高深溜井矿石阶段性流动规律对溜井生产的影响

基于对高深溜井生产实践的长期观察,归纳总结出矿石在高深溜井中的流动规律,提出垂直全断面阶段性流动是高深溜井区别于短溜井特有的工程现象。运用散体材料结构自组织力链和搭拱效应理论,分析了井筒内矿石阶段性流动产生的原因,揭示了高深溜井矿石阶段性流动对溜井生产过程中常见的滞流、堵塞、磨损和片帮现象以及溜井内矿石的混合和分级的影响;分析了溜井内空气气流对散体流动的影响,在正常放矿过程中,流动气体的存在有利于矿石流动和临时平衡拱的破坏;同时,由于受气体的曳力作用,溜井内矿石产生块、粉分级集中现象,助推了井筒内矿石的滞流和堵塞。研究提出矿石的粒级成分、密度、含水量、黏结性及溜井直径、井壁粗糙程度是造成溜井滞流和堵塞的基础因素,垂直全断面阶段性矿石流动特性是造成高深溜井滞流和堵塞的重要原因。

颗粒摩擦对散粒堆积体拱效应的影响

通过开展三维离散元数值模拟,研究了颗粒摩擦系数对散粒堆积体自然休止角、堆积体底部应力分布、堆积体内部接触力投影分布、强弱力链数量等宏细观特征的影响规律。研究表明:随颗粒摩擦系数的增大,自然休止角增大并逐步趋于一个饱和值,堆积体底部应力峰值位置则从堆积体底部中心逐渐往外迁移,堆积体底部中心接触力相对于底部峰值的减小程度逐步增加,应力凹陷现象与拱效应越明显;随着颗粒间摩擦系数增大,颗粒间接触力沿锥面方向投影的最大值方位(锥)角逐渐增大并趋于稳定,堆积体内部拱效应的优势发挥方位出现在偏离竖直轴15°~25°的方位。

上位直接顶“散体拱”结构的形成及失稳演化

通过相似模拟实验和理论分析,研究了综放条件下上位直接顶"散体拱"结构的形成机理和移动演化过程.认为在综放条件下,以散体状态出现的直接顶岩块在渐进流动过程中的某一时刻,由流动孔口周边作用的垂直剪切力与上方垮落岩体重力之间形成的应力平衡是上位直接顶"散体拱"结构形成的力学条件;工作面的不断推进及"散体拱"结构的不对称性而导致的承载能力不均,造成后拱脚和前拱脚先后失稳是"散体拱"结构不断失稳、重组和前移的原因.

综放条件下垮落直接顶“两带”分布高度研究

通过相似模拟实验和理论分析,对直接顶不规则垮落和规则垮落两带分布形成的原因及其分布高度进行了深入的分析研究。研究认为,在综放条件下,散体状态的直接顶在渐进流动过程中的某一时刻形成的"散体拱"结构构成了不规则垮落带和规则垮落带的分界线,是垮落直接顶呈"两带"分布的原因。不规则垮落带分布的研究是"两带"分布研究的关键,其分布的高度取决于拱的高度和煤层厚度,其中拱的高度又是重要影响因素。文章对垮落直接顶"两带"分布高度的研究,对于深化综放采场煤岩流动规律的研究具有重要意义。

散体材料结构沉降机理分析与模型建立

通过对受集中荷载匀速加载的碎石堆加压实验,分析了散体材料结构沉降变形的特征,内部拱结构蹦塌及引起"自组织"沉降的主要原因,并运用随机理论建立了理论模型.

