浅谈如何提高学生对深部采场动力灾害的认识*

煤矿进入深部开采后,深部采场动力灾害是必然要面临的关键问题,也是动力灾害防治方向学生要深刻理解和把握基本知识之一,更是老师应该努力教好的主要课程之一。因此,如何提高在本方向上的教学效果,是急需探讨的问题之一。本文主要从深入理解动力灾害的发生机制、掌握研究动力灾害的方法及探究动力灾害防控的措施等方面浅谈自己的理解。本文提出的教学内容不仅能够使学生对本方向有更深入的理解,也能够提高学生理解问题、认识问题的效率,更有利于学生解决今后遇到的相似科研问题,最终达到老师课堂教学中“授之以鱼和授之以渔”的目的和效果。

地方院校国家重点实验室对本科教学作用

高校实验室是本科教育教学中的重要组成部分,同时也是构成高校基础实验与科研辅助体系的不可或缺一环,直接承担着专业教学、学科实验与研究的重任。近年来随着地方本科院校基础教育教学与科学研究的持续推进,实验室的建设及其现实作用也愈发突出。对于提高专业学生教学质量、学科创造思维的养成与科研严谨精神等意义重大。其中,国家级重点实验室在硬件设施建设和软件环境优化层面具备独有的资源优势,有利于专业学生更好地把握学科前沿动态,培养创新思维和团队协作精神。鉴于此,文章结合本校近两年领域内建设实际,进一步探究归纳国家重点实验室对于本科教学与专业学科管理的优越性,并立足现实不足提出些许改进建议。

国家重点实验室对地方高校学科建设和本科生培养的作用探析

国家重点实验室是开展基础科学研究、聚集和培养优秀科研人才的科研实验机构,同时也是支撑学科建设的重要平台,促进多学科交叉融合。学科建设和人才培养是地方高校发展的核心和根本任务。国家重点实验室建设运行对地方高校特色办学与内涵式发展具有引领带动作用。文章以安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室为对象,阐述其建设运行情况,总结分析了国家重点实验室对地方高校学科建设和本科生培养的作用,为类似地方高校建设提供借鉴参考。

高校实验室安全风险管理系统动力学仿真与应用

采用系统动力学(system dynamics,SD)建模理论,将实验室安全风险管理视为一个系统,以实验管理相关人员、环境、设备设施及管理作为子系统,解析子系统的多异质风险因素,构建实验室安全风险管理SD模型,并以某高校矿山与地下工程测量实验室为例进行演化模拟与仿真验证。结果表明,SD模型可以动态模拟实验室安全管理水平演变态势,通过调控对应子系统的安全投入占比可甄别最优投入方案,求解出各子系统对实验室安全风险管理总水平的实际贡献率,进而重点防范和管控子系统的风险因素,可为高校精准识别实验室安全投入方向和制定管理决策提供新路径。

循环冲击作用下冻融红砂岩动力学特性与损伤机理

为探索循环动力扰动作用下冻融岩体的强度和变形特性及损伤机理,开展了两种冲击气压下冻融红砂岩的循环冲击试验,研究了循环冲击次数和冻融次数对应力波传播、动态应力-应变曲线、峰值应力和峰值应变的影响规律;基于Lemaitre应变等效原理,提出了能够综合考虑循环冲击和冻融影响的累积损伤因子的计算方法,分析了冻融和循环冲击作用后红砂岩的微观结构特征。结果表明:循环冲击荷载下不同冻融次数处理后的红砂岩试样均呈拉伸破坏模式;红砂岩试样可承受的循环冲击次数与冻融次数呈负相关,冻融75次后试样在首次冲击后即达到破坏状态;循环冲击次数主要影响透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅以及反射波的振幅,而冻融循环次数对第一次冲击时透射波的起跳点、峰值点对应的横坐标和振幅影响较大;红砂岩试样累积损伤因子与动态峰值应力呈现较好的负相关变化规律;冻融和循环冲击复合作用后红砂岩内部裂纹沿颗粒边界扩展且与孔洞连接形成较为复杂的网络。

