矿山压力对煤矿瓦斯涌出影响实验分析及其控制

为了在室内再现工作面煤岩瓦斯涌出量随开采过程矿山压力变化的响应过程,利用自主研发的温度-压力耦合气体运移实验系统,进行了应力状态改变下的气体解吸-运移室内模拟实验。实验中在恒温条件下对煤样进行单轴压缩破坏和施加围压两个应力变化过程,实验全过程实时监测逸出气体压力、流量,并抽样检测气体浓度和成分。实验结果表明逸出气体压力和流量随应力状态变化相应明显:气体在样品破坏和围压降低瞬间出现了负压现象;逸出气体流量与应力状态变化呈近似正相关规律且流量变化略滞后于应力状态改变。结合现场经验提出了以"短壁梁理论"为基础的110工法的矿山压力控制对策,以唐山沟8820工作面液压支架压力监测情况为例展示了其对周期来压的控制效果。

孤岛工作面动力灾害预防控制方法研究

为研究孤岛工作面安全开采方法,理论分析其动力灾害多发的岩层运动及应力条件,并提出其安全开采的准则。认为只要合理设计开采参数,就可以避免孤岛工作面动力灾害的发生。分析表明:孤岛工作面长度大于相邻工作面支承压力影响范围之和时,孤岛工作面支承压力无法叠加,工作面较安全;相邻工作面长度大于关键层断裂步距时,覆岩关键层可充分塌垮,孤岛工作面无动压冲击危险;在稳定的内应力场开掘回采巷道时,回采巷道无冲击危险。

“实用矿山压力控制”的理论和模型

当前发展和完善"实用矿山压力控制"理论和相关决策模型的建设,以此为基础充分利用现代化信息技术发展的成就,实现煤矿安全高效生产、控制相关环境灾害的决策和实施监控的信息化、智能化和可视化。把主要依靠统计经验决策条例监控的传统管理模式,推进到针对具体煤层条件科学定量即智能化管理的发展阶段意义重大。论文介绍了我国采矿科技工作者和生产现场同志,在近十年来研究实践基础上发展和不断完善的"实用矿山压力控制"理论要点和相应决策模型,包括描述采场推进覆岩运动和围岩应力分布的时空状态的"动态结构力学模型"和以此为基础的重大事故灾害控制决策的"物理力学模型"建设的成就以及当前在"使用矿山压力控制"理论发展的应用成就基础上推动的"无煤柱开采技术"突破的要点。

深部沿空巷道巷旁支护失稳机制与降能控制方法

侧向基本顶断裂下沉引起的巷旁支护体能量积聚及其突发释放是导致深部沿空巷道围岩失稳破坏的根源之一。以山东泰安孙村煤矿千米埋深工作面开采为工程背景,利用UDEC离散元数值模拟软件获得了实际工程条件下沿空巷道围岩能量演化规律,以及巷旁支护体宽度、侧向基本顶厚度和断裂长度等因素对沿空巷道围岩能量演化规律影响特征。在此基础上,基于顶板横向断裂边缘的弧形三角板结构,建立了沿空巷道侧向顶板结构力学模型,分析了不同采动阶段巷旁支护体的力学状态,揭示了侧向基本顶断裂下沉引起支护体动力失稳机理,获得了支护体发生动力失稳的能量判据N,并以此为指标提出了“降低外部冲击能量+改变内部承载性能”的巷旁支护体稳定性降能控制方法。当N≥1时,支护体内积聚的弹性变形能与侧向基本顶断裂所带来的新增变形能之和大于支护体完全破碎需要消耗的能量,支护体内部弹性能积聚较大,自承载能力发挥不足,支护体将发生动力失稳;反之,当N<1时,支护体不会发生动力失稳现象。现场实践表明,所建立的动力失稳能量判据与实际结果相吻合,采用降能控制方法后,沿空巷道顶底板移近量、两帮移近量最大值分别114和123 mm,锚索受力相对值最终稳定为50 kN左右,巷旁充填体冲击破坏现象基本消除,稳定性明显提高,控制效果显著。

