多应变率动静叠加岩石力学试验系统研制及应用

为研究多应变率动静叠加荷载作用下岩石的损伤破坏规律,自主研发了包括装配反力单元、动静叠加单元、蠕变加载单元、智能测控单元的多应变率动静叠加岩石力学试验系统。四大单元分别具有高刚度卯榫拼装、多应变率动静荷载叠加与弹性应变能释放模拟、自动平衡跟随式蠕变加载、多元信息采集融合及突变信息自动高频捕捉等特点,实现了岩石单一表面蠕变荷载(<10-4 s^(-1))+静载(10-4~10-2 s^(-1))、静载+脉冲荷载(10-2~100 s^(-1))、静载+冲击荷载(100~102 s^(-1))、静载+循环冲击荷载等多种类型不同应变率动静荷载叠加。利用该试验系统开展不同应变率动静叠加作用下大理石损伤破坏试验,并利用峰值强度及累积残余应变定量表征了试件损伤演化规律,试验结果表明:蠕变、静载+脉冲、静载+冲击三种加载方式均对岩石产生显著损伤作用,损伤效果由强到弱依次为:静载+脉冲、静载+冲击、蠕变;动静叠加瞬间,试件应变出现突增,当动载明显小于静载时,动载主要产生弹性应变;当动载相同时,试件损伤随静载的增大呈加速增长趋势;当静载相同时,试件损伤随动载应变率的增大呈减小趋势,具有显著应变率效应;静载+循环冲击过程中试件损伤呈现“快速增长→平缓发展→急速上升”的S型演化趋势。

煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明:随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型:1高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;2强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。

动静载叠加影响下巷道围岩损伤演化规律研究

以某矿N2105工作面回风平巷掘进期间发生的一起冲击地压事故为工程背景,基于莫尔-库伦强度准则推导出并建立了煤岩体损伤危险评价指标。基于Fish语言将损伤危险评价指标编写嵌入FLAC2D软件中,并对N2105回风平巷在静载和动静载叠加作用下的围岩损伤情况进行了对比分析。

动静载叠加作用下冲击启动区诱发冲击机理及防治研究

针对宝积山煤矿工作面回采期间沿空侧巷道超前段容易诱发冲击问题,揭示了其诱发原因为工作面上端头实体煤帮内一定范围的煤体将受到高静载作用,并在回采扰动动载叠加作用下诱发冲击显现。数值模拟研究表明,高静载低动载或者高动载低静载叠加情况下,煤岩体更容易瞬间失稳发生冲击破坏,并基于此提出了针对冲击启动区的强化控制与巷帮卸压耦合防治技术,且巷道围岩垂直应力模拟和现场围岩结构弯矩分布情况验证了该技术的可行性。

煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治

在社会经济不断发展的背景下,煤矿产业也迅速发展,但是煤矿产业在发展的过程中,冲击矿压灾害也越来越严重,直接影响了煤矿的生产效率,所以研究学者研究出了动静载叠加原理冲击矿压的力量,以此来对煤矿冲击矿压灾害进行防治.文章阐述了引发煤矿冲击矿压灾害的原因,针对动静载叠加诱发煤矿冲击矿压的原理进行分析,并提出煤矿冲击矿压监测和防治手段,以期能够为煤矿冲击矿压的防治提供有力的指导.

厚硬煤岩临空巷道动静载叠加型冲击地压治理实践

为解决纳林河二号矿井临空巷道的冲击地压问题,根据31103-1工作面开采条件和显现特点,分析了冲击地压发生的影响因素,研究表明:厚层坚硬煤岩体、邻近采空区的悬臂梁、走向大煤柱等多因素耦合作用下,动静载叠造成煤柱冲击。提出了降低煤岩体弹性能积聚,阻断应力传递路径,控制动静载叠加因素,达到治理冲击地压灾害的目的。设计了顶板爆破、煤层爆破、200mm大直径煤层钻孔相结合的钻爆一体化卸压方案,建立监测预警系统、提高临空巷道支护强度,提高抗冲击能力。实践结果表明:该技术方案能够有效降低煤岩体应力集中,控制冲击地压灾害发生。

