Mechanical property and permeability of raw coal containing methane under unloading confining pressure

Based on domestic-developed triaxial servo-controlled seepage equipment for thermal-hydrologicalmechanical coupling of coal containing methane,an experimental study was carried out to investigate mechanical property and gas permeability of raw coal,under the situation of conventional triaxial compression and unloading confining pressure tests in different gas pressure conditions.Triaxial unloading confining pressure process was reducing confining pressure while increasing axial pressure.The research results show that,compared with the peak intensity of conventional triaxial loading,the ultimate strength of coal samples of triaxial unloading confining pressure was lower,deformation under loading was far less than unloading,dilation caused by unloading was more obvious than loading.The change trend of volumetric strain would embody change of gas permeability of coal,the permeability first reduced along with volumetric strain increase,and then raised with volume strain decrease,furthermore,the change trends of permeability of coal before and after destruction were different in the stage of decreasing volume strain due to the effect of gas pressure.When gas pressure was greater,the effective confining pressure was smaller,and the radial deformation produced by unloading was greater.When the unloading failed confining pressure difference was smaller,coal would be easier to get unstable failure.

不同应力路径下层理煤体力学特性试验研究

为探究不同应力路径下层理煤体力学特性和破坏特征,利用MTS816岩石力学试验系统对0°、30°、45°、60°和90°层理倾角煤样开展了常规三轴加载、增轴压卸围压和恒轴压卸围压应力路径下的力学试验,分析了应力路径和层理倾角对煤样强度、变形及破坏特征的影响规律。研究结果表明:(1)常规三轴加载条件下煤样在达到峰值强度前,应力-应变曲线呈近线性关系,达到峰值强度后,应力-应变曲线迅速跌落;增轴压卸围压条件下,随着卸荷比的增加,轴向应变增量比呈线性增加趋势,而环向应变增量比和体积应变增量比呈低速增长-急剧增长-平稳增长的三阶段变化特征;恒轴压卸围压条件下,轴向应变增量比、环向应变增量比和体积应变增量比均呈低速增长-急剧增长的两阶段变化特征。(2)随着层理倾角的增加,不同应力路径下煤样峰值强度和轴向峰值应变均呈先减小后增大的V型变化趋势,在0°时达到最大值,在60°时达到最小值。(3)随着卸荷比的增大,煤样变形模量先平缓后迅速劣化,泊松比先缓慢增加后呈指数形式增加,临界卸荷比随层理倾角的增大先增加后减小;当层理倾角相同时,增轴压卸围压条件下的临界卸荷比低于恒轴压卸围压。(4)常规三轴加载条件下煤样发生脆性剪切破坏,增轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下煤样呈张拉-剪切混合破坏模式,当层理倾角为60°时,煤样主剪切破裂面角度与层理倾角几乎一致。

循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律研究

为研究循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律,利用MTS816岩石力学试验系统和自主研制的含瓦斯煤气固耦合装置开展循环加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验,分析循环加卸载下煤样强度和变形特性,并结合数字图像相关(DIC)技术探究含瓦斯煤应变场演化规律。结果表明:①循环加卸载作用下,加卸载曲线之间不重合,形成滞回环,且随着循环次数的增加,滞回环面积逐渐增大,并向着应变增大的方向逐渐移动;不同瓦斯压力的煤样在循环荷载作用下均呈明显的脆性破坏。②循环加卸载作用下,随瓦斯压力升高,煤样峰值强度降低,加载变形模量和卸载变形模量均增大,且卸载变形模量始终大于加载变形模量;随着循环次数的增加,变形模量差值逐渐减小并最终在0~0.1 GPa。③循环加卸载条件下煤样不可逆应变与循环次数之间呈“初始、稳定、加速扩展”的3阶段变化特征,曲线整体从L型向U型趋势发展,累计不可逆应变与循环次数之间呈快速增加、缓慢增加、快速增加的趋势,不可逆应变与累积不可逆应变均随瓦斯压力增大而增加。④在低瓦斯压力下,煤样应变集中区主要为单一竖向应变集中带,随瓦斯压力增大,局部应变集中带逐渐由竖向单一向无序复杂转变;瓦斯压力越大,应变场波动程度越剧烈且剧烈程度主要集中在中部区域;高瓦斯压力下,随瓦斯压力升高,峰值点的个数越多,应变越大。

