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冲击地压主控因素及孕灾机制

煤炭学报 2024年第1期49卷 367-379页

作者：谭云亮张修峰肖自义范德源尹延春陈洋刘学生山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东能源集团有限公司山东济南250101 国家矿山安全监察局山东局山东济南250031

随着我国煤矿逐步向深部开采转移,冲击地压灾害日趋严重。在冲击地压从机理认知走向防冲工程进程中,首要的任务是厘清冲击地压孕灾主控因素,并进行风险程度判识。在上百个冲击地压矿井致灾评价分析基础上,提出了导致冲击地压发生的4类... 详细信息

随着我国煤矿逐步向深部开采转移,冲击地压灾害日趋严重。在冲击地压从机理认知走向防冲工程进程中,首要的任务是厘清冲击地压孕灾主控因素,并进行风险程度判识。在上百个冲击地压矿井致灾评价分析基础上,提出了导致冲击地压发生的4类客观主控因素:煤岩冲击倾向性、开采深度、坚硬顶板、地质构造,以及3类人为主控因素:煤柱、采空区及采掘卸荷,并对各主控因素对冲击地压孕灾的力学机制进行了分析讨论。在客观主控因素方面,煤岩冲击倾向性是煤岩积聚变形能进而诱发冲击破坏的自身属性;开采深度与巷道围岩内积聚的变形能呈正相关关系,是冲击地压发生的必要条件;坚硬顶板大尺度周期断裂形成的冲击动载及动能是诱发冲击地压的“导火索”;地质构造对冲击地压的影响显著,对于断层构造而言,断层两盘将在开采扰动造成的突发卸荷影响下产生相对“回弹”;煤层变薄区等效弹性模量变大,超前支承压力呈“双峰值”分布,使得冲击影响范围扩大。在人为主控因素方面,煤柱作为高应力集中区,其尺寸、倾角及相对位置等将直接影响冲击地压发生的概率和强度;采空区会诱发超前支承压力集中区内围岩积聚弹性能的突然释放,尤其是在采高较大、顶板垮落不充分的情况下;采掘卸荷会导致应力集中区快速“迁移”,引发煤体内弹性应变能的大量释放,是造成冲击地压的重要外因条件。在此基础上,对山东新汶、山东鲁西、内蒙古鄂尔多斯、陕西彬长、新疆和甘肃等矿区冲击地压孕灾主控因素差异性,进行了对比分析,强调按层次对矿井、采区和工作面进行冲击地压主控因素及其影响程度判识重要性,构建了从降能、释能、阻能到抗能的冲击地压治理工程路径。

关键词：冲击地压主控因素孕灾风险判识递进式防治

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一种新型锚杆托盘及其动力学响应模拟研究

矿业研究与开发 2024年第5期44卷 124-134页

作者：刘学生李国庆李学斌谭云亮陈艾范德源山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛市266590 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司宁夏银川750011 山东省矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛市266590

针对动载荷作用下围岩与托盘间作用力瞬间增加造成的托盘弯折、撕裂,支护失效等问题,设计了一种新型抗冲大变形托盘。根据黏性阻尼系统理论,建立了动载荷作用下新型抗冲大变形托盘的振动力学方程,并使用Abaqus有限元数值模拟手段对比分... 详细信息

针对动载荷作用下围岩与托盘间作用力瞬间增加造成的托盘弯折、撕裂,支护失效等问题,设计了一种新型抗冲大变形托盘。根据黏性阻尼系统理论,建立了动载荷作用下新型抗冲大变形托盘的振动力学方程,并使用Abaqus有限元数值模拟手段对比分析了不同冲击能量(2.5 kJ、5.0 kJ、7.5 kJ、10.0 kJ)下3种不同类型托盘的动力学响应特征。理论分析结果表明:新型抗冲大变形托盘具有较好的抗动载能力,且随着阻尼比增加,抗动载能力逐渐增大。模拟结果表明:在相同的动载荷作用下,与平托盘和拱形调心托盘相比,新型抗冲大变形托盘冲击力作用时间分别减少了39.29%和53.21%,残余应变量分别减少了72.35%和76.60%,能量吸收率分别增加了69.00%和3.45%,托盘最大变形量分别增加了514.5%和139.5%,抵抗动载能力大幅度提升。在不同动载荷作用下新型抗冲大变形托盘应变均较小,表明托盘主要依靠内部元件相互作用吸收冲击能量,而不是结构的不可逆变形,可以保证托盘的在动载荷作用下的结构完整性。

关键词：动载荷抗冲大变形托盘动力响应数值模拟

深部沿空巷道巷旁支护失稳机制与降能控制方法

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煤炭学报 2023年第S2期48卷 485-500页

作者：刘学生李学斌谭云亮范德源倪萍解成成宋虎山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制重点实验室山东青岛266590

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... 详细信息

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。

关键词：深部沿空巷道侧向基本顶巷旁支护体能量判据降能控制

煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制研究进展

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煤炭学报 2022年第1期47卷 180-199页

作者：谭云亮范德源刘学生张俊文宁建国姚强岭付小敏山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 通用技术集团工程设计有限公司山东济南250031

