大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应研究

煤层倾角是造成大倾角采场采动力学行为呈现复杂性、特殊性,诱发众多灾害事故的重要因素之一,为揭示煤层倾角对大倾角采场围岩控制及矿压显现特征的影响规律,采用物理相似模拟和数值计算相结合的研究方法,在综合分析了大倾角工作面顶板破断运移及矸石滑滚充填特征的基础上,利用有限元−离散元(FLAC2DPFC2D)耦合算法建立了不同倾角的大倾角采场耦合数值模型,研究了大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应。结果表明:①采动作用下,大倾角采场顶底板内围岩应力均呈非对称拱形分布,随着煤层倾角增大,拱形垂直应力释放区范围和向上部偏移程度逐渐增大,但水平应力释放区范围和应力值逐渐减小,无论是垂直应力还是水平应力都易在工作面上下端头顶板处出现应力集中,但最大集中应力会随煤层倾角的增大而减小;大倾角工作面顶底板内应力大小和传递方向均存在非对称特征,随着煤层倾角增大,工作面顶底板应力拱高逐渐降低,围岩应力的传递方向以围岩涌向采出空间为主,由初始近似竖直方向逐渐偏转趋于工作面垂向。②工作面顶板破断及矸石的滑滚充填具有时序性和分区演化特性,并随煤层倾角的改变而呈现一定的倾角效应。随着煤层倾角增大,直接顶的初次破断位置将逐渐向工作面倾向上部区域转移,同时由于重力沿工作面倾向的分力变大,矸石沿倾向的充填程度更为密实,但充填长度减小,工作面中上部区域高位岩层的破碎程度和空洞范围增大。③采空区内矸石对围岩的作用机制主要体现在提供侧向应力和竖向支撑2个方面,且受矸石重力作用影响较大,会随煤层倾角改变呈现较强的倾角效应。

大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

大倾角煤层开采过程中,重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递,介观层状采动模型优势破裂面方向偏移,宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明,在倾角35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显:(1)煤岩组合界面倾角35°~60°时,非均衡传力特性逐渐凸显,界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转,且偏转量随倾角增加逐渐增大;煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏,煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。(2)改变了采场围岩采动应力路径演变规律,在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。(3)诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏,以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性,特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变,形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明,重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点,突破传统开采方法与技术瓶颈,研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。

煤岩组合体应力传递与强度特征倾角效应

大倾角煤层安全高效开采的关键在于对围岩稳定性的有效控制,揭示煤岩组合体采动力学行为倾角效应是大倾角煤层多尺度围岩协同控制的基础。针对煤岩组合体在不同倾角时的层间应力传递、主应力偏转及非均衡变形破坏等力学特征,采用岩石力学试验、数值模拟与理论分析综合互馈的研究手段,分析了煤岩组合体内部主应力展布形态以及变形破坏规律的倾角效应。结果表明:倾角在0°~60°变化时,交界面处的煤岩组合体主应力大小和方向的演化特征分为2类;当层面倾角小于临界倾角α0时,煤岩组合体第1主应力随倾角增大而减小,第3主应力呈“煤减+岩增”的单调演变趋势,主应力方向呈“煤顺+岩逆”的偏转状态;当层面倾角大于临界倾角α0时,煤岩组合体第1主应力随倾角增大而增大,第3主应力变化幅度增大,主应力方向呈“煤逆+岩顺”的偏转状态;煤岩组合体受倾角影响时的2种状态的力学特征不同使得煤岩组合体由“交界面上侧岩体+非交界面部分煤体”转变为“交界面下侧煤体+非交界面部分煤体”的组合破坏模式,即对应于组合体的剪切变形破坏规律向界面处的滑移破坏规律的转变,因而煤岩组合体的强度随倾角增大而降低。研究结果揭示了煤岩组合体应力非均衡传递规律及其破坏机理的倾角效应,对大倾角煤层安全高效开采具有一定的理论参考意义。

