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软弱破碎围岩锚固孔树脂锚固剂流失对锚固性能影响研究

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中国矿业大学学报 2024年第3期53卷 483-496页

作者：付孟雄黄帅帅刘少伟贺德印张建英郭重托河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 伊犁永宁煤业化工有限公司新疆伊宁844500

树脂锚固剂作为锚杆与围岩的重要黏结剂,在锚固剂搅拌时软弱破碎围岩锚固孔壁裂隙可能会造成树脂锚固剂流失,影响锚固性能.因此,本文首先开展了基于3D打印高透光锚固孔裂隙模型的树脂锚固剂流失可视化试验,然后采用理论分析、数值模拟... 详细信息

树脂锚固剂作为锚杆与围岩的重要黏结剂,在锚固剂搅拌时软弱破碎围岩锚固孔壁裂隙可能会造成树脂锚固剂流失,影响锚固性能.因此,本文首先开展了基于3D打印高透光锚固孔裂隙模型的树脂锚固剂流失可视化试验,然后采用理论分析、数值模拟及实验室试验方法分析了树脂锚固剂流失对锚固性能的影响.结果表明:树脂与固化剂在锚杆运动作用下会快速向锚固孔壁裂隙流动,并在裂隙内部形成固化结构,使锚固长度缩短,系统的锚固性能随着裂隙数量、张开度、倾角及树脂锚固剂流入深度的增加而降低.围岩注浆改性、增加树脂锚固剂药卷数量以及锚固孔扩孔技术可削弱锚固剂流失带来的影响,提出了树脂锚固剂流失条件下锚固剂药卷用量计算表达式.本文可为软弱破碎围岩控制与锚固质量提升方法研究提供一定参考.

关键词：锚杆支护软弱破碎围岩孔壁裂隙树脂锚固剂流失锚固性能

树脂锚固剂外包装材料破坏特征对锚杆锚固性能影响研究

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采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 709-719页

作者：刘少伟周世宇付孟雄贾后省王宝华河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003 郑州煤炭工业集团新郑煤电有限责任公司河南新郑451100

树脂锚固剂外包装常用聚酯材料,具有自身不易溶解、与锚固剂主成分不发生化学反应的特性。针对锚杆搅拌锚固剂外包装碎片掺杂于锚固段中是否影响其锚固性能问题,采用理论分析、数值模拟及实验室实验相结合的方法,分析锚杆不同端部破碎... 详细信息

树脂锚固剂外包装常用聚酯材料,具有自身不易溶解、与锚固剂主成分不发生化学反应的特性。针对锚杆搅拌锚固剂外包装碎片掺杂于锚固段中是否影响其锚固性能问题,采用理论分析、数值模拟及实验室实验相结合的方法,分析锚杆不同端部破碎不同外包装材料后碎片在锚固环区域分布特征及锚固性能。研究结果表明:树脂锚固剂外包装材料类型对破碎效果影响较大,相较于聚酯材料,铝塑膜材料破碎状态更好,破碎量增加16%;楔形尖端锚杆相较于倾斜尖端锚杆和普通锚杆,提升了对于外包装的破碎能力,楔形锚杆破碎能力相较于倾斜尖端锚杆和普通锚杆增加26%和63%;拉拔试验对比分析发现,楔形尖端搅拌铝塑膜外包装锚固剂时,锚固系统的锚固质量及抵抗破坏的能力得到明显增强,相比常规锚固试件拉拔力峰值的平均值提升约14%。研究成果对巷道支护时锚固剂选择及提高锚固性能具有一定的理论和工程应用价值。

关键词：锚杆端部形态锚固剂外包装破碎效果材料参数锚固效果

砂质泥岩巷道顶板定向爆破不耦合装药系数优化与应用

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爆破 2024年第1期41卷 67-76,158页

作者：刘少伟隋纪胜贺德印付孟雄何伟李震河南理工大学能源科学与工程学院焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心焦作454000 义马煤业集团孟津矿有限责任公司洛阳471100