变区段煤柱工作面诱冲机理及防治技术研究

针对某矿变区段煤柱工作面开采冲击危险性较高的问题,运用数值模拟方法对工作面采掘过程中煤柱区域垂直应力分布规律进行研究,分析了不同宽度区段煤柱应力积聚特征,揭示了变区段煤柱工作面诱冲机理,并制定了“近场-远场”协同卸压方案。研究结果表明,较宽的区段煤柱(30 m和55 m)受采空区侧向支承压力和超前支承压力影响,煤柱应力集中程度较高;受“近场高静载+远场动载”叠加影响,变区段煤柱工作面回采期间易诱发冲击地压;采取近场高承压煤体强卸压+远场高位坚硬顶板超前预裂断顶卸压协同控制方案后,微震能量事件始终维持在104J以下,表明控制方案能够有效降低工作面采掘期间的冲击危险性。

厚硬顶板地面水力压裂冲击地压防治技术研究

为了解决孟村煤矿冲击地压难治理的问题,开展孟村煤矿401盘区地面水平井分段水力压裂防冲实践,并基于“动静载荷叠加诱发机理”分析了401102工作面冲击地压发生机理,综合考虑关键层判别、覆岩结构、关键层物理力学性质、赋存特点及能量释放规律等因素,确定401102工作面厚硬顶板地面压裂的目标层位,确定了2口水平井的布置位置,并对水平井井身结构参数、压裂方案、压裂参数设计等技术参数进行研究,通过对比421102工作面在压裂区域及非压裂区域的支架监测数据对地面压裂技术的防冲卸压效果进行检验,结果表明:工作面进入地面压裂区域支架压力低、来压规律不明显,支架工作阻力平稳,顶板未产生强烈动载,说明地面压裂对目标岩层起到了较好的卸压效果,保障了421102工作面的安全高效回采。

褶曲构造影响区内翼部煤层开采矿压机理及防治技术

文章以褶曲构造影响区内翼部煤层中3605综放面水平分层开采为研究背景,通过现场调研发现其开采期间面临强矿压显现频发的问题,进而采用理论分析的方法对煤层受力特征进行了分析,并结合某一典型强矿压显现期间的微震能量事件阐释了动静载叠加诱发强矿压的机理,最后提出了针对性的卸压措施。研究结果表明:3605综放面围岩受力情况分属于Ⅰ和Ⅱ两个煤体区域,且Ⅰ煤体区域因发生塑性变形而致使Ⅱ煤体区域承受高应力载荷;根据微震能量事件定位情况理论计算确定了动静载叠加作用下工作面底部所存在的三角形强矿压影响区域尺寸;现场对3605综放面运输巷超前段100 m范围内上侧覆岩内坚硬顶板和巷道底煤分别进行卸压爆破措施后,钻屑量和微震总能量、频次数据验证了卸压效果的显著有效性。

快掘扰动下巷道围岩变形控制技术研究

针对黄陵一号煤矿快掘扰动下巷道围岩变形及其控制问题,采用现场调研与监测、理论计算等手段,在厘清632回风平巷受快掘扰动情况的基础上,分析了围岩水平应力与支承应力分布演化特征。632回风平巷自然平衡拱高度为1.048 m。提出临时支护与永久支护相结合的支护措施,在632回风平巷顶板采用锚杆+锚索梁+金属网联合支护,两帮采用锚杆+塑钢网联合支护。借助原位监测技术验证了围岩控制方案的可行性,快掘扰动下巷道围岩变形得到控制。

深井断层切割煤柱冲击地压防治实践

针对大采深影响下断层切割煤柱区域冲击地压防治难题,采用理论分析、现场实测方式对断层切割煤柱区域冲击危险性进行了分析与研究,得到如下结论:断层切割煤柱区域在静载条件下趋近于失稳状态,推采过程中动静载应力叠加,煤柱冲击危险性升高;通过断层切割煤柱失稳模型和现场微震、应力及其它数据监测分析发现,工作面初采阶段及单、双工作面见方阶段,微震能量积聚显著,应力集中区域明显,在此过程中断层切割煤柱存在整体失稳现象,通过大直径钻孔卸压、爆破预裂顶板及加强支护等冲击地压防护措施加强对此区域的冲击地压监测与防治,实现断层切割煤柱区域的安全回采。