大倾角煤层长壁开采顶板应力传递路径倾角效应

大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而发现并揭示围岩采动应力的时空演化特征及其倾角效应是围岩稳定性控制的基础。以新疆某矿25221工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析与数值计算相结合的研究方法,在综合厘定与分析工作面矿压显现一般规律及其成因的基础上,研究顶板采动应力传递路径的时空演化特征及其倾角效应。结果显示:在大倾角煤层开采中,顶板采动应力随工作面推进的动态演化过程先后经历了增长期和稳定期,其对应支承压力峰值的演化呈现为先增大后趋于稳定的特征。受煤层倾角影响,顶板采动应力的三维传递演化沿走向对称、沿倾向非对称。在倾向剖面内,顶板应力的传递路径呈非对称拱形形态,且沿顶板自上而下,应力偏转位置由工作面倾向中轴线左侧逐渐向其右侧迁移,上覆岩层载荷以应力偏转界线为界,分别向倾向上、下侧煤体传递,造成倾向上侧支承压力集中系数大于下侧。在工作面走向剖面内,围岩应力的传递路径呈扁平拱形态,扁平拱两侧半拱形区域上覆岩层载荷除了向工作面走向两侧煤体传递外,亦向工作面倾向上、下侧煤体传递,而扁平拱中间直线段区域上覆岩层载荷主要向倾向上、下侧煤体传递。随着煤层倾角的增大,围岩应力传递演化的非对称特性显著增大,应力偏转界线与工作面倾向中轴线间的距离逐渐增大,2者交点的高度呈现为增—减—增的演化趋势;受此影响,工作面走向和倾向上侧支承压力集中系数亦呈现出增—减—增的演化趋势。顶板应力的非对称时空演化特征,造成采场空间不同区域顶板的力学性状与行为存在显著差异,这种差异性导致倾向不同区域支架的受载与失稳特征亦存在显著差异,且这一现象会随着煤层倾角的增大而愈发明显。

钛合金板抗12．7mm穿甲燃烧弹倾角效应试验研究

采用12.7 mm穿甲燃烧弹对水平厚为25.5 mm的Ti-6Al-4V钛合金板进行倾角效应试验,以研究钛合金板倾角对其防护能力的影响。采用等重钢总穿深的方法考核其抗弹性能。结果表明:钛合金板抗小口径枪弹(12.7 mm穿燃弹)倾角效应的基本规律呈现正效应,对于水平厚为25.5 mm的钛合金板,其跳弹角为62°。

陶瓷/铝合金复合装甲倾角效应研究

采用12.7mm穿甲枪弹,进行陶瓷/铝合金复合装甲在不同倾角条件下抗弹侵彻试验,研究倾角效应对抗弹性能的影响。研究结果表明:陶瓷复合装甲的倾角效应为正效应,即随着倾角增大,陶瓷的抗弹性能提高;弹靶作用时陶瓷面板中倒陶瓷锥的形成是陶瓷复合装甲抗弹性能提高的主要原因。

倾角效应对高强度钢板抗弹性能的影响

选择53式7.62 mm普通弹和53式7.62 mm穿燃弹两种弹型,对不同厚度的高强度马氏体均质钢板和有孔结构钢板进行抗弹性能试验。研究对应不同的弹丸类型和钢板结构时,倾角效应对抗弹性能的影响。结果表明,53普通弹和53穿燃弹冲击时,倾斜角增大,均质钢板抗弹性能均提高。钢板防护53普通弹时的抗弹性能对倾斜角不敏感,而钢板防护53穿燃弹时的抗弹性能对倾斜角敏感。弹丸以跳飞角入射时,钢板防护53普通弹和53穿燃弹的临界厚度基本相当。有孔结构钢板在大角度倾斜抗弹时,抗弹性能较好;在垂直抗弹时,孔结构导致的边缘效应明显降低钢板的抗弹性能。

岩体抗剪强度参数的结构面倾角效应

通过对泥质粉砂岩、泥质灰岩抗剪强度参数的层面倾角效应研究,以及石膏模型试件力学性质的结构面倾角效应研究,就结构面倾角对层状、似层状岩体抗剪强度参数产生的影响进行了较详细的剖析,阐明了层状、似层状结构岩体力学性质各向异性的本质和机理,并在此基础上对受倾角效应影响的层状、似层状岩体抗剪强度参数取值进行了较深入的分析,提出了较为客观的、极具参考价值的层状、似层状结构岩体抗剪强度参数的取值原则。分别得到了层状结构粉砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩以及薄层的层状结构灰岩、片岩、板岩的系列强度参数与结构面倾角a的相关公式。层状、似层状结构石膏模拟试件不同裂隙倾角条件下的室内三轴剪切试验研究进一步表明,新提出的相关公式可作为类似结构岩体抗剪强度参数在不同层面倾角下的取值参考。