基于平行感知卸载区边缘工程结构规范性检测

当前露天矿无人驾驶技术在卸载阶段面临的主要挑战是安全隐患,尤其是在卸载区边缘工程结构的稳定性与规范性检测方面。为应对这一挑战,提出了一种平行感知理论驱动的点云模型解析AC-VIT算法,旨在实时稳定地检测露天煤矿卸载区边缘工程结构的稳定性与规范性。首先使用无人矿卡后向激光雷达扫描得到三维点云数据,随后应用网格平均方法、统计滤波法以及映射离散网格模型对点云数据进行处理,进而通过高度场梯度特征提取进行初步地形标记,并结合改进的AC-VIT神经网络进行规范性的识别与分类,AC-VIT模型通过全基于自注意力机制的平行计算和多层级的注意力机制,能有效捕捉长距离依赖关系。此外,在人工场景仿真环境中,基于内蒙古哈尔乌素露天煤矿实际生产作业环境搭建卸载区平行仿真环境,以获得大量多样性人工场景数据,在此基础上结合实际场景数据,利用提出的算法平行执行,进行平行感知计算实验的设计和实施,完成有效的检测算法训练和科学评估。实验结果表明,平行感知理论驱动的点云模型解析AC-VIT算法在准确率方面达到了98%,较传统神经网络模型的准确率与效率有所提高。此外,AC-VIT算法的成功应用不仅增强了露天矿卸载作业的智能化水平,还为其他类似的工程结构安全检测提供了有力的技术支撑。

循环加卸载条件下考虑温度的煤体本构模型

随着煤炭资源深部开采趋于“常态化”,深入了解处于高地应力和高地温环境中深部煤体在扰动条件下的力学性质及其损伤演化规律,对煤矿深部开采具有重要意义。选取平煤十二矿己16-17-17200工作面的煤体为研究对象,开展了在不同温度条件下三轴循环加卸载试验,分析了温度对试件峰值强度、变形模量、泊松比等基本力学参数的影响。将不同加卸载速率相关的应力-应变问题转化为时间-应力-应变问题,同时引入分数阶导数理论和连续介质损伤理论,提出了一个考虑了热-力耦合作用的分数阶粘弹塑性本构方程,通过试验数据验证了其有效性。结果表明:煤体变形模量随着循环次数的增加呈出现线性减小的趋势,而煤体泊松比减速上升,在峰值应力处达到极值,然后降低,表明循环加卸载作用对煤体基本力学性能有劣化作用。随着温度的升高,煤体峰值强度非线性减小,损伤累积变缓,对应的应变逐渐增大,表明升温能增强煤体延性变形能力,加速煤体损伤的发展。在循环加卸载过程中,输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在煤体破坏失稳阶段随温度升高呈现出明显的衰减现象,说明高温加剧了煤体内部的损伤,降低了煤体强度,使得破坏所需外界输入能量减少。考虑温度影响的分数阶粘弹塑性模型可以较好地描述深部煤体在循环加卸载条件下的力学行为。模型适用于热力耦合下深部煤体的复杂应力状态。

易弹射煤体力学特性及能量演化机制

通过开展不同主应力条件下真三轴加卸载试验,研究不同加卸载路径下易弹射煤体的力学特性、破坏特征及能量演化规律,揭示开挖卸荷易弹射巷道围岩弹射机制。研究表明:易弹射煤样在高应力单面卸荷比加载破坏更剧烈,当轴压为峰值的90%时卸荷,易弹射煤样表面出现一条大剪切裂缝,轴向应变率高,其自身破坏程度大,弹射现象明显;当轴压为峰值的80%,70%时卸荷,煤样未发生整体宏观破坏,轴向应变率低,自身的破坏程度小,仅在临空面产生张拉裂纹,弹射现象不明显;随着第二主应力的增大,在一定范围内对易弹射煤样有补强的作用,易弹射煤样内部复合型裂纹先增加后减小,破坏形态由剪切破坏转变为张拉–剪切复合破坏,最后发展为劈裂破坏,弹射剧烈程度呈现出先增加后减小的现象;高应力卸荷破坏过程中,弹性能转化为耗散能瞬间释放,耗散能占比急剧增大,抛离母体的碎块携带能量弹射出去,临空面出现明显的交叉网格裂缝,弹射现象明显;高应力易弹射煤样卸荷后张拉–剪切裂纹迅速扩展贯通,发生张拉–剪切复合破坏,弹射现象显著;卸荷后,易弹射煤样出现张拉–剪切裂纹,RA急剧值增高,AF值持续降低,AE呈现高能、高计、高幅、高频特征。研究结果可为类似地下工程开挖围卸荷岩微冲击现象控制提供借鉴。

