深部综放开采软岩巷道切顶卸压自成巷技术研究

针对鸟山井田深部综放开采软岩巷道支护难度大的难题,阐释了深部岩层非线性的应力应变特征,在综放面采用切顶卸压自成巷技术,同时采用理论分析、数值模拟和工程试验,研究了深部留巷的可行性,将留巷过程分为三个区并提出了针对性控制对策。将该技术在鸟山煤矿11031综放工作面回风巷道进行现场试验,现场监测结果表明:该巷道从掘进开始到回采结束,顶板下沉量表现出切缝侧大于巷中大于实体煤帮的规律,最大下沉量分别为155,128,81 mm,顶板离层量稳定时约119 mm,数值模拟结果表明切缝后顶板最大下沉量为175mm,有效控制了深部软岩巷道围岩变形,各项监测指标良好,验证了针对该综放面深部留巷设计的正确性。

考虑单轨吊悬吊效应的深部沿空巷道围岩变形特征

为分析单轨吊巷道围岩变形破坏特征,建立巷道单轨吊运输模型,进行相似材料模拟试验。试验结果表明:单轨吊荷载作用下,倾斜煤层巷道上覆岩层主要裂隙带分布于巷道一侧,具有明显的不对称性,并且主要裂隙发育集中在直接顶,说明直接顶岩层是单轨吊荷载的主要承载体;单轨吊巷道围岩相互作用体系可分为巷道断面围岩结构、单轨吊悬吊承载体和联接悬吊结构三部分,单轨吊荷载由各部分相互作用,并经传递和转化,由整个体系承担;对于沿空掘巷悬吊单轨吊支护设计,保持巷道断面围岩结构自身的稳定性是控制断面变形的基础,充分利用巷道上覆岩层大结构的稳定,是提高整个支护体系承载能力的关键。

冻融循环次数对饱水砂岩力学特性的影响分析及预测

为了研究高寒地区冻融循环次数对饱水砂岩物理力学特性的影响,开展了冻融0次、20次、40次和60次四种不同冻融循环次数下西部某露天矿砂岩单轴压缩试验。基于试验结果,分析了冻融循环对砂岩质量、变形及强度等物理力学特性的影响规律。通过分析得到以下结果:随着冻融次数的增加,饱水砂岩质量不断增加,到冻融40次后,砂岩质量趋于稳定;砂岩的应力-应变曲线呈现出四个阶段,峰值强度和弹性模量随着冻融次数增多而呈线性减少的变化趋势。建立了以应变和冻融次数为输入层,应力为输出层,含一个隐含层的神经网络本构模型。通过对比分析冻融60次试验结果,验证了该模型具有良好的适用性。

深部井巷工程高预应力NPR耦合支护技术

深部煤炭资源是未来我国能源安全的重要保证,但受深部“三高一复杂”地质力学环境影响,深部井巷工程岩体大变形失稳问题日渐突出。为解决该问题,以支护-围岩相互作用为突破点,研发了具有高强度、高恒阻、大变形力学特性的系列NPR锚杆/索,构建了NPR锚杆的本构方程,并开展室内和现场综合力学试验,验证了NPR锚杆/索的独特力学特性;分析了NPR支护-围岩相互作用关系,推导了NPR支护岩体本构关系,阐明了采用NPR耦合支护后的开挖补偿力学效应,揭示了高预应力NPR耦合支护机理;结合大强煤矿实际工况,提出了深部泵房吸水井以NPR锚杆/索为核心的集约化硐室群NPR支护技术。数值分析和现场监测数据显示:高预应力NPR耦合支护技术可显著提高支护-围岩的承载特性,有效减小井巷工程岩体塑性区的分布及发展范围;支护后支护-围岩应力场趋于均匀化,围岩整体变形量减小68%以上,确保了深部井巷工程岩体的长期稳定。研究成果可为类似条件下的深部井巷工程稳定性控制提供借鉴。

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为,采用50 mm分离式霍普金森压杆实验系统,对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究,并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面,分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明:围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象;较无围压状态,抗压强度提高3.9~4.2倍,失效应变增大2.59~3.05倍。随着层理角度的增大,煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布,在层理角为45°时均达到最小值;能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布,损伤变量呈现N形分布,在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏(0°)-剪切破坏(30°、45°和60°)-劈裂破坏(90°)的演变过程,所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。