三维颗粒堆中力传递实验与分析

对受集中荷载作用的三维颗粒堆中力的传递与分布进行了实验,对其结果进行半定量统计分析,研究了有序对称密实排列颗粒堆中力的传递特征、压痕与压力的关系、颗粒堆传力不均匀性及荷载力概率密度的变化规律,并解释了抛物型曲面传导的原因．

筒仓泄料过程中阻塞现象的数值模拟

基于颗粒材料离散颗粒模型及颗粒流方案,通过数值试验研究了筒仓泄料过程中影响颗粒流发生阻塞的若干因素,给出了阻塞概率随筒仓底部开口半径及倾角、颗粒间摩擦系数及颗粒粒径分布的关系曲线。基于颗粒簇的概念,进一步研究了颗粒形状的影响,并对颗粒材料阻塞时的力链分布特征进行简要分析。

筒装颗粒介质中桩体的抗拔摩擦力

通过分析颗粒介质中应力链网状结构的形成过程与传力特性,在Janssen模型的基础上给出了计算筒装颗粒介质中桩体抗拔摩擦力的理论公式.该公式能够反映出桩体侧面所受颗粒介质的摩擦力随深度增大逐渐趋于一极限饱和值,这一现象属于经典的颗粒介质"谷仓效应"范畴.由该公式给出的简装颗粒介质中桩体的抗拔摩擦力随相对桩径(桩径与筒的内径之比)及桩体埋深的变化规律,与实验数据定性符合.

粒径及洞室形状对围岩应力、应变影响的模拟

将岩石视为含孔隙的颗粒体材料,研究了粒径尺寸及洞室形状对洞室围岩中的最大、最小主应力及剪切应变增量的影响。研究发现,随着粒径尺寸的降低,呈圆环形的剪切应变增量的高值区圈数增加,其间距(与颗粒平均直径大致相同)降低;呈辐射状的最大主应力的正高值区(受拉区)范围减小。最小主应力的负高值区(受压区)与剪切应变增量的高值区呈现类似的规律,这两种高值区与压力拱的形态基本一致。洞室围岩中的最大主应力的值有正有负(径向受拉或受压),其正值主要位于洞室表面附近,这是由于这一位置高的最小主应力引起了颗粒之间的明显剪切错动;其余的正值位置较为分散,且其值较小。洞室围岩中的剪切应变增量、最小主应力及最大主应力的分布规律都受洞室形状的影响。在洞室表面的尖角位置,前两种量都较高,而最后一种量较低。最大主应力在洞室表面的直边界上向围岩中延伸的尺寸较大,这对于围岩的稳定有不利的影响。

土工织物散体桩复合地基路堤土拱效应研究

为研究土拱织物散体桩的土拱效应,采用三维有限元软件建立了路堤荷载下土工织物散体桩复合地基模型,分析了筋材刚度、桩间距和路堤高度3个主要因素的影响。结果表明:土工织物散体桩的起拱筋土模量比为20,当筋土模量比达到67后,筋土模量比对土拱效应影响不大;土拱高度在路堤高度达到5倍桩净间距之前呈线性增长,之后土拱高度将不随路堤高度变化;随着桩净间距增加,形成完全土拱所需的高度也在增大,当桩净间距达到2倍桩径后,土拱高度将不再变化;随着路堤高度的增加,土拱率逐渐减小,当路堤高度达到1.7倍桩净间距形成完全土拱后,土拱率不再发生变化;与数值计算结果对比发现,由Hewlett和Randolph提出的三维土拱计算方法与数值计算结果最为接近,建议采用这种方法进行设计。

散粒体的自组织临界性分析

基于二维模拟实验,研究竖向荷载下散粒体中的自组织临界性,揭示细观拱效应与宏观大崩塌的变化规律,以及拱效应与材料性质的关系.散粒体中每个小自组织的临界发展过程包括自组织搭拱、拱随遇平衡和拱崩塌的动力学演化.散粒体大坍塌是众多小自组织临界发生后的力学性质由量变到质变的过程.用随机理论细观探讨一个预期失败模式的理论模型,为研究散体材料结构自组织临界性系统的可预测性及灾害预测预报提供了科学依据.