多螺旋输送机在煤化工卸煤装置中的应用

在煤化工装置中,设置于储煤场地坑内的卸煤装置普遍存在运行稳定性差、密封性能不好以及所需地坑深度较大的问题,导致建设成本高,生产环境差。为解决以上问题,根据煤的物料特性,对多螺旋输送机进行了选型设计计算,将其作为卸煤设备,应用于储煤场卸煤装置中,有效降低了卸煤装置安装高度,提高了卸煤装置的运行稳定性,并减少了煤粉的泄露。对降低卸煤装置的生产建设成本、改善工作人员生产作业环境作用显著。

加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究

为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0.425~0.850(20~40目)、0.250~0.425(40~60目)、0.180~0.250 mm(60~80目);3种饱和度:40%、60%、80%)应变及渗透率,获取加卸载条件下应力–应变曲线确定煤体变形特征,分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律,通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征,基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。研究表明:①饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂,总体而言,随着饱和度增加,渗透率降低百分比越大,堵塞程度越显著。瓦斯水合物生成后,煤体渗透率明显降低,降低幅度为58.3%~83.3%(20~40目)、61.5%~95.0%(40~60目)、81.8%~90.9%(60~80目),随着饱和度增加,煤体渗透率整体呈降低趋势,下降幅度为55.6%~86.1%。②煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段,煤体渗透率与应变具有一定相关性,并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势,二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。③引入渗透率损失率,在相同水合物饱和度下,随着偏应力增加,煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。④引入体积膨胀变形角,在相同偏应力差下,随着饱和度增加,煤体体积膨胀变形角由19.0°~63.9°降至0.2°~38.2°,说明水合物饱和度越低,煤体体积膨胀效应越显著。

智能卸煤机器人关键技术

传统机械卸煤方式易损坏敞车车体,敞车破损严重危害煤炭运输安全,破损敞车维修费用高昂,对比传统卸煤方法优缺点,提出使用卸煤机器人方式进行敞车卸煤。作为一个新兴的研究领域,卸煤机器人在国内外的研究尚处于起步阶段,并没有成熟的技术体系可以借鉴,因此对现有的研究进行系统的分析和总结。提出智能卸煤机器人概念,根据卸煤机器人智能化的需求提出了卸煤机器人所需突破的关键技术问题。详细探讨智能卸煤机器人自动化作业框架,对框架进行模块化处理,分成不同的子系统,对不同子系统进行了定义与阐述分析,强调了自动化作业系统的功能主要依托于关键技术。研究结果表明:今后国内中小型露天场站敞车卸煤将朝着自动化、智能化的方向发展,智能卸煤机器人为国内中小型露天场站智能化、自动化卸煤提供了一个新的思路。

营盘壕煤矿深部多煤层开采地表移动变形规律及最优错距研究

鄂尔多斯东胜煤田为侏罗系含煤地层,诸多深部矿区2-2煤层和3-1煤层全区可采,并且煤层间距较小。以营盘壕煤矿为地质原型,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件构建研究区域数值模型,围绕2-2煤层和3-1煤层开采引起的地表移动变形及应力场演化规律进行研究。结果表明:多煤层重复采动将引起沉陷盆地中心投影向下煤层采空区方向移动,进而逼近煤层初采中心投影,并最终越过之;两煤层连续开采后,地表最大下沉值小于两煤层单独开采最大下沉值之和,煤层复采下沉系数小于初采下沉系数;煤柱错距与地表移动参数关联密切,错距系数与地表下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切分别呈对数正态函数、凹抛物线和凸抛物线函数关系,并且与宽深比作为共同因子对煤层初采及复采表征参数的比值产生耦合影响;另外,同时随着错距的增大,地表沉陷盆地范围先减小后增大的趋势发展,水平移动近盆地等值线由椭圆形向梭子形演化;综合卸压错距经验公式、地表损伤程度及煤柱卸压效果确定的研究区域多煤层开采最优错距为30 m。

