松软煤层加固用泡沫水泥浆的实验研究

针对松软煤层顺层钻进长钻孔成功率低、煤层机械强度低的难题,提出将机械发泡式泡沫水泥浆通过高压旋喷的方式注入松软煤层进行随钻加固的技术思路。室内试验中,通过改变松软煤岩与泡沫水泥浆的比例,模拟注浆后形成不同固结效果的松软煤岩-泡沫水泥固结体。以抗压强度和气体渗透率作为主要评价指标,研究了松软含煤量对固结体性能的影响规律。结果表明:(1)与纯泡沫水泥浆的固结体相比,当松软煤岩含量(以下简称“含煤量”)为5%时,固结体的气体渗透率略有降低,气体渗透率随养护时间增加而降低;(2)含煤量≥10%,固结体气体渗透率随含煤量增大而升高;(3)固结体的早期抗压强度(养护1 d)随含煤量的升高先升高后降低。养护时间增加至7 d后,固结体强度随含煤量升高而降低;(4)含煤量在20%~25%之间的固结体养护7 d后,抗压强度在8.65~9.94 MPa,气体渗透率在9.08~36.52 mD之间。研究成果可以为松软煤层的随钻护壁与瓦斯抽采提供有益借鉴。

冷热冲击饱水煤体多尺度损伤特性研究

为探究饱水煤体在冷热冲击下的损伤特性,使用高低温试验箱对煤样进行不同温差的冷热冲击,冲击过程中利用声发射仪从微观尺度监测煤体损伤,利用金相显微镜从细观尺度观察冲击前后煤体表面的裂隙变化,并从微观尺度与细观尺度解释了冷热冲击后煤体的单轴抗压强度和渗透率的宏观变化。试验结果表明:经冷热冲击后的饱水煤样表面裂隙数目增多,各裂隙相互连接贯通,同一区域内裂隙面积增大;冷热冲击温差越大,声发射信号越活跃,致裂效果越显著,宏观表现为煤体的抗压强度越小,其渗透率增大。

不同围压作用下煤-岩组合体破坏行为及强度特征

通过MTS815试验机对钱家营矿煤-岩组合体进行常规三轴压缩试验。研究表明：围压作用下煤-岩组合体压密阶段较短,具有明显的线弹性及塑性屈服阶段,且随着围压的增大,峰后延性特征明显;根据峰值应变、弹性模量、破断角、强度的变化规律,10~15 MPa为组合体变形减缓的临界区间;煤样破坏主要以单斜面剪切破坏为主,并且个别岩体部分产生与煤样一致的剪切面,破断角处于14.1°~38.8°,均值为26.84°与理论破断角28.31°相差不大;随着围压的增大,残余强度有增高趋势,岩石强度衰减系数与之相反。围压从0~5 MPa,强度衰减系数降幅最大,体现出对围压的敏感性,随后围压继续升高,强度衰减系数呈线性递减;利用Hoek-Brown和广义HoekBrown准则对煤-岩组合体强度进行分析,讨论了适用于煤-岩组合体的参数m,s值。

锚杆预紧力对锚固体强度强化的模拟实验研究

锚杆预紧力在巷道支护中发挥着重要作用,但其对锚固体强度强化特征的研究仍存在不少问题;以砂蜡材料、预紧力锚杆和平面应变约束装置制作锚固分离体,在RMT-150C实验机上对其力学特性进行了研究。实验结果表明:锚固体的峰值强度、残余强度的强化系数和岩体强度、锚杆预紧力呈正相关,岩体强度一定时,随着锚杆预紧力的增大,强化系数逐渐增加,锚杆预紧力对锚固体峰后残余强度的强化大于对锚固体峰值强度的强化。锚固体的应变-应力全程曲线与锚杆受力存在着对应关系,锚固体屈服之前,锚杆受力增加缓慢;屈服点之后,受力急剧增加;峰后软化阶段锚杆受力逐渐增加,摩擦阶段锚杆受力处在不断的调整下降中。预紧力一定时,岩体强度越高,锚杆受力增加幅度越小;岩体强度一定时,高预紧力锚杆受力增幅较小;软弱岩层破坏后,锚杆载荷的损失比坚硬岩层大,预紧力锚杆对软弱岩层的作用比坚硬岩层明显。现场实践表明,提高锚杆预紧力能够有效控制围岩的变形。

