钢管混凝土墩柱结构设计优化与力学性能研究

为了提高普通钢管混凝土墩柱的承载性能,满足井下巷道高度2.5~3.0m特定条件巷旁支护体的需求,提出了一种内配型钢钢管混凝土墩柱支护体,设计了满足井下巷道尺寸的特定长径比的钢管混凝土墩柱参数。对普通钢管与内配型钢钢管混凝土短柱力学性能进行试验对比,并对钢管混凝土长柱轴压力学性能进行研究,结果表明:内配型钢钢管混凝土墩柱局部鼓曲现象及核心混凝土的破坏程度较轻,横向和纵向变形均小于普通钢管混凝土墩柱,在受力时破坏行为较为缓慢,延性性能较好;内配型钢钢管混凝土墩柱的极限承载力比普通钢管混凝土墩柱高约500kN;随着钢管管径的增加,钢管混凝土长柱的弹性极限应变为0.1%~0.6%,塑性极限应变为2.0%~6.7%,钢管混凝土长柱的承载能力受长径比的影响而显著降低,其破坏形式为明显的屈曲变形。研究结果可为钢管混凝土墩柱的结构优化和力学性能提升提供参考。

不同加载条件下含瓦斯煤岩强度极限邻域范围研究

煤与瓦斯突出灾害的发生机理尚不清楚,据流变假说,含瓦斯煤岩在长期载荷下可能进入“强度极限邻域”,此时受外部冲击扰动更易破坏。为研究不同加载条件下含瓦斯煤岩的“强度极限邻域”,以找到进入该状态的影响规律,并建立相应的微观判别标准,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统和煤岩流变扰动效应渗流实验装置,开展不同围压、不同瓦斯压力、轴压下的含瓦斯煤岩流变扰动实验,通过核磁共振手段对流变扰动前后煤岩进行分析对比,得到不同加载条件下的孔隙率、孔径分布、T_(2)谱曲线。试验结果表明:①不同加载条件下的煤岩流变过程中,存在一个应力阈值,可以使得煤岩在受到外部冲击扰动后阈值左右邻域有不同力学性质的表现;当施加力小于此阈值时,冲击扰动后,煤岩的孔隙度减小,煤样随之被压缩紧密,T_(2)谱曲线中代表大孔径的谱峰降低,谱峰曲线左移;当施加力大于此阈值时,冲击扰动后,煤岩大孔径孔隙增多,T_(2)谱曲线出现右移,所有谱峰高度增大,说明该应力阈值是用来判断煤岩是否进入“强度极限邻域”关键。②围压和瓦斯压力对煤岩的影响具有相反的力学作用性质,在抗压能力、损伤程度、长期强度、“强度极限邻域”中有所表现,其中,围压越大,煤岩越晚进入“强度极限邻域”,瓦斯压力越大,煤岩则越早进入该邻域。③煤岩的孔径分布、T_(2)谱曲线能直观反映了煤岩“强度极限邻域”内、外微观变化特征。④通过煤岩孔隙率所确定的进入“强度极限邻域”时的轴压与围压、瓦斯压力构建函数方程可判断不同加载条件煤岩进入“强度极限邻域”的时机,作为进入“强度极限邻域”范围时的判别标准,其中围压越大,此时进入“强度极限邻域”范围时的应力阈值越大;瓦斯压力越大,进入“强度极限邻域”时的应力阈值越小。