螺旋卸煤机在散货码头中的应用分析

螺旋卸煤机是一种常见的散货码头装卸设备,具有高效、可靠、节能等优势。通过分析螺旋卸煤机在散货码头作业中的应用情况,包括工作原理、优势和限制,提出相关改进建议,旨在提高散货码头的作业效率,实现可持续发展。

基于FLAC^(3D)-COMSOL序贯耦合的钻割煤体三维卸压瓦斯流场数值分析

水力割缝技术通过高压水射流在煤层中构建人工裂隙,可实现低渗煤层的区域性卸荷增透和瓦斯高效抽采。然而,经典的COMSOL软件难以对钻割煤体的三维卸压瓦斯流场进行解算,严重制约了水力割缝技术的工程应用。鉴于此,采用FLAC3D-COMSOL序贯耦合的数值解算方法,以中厚煤层钻割卸荷增透为例,对不同割缝半径、割缝厚度、埋深和割缝方式下钻割煤体的三维卸压瓦斯流场进行了数值分析。结果表明:水力割缝过程中,钻割煤体发生了卸荷损伤,形成了较大范围的圆台形塑性损伤区,煤体渗透率可大幅提高2~3个数量级;随着割缝半径和割缝厚度的增加,煤体的增透范围和瓦斯抽采半径逐渐增大,但在相同出煤量情况下增加割缝半径更有利于中厚煤层的卸荷增透和瓦斯抽采;深部高地应力环境导致煤层初始渗透率下降,但也可提高钻割煤体的增透范围和增透幅度,因此钻孔早期瓦斯抽采效果好,后期抽采效果差,在抽采过程中应尽量增加钻孔密度,缩短抽采周期;割缝方式对中厚煤层的整体卸压瓦斯抽采效果具有显著影响,单缝钻孔平行布置情况下煤层卸压瓦斯抽采效果最好,单缝交错布置情况下次之,而双缝间隔布置情况下最差。

采煤机柔性轴设计及优化分析

为保护采煤机摇臂齿轮系统,提高采煤机柔性轴使用寿命,避免其频繁损坏,采用有限元方法对圆弧结构卸荷槽和U型结构卸荷槽两种柔性轴的应力分布进行分析,圆弧结构更加适合柔性轴卸荷槽结构。此外采用控制变量法研究不同半径以及不同扭矩下柔性轴的应力分布情况以及变化规律,研究发现半径越小卸荷槽位置处应力集中现象越明显,并且随着扭矩增加,卸荷槽半径越小,其应力增长速度越快。最终通过分析确定最佳设计参数并为柔性轴设计提供指导性意见。

不同应力路径下含瓦斯煤的声发射特性与能量演化规律

为了研究含瓦斯煤在不同扰动作用下的声发射特性和能量演化规律,利用多场煤与瓦斯突出过程宏细观试验系统,开展6种应力路径下的含瓦斯煤轴向加卸载试验,分析应力路径对含瓦斯煤声发射特性和变形特性的影响,并得到含瓦斯煤在循环加卸载过程中的能量演化特征及储能规律。研究结果表明:含瓦斯煤在吸附过程中的振铃计数随吸附时间增长而减少,根据出气口压力变化趋势将吸附过程分为3个阶段,分别为外扩散阶段、内扩散阶段和吸附饱和阶段;含瓦斯煤在加卸载过程中的振铃计数主要分布在应力上升区段,出现了明显的Kaiser效应,累计振铃计数在循环加卸载路径下呈“阶梯”形增长,且随着循环次数增加和应力路径延长而增大;含瓦斯煤在不同循环加卸载路径下的能量演化规律具有一致性,各能量密度均随着轴向应力增加而呈现二次函数型增长,并经历了减速增长、线性增长和加速增长的3个阶段;同时,弹性能密度和总输入能密度之间存在线性关系,储能系数为定值且均在50%以上。