极近距离煤层群重复采动围岩力学特征研究与应用

采用相似材料模拟、数值模拟和现场应用的综合方法对极近距离煤层群重复采动极易引发动力灾害问题进行了研究。结果表明:煤层群重复采动过程中下伏工作面推进至85m时顶板与上伏工作面采空区出现贯通,导致下工作面周期来压呈不规律现象;下伏工作面前垮落角随着工作面的推进整体呈下降的趋势,后垮落角呈上升的趋势,且都在工作面推进至85m左右时角度发生明显变化;与初次采动相比,重复采动过程中应力集中程度相对缓和,卸压区域影响范围较大,当工作面推进至初次采动工作面煤柱影响区附近时,容易引发应力急剧增长及强动压现象。提出了'时间-空间-强度'相统一的极近距离煤层群重复采动条件下工作面强动压现象防范措施,保障了工作面的安全生产。

深部高瓦斯煤层大巷揭煤区域防突技术

针对顾北矿南翼轨道大巷揭煤问题进行了区域性防突技术与应用研究。首先由巷道掘进工作面向前方钻孔,探测工作面前方煤岩体赋存情况;其次通过监测瓦斯压力和瓦斯含量及煤体强度的方法对煤体的突出危险性进行了预测,确定了巷道工作面前方煤体为突出煤体;提出了地面与井下联合洗煤的区域防突技术,对顾北矿南翼轨道大巷进行了消突,并对区域消突效果进行了检验,最终顺利实施了大巷揭煤。研究结果表明,地面和井下联合洗煤区域防突技术,有效地防止了煤与瓦斯突出现象的发生,具有较高的社会效益和推广应用价值。

井壁破裂与内部应变状态机理分析

为研究立井井壁破裂与内部应变之间的相互规律,搭建井壁实物模型以模拟井壁受力破裂过程和状态,利用分布式光纤技术对井壁内部应变进行监测,并分别从应力和应变多角度进行深入分析.结果表明:对于应变状态,当施加应力增大,井壁应变程度也随之增大,应变极大值所对应的井壁位置,其应变程度在范围内达到最大,破裂风险也就最高;对于应力作用,不同应力下井壁应变最大值与最小值之间的偏差度越大,井壁稳定性越差,越容易发生破裂;分析了应力、应变二者相互关联性,拟合各方向角所对应的井壁位置应变变化的线性方程,变化率数值越大,井壁应变增长速度就越快,当应变值超过所能承受极限时,井壁会更容易发生破裂;通过对井壁应变数据监测,分析了应变差值、偏差度和应变变化率,结合Lamé公式,建立了井壁应变破裂关系模型,为井壁破裂预警提供了新方案.

井筒提升机数字孪生系统研究

为解决矿井提升系统虚拟化、数字化程度低的问题,提出基于数字孪生的井筒提升机数字化建模三维可视化与虚实交互的方法。面向井筒提升机系统,基于数字孪生五维模型框架,分析设备运行机理,对井筒提升机进行全物理属性的数字化系统建模。构建多维多尺度模型和多维异构数据模型,搭建孪生数字场景,结合虚实映射技术实现虚拟、物理场景两者的动态映射与虚实交互。以Unity3D虚拟引擎来搭建平台,集成上述功能,实现系统的数字化虚实映射与三维可视化。以某井筒提升机为应用对象,设计并开发了井筒提升机数字孪生系统,为井筒提升机数字孪生模型构建方法的实现提供了参考。

裂缝小目标缺陷的轻量化检测方法

及时且准确捕获井壁出现的微小裂缝,对于井筒安全意义重大.轻量化检测模型是推动井壁裂缝自动检测的关键,打破现有方法聚焦于提取深层语义信息的局限,重视浅层特征表征的几何结构信息的应用,针对井壁裂缝提出轻量化检测模型E-YOLOv5s.首先融合普通卷积、深度可分离卷积和ECA注意力机制设计轻量化卷积模块ECAConv,再引入跳跃链接构建特征综合提取单元E-C3,得到骨干网络ECSP-Darknet53,它负责显著降低网络参数,同时增强对裂缝深层特征的提取能力.然后设计特征融合模块ECACSP,利用多组ECAConv和ECACSP模块组建细颈部特征融合模块E-Neck,旨在充分融合裂缝小目标的几何信息和表征裂缝开裂程度的语义信息,同时加快网络推理速度.实验表明,E-YOLOv5s在自制井壁数据集上的检测精度相较YOLOv5s提升了4.0%,同时模型参数量和GFLOPs分别降低了44.9%、43.7%.E-YOLOv5s有助于推动井壁裂缝自动检测的应用.

