煤炭开采等地下工程问题的数字岩石力学解决方案

煤炭开采等地下工程的可观测性极为有限,导致很多复杂的工程问题难以获得可靠的事前分析依据,尤其在面临深部作业和高强度开采所带来的全新工程环境时,现有理论体系和技术方案的适用性面临着严峻的挑战。基于数字化时代的技术发展特点,提出了融合数据规律、力学逻辑和工程经验的数字岩石力学解决方案;充分利用工程数据中包含着真实工程规律的客观特点,建立了理论成果、工程经验与数据规律挖掘进行底层融合的具体模式;借助煤岩物理力学参数无损推断场景,验证了上述技术路径的可行性,实现了兼具可靠性和可解释性的数据挖掘利用。进一步构建了以煤岩物性、矿井结构和空间应力为基本要素的数字岩石力学理论体系,提出了以“工程素描—物理嵌入—业务融合—决策生成”为步骤的数字岩石力学地下工程通用作业模式,并通过在复杂工程现场的应用检验了数字岩石力学解决方案的可靠性,为煤炭开采等地下工程的数字化转型、智能化升级提供了切实可行的实现路径。

我国煤矿冲击地压发展70年:理论与技术体系的建立与思考

文章系统全面地阐述了新中国成立70年来在冲击地压研究方面取得的成绩,主要从理论、监测与预警装备、防治技术及法律法规与标准构建等方面进行了重点介绍。同时,兼顾国外主要采矿国家在冲击地压研究上开展的工作。可以看到,随着我国煤矿开采深度的增加,冲击地压矿井数量和灾害危害程度显著增加,而国外冲击地压因煤矿开采的萎缩,只在个别一些国家偶尔发生冲击地压;对于冲击地压发生机理的研究,国外对此研究的工作主要是停留在20世纪50—90年代,而我国主要研究成果是近30年的事情,主要包括“三因素”机理、强度弱化减冲机理、应力控制理论、冲击启动理论和扰动响应失稳理论等;在冲击地压监测预警方面,国外主要集中在微震与地音监测方面,并配合钻屑法,而我国在此基础上,提出了采动应力监测方法,并开发了相关技术装备,现已广泛应用于实际煤矿冲击地压监测与预警;在冲击地压防治方面,以往重点关注在煤层和顶板冲击危险性的消除和解危上,而最近10年来,在巷道支护及煤岩体结构控制的研究与工程实践方面开展了有益的探索,旨在加强局部巷道支护的同时,从区域上控制煤岩体结构稳定性和应力分布,开发了分级分类的冲击地压巷道支护技术,采用水力压裂与深孔爆破等技术实现了对坚硬顶板岩层的有效控制;在冲击地压相关法律法规与标准体系建设方面,最近10年来,我国开展了较为系统的制订工作,包括《防治煤矿冲击地压细则》在内的规程及相关标准已制订并实施,现已初步建成冲击地压标准体系。改革开放40年来,我国煤矿冲击地压矿井数量不断增加,研究冲击地压的人数不断增加,冲击地压发生机理不断完善,冲击地压监测技术及仪器与装备从无到有,性能不断提升,冲击地压防治技术与方法不断完善,有效性不断提高,冲击地压有关法律法规从无到有,现已趋于完善。综合而言,我国煤矿冲击地压理论与技术体系已初步形成。应该看到,随着大数据、智能化与机器人时代的到来,在新的科学技术的推动下,冲击地压理论与技术将获得更大的发展。

煤岩弹性变形能的表征物理模型及实测方法

现有冲击倾向性测试结果常表现出与冲击地压事故互为不充分不必要条件的关系,对于工程的参考价值有待进一步提高。为此,从冲击倾向性描述弹性能的本质出发,构建了从功能上能够还原弹性能积聚与释放的统计损伤物理模型,从基本物理行为的角度对应力-应变曲线的升降趋势,以及加载过程中能量的积聚与耗散进行了研究。结果表明:外载做功和能量释放贯穿加载全过程,目前以应力-应变曲线峰前、峰后段的相关特征分别描述弹性能积聚和耗散的方式能够简化计算,但未能反应真实的力学行为,基于物理模型进一步指出,试件的变形势能增量ΔW_(ti)本质上是当前时刻试件中仍具承载能力结构新增的变形能ΔW_(ti)′;与该时刻破断的承载结构所释放变形能ΔW_(ti)″之差,而ΔW_(ti)′;在描述弹性能方面更具合理性,并给出了该指标基于荷载-时间曲线和声发射的实测计算路径,为获得更为准确的弹性能描述做出了有益探索。

高浓度胶结充填系统管网参数及泵机选择

高浓度胶结充填材料具有环保、经济、安全的特点。为了设计合理的管道泵压输送系统,对汾西矿业集团新阳矿区的充填管道进行分析设计。利用新阳矿堆放的煤矸石和附近灵石县南关电厂的粉煤灰作为细骨料,42.5#普通硅酸盐水泥为胶结材料,加入外加剂、水搅拌,试验得出适合新阳矿的高浓度料浆,充填材料配比为1︰2︰5（水泥︰粉煤灰︰煤矸石）、质量分数为78%~80%、坍落度为22.5~27.8cm。通过充填管道输送参数计算,充填料浆的流速为1.8m/s,选用内径为180mm、壁厚为18mm的耐压无缝钢管。充填料浆最大水力坡度为3.35kPa/m,总输送阻力损失为10.96 MPa,选用HGBS200.14.800型充填专用工业泵能够充分满足新阳矿的充填要求,并保证充填系统的高效、稳定运行。

煤矿高浓度胶结充填料浆管道沿程阻力研究

以新阳煤矿充填开采项目为背景,通过流变试验研究高浓度胶结充填料浆的流变特性,确定其流变参数,并结合充填料浆沿程阻力损失的理论计算公式,计算出不同配比下料浆的沿程阻力,最后通过环管试验进行验证。结果表明:高浓度胶结充填料浆的屈服应力和黏度系数随粉煤灰掺量的增加而增大,其流变模型可近似用宾汉模型表示;基于宾汉模型,提出了高浓度胶结充填料浆沿程阻力损失的理论公式;运用该理论公式计算出料浆在水平直管中的阻力损失的理论值;利用环管试验进行验证,其结果与理论值相差不超过3%,无堵管现象,验证了理论公式在实际应用中的可靠性。