聚能爆破技术在沿空留巷工程项目中有着重要的作用,装药结构问题一直是目前讨论的热点及难点。对于目前沿空留巷顶板超前预裂装药长度尚没有明确的指标情况下,以孟津煤矿二_2-11031工作面轨道顺槽为研究背景,提出了等长装药顶板预裂技术... 详细信息

聚能爆破技术在沿空留巷工程项目中有着重要的作用,装药结构问题一直是目前讨论的热点及难点。对于目前沿空留巷顶板超前预裂装药长度尚没有明确的指标情况下,以孟津煤矿二_2-11031工作面轨道顺槽为研究背景,提出了等长装药顶板预裂技术,为明确最优装药结构,本文通过LS-DYNA数值模拟软件建立了三维定向聚能爆破模型,改变轴向药柱的长度,以裂纹扩展长度和应力衰减速率为分析指标,通过数值模拟可知,轴向不耦合系数在1.25~1.7之间径向切缝距离约为40 cm,轴向切缝距离约为80 cm,相比轴向不耦合系数在2~3之间,切缝距离分别提高了25%和12.5%;轴向不耦合系数在1.25~3之间,应力衰减速度均小于1,能量利用最为合理;将轴向不耦合系数α=1.25~2的装药结构在孟津煤矿二_2-11031工作面轨道顺槽进行顶板定向爆破实验,对预裂爆破后的两炮孔中线进行钻孔窥视,观察到4种爆破方案,两炮孔之间沿切缝方向裂纹均已经完全贯通,裂纹光滑平整,现场应用效果良好,结合经济性、安全性两方面考虑,不耦合系数α=1.7为最优;研究结果表明等长装药结构可以代替传统的三段式装药结构。研究结果可以为今后类似的项目提供参考。

关键词：聚能爆破轴向不耦合装药沿空留巷定向预裂等长装药结构

沿空留巷密集钻孔切顶机理及关键参数确定方法

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 23-33页

作者：刘少伟李小鹏朱雯清付孟雄张定山彭博河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003 中铁建设集团有限公司北京100176 四川川煤华荣能源有限责任公司四川成都610091

为实现密集钻孔切顶条件下沿空留巷顶板结构安全稳定,研究正常情况与密集钻孔条件下顶板岩层结构受力状况,基于岩石断裂理论和弹性理论分析回采前后顶板密集钻孔孔间围岩受力分布及其破断过程,明确密集钻孔切顶机理及相邻钻孔的孔间集... 详细信息

为实现密集钻孔切顶条件下沿空留巷顶板结构安全稳定,研究正常情况与密集钻孔条件下顶板岩层结构受力状况,基于岩石断裂理论和弹性理论分析回采前后顶板密集钻孔孔间围岩受力分布及其破断过程,明确密集钻孔切顶机理及相邻钻孔的孔间集中应力相互作用机制,推导工作面端头弧形三角板结构巷道侧边界密集钻孔孔间围岩的拉剪应力计算公式。在此基础上,分析不同参数对孔间围岩所受拉剪应力的影响作用,提出沿空留巷密集钻孔切顶关键参数确定方法。研究表明:密集钻孔主要通过回采前后钻孔周围应力条件改变来增加钻孔围岩拉剪应力集中程度,引起孔间裂隙扩张联通,形成切缝线破断关键岩层。回采前钻孔主要受水平挤压应力影响,回采后钻孔受力逐渐转变为采空区顶板回转下沉产生的拉剪应力为主,钻孔孔间围岩状态随之由孔间围岩弱化阶段过渡到孔壁裂纹成形阶段,再转变为孔间围岩破断阶段。密集钻孔孔间围岩所受拉剪应力大小主要取决于关键岩层厚度及钻孔孔径与孔间距之比,与钻孔高度及间距成负相关,与角度及直径正相关。据此提出了密集钻孔关键参数确定方法,并根据龙滩矿3124 N工作面坚硬顶板条件设计了密集钻孔切顶留巷方案,确定钻孔长度为8.3 m,角度为15°,钻孔直径为48 mm,间距为500 mm。留巷后巷道顶帮变形可控且整体稳定性较好,由此可证明密集钻孔布置参数较为合理,密集钻孔关键参数确定方法有效可行。