综放采场上下位岩层结构相互作用对垮落带分布影响的研究

本文以综放采场上覆岩层的下位岩层形成散体拱结构为前提,通过对采场围岩分区及其力学模型的建立,深入分析了采场上位岩层结构与下位岩层结构相互作用对不规则垮落带和规则垮落带分布的影响,丰富了人们对综放采场上覆岩层活动规律的认识。

碎石桩单桩和多桩荷载传递方式的实验研究

在自行设计加工的二维实验设备上,应用杠杆–砝码加载系统和应力环直接测量桩底压力的方法,研究桩长对碎石桩单桩及多桩(三桩)荷载传递方式的影响。碎石桩材料为白色水磨石子(大理岩),平均粒径0.75cm;桩间土为人工调制的一定含水量的兰州黄土和沙坡头细砂按体积比3∶1混合而成。实验给出了碎石桩的临界桩长效应,即长度小于临界桩长的短桩和大于临界桩长的长桩的荷载传递方式不同,短桩主要靠桩底土体承受顶部荷载,而长桩主要靠桩顶拱结构和桩间土承受顶部荷载,这决定了短桩和长桩不同的破坏模式,即短桩的桩身刺入破坏和长桩的顶端拱结构鼓胀坍塌连带桩间土楔形剪出的破坏。与单桩相比,多桩的顶部压力对其底部压力存在交叉叠加影响,并且多桩及其桩间土之间的相互作用可以有效减小临界桩长,在桩较短时就能使桩顶端的拱结构生成并趋于稳定。研究结果说明,需对短桩和长桩分别建立不同的承载力计算公式。

匀速加载下散体材料堆中拱崩塌沉降分析

基于匀速加载方式下碎石材料堆实验研究,对其加压实验中的沉降过程进行了分析,研究了散体材料结构中拱结构形成与崩塌的现象、散体材料结构的沉降特性及规律,并探讨了理论模型。

基于离散元模拟筒仓贮料卸料成拱过程及筒仓壁压力分布

筒仓卸料时贮料作用在仓壁上的卸料压力出现骤然增大以及震荡分布的现象,该文从贮料的散体颗粒性入手,采用离散元法和模型试验法研究贮料在静止储粮状态和卸料过程中的力学行为,从细观颗粒层次探求卸料时贮料内部土拱效应与宏观仓壁卸料压力增大及产生震荡的本质联系。模型为平底立筒仓,高1.0 m,宽0.5 m,卸料口直径0.1 m,数值模型填充20 400个球形单元,模型试验贮料为大豆。首先,通过分析卸料中仓底压力分布的周期性变化规律,证实了卸料口附近拱效应的存在。然后选取结拱起始、结拱完成及拱塌落3个时间点仓内贮料的力链网络、竖向应力、横向应力、主应力方向和速度场分布,分析了卸料时的拱效应及其对仓壁卸料压力分布的影响。研究发现,卸料中,筒仓底部的卸料口附近有拱形成,其跨度为卸料口直径的4.0倍,高度为卸料口直径的2.5倍。随着物料的流出,卸料口附近的颗粒物质遵循"拱形成-拱塌落"的动态规律,并据此提出了筒仓卸料的动态成拱机制。深高比0.35处,动态压力修正系数最大为2.70。在深高比0.85处,结拱完成时的仓壁压力达到峰值3.57k Pa。分析结果表明,拱的形成是仓壁压力增大的根本原因,动态成拱机制则是宏观仓壁压力产生震荡的根本原因,仓壁压力峰值作用点和最大动态压力修正系数作用点并不一致。动态成拱机制以及由此引发的仓壁卸料压力分布规律,可为构建机理研究的筒仓结构安全设计提供参考。