煤矿深部超大断面硐室群因其围岩应力集中程度高、破坏影响范围大,特别是在复杂动载扰动下易发生连锁破坏失稳现象,其安全和稳定已成为制约深部煤炭资源开采的主要瓶颈之一。围绕煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制开展研究,针对... 详细信息

煤矿深部超大断面硐室群因其围岩应力集中程度高、破坏影响范围大,特别是在复杂动载扰动下易发生连锁破坏失稳现象,其安全和稳定已成为制约深部煤炭资源开采的主要瓶颈之一。围绕煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制开展研究,针对现有煤矿硐室仅以断面尺寸划分的不足,综合硐室失稳临界埋深、断面面积、围岩综合抗压强度和围岩综合完整性系数等影响因素,提出了基于模糊综合聚类分析的煤矿硐室地质力学等效分类方法,实现了对煤矿深部超大断面硐室的有效判识;通过室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,考虑密实性系数构建了适于动静组合加载条件的岩石蠕变损伤本构关系,建立了深部复杂应力环境下硐室群围岩连锁失稳机理与能量判据,揭示了深部动静组合载荷下超大断面硐室群围岩变形破坏演化规律;提出了深部硐室群围岩协同支护机理,研发了新型高强超塑吸能支护材料及新型高强拉压耦合锚索,基于长期安全稳定性,构建了深部硐室群围岩递进式加固技术及分步设计方法;研发了超大断面硐室群围岩长时变形失稳监测预警平台,给出了围岩综合预警方法及阈值。在新巨龙煤矿煤矸分选硐室群,硐室断面最大收缩率约6.2%,松动圈发育范围1.0~1.5 m,保证了井下煤矸分选系统的空间安全利用。

关键词：深部超大断面硐室群等效分类连锁失稳机理协同控制监测预警

深部动载作用下超大断面硐室群锚固围岩破坏失稳机制研究

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岩土力学 2021年第12期42卷 3407-3418页

作者：刘学生范德源谭云亮王新 ALEXEY Agafangelovich 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 库兹巴斯国立技术大学矿业与机电学院俄罗斯克麦罗沃650000

深部近距离超大断面硐室相互影响导致围岩应力集中且破裂范围大,特别是在动载扰动下易发生破坏失稳现象。首先以龙固煤矿井下煤矸分离系统超大断面硐室群为研究背景,通过数值模拟软件FLAC3D建立计算模型,利用内置动力模块研究了不同硐... 详细信息

深部近距离超大断面硐室相互影响导致围岩应力集中且破裂范围大,特别是在动载扰动下易发生破坏失稳现象。首先以龙固煤矿井下煤矸分离系统超大断面硐室群为研究背景,通过数值模拟软件FLAC3D建立计算模型,利用内置动力模块研究了不同硐室间距和动载强度条件下深部超大断面硐室群围岩变形破坏规律。模拟结果表明:随着硐室间距减小,围岩变形程度逐渐增大并最终发生整体破坏,动载扰动下硐室群临界间距范围较静载时增大了约33.3%~50%;随着动载强度增加,锚固围岩响应逐渐增强,发生破坏失稳的临界动载强度约为4.0~4.5 MPa。基于弹塑性力学和弹性波理论,构建了动静组合载荷下锚固围岩力学模型,获得了深部动载下硐室群锚固围岩破坏失稳判据,并将锚固围岩划分为3个状态:整体稳定、静态破坏和动态失稳,在此基础上获得了硐室群破坏失稳临界间距的解析表达式。现场算例计算及现场监测验证了理论分析的合理性及可行性。该研究可为深部动载影响超大断面硐室群布置设计及围岩稳定性控制提供理论依据。

关键词：动载扰动超大断面硐室群变形破坏破坏失稳

综放工作面下顺槽顶板超前支护技术优化设计研究

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煤炭技术 2021年第1期40卷 39-42页

作者：赵博生范德源冀中能源峰峰集团有限公司大淑村矿河北邯郸056300 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590

以大淑村矿172404工作面下顺槽地质条件为背景,提出3个超前支护方案对原有支护形式进行优化,并采用钻孔窥视的方法对各方案进行对比分析。结果表明,采用方案Ⅲ即注浆锚索+普通锚索超前支护形式可有效控制巷道顶板裂隙发育,支护效果最佳... 详细信息

以大淑村矿172404工作面下顺槽地质条件为背景,提出3个超前支护方案对原有支护形式进行优化,并采用钻孔窥视的方法对各方案进行对比分析。结果表明,采用方案Ⅲ即注浆锚索+普通锚索超前支护形式可有效控制巷道顶板裂隙发育,支护效果最佳。另外,该方案改变了原有超前支护生产模式,取消了单体支柱,显著提高了施工效率,有效降低了工作强度,保证了工作面安全生产。