关键词：沿空留巷切顶留巷密集钻孔弧形三角板孔间应力集中

密集钻孔切顶卸压关键参数影响因素研究及应用

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煤炭科学技术 2023年第12期51卷 243-253页

作者：李小鹏刘少伟付孟雄彭博何亚飞河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 四川省煤炭工业集团技术中心四川成都610091

密集钻孔切顶技术主要通过对采场侧向顶板围岩结构进行改造,利用覆岩载荷和顶板自重切落基本顶,能够有效降低巷道顶板压力。通过统计国内部分矿井密集钻孔切顶卸压沿空留巷技术的应用案例,对钻孔关键参数及留巷效果进行了分析,并对密集... 详细信息

密集钻孔切顶技术主要通过对采场侧向顶板围岩结构进行改造,利用覆岩载荷和顶板自重切落基本顶,能够有效降低巷道顶板压力。通过统计国内部分矿井密集钻孔切顶卸压沿空留巷技术的应用案例,对钻孔关键参数及留巷效果进行了分析,并对密集钻孔切顶关键参数主要影响因素进行研究。研究结果表明:密集钻孔切顶适用于不同厚度的煤层,切顶效果取决于切顶高度、切顶角度、钻孔直径与间距是否合理。由于密集钻孔切顶时顶板在回采前未完全破断,在回采后,煤层厚度越大,顶板下沉回转在钻孔周围产生的拉伸应力就越大,密集钻孔顶板就越容易发生破断,煤厚的增加有利于顶板的自主破断。密集钻孔切顶高度随煤厚及基本顶厚度增加而增加;随煤厚增加切顶钻孔角度对切顶的影响逐渐减小,切顶角度呈现降低的趋势;密集钻孔孔径与孔间距二者共同作用影响密集钻孔顶板破断效果,D/B值(孔间距与孔径之比)在一定范围内随煤厚而增加,随基本顶强度增加而减小。根据统计结果采用工程类比法,并结合切顶钻孔主要影响因素研究结果,提出了密集钻孔切顶关键参数确定方法,并在赵家寨矿11210工作面回风巷进行了密集钻孔切顶留巷试验,现场留巷效果较好,证明该方法实用有效,具有一定的工程参考价值。

关键词：密集钻孔切顶卸压钻孔关键参数孔间距孔径

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矿用锚索捻距与拉伸力学性能及锚固效果关系

煤炭学报 2023年第S02期48卷 437-448页

作者：刘少伟窦智付孟雄贾后省王宝华河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003 郑州煤炭工业集团新郑煤电有限责任公司河南新郑451100

矿用锚索主要由多根钢绞线缠绕而成,具有可弯曲、抗破断能力强及成本低廉等优点,在煤矿巷道围岩、特别是巷道顶板稳定性控制中广泛采用。捻距是制作锚索的重要参数之一,煤矿在选取锚索时,因了解尚浅而往往忽略这一参数。为探究捻距参数... 详细信息