应力-渗流耦合作用下不同卸荷路径对砂岩损伤特性及能量演化规律的影响研究

岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象,受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响,明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制,针对应力-渗流耦合因素影响下岩石损伤特性及能量演化规律研究较少的特点,采用Rock Top多场耦合试验仪,在应力-渗流耦合作用下对砂岩开展了常规三轴(C组)、不同初始损伤程度常规卸围压(W组)及循环加卸围压(X组)3种应力路径下的岩石损伤特性及能量演化规律试验研究。试验结果表明:岩石能量演化规律与应力-应变曲线具有明显相关性,基于岩石弹性应变能演化特征,将常规三轴压缩(C组)下岩石应力-应变曲线分为5个阶段,并对每个阶段U_(1)、U_(3)、U_(e)、U_(d)及渗透率变化特点进行了详细阐释(U_(e)为弹性应变能,U_(d)为耗散能,U_(1)为轴向应力对岩石做正功转化的岩石应变能,U_(3)为做负功所释放的应变能);常规卸围压过程中,U_(1)、U_(3)演化规律与C组岩石基本一致,但U_(3)负增长更为显著,岩石输入能逐渐从以U_(e)为主导转变为以U_(d)为主导,初始损伤程度对该规律无明显影响,卸围压过程中渗透率呈波动上升趋势,围压与渗透率呈负相关;循环加卸围压过程中,各能量演化规律与W组岩石基本一致,仅因时间效应而导致能量积累量存有差异。整体来看,无论何种应力路径,峰前阶段岩石均以U_(e)为主导,以能量存储为主,峰后阶段则以能量释放及耗散为主,轴向应力加载是U_(e)得以快速积累的主要影响因素,围压改变不足以引起U_(e)发生较大变化,轴向载荷作用为工程致灾的主要影响因素。此外,岩石损伤变量与围压存在明显负相关,围压越大,岩石U_(e)释放比例越小,岩石损伤越小,围压束缚作用可有效提高岩石储能能力并抑制岩石能量的耗散与释放。

煤孔裂隙多尺度表征及其对渗透率的影响分析——以中国14个大型煤炭基地为例

为探究煤体不同尺度孔裂隙特征及其对渗透率的影响,从我国14个大型煤炭基地分别取样,进行氮气吸附、压汞和CT实验,并将CT扫描后的煤样进行渗流实验。结果表明,各煤样中微孔和过渡孔多为封闭孔,连通性差,不利于渗流的进行。r=10 nm和r=100μm的孔裂隙体积占比相对较大,贡献了煤体大部分孔隙率,S2和S3中的大尺度平行板孔隙为渗流提供了充足的空间。通过划分3种实验表征的优势孔径段,提出了综合表征孔隙率和分形维数的方法,得到各煤样的孔隙率范围为1.62%~11.60%,分形维数范围为2.29~2.78。煤样渗透率在0.0002×10^(-15)~0.6525×10^(-15)m^(2)之间,以中低渗为主。r<50 nm、50 nm≤r≤8.5μm和r>8.5μm的孔隙率分量与渗透率的关系分别为y=0.2741x-0.0781、y=0.0674x+0.0237和y=0.0039x^(2.5986),其中r>8.5μm的孔隙率分量与渗透率的相关性最强。相对于氮气吸附和压汞实验,CT实验更适用于分析孔裂隙结构对水渗的影响。