ECC-YOLO:一种改进的钢材表面缺陷检测方法

针对当前钢材表面缺陷检测效率低、检测精度差的问题,提出了一个模型,命名为ECC-YOLO,基于YOLOv7的钢材表面缺陷检测。首先,为了提高主干网络特征图信息表征能力,引入了特征增强模块ConvNeXt,通过融合深度可分离卷积、大核卷积,增强模型对细小裂缝的特征提取能力,其次设计了C2fFB模块,在增强目标特征信息的提取能力同时,显著降低了模型的计算量和参数复杂性。最后借助ECA注意力机制设计出MPCE模块,削弱复杂背景信息对钢表面缺陷检测的干扰,提升检测效率。最后,广泛的实验结果表明,ECC-YOLO在NEU-DET数据集上,该模型的mAP达到77.2%,相较于YOLOv7,ECC-YOLO的检测精度提高了10.1%,模型参数量减9.3%,该模型在钢表面缺陷检测中具有较好的综合性能。

巨厚岩层采场关键工作面防冲-减震设计

为避免巨厚岩层运动诱发井下冲击和造成地面建(构)筑物震动损害,以山东某巨厚岩层矿井为研究背景,采用现场监测、理论分析和工程实践等手段,探讨兼顾地面建(构)筑物减震和井下防冲的关键工作面设计方法。研究结果表明:孤岛工作面两侧的采动程度不同,非充分采动区上覆高位悬顶巨厚砾岩及其底部孤岛煤岩柱形成不对称"Γ"型覆岩空间结构;巨厚岩层开采条件下存在一个关键工作面,以工作面整体稳定性和矿震引起地面建(构)筑物的震动损害作为主要评估指标可确定关键工作面及其防冲-减震开采优化方法;在开采设计中采用上述方法可最终确定合理的开采方案,并取得较好的实践效果。

基于永磁涡流传动的长距离带式输送机启动特性研究

针对矿用带式输送机启动过程易出现打滑、淤带和断带等问题,基于永磁涡流传动技术,将双盘式磁力耦合器作为带式输送机的驱动装置,建立双盘式磁力耦合器动态数学模型,运用AMEsim软件搭建带式输送机系统仿真模型,设置启动时间分别为60、80和100 s,采用Harrison控制曲线启动时,研究带式输送机满载启动时机头、机尾部输送带的速度特性和张力特性,张紧装置位移特性以及双盘式磁力耦合器调速气隙特性,仿真结果表明:当启动时间为60 s时,带式输送机输送带速度波动大,动张力明显,尾部输送带最大张力达到29 kN,启动过程不平稳;双盘式磁力耦合器调速时,气隙变化与带式输送机启动速度变化趋势相反,启动过程气隙从22 mm减小到4 mm;当启动时间为80 s和100 s时,带式输送机启动过程相对平稳,速度和张紧装置位移波动小,尾部输送带张力波动幅度分别为5 kN和3 kN;带式输送机启动过程存在最佳启动时间,继续延长时间,对带式输送机启动特性影响越来越小,80 s可作为合理启动时间。

高温条件下砂岩动态力学特性试验研究

为研究实时高温作用对岩石动态力学性能的影响,利用50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置及高温环境箱,对砂岩试件进行了常温个温度等级的冲击压缩试验,得到了不同温度砂岩试件的动态应力、应变、弹性模量和应变率等(25℃)、100℃、200℃、400℃、600℃、800℃和1 000℃7,分析了温度变化对砂岩动态力学性能和破坏形态的影响规律。试验结果表明:高温条件下砂岩试件的动态力学性能比其常温状态下发生了显著变化。随着作用温度的升高,砂岩试件的动态抗压强度表现为先增大后减小,峰值应变呈线性增加,弹性模量整体呈二次抛物线下降,平均应变率呈二次抛物线增加;试件受冲击破碎程度随作用温度的升高表现为先减少再逐渐增大的趋势,其动态破坏特征也反映了砂岩试件的强度特征。

