多层隔热下工作面进风巷围岩传热特性

深部矿井热害问题日益凸显,严重威胁作业人员生命健康,进一步影响矿井生产效益。本文通过围岩钻孔实验方法,研究了门克庆煤矿2102工作面、3100工作面、3106工作面及3107工作面进风巷围岩温度随径向深度变化规律;基于ANSYS软件,对膨胀玻化微珠水泥隔热材料与空气夹层协同隔热效果进行研究。研究结果表明:围岩温度与径向深度之间的关系符合ExpAssoc模型,相关系数R2为0.99106;膨胀玻化微珠水泥隔热材料与空气夹层厚度均为3 cm、6 cm、9 cm、12 cm、15 cm、18 cm时,材料-空气协同隔热顺序与空气-材料协同隔热顺序相比,原巷道壁面温度更高,调热圈半径更小,隔热效果更好;材料-空气协同隔热时,空气夹层厚度在12 cm内对隔热效果影响更大,材料层厚度在6~18 cm内对隔热效果影响更大;对流换热系数与隔热层厚度呈反比,空气夹层厚度在12 cm内其变化幅度大,而受材料层厚度影响较小。本文研究结果可为矿井多层隔热降温提供参考。

四分量钻孔应变对气压响应的传递函数及围岩力学参数估算——以江苏江宁台为例

目前中国有60余处四分量钻孔应变测点,这些测点的观测数据在地球动力学和地震前兆等研究中均发挥着重要作用。但在实际观测中,不少四分量钻孔应变仪会受到不同周期气压波的干扰。截至目前,还鲜有关于该类仪器对气压频响效应研究的报道。文中以江宁台为例,尝试采用传递函数对其进行系统诊断;在此基础上,进一步利用双衬套力学模型反演其钻孔围岩的力学参数。结果表明:1)在0.1~30cpd频带内,气压和钻孔应变的相干性较好;2)低频带(0.1~0.5cpd)的气压响应最好,高频带(>8cpd)次之,中频带(0.5~8cpd)则略差;3)若不考虑日波和半日波频段的影响,在整个频带内,4个分量的应变和面应变气压系数谱近线性平稳;4)在高频带,钻孔应变对气压响应的相位谱呈指数形式上升,平均滞后约24.2°,频率依赖性明显;5)利用面应变低频气压系数均值反演的钻孔围岩弹性模量和泊松比分别为33.9GPa和0.27。以上结果将不仅有助于气压效应的分频改正,同时还能为钻孔围岩力学参数的定量反演提供新方法。

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

采用自主研制的20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,对φ200mm×400mm的花岗岩体内含φ40mm的钻孔在600℃以内及6000m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明:(1)高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段:低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2)高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500℃～600℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6000m埋深静水压力,600℃左右;(3)高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4)高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5)高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。

基于损伤理论的卸压钻孔围岩特性分析

为了研究卸压钻孔施工后围岩应力及变形场分布规律,在基于岩石非线性脆性损伤本构模型及连续损伤理论的基础上,对非均匀应力场钻孔围岩损伤区范围及应力进行求解,得到钻孔围岩发生损伤时的初始地应力和极限地应力及损伤区半径的解析式。基于解析表达式,通过算例分析钻孔围岩侧压系数和围岩角度对初始损伤地应力的影响以及钻孔围岩脆性参数、侧压系数等对围岩损伤区半径及极限损伤地应力的影响。分析结果表明:非均匀应力场钻孔围岩发生初始损伤时的地应力同时与侧压系数和围岩角度相关;岩石的脆性参数对围岩损伤区半径及极限损伤地应力的影响与损伤度有关;而钻孔围岩发生一定程度损伤时的极限地应力受到围岩脆性参数、侧压系数的影响。

基于钢锥冲击的煤层卸压方法研究

针对煤矿冲击地压引起的采掘安全问题,以山西晋中左权五里堠煤矿3号煤层开采地质条件为工程背景,提出一种基于钢锥冲击煤层的卸压方法。根据通电线圈间产生电磁互感斥力原理,获得磁力驱动绕线钢锥撞击煤层的冲击力函数式,并结合弹性力学理论,分析冲击力作用下煤体应力场分布特征、裂隙类型、破裂范围及程度。结果表明:(1)冲击力与交流电电压及线圈级数呈正相关关系,与交流电频率及每米线圈匝数呈负相关关系。其中,电压是调控冲击力的最主要因素,综合考虑认为电压取660 V为宜。(2)计算显示钢锥长度与直径仅需1 cm和1.28 cm,与之匹配的2级加速线圈总长为2 cm,可实现冲击装置的微型化,便于在钻孔内灵活布置。(3)冲击力使钻孔横截面围岩出现集中系数为4.0~16.7的叶状极高应力区,其延伸长度为5倍钻孔半径,区内发育张拉裂隙;叶状区之外为集中系数1.7~3.3的高应力区,发育压剪裂隙,其范围可达50倍钻孔半径,据此得到卸压钻孔间距为2.5 m。(4)按卸压段长度,每孔内设置2个间距2 m的冲击装置,冲击力使钻孔纵截面围岩呈现针状极高应力区,相邻针状区间分布椭圆形压剪裂隙区,两者一起贯通2 m厚煤层,实现有效破煤卸压。研究成果为探索基于磁力钢锥冲击的煤层卸压技术奠定初步理论基础。

本煤层瓦斯抽采钻孔注浆堵漏风技术

在对本煤层钻孔围岩漏气机理及堵漏风原理进行分析的基础上,提出了一种分空间、错时间以切断漏气通道的注浆堵漏技术;分空间体现在将钻孔的密封段分为空腔段及预留段进行注浆堵漏,错时间体现在将该技术工艺流程分为3个阶段:准备、一次注浆及二次堵漏阶段。另外,设计了一体化专用封孔器及注浆作业配套设备;为验证新注浆堵漏技术的应用效果,在山西某高瓦斯矿开展了钻孔注浆堵漏风技术试验研究。研究结果表明:应用新注浆堵漏技术之后,钻孔瓦斯抽采浓度立即大幅回升,本煤层钻孔抽采寿命由40 d左右增至80 d以上,钻孔有效抽采时间延长到原来的2.1倍以上。