极近距离煤层采空区下沿空留巷技术研究

为了解决极近距离煤层采空区下多次回采影响的沿空留巷围岩严重变形难题,以山东新查庄矿业有限责任公司(以下简称“新查庄煤矿”)91006综采工作面为工程背景,研究分析了采空区下沿空留巷覆岩顶板结构特征及运动规律,通过建立顶板位态力学结构模型,确定了采空区下沿空留巷巷旁支护阻力计算方法,计算出巷旁支护阻力为3432 kN,提出了“水力压裂超前断顶+巷旁钢管混凝土墩柱高强支护”为主体的巷旁复合支护体系。利用超前断顶卸压技术将巷旁顶板由传递岩梁结构向短悬臂梁结构转变,大大降低巷旁支护阻力,与钢管混凝土墩柱的高强巷旁支护相结合,特别适用于采空区下的沿空留巷工程。通过在新查庄煤矿91006综采工作面试验应用表明,留巷取得了较好的效果,巷道表面整体变形量较小,满足工作面回采期间的要求。

扰动作用下深部岩巷长期大变形机制及控制技术

巷道围岩本身存在一个抗扰动强度,当深部较高的集中应力超过其抗扰动强度时围岩会对外部扰动变得敏感,在围岩内会形成扰动影响区,围岩扰动影响区不断向内部的发育是扰动作用下深部岩巷长期大变形失稳的本质。针对深部开拓岩石巷道,提出以钢管混凝土支架为主体的复合支护技术。钢管混凝土支架具有承载力高、结构稳定等优点,能够给围岩提供一个较大的支护阻力,提高扰动影响区围岩的抗扰动强度,从而保持巷道长期稳定。根据某矿具体地质条件,设计了合理的支护技术措施,选用钢管混凝土支架型号为?194×8的钢管配合C40强度等级的核心混凝土,该支护体系能够给巷道围岩提供1.26 MPa以上的支护强度,工程应用效果良好。

厚硬顶板结构下巷旁超前卸压与高强支护技术研究

白庄煤矿9701工作面采用沿空留巷开采技术,其工作面顶板厚度及硬度大,巷旁支承压力高,巷旁围岩支护控制及整体留巷难度系数大。为此,设计采用“水力压裂超前断顶+钢管混凝土墩柱巷旁高强支护”组合技术方案,对上覆厚硬顶板结构进行综合控制。通过水力压裂超前断顶技术对巷旁厚硬顶板进行充分采前断顶卸压,形成巷旁短悬臂梁结构,有效缓解巷旁支护体所承受的压力。通过钢管混凝土墩柱作为主要巷旁支护体对沿空留巷的围岩进行高强支撑。经工程效果分析,该技术方案取得了良好的控顶效果,最大顶板下沉量为55 mm,巷道整体成型效果良好。研究成果可以对同类矿井开采提供安全指导。

岩石蠕变扰动效应理论及其在深地动压工程支护中的应用

深部岩体工程围岩蠕变性强,受外部中量级循环冲击载荷(冲击能量等级介于10^(3)~10^(5) J)扰动影响时会发生长期大变形动力灾害。基于近年来对岩石蠕变扰动效应理论的相关研究,采用岩石动力学试验、围岩动态变形破坏理论分析并结合现场工程实践的综合研究方法,对中量级冲击载荷作用下深地岩体工程的长期大变形机制以及稳定性控制进行了系统研究。通过研究,总结分析了岩石蠕变扰动变形规律,确定了蠕变岩石对外部冲击扰动敏感的应力、应变阈值指标;根据地应力梯度与围岩强度梯度关系重新划分了深地动压工程围岩状态区域,发现了以围岩蠕变扰动敏感区动态演化发育为本质的深地围岩长期大变形失稳机制新认识;探讨了围岩应力场分布及演变规律,确定了深地动压岩体工程长期稳定性控制原理,即给扰动敏感区边界处提供足够的侧向围压,使该区域围岩的抗扰动强度梯度提高至静载集中应力水平,迫使扰动敏感区消失;基于理论分析、实验室测试以及现场动载监测等手段,提出了深地动压岩体工程围岩支护设计方法,优化了支护参数设计流程,并在多个工程实例中取得了良好的应用效果。