西南地区节理化薄层软岩隧道大变形力学机理及支护控制方法

针对西南山区高地应力软岩隧道支护结构破坏、围岩大变形等问题,以云南昌宁隧道为工程背景,分析了隧道围岩大变形破坏模式及力学机理,开展了软岩隧道NPR锚索应力补偿支护技术应用研究工作。首先采用现场勘查和室内试验的方法,对隧道地质条件及破坏成因进行分析;然后,研究了昌宁隧道影响围岩稳定性的主要控制因素和围岩破坏模式,提出了以NPR锚索为核心的应力补偿支护技术;最后,通过现场试验分析了NPR锚网耦合支护条件下昌宁隧道围岩控制效果。结果表明:岩层挤压弯折和层间剪切滑移是昌宁隧道围岩破坏的主要模式;以NPR锚索为核心的应力补偿支护技术能有效控制隧道围岩初期支护大变形,隧道围岩最大变形量从2150 mm降低到100 mm以内,效果显著。研究成果可为软岩隧道大变形的防治提供参考。

引汉济渭工程秦岭引水隧洞岩爆三维NPR支护技术

针对引汉济渭工程秦岭引水隧洞岭北段频繁产生岩爆灾害、原支护结构破坏等问题,对秦岭引水隧洞岭北段进行地质勘测调查,分析隧道围岩岩爆破坏特征及破坏模式,开展超深隧洞岩爆三维负泊松比(negative Poisson’s ration,NPR)高应力补偿支护体系研究工作。采用现场勘查等方法,对隧道地质条件及岩爆破坏成因进行分析,并采用对比试验的思想设计出秦岭引水隧洞岭北段岩爆监测预警试验方案,提出以微观NPR锚杆为核心的三维NPR高应力补偿支护体系;通过现场试验分析新支护体系下围岩岩爆控制程度及其支护效果。结果表明:以微观NPR锚杆为核心的三维NPR高应力补偿支护体系能有效控制隧道围岩岩爆灾害发生,新支护体系试验段微震能量、频次均明显降低,爆坑深度、钢拱架受力和变形量明显减小。研究成果可为超深隧道岩爆灾害的防治提供参考。

基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理

深部煤炭资源开采的强度和深度不断增加,深部巷道围岩的结构性失稳灾变问题日趋严峻、复杂,严重制约深部煤炭安全高效开采。鉴于深部巷道围岩结构变形失稳的渐进演化过程中释放多物理场响应信息,采用自主研制的深部地下工程结构变形失稳全过程模拟试验系统,配合声发射、并行电法、电磁辐射等监测系统,研究基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理。开展了完整、层状和块状3种结构围岩的破坏性物理模型试验,利用声、电、磁多源信息演化规律对不同结构围岩的荷载-位移全过程进行了定量化评价和多源信息表征,从荷载-位移全程曲线、多源信息响应规律、围岩峰后损伤特性3个角度综合揭示了不同结构围岩的灾变演化及变形失稳机制。研究结果表明:(1)随着围岩完整性的降低,围岩由塑性破坏向脆性破坏转变,其变形破坏过程的波动性和渐进式破坏特征更加显著,层状和块状结构围岩的物理模型峰值承载能力相比于完整结构分别降低4.73%和20.73%;(2)与完整结构围岩的声、电、磁多源信息的连续性响应过程不同,层状和块状结构围岩呈现出阶段式响应规律且特征值更突出,尤其块状结构围岩的阶段跳跃性现象显著;(3)完整、层状和块状结构围岩的裂隙发育区面积依次为448.84、651.76和824.49 cm^(2),即随着围岩结构完整性的降低,裂隙发育区面积不断增大,在本研究中增大范围在1.5~1.9倍;(4)围岩的破坏失稳由完整结构的强度控制型向块状结构的结构控制型转变,而层状结构表现出强度-结构联合控制特征,围岩破坏失稳的结构效应越来越显著。

冲击荷载下含孔洞砂岩的力学特性

通过在分离式霍普金森压杆装置上对含孔洞砂岩试件进行冲击试验,探究孔洞尺寸对砂岩动态力学性能的影响。基于试验结果,首先分析孔洞对砂岩岩样的强度和变形特性的影响规律;其次进行能量分析,揭示反射能量比、透射能量比和能量耗散比受孔径大小的影响;最后利用高速相机记录试件裂纹萌生、扩展、贯通直至破坏的全过程,探讨含不同孔径砂岩的裂纹扩展特征。试验结果表明,含孔洞砂岩岩样的力学参数(峰值应力、峰值应变)均显著低于完整岩样,降低幅度与孔洞直径密切相关,随着孔洞直径的增加,含孔洞砂岩的峰值强度与峰值应变均呈小幅减小趋势;在相同入射能量的条件下,随着孔径的增大,反射能量比增大,透射能量比减小,能量耗散率线性增大;随着孔径的增大,承受冲击加载后的试件其内部形成的贯通裂纹增多,试件的破碎块数也增多,且碎块尺寸减小。