综放工作面粉尘场与雾滴场耦合关系的实验研究

为了得到综放工作面雾滴场与其捕获的粉尘场之间的定量关系,根据模拟综放工作面通风风速的封闭式实验箱,设计了由供水系统、供风系统、测粒系统、测压系统、测尘系统、发尘系统等组成的综放工作面粉尘场与雾滴场耦合关系测试实验平台。采用三维激光多普勒粒子动态分析仪对包括直射喷嘴、单式离心喷嘴、混合式离心喷嘴等目前煤矿普遍使用的六大类压力喷嘴进行了尘雾场耦合实验,即在风机开启时,分别测定释放尘源前后的雾滴粒径,利用Matlab数值分析方法,得到了雾滴粒径在[40,65]、[65,100]、[100,160]μm等3个区间内无尘液滴平均粒径与其捕获尘粒平均粒径之间的拟和函数表达式。提出针对呼吸性粉尘的雾滴最佳捕尘粒径应为[15,70]μm,实现了对喷雾降尘理论的改进与完善。

弱结构巷道围岩变形破坏与非均称控制机理

依据煤系地层围岩弱结构巷道变形破坏的不均衡特征,提出了弱结构体变形破坏的“控制部位”与巷道围岩的“非均称控制”概念;分析了围岩弱结构巷道的非均称控制机理;运用有限元法对弱结构巷道的塑性区分布特征、非均称控制进行了模拟.结果表明:围岩弱结构类型及工程应力环境对巷道围岩破坏区域发育形态及围岩稳定性具有重要影响,弱结构体起着主控作用;侧压系数λ<1时,应尽量选择Ⅱ,Ⅲ,Ⅵ型弱结构类型;λ>1时,应选择Ⅱ,Ⅳ型岩性弱结构类型;λ=1时,依据巷道支护方式不同,应分别选择Ⅰ型或Ⅱ型弱结构类型.

采场上覆关键层破断角的力学推导和实验模拟

为研究采场上覆关键层破断角,基于弹性力学和岩体力学,建立采场上覆关键层破断的梁力学模型,推导得出关键层破断角的计算公式,并通过物理模拟实验进行公式合理性和可靠性的验证。结果表明:(1)理论计算关键层破断角的变化范围为57.5°~71.0°,实验模拟破断角为50°~70°,理论计算结果与实验模拟结果吻合较好,说明理论推导关键层破断角的计算公式具有较高合理性和可靠性;(2)关键层破断角公式说明,关键层破断角与关键层的内摩擦角、抗拉强度、容重、弹性模量、关键层厚度和上覆载荷层的弹性模量、容重和厚度有关。对某一采场覆岩,关键层破断角的变化主要受关键层自身厚度和载荷层厚度的影响;(3)关键层厚度与载荷层厚度比值h/h'<1.5时,关键层破断角随h/h'的增大而减小,载荷层厚度变化对破断角的影响程度大于岩层厚度变化的影响;(4)当h/h'>1.5时,载荷层厚度增大引起关键层破断角减小,关键层厚度增大引起关键层破断角减小,两者对关键层破断角的影响作用相同,关键层厚度变化对关键层破断角的影响程度大于载荷层厚度变化的影响;(5)当h/h'=4时,关键层厚度变化与载荷层厚度变化对破断角的影响程度相同。

综放工作面表面活性剂抑尘实验与应用研究

为了解决综放工作面高浓度粉尘问题,通过对表面活性剂抑尘机理的分析,结合相同条件下不同表面活性剂及复配试剂的接触角、表面张力测定实验,优选出使用方便、抑尘效果好、价格低廉的新型复配抑尘剂,并利用风流增压式液体定量混合装置实现表面活性剂的定量动态混合。实践表明,该复配抑尘剂对工作面粉尘尤其是呼吸性粉尘有较好的抑尘效果。

青岛地铁太延区间爆破振动控制及影响评价

城市浅埋隧道下穿建筑物的爆破施工应加强爆破振动控制。针对青岛地铁3号线太延区间段隧道下穿青岛疗养区供应公司,埋深为7.4 m、围岩IV^V级、地下水丰富等特点,结合先前其他区间段隧道施工经验,对该区段隧道施工进行专项爆破振动控制设计。通过采用大直径中空直眼掏槽和减小单段最大起爆药量,合理布置炮孔间排距、优化爆破网路,对爆破振动速度进行控制。对地上建筑物振动实时监测,爆破振速满足2 cm/s的爆破振速控制标准,振动峰值速度在砖混结构建筑物顶层存在放大效应。此爆破振动控制方案取得了良好的爆破振速控制效果和工程、社会效益,可为类似城市浅埋隧道施工提供参照意义。