单轴压缩下节理砂岩能量演化机制倾角效应

基于室内单轴试验和岩石能量理论,研究单轴压缩下不同倾角节理砂岩能量演化机制,分析节理砂岩峰值点各能量指标和峰前、峰后能量突变幅度的倾角效应。研究结果表明:根据节理砂岩的各能量占比和能量曲线斜率的变化规律,可将节理砂岩能量演化过程划分为初始压密耗能段、峰前线性储能段、峰前能量跳跃积聚段、峰前加速耗能段和峰后能量突散段;节理砂岩峰值点处总应变能和弹性应变能随节理倾角增大均呈不对称"U"型演化特征,岩体受能量驱动而发生变形破坏的难易程度呈难—易—难变化趋势;节理砂岩峰前能量突变幅度随倾角增大呈不对称"倒V"型变化趋势,缓倾角节理砂岩峰前突变损伤程度强于陡倾角节理砂岩;节理砂岩峰后能量突变幅度随倾角增大呈不对称"V"型分布,峰后裂崩程度先减小后增大,倾角为45°的节理砂岩峰后裂崩程度最小。

钛合金靶板抗105mm穿甲模拟弹倾角效应数值计算

运用AUTODYN非线性显式动力学程序，对半无限厚钛合金靶板抗105mm钨合金穿甲模拟弹的倾角效应进行了数值模拟计算。结果表明：本数值模拟条件下，倾角小于30°时，半无限厚钛合金靶板抗105mm钨合金穿甲模拟弹的倾角效应不明显；倾角在中大角度（≥30°）时，呈较明显的倾角正效应；105mm钨合金穿甲模拟弹侵彻半无限厚钛合金靶板的跳弹角β在65°～70°间。

基于Mohr-Coulomb准则的缓倾斜层状矿床矿柱强度估算及倾角效应

矿柱强度是评估矿柱稳定性的重要因素之一,矿柱的稳定是地下矿床安全开采的基础。以弹性力学理论为基础,分析了缓倾斜层状矿床中矿柱的受力状态,应用图解法绘制出表征矿柱应力状态的广义莫尔圆。根据应力圆与Mohr-Coulomb强度包络线之间的关系,建立了矿柱强度解析式,分析了莫尔圆圆心所在直线斜率tan_β随矿体倾角的变化特性,并结合数值模拟,研究矿体倾角效应对矿柱强度的影响。研究表明:应力圆圆心所在直线斜率tan_β是矿体倾角θ及侧压系数λ的二元函数,当tan_β取得最大值时,矿柱强度最小;当矿柱宽高比w_p/h_p保持一定且矿体倾角在5°～45°区间时,随着矿体倾角增大,矿柱强度逐渐减小。研究可为缓倾斜层状矿床矿柱强度估算提供参考。

铝合金板抗枪弹倾角效应试验研究

用7.62 mm和12.7 mm穿燃弹对不同厚度的均质铝合金板进行倾角效应试验,以研究铝合金板倾角对其防护力的影响。在试验中均以弹丸在标准弹速下对后效板的残余穿深或对靶板的总穿深来作为衡量抗弹性能的指标。对这两种穿燃弹而言,小角度时,装甲防护力比0°角时低,随着倾角增大,防护力逐渐提高。

厚均质靶板在抗穿甲过程中的倾角效应研究

文中针对厚均质靶板在抗穿甲过程中的倾角效应展开研究,选择29.6°/400 mm的均质靶板进行了实弹射击试验,并建立仿真模型。利用ANSYS/LS-DYNA有限元对不同倾角条件下的均质靶板抗穿甲过程进行了数值模拟,得出垂直穿深相同条件下,均质靶板的倾角效应在抗穿甲过程中的影响。这些结论对指导今后武器装备试验具有实际意义。

均质装甲钢倾角效应的试验研究

该文给出了倾角效应和倾角效应图的定义，并对倾角效应图进行了分类。试验研究表明，均质装甲钢抗普通穿甲弹、杆式穿甲弹和破甲弹具有不同的倾角效应规律。进而，对倾角效应差异的原因进行了分析。

基于倾角效应的大采高采场顶板变形破坏规律研究

为探究倾角效应下大采高采场顶板的变形破坏特征,在对顶板变形破坏、滑移充填特征综合分析的基础上,研究了不同倾角条件下大采高工作面顶板垮落运移充填规律。研究表明:受工作面倾角影响,围岩的变形破坏与充填形态呈现出明显的非对称特性,随工作面倾角增大,矸石支撑区域长度增加,充填矸石对顶板沿倾向和走向的非均衡约束效应增强,采场顶板受载与变形破坏特征及其破坏后所形成的堆砌-铰接结构的区域性特征愈发明显,中上部区域顶板破坏程度加大,易发生滑落、变形失稳,形成冲击来压,导致倾向不同区域支架非均衡受载的程度与失稳概率显著增大,“支架-围岩”系统稳定性大幅度降低,极易诱发工作面围岩灾变现象。

