深井软岩巷道钢管混凝土支护结构性能试验及应用

深井软岩及动压巷道支护难度大,传统的支护方式已难以满足需要。为此研发钢管混凝土支架,在实验室测试支架的力学性能,试验支架采用φ140mm×4.5mm钢管和C40混凝土,由4段构成,接头采用套管连接。在侧向约束、纵向点载荷加压条件下,试验支架的极限承载力为1504.1kN,纵向极限压缩变形为82.65mm,破坏方式为钢管材料屈服破坏。与U型钢支架相比,钢管混凝土支架支护反力大、性价比优越。钢管混凝土支架在煤矿井下巷道支护应用效果良好,有着广泛的推广应用前景。

RRTS–II型岩石流变扰动效应试验仪

深井软岩条件下扰动荷载会引起围岩流变变形,研制岩石流变扰动效应试验仪并进行试验,是建立巷道围岩本构关系的前提。试验仪应能对岩石试样施加长期恒定的轴压和围压,可以施加扰动荷载,并能测试扰动荷载及其引起的岩石变形量。为此研发的RRTS–II型岩石流变扰动效应试验仪,轴向荷载采用重力加载,适用于长期流变试验;加载采用齿轮与液压2级扩力,压力可达到100MPa,扩力比可达60～100倍;能够施加冲击与爆破2种扰动荷载,使用爆破振动记录仪测试扰动荷载强度,测量精度可达到0.015mm/s;配有三轴压力室,使用高压气体储能器提供围压,压力可达10MPa;并配备有荷载、位移、应变和振动测试系统及相应的数据处理软件。该试验仪适用于单轴和低围压三轴压缩蠕变扰动效应试验,试验结果表明,试验仪结构合理,性能稳定,精确度较高。

底板突水危险性评价专家系统及应用研究

矿井底板突水危险性评价涉及到水文地质、工程地质、开采条件及岩石力学等诸多因素,是一个复杂的理论与技术问题,底板突水危险性评价专家系统正是针对这一难点,将底板突水领域专家经验和理论成果等与计算机人工智能技术相结合,采用突水系数法和突水优势面两条推理途径,提出并运用典型突水案例加权类比的推理策略,初步具备了底板灰岩岩溶发育状况与隐伏断裂构造的预测功能。系统建立内容较为丰富的典型突水案例、专家经验、突水研究理论成果和防治水措施等四类知识库,能够对矿井是否会发生底板突水、突水点位置以及突水类型等做出预测与评价,并具有较强的咨询功能。应用该系统进行实际突水案例的模拟分析,评价结果与实际情况吻合较好。底板突水危险性评价专家系统将对矿井底板水害防治具有一定的实用价值。

深井软岩巷道围岩流变与应力场演变规律

实测了海域巷道流变规律,进行了岩石流变性能、水理性质、矿物结构和现场地应力测量;分析了海域巷道流变机理;提出了岩石强度极限邻域的概念;探讨了巷道围岩应力场的演变规律;最后提出了针对龙口矿区煤系地层结构特点的巷道支护对策.

岩石流变扰动效应试验及其本构关系研究

深井软岩条件下的巷道围岩流变变形较大,且对扰动作用十分敏感,由扰动作用引起的变形不可忽略。提出岩石强度极限邻域、岩石流变扰动效应等岩石力学新概念,得出岩石处于强度极限邻域范围内时,扰动效应具有显著作用。研制岩石流变扰动效应试验仪,进行岩石流变及其扰动效应试验。试验测试岩石在其强度极限邻域内的恒定轴向荷载作用下,对岩石试件进行扰动荷载冲击扰动,得出不同蠕变阶段具有的扰动效应,绘制不同蠕变阶段的扰动次数–累积变形曲线。根据试验成果,分析岩石蠕变扰动效应的影响因素,建立蠕变不同阶段扰动作用条件下在的岩石本构方程。

钢管混凝土支架注浆孔补强技术数值模拟分析

钢管混凝土支架在井下注入混凝土时要留设注浆孔,为了弥补注浆孔周边钢管刚度,实施了加强板、插入注浆短管和封孔塞3项补强措施。采用ABAQUS有限元软件分析在弹性加载条件下钢管的应力分布特征,注浆孔导致孔口两侧的压应力集中系数最大,为8.45;采用3项补强措施后,钢管注浆孔附近的压应力集中程度明显降低。通过数值分析并优化出补强措施:加强板为500mm×300 mm×10 mm,注浆短管为直径133 mm×8 mm,封孔塞直径为116 mm×40 mm。优化的补强措施有效降低了应力集中程度和补强措施的用钢量。