建筑垃圾再生微粉胶凝性的实验研究

根据建筑垃圾再生微粉的物理、化学性质,对再生微粉的胶凝性进行研究,针对再生微粉掺量不同的情况进行胶砂实验,比较掺再生微粉的胶砂试件与水泥试件的强度;研究石灰或石膏作为激发剂对再生微粉活性的影响。结果表明:再生微粉具有水化活性,可部分替代水泥作为胶凝材料;再生微粉质量分数为10%的胶砂试件强度与纯水泥的试件强度非常接近;当再生微粉质量分数为30%时,添加质量分数为10%的生石灰或1%的石膏作为激发剂,可有效激发再生微粉的活性。

顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究

为预防顶板离层水突涌产生的安全事故,提出了部分充填方案进行模拟研究。首先通过现有资料总结分析全国发生的多种离层水害事故,深入研究离层积水致灾模式;然后以陕西某矿首采区1307工作面的离层水害事故为例,分析其水文地质条件、上部含水层和离层水突涌的关系,利用3DEC数值软件模拟工作面顶板离层空间发育特征;最后根据该矿的实际情况,提出部分充填开采方式预防离层水突涌的技术措施,并对该矿的部分充填方案进行优化模拟研究。研究结果表明:根据发生条件的不同将离层水突涌划分为5种模式,离层积水过程分为初始积水期、积水至满期和裂隙扩展期;在保持充填率不变的情况下,随着走向采宽和充填宽度的同时同量增加,充填体对上覆岩层支撑作用逐渐增强,离层下部隔水层出现两侧应力增大现象,最佳部分充填方案为采宽80 m,充填宽度80 m,为顶板离层水害的预防提供新的思路。

综放采场顶板透水压力异常规律预测及控制研究

以兖州矿业集团济三煤矿6301工作面5次透水压力异常规律为研究对象,采用理论分析、力学建模及现场观测的方法,通过采场上覆岩层的矿压变化规律预测和现场实测,得出老顶裂断是造成顶板透水事故的主要原因。同时对综采支架的工况进行了分析,掌握了顶板异常压力的变化规律,建立了顶板控制力学模型,制订了综采支架的控制准则,并提出防止透水及顶板压力异常的控制措施,从而为类似条件的矿井安全高效开采提供理论依据。

轴流式通风机噪声控制技术研究

文章结合数值模拟、工业测试等,对以新型材料为主材料的轴流式通风机消声器的空气动力性、适用性进行了研究。研究结果表明:①以改良型类似于玻璃钢新型材料为主材料的消声器具有防腐、质量轻的特点,同时吸音效果较好;②通过ANSYS软件对能量转换型消声器内部流场的流体流动进行数值模拟,得出气流通过消声器时,动压会减少,静压会增加,但动压减少量不等于静压增加量,在消声器几何尺寸不变情况下,速度越大,消声器压力损失量越大,消声器的阻力损失随着穿孔率的增大而增加;③该种消声器的安装对于风机正常运转影响极小,但降噪效果显著。

工程爆破振动有害效应控制的研究

依据精细爆破中定量化设计、精细化施工和精细化管理的理念,结合某地铁车站爆破施工,对爆破振动从爆源、传播路径和保护对象3个方面进行了分析,提出了城市地铁爆破振动有害效应的控制措施,对类似工程爆破具有一定的参考价值。