大倾角煤层长壁开采顶板受载与变形破坏倾角效应

大倾角煤层长壁工作面安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,以新疆2130煤矿25221大倾角长壁综采工作面为研究背景,采用"现场监测+数值计算+模拟实验+理论分析"相结合的研究方法,在对顶板的破坏-运移-充填特征综合厘定与分析的基础上,构建顶板力学模型,系统研究了充填矸石非均衡约束条件下顶板的非对称变形破坏特征及其倾角效应.结果表明:在大倾角煤层开采中,煤层倾角的变化不仅会改变顶板的受载特征,亦会改变其对应的边界条件,且较前者而言,后者对顶板非对称变形破坏特征的影响更为显著.随着煤层倾角的增大,顶板所受法向载荷逐渐减小,充填矸石对顶板的非均衡约束效应逐渐增强,顶板的挠度和弯矩明显减小,挠度和弯矩沿工作面倾向的演化规律明显改变,顶板的最大变形位置由倾向中部区域向倾向上部区域迁移,顶板的最大弯矩位置由倾向下侧区段煤柱→倾向上侧区段煤柱→倾向中上部区域迁移.工作面倾向下部区域顶板受充填矸石支撑载荷作用后稳定性增强,顶板破坏运动的活动范围上移,工作面倾向中上部区域顶板岩层运动的幅度和剧烈程度加大,该区域煤壁、"支架-围岩"系统等在工作面推进过程中易出现动态失稳而引发围岩灾变.

反舰导弹动能穿甲效应中倾角的影响

半穿甲反舰导弹战斗部侵彻目标的角度具有不确定性。从理论上给出了薄板花瓣破坏的模型后,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对弹体不同倾角攻击目标的终点效应进行了分析。穿甲过程中,弹体和目标板选择了考虑应变、应变率和温度效应的Johnson-cook材料模型,分析了不同倾角对穿甲过程中弹体剩余速度及弹头姿态的影响。结果表明对于倾角效应来说,小角度时反舰导弹半穿甲战斗部穿甲能力略有提升;随着倾角增大,导弹穿甲能力降低甚至跳弹。

煤-岩层倾角对沿空留巷非对称变形破坏的影响研究

为揭示煤层倾角对沿空留巷变形破坏的影响,以山东锦丘煤矿为工程背景,通过现场调查、力学模型分析和数值模拟研究了缓倾煤层沿空留巷非对称变形破坏的倾角效应。结果表明:缓倾煤-岩层沿空留巷两帮变形呈现显著非对称特征,随着倾角增大,非对称变形特征加剧,煤-岩层面变形阶跃效应显著;煤-岩层倾角大于10°时,窄煤柱煤-岩界面已具备发生剪切滑移变形的条件;巷道两帮围岩沿煤-岩界面滑移和非对称变形、破坏特征加剧的本质是煤-岩层倾斜导致自重应力和窄煤柱附加应力沿层面分量增大。研究结果可为缓倾斜煤层开采和支护提供参考。

水-力耦合作用下裂隙注浆岩石力学响应与渗透特性研究

为了揭示多场耦合作用下裂隙倾角对裂隙注浆加固岩石变形特性、力学强度和渗流场演化机制的倾角效应,基于Biot渗流理论,利用RFPA2D-FLOW软件开展数值研究。研究结果表明:随裂隙倾角增加,峰值应力呈“V”形变化、峰值应力和残余应力所对应的应变均呈“W”形变化,峰后应力跌落系数呈类倒“U”形变化。受注浆充填物影响,裂隙倾角为0°、15°时,在裂隙尖端附近出现渗流场,后沿岩石压剪裂隙向演化;裂隙倾角为30°、45°、60°时,渗流场在主裂隙尖端聚集,并沿最大轴向压应力方向发育;裂隙倾角为75°、90°时,注浆充填物内率先出现裂隙水,后在裂隙尖端汇集并沿轴向发展。研究结果对裂隙倾角的渗透行为理解具有重要意义,可为深部开采工程提供借鉴。

裂隙性粘土的力学特性

本文论述了成都、合肥、南京、襄樊和安康裂隙粘土的发育和分布特征，并通过大量的室内试验详细讨论了裂隙倾角、裂隙数量和隙壁粘土厚度对土体力学性质的控制作用。