煤岩组合体破坏过程RFPA^(2D)数值模拟

为研究不同组合条件下煤岩组合体的力学特性及破坏过程,使用RFPA^(2D)软件,采用位移加载方式,对不同倾角、围压下的煤岩组合体进行数值模拟,研究单轴和三轴条件下不同煤岩组合体的破坏机制,分析了围压、倾角对煤岩组合体强度的影响.研究表明:单轴压缩时煤岩组合体的强度接近煤体的单轴破坏强度.三轴压缩时煤岩组合体的强度随着倾角的增大先缓慢降低后迅速降低.围压越大组合体强度越高,但强度提高值随着围压的增大降低.煤岩组合体的内摩擦角随着倾角的增大减小,内聚力随着倾角的增大均先增大后减小.组合体单轴压缩破裂情况基本相同,破坏基元主要分布于煤体中,三轴压缩时组合体的破裂出现了3种情况.

煤岩组合体分级循环加卸载力学特性的实验研究

使用MTS815岩石力学实验系统,对煤岩组合体进行单轴分级循环加卸载实验,对煤岩组合体在分级循环加卸载实验条件下的力学特性进行分析。研究结果表明:在单轴分级循环加卸载实验条件下,煤岩组合体破坏以剪切破坏机制为主;与单轴抗压强度实验结果相比,在单轴分级循环加卸载作用下,煤岩组合体内部微观裂纹得到扩展,试样的整体强度降低,试样破坏更彻底;在分级加卸载过程第1阶段中,煤岩组合体单循环应变曲线及能耗曲线呈现先骤然下降然后平缓下降的趋势,初始应力与耗散能和应变呈现正相关关系。

不同倾角组合煤岩体的强度与破坏机制研究

对4种不同倾角组合煤岩体进行了试验和数值模拟研究,获得了单轴和三轴压缩条件下组合煤岩体的宏观破坏机制,并分析了煤岩组合体中煤、岩不同倾角交界面对煤岩组合体整体变形破坏的影响。研究表明,单轴荷载条件下煤岩组合体的破坏强度随着组合倾角的增加而出现先微小减小,而后迅速减小;同种倾角条件下,煤岩组合体的破坏强度随着围压的升高而逐渐升高,并且煤岩组合体的倾角越小,破坏强度升高的速率越慢,而倾角越大,升高的速率越快,可见围压对于大倾角裂隙的抑制作用更明显。通过三轴试验获得了煤岩组合体整体结构的黏聚力和内摩擦角,其中组合体黏聚力随着倾角的增加而逐渐减小,但内摩擦角变化规律不明显。通过扩展有限元对试验结果进行了模拟验证,发现随着倾角由0°增加到60°,外力功、屈服应力和弹性应变能都在下降,当倾角超过45°～50°后,外力功和屈服应力将与弹性应变能出现背离,这是煤岩组合体的变形破坏机制由剪切变形机制逐渐转化为界面滑移破坏机制重要标志。

深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生Ⅱ类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生Ⅱ类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部:单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。

基于钻杆推力法及钻杆扭矩法预测冲击地压试验研究

建立了钻杆力学模型,得出钻杆推力、扭矩与煤体应力之间的关系。分析表明:钻屑过程中,煤体应力增大时,钻杆扭矩增大,钻杆推力减小;煤体强度增大时,钻杆扭矩增加,钻杆推力增大。利用新型钻削设备及推力、扭矩测试装置模拟井下条件进行试验,得到了不同轴压、围压下钻杆推力平均值、扭矩平均值与煤体应力之间的变化规律。试验结果表明:相同的钻机设备不变,外界其它因素一定时,对同种煤岩性质的试件进行钻削,钻杆推力与煤体应力为负相关关系;钻杆扭矩与煤体应力为正相关关系。通过测试钻杆推力和扭矩的实验数值,反演出煤体应力的大小,进而可以预测冲击地压的危险性,研究结果可为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。