直墙半圆拱形钢管混凝土支架力学性能实验及应用

为研究直墙半圆拱形断面巷道面临的支护难题,设计了直墙半圆拱形钢管混凝土支架与U型钢支架力学性能对比实验;实验全面测试并分析了钢管混凝土支架的承载力、位移与应变,同时分析了热煨弯曲对钢管原材料抗拉性能的影响及C60混凝土配合比合理性;实验证明钢管混凝土支架具有突出的承载优势。在实验指导下,对华丰矿-1100水平大巷动压巷道和大淑村矿-450水平新东翼皮带巷高应力集中巷道做了直墙半圆拱形钢管混凝土支架支护设计并应用,实践证明钢管混凝土支架支护效果明显,优于同断面U型钢支架,同时也发现直墙半圆拱形封闭支架的底角为薄弱点,并进行了改进与结构强化。

钢管混凝土支架在千米深井动压巷道中的应用

为解决华丰矿煤矿-1 100 m水平大巷支护过程中出现的围岩变形量大、变形持续时间长的问题,采用现场地质调查、理论计算和现场监测相结合的方法,分析了围岩变形特征和巷道失稳破坏的原因,在此基础上,依据深井巷道承压环强化支护理论,提出了基于钢管混凝土支架的高强度复合支护形式:支架断面设计为弧墙半圆拱形,主体钢管选用194 mm×8 mm无缝钢管,充填C40钢纤维混凝土,辅助锚网喷支护和围岩加固注浆。研究结果表明:该支护体系能够给围岩提供0.93 MPa以上的支护反力,可有效抑制围岩向巷道空间内移动,支护稳定后,巷道围岩最终变形量小于150 mm,满足巷道变形要求;围岩结构的非对称性会导致围岩产生非对称变形,应结合支架承载力监测数据加强对变形关键部位的控制。

龙口北皂矿海域下H2106综放面井下导高观测

水体下采煤需要观测采场覆岩导水裂缝带高度(简称导高)。龙口北皂矿海域H2106综放面地表为海水,为了解决地表海水区难以施工导高观测钻孔的技术难题,在井下采用仰斜钻孔与井下导高观测仪进行了导高观测,该方法钻孔工程量小且观测精度高。在H2106综放面共设置3个观测剖面,施工了4个采前对比观测钻孔和8个采后导高观测钻孔,并利用顶板覆岩中泥灰岩含水层开采前后其含水量的变化判断导水裂缝带上限。实测得出H2106综放面导高值为38.8m,导高与采厚比为9.5。对于龙口矿区软弱岩层,导高观测的最佳时段为采后10～20d。

岩石强度准则的真三轴压力试验检验与分析

本文探讨了脆性破坏岩石的强度准则。根据应力空间岩石强度极限曲面的特征,选择能够反映岩石强度极限曲面特征的双剪应力和八面体剪应力两类强度准则,进行岩石强度极限曲面的回归分析,并做了红砂岩真三轴压力强度试验。根据真三轴压力强度试验资料,通过对八种岩石强度准则的回归分析对比,推荐两种三参数的双剪应力和八面体剪应力强度准则。

地表下沉衰减函数与塌陷区稳定性分析

根据地表下沉的3个阶段,分析了地表下沉速度的主要影响因素;以Knothe时间函数为基础,导出了适用于衰退期及其之后的下沉衰减函数,并提出下沉衰减函数中参数的确定方法.针对兖州矿区典型塌陷区不同的地质开采条件和现场实测资料,求出了典型塌陷区的下沉衰减函数和残余下沉量;最后提出了塌陷区稳定性评价指标和塌陷区稳定性分类方法,将塌陷区分为非稳定型、相对稳定型和稳定型,并对塌陷区进行了稳定性评价.

特厚富水软岩巷道钢管混凝土支架支护技术研究

为解决查干淖尔一号井井底车场极软岩巷道支护问题,结合井底车场巷道围岩物理力学性质和原有支护条件下巷道破坏情况,运用修正的芬纳公式估算出围岩压力为0.9 MPa,计算理想状态下原有支护体可提供的支护反力为0.718 MPa,以支护体可提供的支护反力大于巷道稳定所需支护反力作为巷道稳定的必要条件,认为原有巷道发生变形破坏的主要原因是支护体支护反力不足,提出了钢管混凝土支架+厚混凝土喷层复合支护方案进行巷道返修,该方案理论上可提供1.48 MPa支护反力。结果表明:巷道返修完成2年后,两帮最大移近量为89 mm,顶底板最大移近量为142 mm。混凝土喷层没有开裂现象,巷道未发生明显变形,基于钢管混凝土支架支护技术的复合支护能有效控制巷道围岩变形。