基于正态云模型的深埋地下工程岩爆烈度分级预测研究

岩爆是深埋地下工程开挖建设过程中常见的工程地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测一直是岩石地下工程的世界性难题。针对岩爆烈度评估过程中存在的模糊性和随机性问题,建立了基于德尔菲法和正态云的综合评判模型。在系统分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取岩石单轴抗压强度与抗拉强度比σc/σt、切向应力与岩石单轴抗压强度比σθ/σc、岩石脆性指数Is和弹性变形能指数Wet构建评价指标体系,通过德尔菲科学方法确定其权重系数。基于云模型理论计算各评价因子隶属于岩爆级别的云数字特征,生成正态云滴,实现了岩爆烈度与评价指标值之间的不确定映射,保留了评估过程中的随机性。最后,利用国内外典型岩爆工程实例对所建模型进行检验,其判别结果与实际岩爆等级相符,且准确率高于功效系数法和集对分析理论,表明采用云模型对岩爆烈度进行预测是可行的、有效的。该模型具有较高的准确性和可靠性,能满足工程应用需要,在深埋地下工程岩爆预测中具有良好的工程应用前景。

不同盐水环境下页岩三轴力学及破坏特性试验研究

页岩是深部咸水层二氧化碳封存工程的理想盖层岩石,而不同盐水溶液和围压对盖层页岩力学行为有着较大影响,进而也影响深部咸水层二氧化碳封存工程的安全稳定。因此,对不同盐水溶液浸泡后页岩试样开展了常规三轴压缩试验,分析了其力学参数和破坏特性,结果表明,在不同围压下不同盐水溶液浸泡后页岩试样的峰值强度和弹性模量与干燥试样相比均呈现出不同程度的下降趋势,其中5%NaCl溶液浸泡后对页岩力学参数的劣化影响最为明显,其次是5%K2SO4溶液浸泡后。不同溶液浸泡后页岩试样的破坏模式表现出更多的次生裂纹,而且次生裂纹以沿层理方向为主。结合微观试验进一步分析试样破坏特性,发现盐水溶液浸泡后页岩宏观力学特性出现劣化的主要原因是盐水溶液通过层理面侵入页岩内部,溶解和侵蚀了层理面矿物。最后,结合岩石全应力-应变过程中能量演化规律对页岩试样进行了脆性评价,发现盐水溶液浸泡后页岩试样的脆性指标下降明显且对围压敏感。

灰岩单轴压缩实验室尺度效应研究

尺度效应广泛存在于缺陷材料中,尺度效应根源于材料的非均匀性。而目前尺度效应研究大都沿用混凝土材料强度负幂率尺度效应研究成果。通过细观结构分析发现,岩石材料和混凝土材料存在较大差别。以灰岩为试验材料,通过单轴压缩试验,获得岩石材料的单轴抗压强度与应力–应变曲线等试验数据,进而分析研究岩石材料的尺度效应及其影响因素,得到与混凝土材料不同的尺度效应规律。研究结果表明:灰岩材料内部的缺陷层次直接决定岩样的强度、变形破坏方式等力学性质;每种非均匀岩石材料都存在一个明显的特征尺度,它与岩石材料内部微缺陷的构造层次(微缺陷自身尺度大小及其相对于岩样尺度的大小)密切相关;岩石材料的尺度效应根源于材料的非均匀性,而并非试件与加载端头之间的端部摩擦效应所造成。

深部大断面软岩巷道变形力学机制及耦合支护设计

为解决煤矿深部大断面软岩巷道的支护难题,基于鹤煤九矿-420 m水平变电所地质条件的复杂性和工程重要性,采用现场地质调查、室内试验、理论分析、数值模拟和现场监测等方法,根据深部的概念体系和评价指标对其支护难度进行了评价,根据软岩工程力学理论确定了巷道围岩的类型和变形力学机制,提出了相应的控制对策和具体的支护设计形式、支护参数及合理的施工过程.结果表明:锚网喷+锚索+钢带+底角锚杆耦合支护形式可有效控制深部大断面软岩巷道的大变形,确保巷道的稳定和安全使用.