充填材料及其强度研究

充填开采是煤矿保水开采的重要技术,充填材料的强度决定着充填尺寸和充填效果,也决定着充填工艺和充填成本,是充填开采的关键因素。为此,分析了煤矿充填开采充填材料的研究和应用进展,总结了膏体材料的力学特点和强度性能,分析了充填开采对充填材料早期强度和后期强度的要求,提出了确定充填材料强度的方法。

不同强弱组合下岩-煤-岩串联模型的破坏特征(英文)

针对不同强度煤、岩单元建立4种不同强弱组合的岩-煤-岩三元体串联模型。通过对强-弱交界面的应力状态分析,建立交界面附近区域强、弱体的三轴压缩强度;基于三维快速朗格朗日元法,强、弱体均采用Coulomb-Mohr剪切破坏和拉伸破坏的复合应变软化模型,数值模拟4种不同组合三元体模型在不同围压下的应力-应变曲线特征,分析不同组合的剪切破坏带及塑性破坏区随围压的变化趋势。结果表明:强-弱组合体交界面的层间约束作用会派生出附加应力,导致交界面附近区域强体强度变弱,弱体强度增强;弱胶结软岩体和煤体在单轴压缩下呈现拉剪破坏,表现出明显的应变软化行为,随着围压的增大,拉伸破坏消失,向整体剪切破坏发展,但不同组合下的破坏带数目及破坏区域不同。该研究对地震、岩爆、矿山冲击地压等灾害机理研究具有重要指导意义。

松软破碎煤体小煤柱护巷高预紧力强力锚杆锚索支护研究与应用

小煤柱护巷是工作面上风巷普遍采用的一种布置方式。但随着煤矿地质条件的不断恶化,采用小煤柱护巷技术的巷道变形量明显加大,难以满足生产要求。介绍了常村煤矿在该类巷道中采用最新开发的高预紧力强力锚杆锚索支护系统,有效地控制了巷道的强烈变形,为类似巷道推广该项技术提供了有益的参考。

采场前方应力分布参数的分析与模拟计算

从微观岩体力学模型入手,分析了采场前方应力集中峰位置分布计算公式中的煤体强度a0,应力集中系数k和摩擦因素fs等3个关键参数,指出它们是随着工作面推进而动态变化的参数;确定了公式中a0在不同区段的取值(如破坏区、塑性区和弹性区依次取值为σc*,σ-c和σc)和计算公式,指出σc*,σ-c和σc等3个值之间存在过渡数值.在此基础上,进行了相关模拟计算和对比分析,结果显示,工作面推进过程中出现的破碎区宽度大于塑性区宽度.

河南省煤田构造格局对煤层气储层物性和渗流特征的影响

为了查明河南省不同构造区内二1煤层中气体的流动特征和煤体受构造变形分异后的独特性,采用实验数据分析、瓦斯地质和渗流学理论,研究煤中孔容分布、孔径受应力影响后的变化以及煤体强度受构造应力作用下的变形和破坏特点。结果表明,煤层中甲烷连续流型占优的排序为:太行构造区、崤熊构造区、嵩萁构造区。煤中甲烷流型差异受区域构造变形体制控制,太行构造区的拉伸变形导致煤体强度值域分布广,最大体应变大于其他区域;嵩萁构造区的重力滑动、剪切和伸展变形使煤体强度和孔隙率最低、最大体应变最小;崤熊构造区内煤体的最大体应变介于两者之间。该结论对河南省煤层气开发有指导意义。

