高偏应力煤巷围岩拉剪破裂特征及分区控制方法研究

为获得高偏应力巷道围岩拉剪破裂特征并提出优化支护方案,以山西某矿孤岛工作面为背景,采用理论分析、数值模拟、相似模拟相结合的研究手段,分析了高偏应力条件下巷道围岩拉剪破裂分布特征及演化规律,揭示了托顶煤巷道围岩拉剪破裂机制,提出了高偏应力条件下巷道围岩沿掘进方向的全长分区控制方法。研究结果表明:(1)当侧压系数λ为0.60时,巷道围岩两帮呈“楔形”破坏,顶底出现明显卸荷并在巷道围岩四角点处产生应力集中;侧压系数λ逐渐减小至0.24的过程中,巷道围岩以两帮破坏为基础,在剪切应力作用下“蝶叶”逐渐发育,并最终形成蝶形破裂。(2)开挖破坏区围岩的浅部存在拉剪混合破裂区域,以张拉破裂为主;围岩深部为剪切破裂。围岩破裂演化过程可划分为3个阶段,分别为环自由面的自身破坏阶段、“蝶叶”孕育扩展阶段和“蝶叶”扩展稳定阶段。(3)定义了基于巷道全长分区的应力阈值,提出了掘进巷道全长分区支护方法,可为后续采煤工作面巷道的差异化支护提供理论参考。

软岩巷道围岩稳定性分析及锚固优化设计研究

通过对嘉禾矿浦溪井2152底板巷围岩变形严重的支护问题进行分析,得出围岩所处泥质砂岩岩层属于软岩序列以及高偏应力引起围岩出现不规则塑性区是锚杆出现整体拔出失效的主要原因。根据蝶形塑性区破坏理论,提出“让抗结合、局部加强支护、全断面协调变形”的支护思路,对2152底板巷支护方案进行了优化,采用“锚杆、钢筋网、喷浆、预应力锚索”的联合支护方式。通过FLAC^(3D)有限元方法对优化支护方案进行了模拟研究并在井下进行了试验,现场试验表明:围岩顶底板移近量在125 mm左右,两帮移近量在140 mm左右,优化的支护方案有效地控制了围岩的变形量,围岩稳定性得到提高。

方形巷道围岩拉剪破裂网络发育及演化规律

为了研究方形巷道围岩拉剪破裂机制及其演化规律,基于有限元数值模拟试验和相似材料模拟试验,建立静水压力条件下平面应变方形巷道模型,对比分析了不同埋深条件下巷道围岩拉剪破裂网络发育及演化规律。结果表明:随着埋深增加,方形巷道围岩拉剪破裂网络以方形绕轴旋转的方式向巷道深部围岩扩展发育,剪切破裂首先由巷道4个角点形成并以剪切滑移方式发育扩展,拉破裂沿方形巷道围岩最大主应力方向发育;通过自行研制的双轴加载试验台进行相似材料模拟试验,发现剪切破裂首先出现在方形巷道4个角点,随着埋深增加,顶底板和两帮浅部围岩出现冒顶、底臌、片帮等现象,深部围岩出现剪切破裂并逐渐发育贯通;通过相似材料模拟试验与数值模拟试验对比,发现两者围岩破裂形式及塑性区形态基本一致,据此提出了方形巷道围岩拉剪破裂网络形态发育规律概念化模型,可为实现方形巷道的靶向支护提供理论基础。

破碎岩石颗粒形态特征量化描述体系

形态特征的量化描述是破碎岩石颗粒三维形态重构及其力学行为研究的基础。针对岩石颗粒二维形态特征的表征开展研究,随机选取不同粒径的破碎岩石颗粒,采用数字图像处理技术和Image-Pro Plus图像测量方法,提取岩石颗粒的基础几何数据。确定以圆形度、球形度、矩形度和粒径为指标的形态特征描述体系。对测量结果进行散点拟合与多元参数拟合,通过相关性分析确定形状参数影响效果的显著性,筛选淘汰不显著因素与相关性低的参数,构建岩石颗粒CSR(circularity,sphericity,rectangularity)形态特征描述体系。结果显示,以圆形度代表颗粒二维形态特征的规则程度,粒径的相关性较低,球形度与矩形度均存在相关性,经回归分析后发现球形度的影响程度最为显著。对比分析结果显示,CSR指标体系在表征颗粒宏观二维形态上具有较高的准确度。

裂隙岩体细观裂纹演化机制及局部力学特性研究

为研究含裂隙砂岩局部细观力学特性及不同倾角下岩体内部裂纹发育特征,通过单轴压缩试验及PFC^(2D)程序对不同角度单裂隙红砂岩进行细观裂纹演化模拟及裂隙周边应力监测分析,结果表明,单一裂隙的存在会显著影响完整试样的宏观破坏模式;在一定角度范围内,初始裂纹萌生于预制裂隙处,并随裂隙角度的增加,萌生位置的范围也增大,裂隙尖端微裂纹的集结效应越不明显;裂隙两尖端位置与上(下)部位置的应力峰值之差,随着裂隙角增大而逐渐减小。

锚固参数差异对砂岩破坏特征及抗拉强度影响的试验研究

为揭示砂岩抗拉强度与锚固参数差异的关系,采用砂岩圆盘试件进行巴西劈裂试验,分析探讨锚固参数差异对砂岩破坏特征及抗拉强度的影响机制。通过对比2种不同的锚固方式,发现全长锚固方式对试件的抗拉强度提升较大,强度提升率达到了39.77%,锚固效果更加显著;通过提升端锚试件预紧力发现,锚固预紧力可以有效提高试件的抗拉强度,抑制试件微裂隙的发育扩展,有效地增强试件的承载能力。

大断面煤巷变形破坏规律及稳定支护

为研究大断面煤巷围岩变形破坏规律与有效控制问题,以麻家梁矿14211带式输送机运输顺槽地质条件为背景,采用现场监测、理论分析、数值模拟等方法,对该类煤巷围岩失稳原因及稳定控制进行研究。研究结果表明:大断面煤巷变形破坏以顶板下沉为主,同时伴随两帮局部移近,巷道围岩属Ⅳ类不稳定围岩,提出了采用超长锚索加强支护及强化巷道顶底角支护对策,充分发挥锚杆索与变形围岩的耦合作用,改善了围岩受力环境,提高围岩整体稳定性。现场应用表明,采用该支护体系,巷道顶底板移近86 mm,两帮移近70 mm,耦合支护方案可有效控制大断面煤巷变形破坏。

采矿工程导论课程思政元素挖掘与教学设计

探讨在采矿工程导论专业课程中融入思政元素的必要性,深入挖掘专业知识中的思政元素,并提出实施课程思政的基本思路和教学设计。激发学生的爱国情怀和专业兴趣,引导学生树立正确价值观,提升学生职业素养,提高采矿工程专业教学质量,为培养采矿复合型人才奠定基础,同时为相关课程思政元素挖掘提供参考与借鉴。