矿用锚索主要由多根钢绞线缠绕而成,具有可弯曲、抗破断能力强及成本低廉等优点,在煤矿巷道围岩、特别是巷道顶板稳定性控制中广泛采用。捻距是制作锚索的重要参数之一,煤矿在选取锚索时,因了解尚浅而往往忽略这一参数。为探究捻距参数对锚索拉伸力学性能与锚固效果是否存在影响,采用理论分析与室内试验相结合方法,初步厘清了捻距参数对锚索拉伸时的几何变形特征的影响,明晰了其对锚索锚固力的影响机制。基于试验获得的锚索拉伸及锚固拉拔数据,构建数值模拟模型,与井下试验结果进行对比,得到了捻距与其极限拉伸载荷、最大锚固力的关系式,获取了能够充分发挥锚索拉伸力学性能与锚固效果的最佳捻距。研究结果表明:在锚索受到拉伸时,在一定范围内捻距与延伸率的关系为负相关,与拉伸极限载荷的关系为正相关;锚索-锚固剂界面存在一定的几何匹配关系,捻距减小至其13倍公称直径时,最大锚固力随着捻距的减小而增大;综合分析锚索极限拉伸载荷与最大锚固力等因素发现,能够充分发挥锚索拉伸力学性能与锚固效果的最佳捻距范围为13~14倍公称直径。研究成果增加了锚索捻距对拉伸力学性能影响的认识,明晰了对其锚固机制的理解,为锚索制作及煤矿选取锚索提供了参考及理论支撑。

关键词：矿用锚索锚索极限载荷锚索锚固力锚索锚固效果最佳捻距

煤矿巷道底板锚固孔钻渣导升运移规律及影响因素研究

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采矿与安全工程学报 2022年第3期39卷 584-597页

作者：付孟雄刘少伟贾后省姜彦军卢运海河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程博士后流动站河南焦作454000 河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 郑州煤炭工业集团新郑煤电有限责任公司河南新郑451100 四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司四川广安638600

煤矿巷道底板锚固孔钻进是利用锚杆(索)控制底鼓的关键环节,成孔质量与锚固效果成正比。长期以来,底板小孔径下向孔钻进排渣困难是高质量快速成孔的瓶颈问题;因此,明晰钻渣在狭小空间内的运移规律对提高排渣效率至关重要。利用理论分析... 详细信息

煤矿巷道底板锚固孔钻进是利用锚杆(索)控制底鼓的关键环节,成孔质量与锚固效果成正比。长期以来,底板小孔径下向孔钻进排渣困难是高质量快速成孔的瓶颈问题;因此,明晰钻渣在狭小空间内的运移规律对提高排渣效率至关重要。利用理论分析及多相流数值仿真方法研究底板小孔径锚固孔钻渣运移特征和影响因素。结果表明:配合泵送条件下的正循环排渣较泵吸反循环具有更高的排渣效率;正循环排渣过程中,钻头中心孔附近钻渣会进行上下螺旋往复运动,中心孔外围钻渣在绕流阻力、浮力和自重作用下先进行减速运动,进入钻杆与孔壁的环形通路后又呈现出类匀速向上的运动状态;现有两翼式钻头结构均存在一定钻渣集中区域,这些区域的存在会对钻渣造成能量损失;钻杆截面形状对排渣效果具有显著影响,四棱钻杆在排渣过程中表现出较好的工作性能,钻孔深度及钻渣粒径与排渣效率呈负相关;在钻孔存在倾角时,钻渣会在下半侧孔壁处集聚,提高钻杆转速能够提高钻渣聚集区域偏转速度,避免钻渣沿下部孔壁形成带状聚集。研究成果可为巷道底板小孔径锚固孔排渣方式选择、排渣动力参数设定、钻具结构优化提供理论依据,对于实现底板小孔径锚固孔快速高质量形成具有一定理论价值。

关键词：锚杆支护底鼓控制底板锚固孔钻渣运移规律多相流数值仿真

巷道下向小孔径锚固孔钻进产渣特征及高效钻头设计

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煤炭学报 2022年第6期47卷 2311-2325页

作者：付孟雄刘少伟贾后省马念杰张英卢运海河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程博士后流动站河南焦作454000 河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中赟国际工程有限公司河南郑州450000 四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司四川广安638600

煤矿巷道下向锚固孔钻进是巷道围岩锚固控制的重要环节,成孔质量与锚固效果成正比。长期以来,小孔径下向锚固孔排渣困难是高质量快速成孔的瓶颈问题。因此,为了降低钻渣生成尺寸,提高排渣效率,利用理论分析、数值模拟、实验室实验及现... 详细信息