煤体吸附瓦斯与煤体强度的关系研究

采用自主研制的由放置试样的装置、压力加载装置和强度测定装置组成MDS-200型煤岩三轴应力渗透试验台,针对取自象山井田、燎原井田和桑树坪井田的3号、5号和11号煤层的试验样品进行煤体吸附瓦斯与强度关系的试验。结果表明:①煤体的杨氏模量和单轴抗压强度均随着吸附瓦斯压力的增加而逐渐呈线性衰减;②不同的煤种在同等吸附瓦斯压力下,杨氏模量和单轴抗压强度也是不相同的;③试验结果表明,含较高压力瓦斯的煤体更容易破坏。

充填体强度形成速率与工作面推进速度的关系

针对新阳煤矿采空区高浓度胶结充填开采的地质生产特点,根据胶结充填材料强度形成过程与凝结时间的关系特性,将充填体所在区域沿工作面推进方向分为强度增长区和强度恒定区2个区域,在此基础上建立了"煤壁—支架—充填体"联合支撑的顶板梁结构力学模型。对顶板岩梁各段的受力进行分析,求得顶板岩梁剪力和弯矩的表达式以及岩梁两固支端的支座反力和弯矩。探讨了胶结充填材料强度形成速度与工作面推进速度之间的关系,根据充填开采极限跨距的概念以及充填材料强度形成的时间关系,计算了工作面推进速度与充填体强度形成速度之间的关系。研究结果表明:岩梁最大剪力处和最大弯矩处均位于岩梁与煤壁的交点处即岩梁煤壁端;工作面支架的工作阻力和充填体的支撑能力对顶板岩梁剪力和弯矩的分布影响较大;新阳煤矿10203工作面合理推进速度为3.2 m/d,每天割煤4刀。

公路下压煤巷式似膏体充填开采暂留煤柱合理宽度优化

通过分析巷式似膏体充填开采过程中的矿山压力时空演化规律,阐述了巷式似膏体充填暂留煤柱、充填体在采充过程中的承载演化机制和特性,得到了对充填体极限强度的要求。由此计算得出不同宽度暂留煤柱平均应力,利用煤柱强度理论,计算得到暂留煤柱宽度的合理范围、充填体承受的极限载荷。最后校核充填体强度,采用数值模拟检验并优化暂留煤柱宽度,最终确定了合理的暂留煤柱宽度。

纵向底门煤炭漏斗车车体FEA与强度试验

以新型煤炭漏斗车车体研究对象,把物理模型转化成有限元模型,对该车体空车和重车工况分别进行了有限元静强度分析、刚度分析.同时按照《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》进行了样车强度刚度实验,并将计算出的结果与样车的测试结果进行了对比分析,对比结果不仅验证了数值计算的可靠性,而且为进一步在设计期间的车辆疲劳寿命预测提供了基础数据.

涂抹蜂蜜水增强卫生陶瓷坯体强度的研究

建立了一种提高卫生陶瓷坯体强度的实验方法。在卫生陶瓷坯体表面涂抹一定量蜂蜜水,干燥后采用三点弯曲法测试其抗弯强度。采用正交试验法优化了增强坯体强度的蜂蜜与水的配比,讨论了蜂蜜种类、实验温度及坯体干湿等对坯体强度的影响。结果表明:在卫生陶瓷坯体表面涂抹蜂蜜水可显著提高坯体的抗折强度,有效减少卫生陶瓷生坯破损及脚边、水箱口等位置开裂缺陷,当蜂蜜与水质量比为40:60时,对坯体增强效果最佳。

高掺量粉煤灰混凝土的研究与应用

采用高掺量粉煤灰和优质混凝土外加剂配制低水泥用量混凝土 ,水泥水化热低 ,混凝土可施工性强 ,体积稳定性高 ,强度力学性能完全满足设计要求 ,耐久性好。工程应用表明 ,采用这种混凝土可节省水泥用量30 %左右 ,缩短施工周期1/3 ,减少模板配置量30% ,节省工程造价约62元/ ,技术经济效益显著。