岩石峰值后注浆加固实验与巷道稳定性控制

首先根据围岩强度进行了围岩稳定性分类;提出并实施了以巷道围岩锚注为核心的复合支护方案;实验表明在分别采用聚胺脂、425#水泥进行岩石注浆加固时,岩石强度比其残余强度可以提高0.7-1.1倍、1.3-2.0倍;最后,进行了反底拱支护能力的力学分析。

受奥灰承压水威胁煤层采场底板变形破坏规律研究

为研究采场底板岩层变形破坏规律,在现场进行了采场底板岩层移动和渗透性等多项观测。根据钻孔岩移实测资料,进行了位移反分析计算,求出了底板岩层的应力分布,进而根据钻孔注水资料求出了岩层渗透系数与应力场的关系。最后作者把岩层视为裂隙介质,应用岩石断裂力学的理论,探讨了岩层裂隙在三向压应力场作用下的扩展判据和连通止裂方式。

深井采场底板岩层移动观测与位移反分析

为研究采煤造成的采场底板岩层变形与破坏状况,在采深近千米的深井采场进行了大范围、长时期的底板岩层移动、超前支承压力和底板岩层渗透性等多项观测。根据位移实测资料和原始地应力实测统计资料,采用位移反分析方法,反求出了岩体的弹性模量和支承压力,得出岩体的弹模是其对应岩石试件室内测试弹模的0.445倍,超前支承压力是垂向原始地应力的1.7倍。本文还探讨了底板岩层的应力分布和开采造成的底板岩层扰动范围。

极软岩返修巷道钢管混凝土支架支护方案研究

为解决北皂煤矿海域煤系地层极软岩巷道变形速度快、变形量大、难以控制的支护难题,现场实测了原始地应力,实验室测试了岩石力学参数与水理性质。根据测试结果和围岩变形特点,设计了基于钢管混凝土支架的复合支护方案:支架断面设计为圆形,主体钢管选用194mm×8mm的20#无缝钢管,内填C40混凝土,辅以金属网和400mm厚混凝土碹体支护。最后,对支架受力情况和巷道变形进行监测,结果表明基于钢管混凝土支架的复合支护结构能够有效控制巷道收敛变形,保证巷道的长期稳定。

矿山覆岩离层注浆时的注浆压力分析

根据注浆减沉实验成果,分析了注浆减沉过程中注浆压力的变化规律:压力快速减少阶段、负压阶段和压力递增阶段;探讨了注浆压力P与离层发展速度△V、注浆量Q的函数关系;重点研究了注浆减沉效果的影响因素:地表减沉率r与注浆量、离层内粉煤灰压实体的分布、开采深度、回采工作面宽度、覆岩岩性及结构等主要因素及其关系;通过对覆岩离层动态规律的分析,探讨了提高注浆减沉效果的技术途径,即采用多层位连续注浆技术,优化采煤工作面设计,在负压阶段加大注浆量。

岩移“四带”模型与动态位移反分析

为应用岩石力学数值分析方法进行岩层与地表移动计算，采用位移反分析方法，进行了模型识别和理论分析研究。认为：（１）采后覆岩结构具有分带性，结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲积层带；（２）岩石的本构方程可以应用内时理论和开尔文－伏尔特流变模型得到；（３）对于线性、粘弹塑性力学问题可应用三点抛物线方程法求得最优估计值；（４）地表水平移动是岩层与松散冲积层倾斜变形引起的，水平移动值取决于倾斜和表土层翘曲变形两种因素。

急倾斜厚煤层开采水煤体溃泄机理研究

急倾斜厚煤层开采时发生的水煤体溃泄是一种新的矿井灾害.为了有效的防止水煤体溃泄灾害的发生,介绍了水煤体溃泄灾害发生的条件,实验测试了水煤体的物理力学性质,进行了围岩变形相似材料模拟实验,分析了水煤体溃泄的机理,提出了防治水煤体溃泄的工程措施.结果表明,通过对煤粉、水源、水煤体堆积体积和所处力学条件这几个水煤体溃泄的主要因素的有效控制既能有效的防止水煤体溃泄灾害的发生.

水压在底板突水中的力学作用

分析了水与水压在底板突水中的力学作用，即水对岩石的软化作用；水压对裂隙介质岩体的力学作用；水压在断层中的水楔作用；突水过程中水流的冲刷扩径作用和水压对突水的动力作用。