切眼的顺利贯通。

北天山矿区地应力分布与区域构造关系研究

针对北天山矿区地质构造复杂和地应力分布离散性大的问题,采用区域地质构造分析和现场地应力测量相结合的方法分析北天山矿区地应力分布规律。研究表明四棵树煤矿地应力场类型为σH>σh>σv,水平主应力方向位于北北东向且与区域构造应力场最大主应力方向一致。较高的区域挤压应力和巷道走向与区域主应力方向的不合理是造成矿井采准巷道矿压显现强烈的主要原因,并根据地应力分布特征和矿井开拓情况,建议后续工作面巷道轴线的最佳方位角为北北东16.3°,提高了复杂构造条件下的矿压控制的科学性和可靠性。

生精胶囊通过调节一氧化氮诱导阴茎海绵体平滑肌舒张改善去势大鼠勃起功能

目的探讨生精胶囊改善雄性去势大鼠勃起功能的潜在作用机制。方法2015年4—6月将3个月龄雄性SD大鼠40只,按随机数字法随机分为假手术组、去势组、生精胶囊组和睾酮组。假手术组作为正常对照,其余组均行双侧睾丸切除术建立勃起功能障碍模型。术后假手术组、去势组给予蒸馏水每天灌胃1次,生精胶囊组给予310.2mg/(kg·d)剂量的生精胶囊混悬液每天灌胃1次,睾酮组给予十一酸睾酮26.3mg/kg肌注4周1次。连续干预8周后,剖取阴茎海绵体组织,Massons三色染色法检测平滑肌与胶原纤维的比例;免疫组织化学技术检测α-肌动蛋白(α-SMA)和碱性调宁蛋白(calponin)的表达;逆转录-聚合酶链反应(RT-PCR)和蛋白质印迹法(Western blot)检测神经型一氧化氮合酶(nNOS)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、内皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表达。结果生精胶囊组大鼠阴茎海绵体平滑肌与胶原纤维的比例为1.03±0.091,显著高于去势组0.11±0.025(P=0.000)。生精胶囊组阴茎海绵体组织α-SMA和calponin表达量分别为(16.51±0.79)%、(20.84±1.36)%,明显高于去势组(7.37±0.59)%、(1.25±1.03)%(P=0.000,P=0.000)。生精胶囊组阴茎海绵体组织nNOS、iNOS、eNOS的mRNA和蛋白表达均显著高于去势组(P值均<0.05)。结论生精胶囊可能通过保护阴茎海绵体组织含量以及增加海绵体组织一氧化氮合酶活性从而改善去势ED大鼠的勃起功能。

小孔径圆锥式孔底套芯应力解除法及试验研究

为测试地下空间原地应力状态,研发了小孔径圆锥式孔底套芯地应力测试的孔底应变计,并开展了室内岩样的加载、卸载实验,验证了其测试结果可靠性。首先对孔底应变套芯应力测试方法的原理进行了简要介绍;然后针对煤矿巷道、隧道硐室等地下空间小孔径钻孔情况下的原地应力的快速测量要求,研发了直径为47 mm的小孔径圆锥式孔底应变计,并研制了配套的圆锥形钻头;最后开展了室内真三轴试验机加载和卸载实验,依据我国主要地区的应力比情况,设计了24种加载、卸载工况的实验,并对实验结果进行了分析处理。实验研究表明:研制的小孔径圆锥式孔底应变计可以方便的实现孔底安装与黏接;应用该应变计和多通道数字应变仪可以连续记录到加、卸载过程中的应变变化;依据记录的加载、卸载稳定阶段应变值,结合圆锥式孔底套芯应力解除测试方法的原理,采用MATLAB程序开展最小二乘求解可以反演得到施加的应力量值;通过室内12组不同应力比的加、卸载实验,得到24组应力反演结果,其相对误差绝对值均在50%以内,平均相对误差(绝对值)在18%以内,其中,S_(1)平均相对误差(绝对值)在17%左右,S_(2)平均相对误差(绝对值)在18%左右。通过实验研究,验证了该方法的可行性,为小孔径圆锥式孔底套芯地应力测试的应用与推广提供了理论及室内实验支撑。

断层影响下冲击地压多参量预测预报研究

针对深部冲击地压发生机理的复杂性及日趋严重性,在考虑断层活化影响下,提出冲击地压多参量预测预报理论并成功应用于义马跃进煤矿的冲击地压预报,为今后深部构造影响下冲击地压的预测预报提供了参考.

煤矿动压灾害多级分源时空监控技术及应用

为弄清煤岩动压灾害的主要影响因素,以煤矿冲击地压和工作面动载压架2种典型动压灾害为研究对象,通过对煤矿典型动力灾害事故的分析,分别提出了应力控制防冲理论和浅埋煤层顶板动载矿压前兆损伤模型,针对煤矿动压灾害的多尺度力学影响特征,建立了以应力控制为中心煤矿动压多级分源时空监控评价体系,成功解决了浅埋房柱式采空区下动载矿压压架及孤岛强冲击危险工作面切巷贯通的问题,可为煤矿动压灾害的防治提供参考。

甲状腺功能亢进与男性勃起功能障碍风险的研究进展

研究发现甲状腺功能亢进(简称甲亢)可损害男性勃起功能。本文将对甲亢与勃起功能障碍(ED)之间的关系进行系统综述。经数据库搜索后,多个研究报道了甲亢可增加男性患者罹患ED的风险。ED在甲亢人群中患病率为3.05%~85%,而一般人群ED的患病率为2.16%~33.8%。也有研究指出,甲亢患者经治疗并且甲状腺功能恢复正常后,其勃起功能得到改善[治疗前后国际勃起功能指数:22.1±6.9比25.2±5.1]。根据目前报道,甲亢增加ED风险的发病机制可能与下丘脑-垂体-性腺轴功能障碍、性激素水平紊乱、甲状腺受体表达异常、社会心理障碍(如抑郁、焦虑、易怒)等因素有关。然而目前缺乏大样本队列研究来佐证甲亢与ED发病的关系,因此未来需要更多研究来证实这一临床发现并进一步探讨其致病机制。本综述提示临床医生应该知晓甲亢对男性勃起功能产生的不利影响。在接诊伴有甲亢症状的ED患者时,临床医生除对其进行性激素检测外还应检查甲状腺激素水平。此外,当ED患者的常规检查没有阳性发现时,应对其甲状腺激素水平进行评估。

陕蒙地区厚硬砂岩顶板定向水力压裂预割缝倾角优化及防冲实践

预割缝倾角是深孔顶板定向水压致裂重要施工技术参数之一。通过半圆盘试件3点弯(SCB)断裂力学试验以及水压致裂力学模型解析分析,研究预割缝倾角影响坚硬顶板在定向切槽诱导下水压致裂过程中的断裂特性。结果表明:水压裂纹的起裂方向明显受到预设裂纹倾角影响,但最大主应力对裂纹扩展方向起到控制作用。在地应力一定条件下,随着预割缝倾角增加,临界注水压力减小,Ⅰ型应力强度因子KⅠ逐渐增加,Ⅱ型应力强度因子KⅡ先增加后减小。为保证水压裂纹既受到较大的张拉作用,又能利用地应力的作用发生剪切扩展,KⅡ达到最大值时的预割缝倾角被选为施工水力压裂参数取值。该参数设计被应用到巴彦高勒煤矿厚层砂岩顶板水压致裂工况,对比压裂过程中顶板的煤炮强度和频次以及压裂前后辅回撤通道附近的微震、应力变化,证明了设计参数下水压致裂裂隙范围有效的起到了防冲效果。