大采高综放动压巷道窄煤柱沿空掘巷围岩控制

为研究大采高综放工作面窄煤柱沿空掘巷动压巷道矿压控制问题,以宁煤集团羊场湾煤矿2-2特厚煤层130205大采高综放工作面回风巷为工程背景,在原巷道留设35 m护巷煤柱全断面锚索支护已无法维护采掘巷道断面条件下进行窄煤柱研究。采用现场实测、数值模拟和理论预测3者相结合的研究方法,建立了巷道围岩内、外应力场力学结构模型,运用FLAC3D模拟回风巷道5、6、8、10、15 m不同宽度煤柱围岩应力分布规律。理论计算内应力场为9.5~10.3 m,窄煤柱合理宽度为5.14~5.56 m;数值模拟显示0~10 m为低应力区,10~14 m为应力峰值区,14~45 m为应力高值区、缓降区,超过45 m后逐渐趋于原岩应力,煤柱内的支承压力呈单峰分布,通过研究确定护巷煤柱尺寸为6 m。经现场应用得出,6 m窄煤柱回风巷道回采期间两帮最大变形量为241 mm,顶底板最大变形量为92 mm,巷道支护设计合理,窄煤柱注浆效果显著,窄煤柱巷道回采期间整体满足生产要求。

浅埋隧道下穿高压给水管道微振动控制研究

为减小区间隧道爆破作业对地下高压给水管道的扰动,需对其进行微振动控制。针对青岛地铁某区间隧道下穿DN1200高压给水管道,最近距离仅为8.9m、围岩Ⅳ~Ⅴ级的特点,结合爆破施工经验,进行了微振动爆破控制专项设计。通过选用大直径中空孔直眼掏槽、合理选择爆破参数,对爆破振动进行有效控制。同时,对爆破振动进行动态监测,分析爆破振动影响。结果表明：在进尺为750mm时,选用150mm直径中空孔,环形布置掏槽眼,分炮次起爆的情况下,可将振速控制在1cm/s以下,达到良好的减振效果,为类似工程提供了参考。

加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性。为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律。结果表明,不同加卸载方式显著影响着试样损伤程度,按严重程度排序依次是:路径1<路径2<路径3;试样的抗压强度随加卸载速率的增高而较快达到,损伤程度和渗透率增幅却随之增高;随着围压的增高,损伤的时间响应变慢,渗透率最终恢复程度降低,煤体的损伤、渗透特性具有显著的围压效应。能量累计量随时间的变化呈指数函数关系,损伤扩容后相对渗透率k/k_(0)呈幂函数关系。

不同围压下峰后循环载荷对砂岩力学及渗流特性的影响研究

开采扰动导致煤层底板一定范围内岩体处于峰后状态,受相邻巷道开挖及煤层开采作用促使峰后岩体经历循环加−卸载过程,为探究不同地应力环境下峰后循环载荷作用对岩体结构的影响,明晰煤层底板突水等灾害的孕育过程,基于Rock Top多场耦合试验仪对砂岩开展了5、10、15、20、25 MPa围压峰后循环载荷试验研究。研究结果表明:①峰后循环载荷作用之前,岩石单位渗透率均呈快速下降—趋于平稳—突然上升—突然下降—趋于平稳的变化规律,峰后循环阶段,岩石单位渗透率则与轴向载荷近乎呈倒置关系;②岩石弹性模量、裂隙闭合应力、起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力均与围压呈正相关,泊松比则随围压增大呈先增大后减小的变化特点;③5、10 MPa围压下,岩石出现间歇性破坏,脆性破坏特征有所减弱,15、20、25 MPa围压下,岩石脆性破坏特征明显,岩石破坏特征由岩石本身性质所决定;④峰后轴向载荷主要对岩石渗透率增大起促进作用,但该促进作用较围压对岩石渗透率的抑制作用弱,围压为影响岩石峰后渗透率变化的主导因素;⑤不同围压下,岩石均产生了一条贯穿剪切裂纹,但随围压增大,岩石破坏程度逐渐减弱,破坏模式趋于简单。