煤矿巷道下向锚固孔钻进是巷道围岩锚固控制的重要环节,成孔质量与锚固效果成正比。长期以来,小孔径下向锚固孔排渣困难是高质量快速成孔的瓶颈问题。因此,为了降低钻渣生成尺寸,提高排渣效率,利用理论分析、数值模拟、实验室实验及现场测试相结合的方法,研究了现有PDC两翼式钻头产渣尺寸及其周边钻渣运移特征,研发了一种小孔径下向锚固孔高效破岩钻头,优化了钻头进出液通道尺寸,并对设计钻头工作性能进行了分析验证。结果表明:现有PDC两翼式钻头在钻孔底部均会形成中心岩柱结构,其尺寸随钻头刀片间距的增加而增加。中心岩柱是大尺寸钻渣的主要来源,中心岩柱尺寸越大,产生的粒径>2.5 mm的钻渣平均尺寸也越大。改变刀片结构,消除孔底中心岩柱,可降低钻渣生成尺寸;现有钻头结构会造成钻渣局部聚集,导致钻渣上返能量损失;设计的高效破岩钻头因其结构优势较普通钻头更能够减少液渣混合流的能量损失,使钻渣具有更高的上返速度,更有利于钻渣顺利排出;高效破岩钻头的主副刀片会使钻孔底部形成平台结构,保证了孔底岩石均为切削破坏,消除了孔底中心岩柱,使钻渣平均尺寸明显低于其他类型钻头,也具有更高的破岩效率;现场试验结果表明,高效破岩钻头有效降低了钻渣生成尺寸,具有更高的成孔速度及排渣效率,工作性能良好。

关键词：锚杆支护小孔径下向锚固孔 PDC两翼式钻头钻渣尺寸高效破岩钻头

锚索偏心树脂锚固特征分析及锚固剂推送限位装置设计

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岩石力学与工程学报 2023年第3期42卷 708-723页

作者：贺德印刘少伟贾后省付孟雄贾连鑫张英河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454003 国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司陕西神木719315 中赟国际工程有限公司河南郑州450000

锚索锚固偏心现象普遍存在于岩土及地下支护工程中,对锚固系统工作性能存在一定的不利影响。采用理论分析和室内实验手段,初步探究锚固偏心问题的影响机制,明晰了偏心对锚索锚固性能的影响特征,基于自主研发锚固剂推送限位装置,对锚索... 详细信息

锚索锚固偏心现象普遍存在于岩土及地下支护工程中,对锚固系统工作性能存在一定的不利影响。采用理论分析和室内实验手段,初步探究锚固偏心问题的影响机制,明晰了偏心对锚索锚固性能的影响特征,基于自主研发锚固剂推送限位装置,对锚索锚固偏心问题的控制对策进行有效探索。研究结果表明:锚索树脂锚固偏心导致锚固剂–围岩界面处的剪应力及位移分布不均衡,锚索靠近侧锚固剂–围岩界面区域因达到剪应力及位移承载极限而容易发生破坏失效,削弱锚索锚固系统的承载性能;锚固偏心程度与锚索锚固试件的抗拉拔性能整体表现为负相关形式,锚固偏心严重时影响更为显著;锚固剂推送限位装置能够为锚固剂搅拌阶段的锚索提供有效的约束,使锚索能始终近似位于锚固孔中心区域,保证锚索锚固后具有良好的居中效果,装置的实际工作效果得到了室内实验的有效验证。研究成果增加了对锚索偏心锚固问题影响机制的认识,并对该问题的解决途径开展了创新性的尝试研究,有助于进一步保证和提升锚索的树脂锚固效果。

关键词：岩石力学锚索树脂锚固锚索工作性能锚索锚固偏心锚固系统拉拔测试