大断层控制采场水平应力演化与矿震关系研究

以河北某矿典型大断层控制采场为背景,采用理论分析、数值模拟、现场实践等方法,探索大断层控制采场水平应力演化规律及其与矿震发生的关系,并提出相应的减震开采设计方法,建立关键层水平集中力近似估算模型。研究结果表明:开采覆岩破裂运动伴随水平应力释放和转移的演化过程,采场周围存在明显的水平应力"增压(载)区"和"卸压(载)区",持力层的水平应力集中主要来源于覆岩破裂区水平应力释放;水平集中力能够在顶板两端形成"反力矩",阻止其支承端部拉伸破坏并增加极限跨度,是形成关键层大范围悬顶和诱发强矿震的主要原因;采用"窄工作面+条带开采技术+合理开采强度"开采设计,能降低水平应力转移程度,从而实现控制顶板运动和矿震防控的目的。

刮板输送机磁力软启动及功率平衡控制研究

针对刮板输送机现用软启动装置的缺陷,提出了一种用于刮板输送机磁力软启动装置,具有缓冲启动、环保、节能等优点。依据磁力软启动的工作原理,分析了将其运用于刮板输送机软启动的可行性。基于电机电流设计功率平衡方案,利用MATLAB/Simulink建立仿真模型,对控制系统进行仿真,并分析在电机负载突变情况下的功率平衡控制。

岩土工程风动注浆系统设计与应用

目前的注浆设备一般采用电驱动,在高瓦斯、易发火、空间狭小条件下使用具有安全隐患,在富水岩层中注浆效果差。通过对注浆浆液扩散情况进行分析,提出调压注浆工艺;在此基础上,根据风驱动特点,改变动力装置,优化打孔拌料注浆等工序,进行注浆设计;研制了风动注浆系统(排水、拌料、注浆、现场评估四个部分),并系统的介绍注浆系统的结构、功能及步骤,具有连续、便携、注浆稳定、注入浆液稳定等特性。以贵州省龙潭组地层中某软岩巷道围岩变形治理为工程背景,结果表明注浆效果良好,效率显著提高;研究成果对注浆工程的应用具有一定的指导作用。

深井煤层底板卸荷扰动应力场展布形态研究

采用综合研究方法分析了煤层回采后底板岩层应力场变化特征和空间分布规律,结果表明:工作面回采初期,煤壁前方及开切眼附近最大主应力近似等于垂直应力,似"球根"状向底板岩层传播,高剪应力斜向采空区两侧未采煤层底板传播,并迅速衰减,水平应力集中程度微弱;工作面继续回采,围岩最大主应力场急剧偏转,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,垂直应力峰值线是深入煤体斜向工作面底板岩层按负指数规律衰减的曲线,采场附近垂直应力等值线升高区呈"耳"型分布,工作面后方采空区底板岩层出现滞后卸压现象,垂直应力等值线最终趋于"平底型"分布,卸压范围呈现倒"八"字型;煤层底板应力场具有继承相关性,且煤层底板方向应力场衰减速率远大于煤层顶板岩层。附加水平应力和剪应力沿采空区边缘在浅部岩层出现高度集中现象,之后急剧耗散。力学场偏转伴生出的拉应力、膨胀应力、挤压应力联合作用是底板岩层运动(底臌)的本质力源,煤壁前方底板岩层存在微弱的扰动变形,底板岩层裂纹势必超前起裂。

基于Maxwell环境温度对永磁电机起动性能影响研究

为研究矿井下环境温度对永磁电机的起动性能影响。以一台75 kW、10极、60槽的永磁电机为研究对象,建立环境温度与永磁电机的起动转矩、启动电流以及效率等起动过程的数学模型,再采用有限元方法对其进行仿真研究,设置环境温度0℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、70℃对永磁电机的磁感应强度大小分析,着重分析环境温度对永磁电机起动转矩过程和三相电流以及起动过程效率。随着温度升高,起动转矩、起动电流以及效率变化不大,但处于上升趋势。实验表明,环境温度对永磁电机的起动过程影响较小。

内管外腔型超磁致伸缩致动器传热分析

为了降低温升对超磁致伸缩致动器工作性能的影响,提出了一种采用内管外腔式的超磁致伸缩致动器水冷结构。基于热阻定律建立其传热模型,分析了影响超磁致伸缩材料棒温度的因素,对超磁致伸缩致动器稳态时的温度进行了仿真分析。结果表明,虽然超磁致伸缩致动器的温度随着电流强度的增大而升高,但是采用强制水冷可以有效地控制温升,且温升随着冷却水入口流速的增大而减小,当冷却水入口流速为3 m/s时,超磁致伸缩材料棒的热变形量不大于0.09μm。