临界散体柱主要影响因素研究

地下矿山采用空场法或崩落法开采时,空区顶板岩层冒落至地表后,引起的岩移对地表工业设施及环境构成了严重威胁,临界散体柱理论的提出为地表岩移控制提供了新思路。以锡林浩特萤石矿急倾斜中厚矿体浅孔留矿法开采现状作为工程背景,通过现场监测调研与相似物理试验,研究了临界散体柱的主要影响因素。结果表明:①临界散体柱高度随着矿体倾角增加而减小,随着井下放矿的进行,松动散体柱高度仅为散体总高度的39.4%~45.7%,其上方密实散体柱对于限制岩移起主要作用;②针对不同的矿体厚度,通过增加散体充填高度降低厚跨比,可控制地表塌陷范围;③围岩适当变形可以增加散体的被动侧压力,降低塌陷坑边壁岩体稳定所需的临界散体柱高度;④塌陷坑散体结拱特性受散体粒径分布与塌陷坑宽度的共同影响,控制着临界散体柱的有效作用高度,锡林浩特萤石矿散体临界结拱粒径范围为0.5~0.7 m,临界结拱宽度为3.5~4.0 m,远小于塌陷坑的实际分布宽度,即散体能够保持连续流动,表明临界散体柱理论能够较好地应用于锡林浩特萤石矿。

颗粒堆底面压力凹陷的离散元模拟分析

颗粒堆底面中心出现正压力凹陷现象,与颗粒堆的形成方式具有相关性。本文通过离散元PFC2D颗粒流方法对颗粒堆的形成过程进行模拟:包括颗粒的生成,通过漏斗口自由下落,以及在底面堆积形成颗粒圆锥状颗粒堆。得到形成的颗粒堆体底部压力分布与室内物理模型试验结果较吻合,呈现中心部位压力凹陷的分布形态。基于堆体内部主力链分布形态和粒间接触力的法向角度各向异性特征分析,结合Edwards拱图模型,解释了颗粒堆体底部中心压力凹陷的原因来自颗粒集合体内部力的斜向传递特征,是颗粒堆体中土拱效应的体现。

东峰煤矿大断面全煤巷道围岩控制研究

依托东峰矿大断面全煤巷道的支护实际,利用理论分析的方法,对巷道跨度对巷道失稳高度以及巷道围岩强度对巷道围岩稳定性的影响进行了详细分析;采用工程类比的方法,设计了该矿大断面全煤巷道的支护参数,并进行了现场应用,通过钻孔窥视与巷道位移监测验证了其合理性。

散粒土自然堆积的宏细观特征与形成机制

利用离散元数值方法模拟由不同形状颗粒形成散粒堆积体的过程,并通过分析堆积体的宏细观力学特征来揭示其形成机制。研究发现,颗粒形状愈规则,自然休止角愈小。细观上,颗粒接触法向量、法向接触力和切向接触力的各向异性分布强度都随颗粒形状变得规则而降低;接触法向量各向异性主方向与竖直方向的角度差■同自然休止角a之和近乎为一个常数,法向接触力和切向接触力的各向异性主方向与竖直方向的角度差■和■可近似表达为与自然休止角?正相关的线性函数。最后,建立了堆积体内部拱效应的优势发挥方位同颗粒接触法向量、法向接触力和切向接触力各向异性主方向的关系。

西石门铁矿残矿回采复杂围岩巷道掘支技术

西石门铁矿采用平底堑沟底部结构的诱导冒落法开采下盘残矿,由于下盘围岩软破且受原采空区的影响,采准工程的掘进与维护均十分困难。为解决该问题,在调查分析残采巷道破坏特点的基础上,将残矿采准工程分为3类:1实体软破围岩,该类围岩多半采动应力大,且应力方向变化复杂,巷道开挖后支护拱架扭曲变形严重,为减缓变形速度和调节应力方向,采用喷锚网+U型可缩性金属拱架联合支护形式;2散体围岩,该类围岩多为矽卡岩+粉矿,虽经过一定的沉实作用,巷道掌子面能够立住,但开挖后顶板易坍塌,为此采用超前锚杆+U型可缩性金属拱架结合支护形式;3巷道穿过冒落空区,此时空区高度多为5~7 m,宽3~5 m,顶板易发生掉块现象,为此设计采用整体拱棚支护技术。上述措施实施后,西石门铁矿残矿回采工程的稳定性得到了有效控制,改善了矿井安全生产条件,实现了复杂残矿的安全回采。