动静载影响下大倾角工作面巷道两帮应力分布规律研究

为了研究动静载影响下大倾角工作面运输巷、回风巷帮部最大主应力分布特征,以新疆博斯坦煤矿1132工作面地质条件为原型,建立了煤层倾角37°的FLAC3D数值模型进行数值模拟研究。结果表明:静载影响下大倾角工作面最大主应力分布非对称,运输巷和回风巷两帮表现为左帮高应力区偏下,右帮高应力区偏上的特征;动静载叠加影响下,运输巷帮最大主应力波动幅度大于回风巷,运输巷和回风巷左帮最大主应力升高,右帮最大主应力降低,巷道帮部最大主应力分布比静载作用下更加不对称。针对大倾角工作面巷道帮部的最大主应力分布特征,对大直径钻孔卸压措施进行优化,经现场钻屑检验,运输巷回采帮钻屑量平均降低11.8%,回风巷回采帮钻屑量平均降低16.5%,卸压效果良好。

大倾角综放开采下平巷冲击地压发生机理及防治研究

大倾角综放开采下平巷冲击地压频发。针对王家山煤矿大倾角综放开采冲击地压发生机理及防治问题,综合采用理论分析、数值模拟以及工程实践等方法,分析了大倾角综放开采下平巷冲击地压发生规律。结果表明:大倾角综放工作面下平巷处于上区段采空区侧向支承压力与后方采空区超前支承压力的叠加高应力区,同时受采空区覆岩破断、垂直跌落及俯冲下滑时产生的动载扰动作用;煤层倾角越大、厚度越小,下平巷集中应力在水平方向的分力越大,覆岩运动产生的动载扰动越强;由于下平巷沿顶板布置,底煤较厚,巷道底煤没有支护约束,在水平应力及动载扰动叠加作用下,容易诱发底煤破坏型冲击地压。针对性设计并实施了大倾角综放开采下平巷冲击地压防治方案,应用效果显著。

倾斜煤层工作面沿空侧巷道诱冲机理及防治研究

以宝积山煤矿七采区内向斜构造翼部区煤层开采为工程背景,采用现场调研统计、理论分析、数值模拟及现场工业性试验等多种手段对倾斜煤层工作面沿空侧巷道诱冲机理及防治方法进行了研究。结果表明:随着煤层倾角的递增,厚硬关键层悬顶段破断所需要的临界长度值也呈指数形式递增;随着煤层倾角的递增,沿空侧巷道围岩两帮内的垂向应力集中程度由实体煤侧逐步转移至煤柱侧,这也导致在动静载叠加作用下不同煤层倾角工作面沿空侧巷道围岩内诱发冲击地压的位置不同。705沿空侧巷道煤柱侧采用卸压联合非对称性加强支护的方法能够有效改善705沿空侧巷道煤柱侧内的应力环境,降低了705沿空侧巷道诱发冲击地压的可能性。

工作面“见方”期间冲击地压致灾因素分析及防治技术

针对纳林河二号煤矿“见方”区域冲击事件频发的问题,分析了工作面静载、动静载量化叠加支承压力分布特征,得出了强冲击倾向性顶板特殊区域冲击机理,即:工作面采空区对宽煤柱一侧的工作面巷道施加静载,使影响区域煤岩体临近冲击状态;冲击临界状态煤岩体在强冲击倾向性顶板破断释放的大量弹性能的影响下,发生冲击地压灾害。据此设计了顶板爆破预裂和煤层大直径卸压钻孔方案,经对施工区域的效果进行检验发现,该方案可以降低工作面“见方”影响区域的冲击危险性,实现工作面的防冲安全。