单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究

新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点,而更易失稳、诱发冲击地压事故,深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础。运用物理实验方法,基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统,开展垂向加荷–径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验,并监测全历程出现的声发射信号,分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律,引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计,结果表明:单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力–应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型3阶段特征,高卸荷速率和瓦斯压力,降低了煤岩强度、峰值应变量,但使峰后阶段应力降模量增大,而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化。试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的“洋葱皮”式破坏形式,且卸荷速率越高,形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大,相应的统计分形维数越低,而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高。三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续,单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现,次高值信号产生于应力峰值,随卸荷速率、瓦斯压力升高,两高值信号幅值增加且最值信号出现提前,声发射能量累计量“阶梯”增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低。高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能,在实际工程中,高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构,易受高静载或冲击扰动致整体结构失效,且该部分“富能”围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害。

单向卸载条件下组合煤岩力学特性及声发射演化规律

针对深部巷道开挖卸荷扰动引起的冲击地压灾害问题,开展不同卸载条件下巷道围岩的变形破裂机理研究。以组合煤岩为研究对象,采用岩石力学真三轴试验机和声发射监测系统进行了恒轴压卸侧压的单向卸载试验,探究了卸载初始侧向应力及卸载速率影响下组合煤岩的力学特性,通过声发射信号特征反演了组合煤岩内部不同类型裂纹扩展规律,结合振铃计数特征参数量化了组合煤岩加卸载过程的损伤程序。结果表明:单向卸载条件下组合煤岩表现出明显的张剪复合破坏特征,煤体宏观上以剪切破坏为主,岩石以张拉破坏为主,卸载初始侧向应力的增加导致组合煤岩破坏程度加剧,卸载速率的提高促进了岩石试样应力卸载方向张拉裂纹的扩展;声发射参数RA–AF的变化准确描述了组合煤岩内部不同类型裂纹的占比,组合煤岩加卸载过程中大多以剪切裂纹的形式扩展,应力卸载阶段剪切裂纹的占比随卸载初始侧向应力的增加而降低,卸载速率的提高促进张拉裂纹占比的增加,剪切裂纹占比降低;通过研究声发射振铃计数标定的损伤发现卸载初始侧向应力和卸载速率是影响组合煤岩卸载阶段损伤发育程度的主要因素,卸载初始侧向应力超过20 MPa后其对组合煤岩卸载阶段的损伤基本不产生影响。研究成果可为深部巷道开挖冲击地压的发生机制与灾害防治提供参考。

露天矿烧变岩高边坡卸荷机理与稳定性研究

烧变岩裂隙发育、富水性强,严重威胁露天矿山采剥安全生产及其边坡稳定。为确定露天矿烧变岩高边坡隔水煤岩柱宽度,以新疆昌吉某露天矿北帮烧变岩高边坡为研究对象,通过构建坡体开挖卸荷的驼峰分布力学模型,将坡体卸荷松弛区域划分为拉裂区和压剪区两部分,分析了边坡后缘拉裂区裂隙的最大扩展深度;以卸荷松弛带宽度表征塑性剪切滑动面位置,推导了弹塑性条件下边坡浅表部破碎带与卸荷松弛带宽度的理论计算公式,进而确定了塑性滑动面位置及形态。结果表明:边坡后缘裂隙临界扩展深度随边坡倾角的增大而增大;卸荷松弛带宽度随岩石强度参数的增大而减小,随岩层埋深的增大而增大;北帮边坡后缘裂隙临界扩展深度为9.42 m,火烧区水位线处卸荷松弛带宽度为6.94 m;坡体潜在滑面安全系数均大于设计评价标准值;确定了北帮烧变岩高边坡的隔水煤岩柱留设安全宽度为36 m,为该矿的安全高效生产提供了技术保障。