松散冲积层下提高煤层群开采上限研究

林南仓井田范围内覆盖有140～440m松散冲积层,通过对东一、西一采区主要地质钻孔进行综合统计,研究分析了第四系松散层厚度的分布特征、松散层中含隔水层分布。通过数值模拟确定了近距离煤层群开采后覆岩的导水裂隙带高度。在对导高进行充分预计的基础上,确定了合理的防水煤岩柱的垂高,煤8-1、煤9、煤11和煤12四层煤分别提高开采上限30m、30m、30m和15m,提高开采上限后,增加可采储量为372.6万t。

村庄下条带开采的参数研究

该文以某矿一采区为研究对象,探讨了条带开采参数的计算及煤柱稳定性问题。并用概率算法对开采影响范围内的地表沉陷及村庄建筑物的变形破坏进行了分析。

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。

结构面位置对于深部高应力采动硬岩巷道破坏的影响

采用有限元/离散元耦合数值模拟技术分析不同结构面位置条件下深部采动硬岩巷道的裂纹扩展行为、能量演化规律与应力位移分布特征,揭示张拉板裂型破坏与结构面剪切型破坏之间的互动机制。研究结果表明:开挖卸荷产生的板裂化破坏与结构面活化引起的剪切滑移破坏是诱发岩爆的重要原因;结构面与开挖边界的相对距离对巷道围岩稳定性具有显著影响,其临界相对距离(当二者之间的相对距离大于等于某一临界值时,结构面对巷道围岩破坏不产生作用)随结构面长度的增加呈现单调递增趋势;在临界相对距离内,即使结构面之间不发生层间错动和滑移,结构面的存在也会潜在地影响巷道围岩稳定性,这表明以板裂化岩爆为主的破坏模式可以是开挖卸荷效应和结构面效应的综合响应。当最大主应力与结构面位于同一侧时,卸载后模型内动能未出现明显波动和起伏,此时巷道的破坏仅与开挖卸荷效应有关。

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。

粒度对红砂岩力学性质影响规律与机制试验研究

为研究颗粒粒度对岩石力学特性的影响规律,对不同粒度红砂岩进行了单轴压缩与巴西劈裂拉伸试验。研究表明:红砂岩试验试件密度、单轴抗压强度、弹性模量和单轴抗拉强度最大离散系数分别为0.74%、6.65%、1.12%、9.64%,试验所用红砂岩试件均质性良好;当砂岩颗粒粒度较大时,砂岩单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量等都呈现偏低特征,细粒红砂岩单轴抗压强度、弹性模量、单轴抗拉强度分别是粗粒红砂岩1.28倍、1.19倍、1.62倍。颗粒作为砂岩最基本构成单位,其大小差异导致砂岩内部空间结构的改变,造成其矿物成分、微细观组构特征呈现差异性,进而影响其宏观物理性质,最终决定不同粒度红砂岩石具有相异力学特性。

矸石倾斜条带充填体参数优化及其稳定性分析

利用矿压理论、岩板理论及数值模拟方法,对某煤矿矸石条带充填工作面的充填参数进行了优化,确定了充填60 m、留25 m的充填方案。通过数值模拟分析,得出了充填体塑性区比例系数与充填体宽度呈下凹型的幂指数关系。将充填体视为弹塑性体,建立了充填体和上覆矩形薄板系统的力学模型,运用板壳理论和材料力学理论,给出了顶板最大下沉量计算公式,得到基本顶岩板的最大下沉量为8.73 cm,其结果与数值模拟相吻合。

薄煤层膏体巷旁充填沿空留巷技术研究

为解决某矿薄煤层工作面沿空留巷的问题,对留巷覆岩运动特征以及所需支护阻力进行了理论分析,确定了支护体前期与后期支护阻力计算公式。对膏体胶结充填材料的配比及力学性能进行了实验探究,得到最优的材料配比。针对某矿薄煤层特征,确定了巷旁充填体宽度为1.5m,并优化了充填系统,通过留巷后期矿压监测,预留巷道变形量较小,满足工程应用要求,充填体支护阻力较大,可以保持长期稳定,留巷效果良好。