煤矿冲击矿压机理、监测预警及防控技术研究

随开采深度不断增加,煤矿冲击矿压灾害形势严峻,冲击矿压机理、监测预警技术及防控技术的研究对于煤矿安全生产至关重要。论文系统总结了团队多年来研究成果及进展,提出了动静载叠加诱冲机理,基于动静载力源和能量主体划分了冲击矿压类型。提出了冲击危险"应力-震动-能量"三场耦合监测原理,建立了冲击危险应力场-震动场-能量场三场多参量综合监测预警技术体系,并构建了多参量带权重的时空预警模型,基于大数据和云平台技术,开发了冲击矿压风险智能判识与多参量监测预警云平台,实现冲击危险监测数据与防治措施信息的融合,提高了冲击危险监测预警效能,提出了冲击危险强度弱化减冲原理和巷道围岩强弱强结构原理,并给出了基于动静载的冲击矿压分类监测预警和防治方案。研究成果有力推动了冲击矿压研究进展,可为深部冲击矿压防治提供重要指导。

工作面端头L形区煤柱体诱发冲击机理及防治研究

为了研究深部开采工作面端头L形区煤柱体失稳诱发两类典型的巷帮冲击地压,基于宝积山煤矿705综放工作面5次冲击地压显现与工作面推进位置关系,分析了一定围压条件下煤柱体的受力状态和力学响应,并推导出了煤柱体失稳破坏与作用载荷的关系。利用FLAC3D软件应变软化模型模拟研究了集中静载荷和动载荷组合作用下煤柱体的应力-应变特性,结果表明:初始静载荷变化对煤柱体失稳发生冲击的影响作用要高于动载荷变化,集中静载荷起储存冲击能作用,动载荷起诱发冲击作用。提出锚网索支护+高压水射流巷帮卸压协同作用防治巷道冲击地压方法,模拟分析显示围岩应力分布满足强弱强(3S)三重防冲结构,围岩结构弯矩分布均匀合理。本研究为协同作用防治巷道冲击地压提供了理论依据。

密松水电站副厂房结构抗震分析

水电站副厂房是设置重要电气设备和工作人员工作的主要场所,其抗震安全性直接关系到整个电站的安全运行,以密松水电站副厂房为例,采用振型分解反应谱法对其结构进行抗震计算分析,给出了结构自振特性及在地震作用下的动应力、动位移,并采用最不利组合法将动力计算结果与静力计算结果进行叠加,对叠加后的结构应力及位移进行评估分析。结果表明,高地震烈度下,副厂房结构上部纵、横梁底部应力较大,建议在这些部位增大梁截面尺寸或加强配筋,以保证副厂房结构的安全运行。

峻德煤矿倾斜煤层开采沿空侧巷道诱冲机理研究

针对峻德煤矿倾斜煤层开采期间沿空侧巷道冲击地压频发的问题,采用现场调研、微震监测、物理相似模拟和数值模拟相结合的方法开展了研究,结果表明:倾斜煤层工作面开采期间靠近沿空侧巷道的覆岩关键层更容易破断产生剧烈动载扰动;随着煤层倾角减小,沿空侧巷道煤柱帮应力集中程度减小,实体煤帮应力集中程度增大,应力集中由煤柱帮内向实体煤帮内转移;在动静载叠加作用下导致巷道两帮煤体失稳破坏诱发冲击地压,且不同倾角煤层冲击启动区域不同。研究结果对倾斜煤层工作面后续回采阶段卸压防冲工作具有一定的指导作用。

渡槽支撑排架结构动力分析

针对扶风县官务水库灌溉干渠1号渡槽支撑排架动力稳定问题,采用拟静力法、振型分析反应谱法、有限元法对空槽和设计水位工况进行了动力分析,通过分析比较以上3种方法的静动效应叠加结果可知,1)排架在地震荷载作用下,动力响应底部最大,腰部次之,顶部最小;2)结构第一、二振型主要表现为水平振动;第三、四振型为竖直振动;第一振型的引起的地震响应最大,其他振型的贡献率较小;3)利用振型分解反应谱法对排架结构进行抗震分析得到的结果,与相同工况下商业软件的有限元结果一致性较好,而拟静力法结果明显大于反应谱振型分解法和有限元法结果;4)渡槽无水时各阶振动周期较小,而槽体充水后,各阶自振周期明显增大,这说明水体对结构的自振特性的影响较大。