基于和分解有限变形力学理论的深部软岩巷道开挖大变形数值模拟分析

在深部软岩工程大变形力学分析中,存在2种几何非线性大变形力学理论:和分解有限变形力学理论和极分解有限变形力学理论。介绍自主开发的有限元应用程序"深部软岩工程大变形力学分析设计系统"中和分解增量分析计算模块,给出基于和分解有限变形力学理论的有限元计算方程,并参照Hoek-Brown关于地应力与深度的函数关系,应用该程序中的和分解增量分析计算模块,对某巷道在不同的埋深下进行开挖的巷道围岩大变形进行数值模拟。计算结果表明:巷道围岩顶底板移近量的最大值要远大于巷道两帮收缩量的最大值;顶底板移近量最大值、两帮最大收缩量与埋深均具有良好的线性关系;相对于两帮的收缩速率顶底板移近量的增大速率为大。

万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究

为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明:砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在0.76~0.84之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为μc,提出了基于μc值的岩石长期强度确定方法且μc值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为μc值大于0.3时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至X状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳定性分析及巷道蠕变破坏的提前预报提供可靠的理论依据。

软岩巷道顶、帮、底全支全让O型控制力学模型及工程实践

软弱岩体的阶段性、持续性流变,导致软岩巷道围岩深度破坏和支护失效。软岩巷道顶、帮、底三者在围岩系统稳定过程中所起的作用不同,软岩巷道围岩稳定性控制应做到整体性和协调性支护。在分析巷道顶、帮、底相互作用效应基础上,针对软岩巷道强流变四周均表现出大变形的破坏特征,提出了全断面、全支全让O型封闭控制的支护原理。该原理强调,开挖初期就应对软岩巷道顶、帮、底全断面进行强力支护,同时全断面又适时让压,在高阻支护力作用下又能适当释放围岩应力,达到对软岩巷道的整体性和协调性控制。通过力学模型对软岩巷道围岩塑性区范围和表面位移与支护力的作用关系进行了分析计算,得出巷道围岩变形破坏与支护力呈负相关关系。工程实践表明,采用该支护原理有效控制了深部软岩巷道的大变形。研究成果对类似工程实践具有一定的参考借鉴价值。

深部岩体热力学效应及温控对策

随着开采深度的加大地温越来越高，高地温引起的深部岩体热力学效应引发许多深部矿山开采的次生灾害，有必要研究高温矿井相关的岩石力学问题。首先提出我国深部矿井地温场的3种模式即线性模式、非线性模式和异常模式；然后通过室内试验，研究温度对深部岩石强度和吸附气体逸出的影响，试验结果表明，随着温度的升高，煤岩强度和弹性模量显著降低，同时吸附瓦斯变为游离瓦斯而逸出，这是引起煤矿塌方和瓦斯灾害的重要内在原因；同时，在概述国内外温控技术基础上，提出以矿井涌水为冷源的HEMS降温原理及技术，形成3种典型温控模式及其设备系统。现场降温试验系统运行后效果良好，工作面温度控制在29℃以内，工作面温度降低5℃～12℃，相对湿度降低5％～15％；针对目前国内外矿井降温系统尚无有效性评价问题，提出矿井降温系统有效性评价的参数体系及方法。

源自工程实践的材料力学创新实验教学探索

针对材料力学教学与工程实践脱节的问题,从瓦斯抽采护孔管选型工程实践中,提炼出PVC、PE、PPR管材无孔和有孔试件的轴向拉伸、压缩和扭转实验,可获得各种试件的基本力学性质,并与材料力学课程内容有机结合,从构件的强度和刚度出发,提出具体的工程建议方案。这种"工程—实验—理论—工程"一体化的教学方案,使学生对材料力学知识产生更深入的整体性理解和掌握,培养了学生分析和解决工程问题的能力。

深埋地下工程岩爆烈度分级预测的RS-功效系数模型

岩爆是深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象,易造成重大经济损失和人员伤亡,对其进行有效预测预报一直是地下工程界迫切需要解决的难题。在系统分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取切向应力与岩石单轴抗压强度比??/?c、岩石单轴抗压强度与抗拉强度比?c/?t、弹性变形能指数Wet和岩石脆性指数Is建立评价指标体系,并基于粗糙集理论,将各指标的权重问题转换为由现场实测数据来求解各指标属性重要性问题。然后,基于社会经济学中广泛应用的功效系数法,针对各指标对岩爆的影响特征,构建其功效函数,最终建立岩爆烈度分级预测的RS-功效系数模型,对岩爆发生可能性及其烈度进行预测预报。运用所建模型对国内外一些典型地下工程岩爆实例进行分析计算,并与集对分析模型、物元可拓模型评判结果对比分析。研究表明:RS-功效系数模型评价结果可靠、精度较高且现场可操作性强,具有良好的工程应用前景。