采动应力作用下深井巷道围岩稳定性分析与控制

以某矿千米深井巷道为原型,通过数值模拟研究,对采动应力作用下的巷道围岩破坏特征进行了分析,并对锚杆支护参数进行了优化研究。通过加强支护和改变局部锚杆支护参数,可以有效控制巷道围岩的变形,提高其整体稳定性。

采空区泵送胶结矸石条带充填系统与工艺应用

针对井下充填施工工艺研究的欠缺,对某矿采空区设计了一种泵送胶结矸石充填系统及具体的施工工艺步骤。经现场实践应用,该技术工艺有效降低了工作面的"三量"值,矿压显现缓和,达到了较好的消化矸石与支撑顶板的充填效果。

覆岩导水裂缝带发育高度的岩层层位判据分析

工作面上覆岩层呈现非均质的分层结构,而导水裂缝带是随着各分层岩层的弯曲沉降逐渐向上发育的,其发育高度是各岩层分层厚度的叠加。因此,为了精确确定导高值,提出了导水裂缝带发育高度的岩层层位判据。以实际开采工作面为工程实例,通过现场观测结果,结合上覆各岩层层向拉伸率的分析计算,确定了工作面上方第二层灰岩为导水裂缝带发育的最上位岩层,其层位高度为36.86m,层向拉伸率为0.42,为覆岩各岩层层向拉伸率变化趋势的拐点,因此,确定工作面覆岩导水裂缝带的高度为36.86m。

岩石强度极限邻域内流变扰动损伤规律研究

为了研究岩石强度极限邻域内的损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,运用核磁共振试验设备和自主研发的RRTS-Ⅳ型岩石流变扰动效应试验系统,开展岩石强度极限邻域内流变扰动效应损伤试验。结果表明:随着扰动次数增加,处于强度极限邻域内的岩石对扰动响应敏感,且扰动次数越多,岩石应变越大,瞬时弹性模量越小,破坏速度越快;通过识别不同扰动次数作用下岩石流变数据参数,得出岩石流变扰动效应损伤本构模型,该模型试验结果与拟合曲线吻合度较高,说明此模型是合理的;运用核磁共振试验设备对强度极限邻域内的岩石进行损伤探测,通过分析岩石T2谱曲线与峰谱曲线面积可知,T2谱曲线出现偏移,出现第三峰值且峰谱总面积增大。研究结果丰富了岩石流变扰动效应理论体系。

综采工作面覆岩导水裂隙带发育高度研究

为研究综采工作面覆岩导水裂隙带发育高度,以霄云煤矿1314工作面为研究背景,采用工程地质调查、理论分析、数值模拟、现场实测等手段进行了研究,研究结果表明:1314工作面上覆岩层为“中硬”岩层,理论分析、数值模拟、现场实测获得的导水裂隙带发育高度较一致,为保证较高安全系数,取实测最大值作为最终结果,即导水裂隙带发育高度为39.5 m,裂采比为11.29,以裂采比11.29作为基础参数指导地质概况类似的工作面导水裂隙带高度预测分析是较合适的。

煤层群开采底板水害威胁评价及综合防治技术研究

为了实现查庄煤矿下组煤层群(8、9、10煤)的安全带压开采,本文采用现场实测的方法研究了煤层开采后的底板破坏深度,确定了底板破坏深度与所采煤层厚度的比值系数约为10;在考虑煤层开采对底板隔水层破坏效应的基础上,采用突水系数法对距离五灰和奥灰含水层较近的8、9、10煤进行了底板水害威胁评价,结果显示在不采取相关措施的情况下三层煤的开采都是不安全的。针对此种情况,确定了该矿高承压水薄隔水层复杂地质条件下煤层群开采底板水害防治的原则为:"综合勘查、有疑必探、先治后采、全程监测"。