考虑循环载荷初始损伤效应的煤样动态力学特性试验研究

近水平露天煤矿开采时在端帮边坡上通常布置运输平盘,大型重载卡车的往复运输作业会对边坡覆岩产生显著的循环加卸载效应,导致煤岩体产生一定的初始损伤。同时,露天开采时大规模爆破产生的强冲击动载荷使煤岩体的力学性能进一步劣化,极易诱发边坡大面积失稳。因此,开展循环加卸载损伤条件的煤岩动态力学特性试验研究,对露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用分离式霍普金森压杆试验系统及扫描电镜测试系统,对循环加卸载初始损伤状态下煤样的动态力学特性及其损伤断裂机理进行了系统分析。研究结果表明:①随着加载应变率的增大,煤样动态抗压强度与弹性模量快速增加,应变率对试样动力学特性的强化效应显著;固定应变率条件下,随着初始损伤的增大,动态抗压强度与弹性模量则呈线性快速降低,表明初始损伤对煤样动力学性能具有弱化效应;②煤样自然状态下存在尺度较小的原生裂纹及孔洞缺陷,损伤的产生导致其内部萌生出新的裂隙及孔洞,并且随着损伤程度的提高,缺陷尺度及数量逐渐增大并快速扩展,这是导致其力学性能弱化的根本原因;③随着初始损伤及应变率的增大,煤样破坏方式从张拉破坏向剪切破坏转变,同时其破坏程度、破坏过程中的耗散能及耗能能力呈快速增加的趋势;④损伤煤样动态破坏主要以脆性破坏为主,但在初始损伤较高的条件下,其局部能够观测到显著地滑移分离及韧性断口形貌,这也是初始损伤较大状态下煤样耗能较高的主要原因。

矿用钻孔机器人加卸钻杆的避障轨迹规划研究

矿用钻孔机器人加卸钻杆位置会随主机的调姿而变化,同时在加卸钻杆路径中还存在障碍物。因此,钻孔的加卸钻杆过程存在变目标的避障轨迹规划问题。根据防爆六自由度机械手的性能参数建立DH参数表,并提出三自由度主机调姿前后加卸钻杆位置变化的函数关系。利用凸包络体结合简单几何体的包络法建立了加卸钻杆系统的碰撞检测模型,可通过欧氏距离判断是否发生碰撞。提出了三段式的加卸钻杆避障轨迹规划策略,第一段和第三段在笛卡尔空间下采用直线规划,第二段在关节空间下采用多项式插值算法进行规划,并可通过增加过渡点解决避障问题。开展了基于七次多项式插值的最小冲击避障轨迹规划算法研究,由仿真分析可知,关节角度、角速度、角加速度和角加加速度都是连续的,但绝对值峰值很大且路径较长。进一步开展了基于改进双树RRT算法、B样条路径优化及七次多项式插值的冲击优化避障轨迹规划算法研究,由仿真分析可知,不仅可保证关节角度、角速度、角加速度和角加加速度的连续性,且路径较短,角加加速度的绝对值峰值降低了98.2%。通过示教试验验证了冲击优化避障轨迹规划方法在避障、加杆轨迹规划等的可行性,机械手各关节运行曲线及运动路径与仿真结果具有较高的相似度。研究结果可为钻孔机器人加卸钻杆系统控制程序提供借鉴,对钻机智能化提升具有重要意义。

沿空掘巷小煤柱渗透率演化规律试验研究

沿空掘巷条件下小区段煤柱受多重采动影响,受采动影响的煤岩体渗透率会因为采动裂隙、原生裂隙的发育与压实而发生改变,确定不同采动阶段小区段煤柱渗透率演化规律是同层位邻近采空区气−水灾害防控的理论基础。以大同矿区石炭系特厚煤层沿空掘巷小区段煤柱开采为工程背景,通过地应力测试、数值模拟的方法,综合确定不同采动阶段小区段煤层所处应力场的分布特征,为试验研究应力路径的确定提供依据,应用DJG-Ⅱ型三轴加载煤岩渗流测试装备进行不同采动阶段煤柱渗透率演化试验研究。研究结果表明:建立了沿空掘巷小区段煤柱不同采动阶段渗透率与应力的定量影响关系,总体表现为渗透率随着轴向应力的增大而减小,卸载阶段渗透率随着轴压的减小而增大;揭示不同采动阶段小区段煤柱应力−应变−渗透率的演化规律,在第一、第二阶段加卸载时,煤样变形还处于弹性变形阶段,渗透率变化幅度与速率都较为平缓。在第三次采动影响阶段,试件出现不可逆的塑性破坏使得渗透率急剧增加,增幅速率也明显大于前2个采动阶段,小煤柱渗透率较初始渗透率增大最多为324.389倍,该阶段小煤柱发生破坏失去了气−水阻隔性能,明确了特厚煤层沿空掘巷工程中前2个采动阶段宽6 m小煤柱没有破坏的特征。研究成果可为坚硬顶板特厚煤层沿空掘巷开采条件下,小区段煤柱在不同采动阶段渗透率演化特征研究、邻近采空区气−水灾害防控等提供参考或理论支撑。