关键词：超前支护单体支柱注浆锚索现场探测优化设计

加载速率对煤岩组合体试样破坏及应变能特征影响的实验与数值模拟

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Journal of Central South University 2021年第10期28卷 3207-3222页

作者：马庆谭云亮刘学生赵增辉范德源 PUREV Lkhamsuren State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology Qingdao 266590China College of Energy and Mining Engineering Shandong University of Science and TechnologyQingdao 266590China Department of Mining Engineering Colorado School of MinesGoldenCO80401USA School of Geology and Mining Mongolian University of Science and TechnologyUlaanbaatar 120646Mongolia

岩石的变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,岩石变形破坏是能量驱动的结果。基于室内岩石力学试验及数值模拟软件,进行了5种不同加载速率下的煤-岩组合试件的单轴压缩试验,得到了不同加载速率时煤-岩组合体的强度、变形及能量特征。试... 详细信息

岩石的变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程,岩石变形破坏是能量驱动的结果。基于室内岩石力学试验及数值模拟软件,进行了5种不同加载速率下的煤-岩组合试件的单轴压缩试验,得到了不同加载速率时煤-岩组合体的强度、变形及能量特征。试验结果表明:煤岩组合体试样的强度、变形、声发射和能量等特征均具有明显的加载速率效应,单轴抗压强度和弹性模量随着加载速率的增加呈增加趋势;峰值强度处的声发射能量呈先增大后减小再增大的趋势,而煤岩复合试样的声发射累积计数则呈先减小后增大趋势;总的吸收能量U和耗散能Ud随着加载速率的增加呈非线性增长趋势,而弹性应变能Ue则呈先增大后减小的趋势。通过选择合适的煤岩本构模型以及对煤岩组合体试样的力学参数进行准确的估算和标定,采用颗粒流程序(PFC)模拟了不同加载速率的煤岩组合体试样的单轴压缩试验,数值计算结果与室内实验结果取得了较好的一致性。该研究得到了不同加载速率下煤岩组合体的能量特征,为煤岩组合体试样的破坏提供参考。

关键词：煤岩组合体单轴压缩加载速率声发射能量特征

承压含水层下大倾角煤层条带开采参数设计与实践

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煤矿安全 2019年第4期50卷 149-153,163页

作者：马军杰范德源徐强山东新河矿业有限公司山东嘉祥272400 山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590

为了研究新河煤矿承压含水层下大倾角煤层开采导水断裂带发育问题,采用FLAC3D数值模拟软件,对不同条带开采参数时上覆岩层破裂发育演化规律进行研究。结果表明:当工作面宽度为30 m,煤柱留设宽度为30 m时,工作面顶底板变形破坏范围明显减... 详细信息

为了研究新河煤矿承压含水层下大倾角煤层开采导水断裂带发育问题,采用FLAC3D数值模拟软件,对不同条带开采参数时上覆岩层破裂发育演化规律进行研究。结果表明:当工作面宽度为30 m,煤柱留设宽度为30 m时,工作面顶底板变形破坏范围明显减小,导水断裂带发育高度为30 m,与上部含水层距离为22 m。现场实践表明,在钻孔深度为67～96 m范围内钻孔平均漏水量为4 L/min,导水断裂带最大发育高度为32 m,工作面顶板导水断裂带得到了有效控制,确保了新河煤矿承压含水层下大倾角煤层的安全开采,有效防止了突水事故的发生。

关键词：承压含水层大倾角条带开采导水断裂带数值模拟参数设计

深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律试验研究

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采矿与安全工程学报 2020年第1期37卷 40-49页

作者：刘学生宋世琳范德源范文昌宁建国王洪磊山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590 山东新巨龙能源有限公司山东菏泽274918

深部超大断面硐室群因初始地应力高、断面尺寸大、硐室间距小等原因,控制难度很大。本文采用相似材料试验方法,以龙固煤矿井下煤矸分离系统硐室群为背景,设置3条超大断面硐室,利用数字散斑测试系统、声发射监测技术、应力监测系统等进... 详细信息

深部超大断面硐室群因初始地应力高、断面尺寸大、硐室间距小等原因,控制难度很大。本文采用相似材料试验方法,以龙固煤矿井下煤矸分离系统硐室群为背景,设置3条超大断面硐室,利用数字散斑测试系统、声发射监测技术、应力监测系统等进行综合监测,得到深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律。结果表明:单一超大断面硐室开挖后围岩整体变形较小且呈对称分布,裂隙发育较少;相邻硐室开挖导致围岩变形呈非对称性,裂隙发育明显增多。上部硐室开挖后其围岩变形以底鼓和两帮收敛为主,下部硐室围岩应力集中和变形均有较大幅度减小,即对下部围岩应力集中起卸载作用,有条件时硐室群应优选"品"字形布置以有利于维护。硐室群开挖前后锚杆受力变化与围岩应力、变形近似呈正相关关系,不同部位受力差别较大,应根据硐室群不同部位特点针对性设计支护参数。本研究揭示了深部超大断面硐室群围岩破裂演化规律,可为其围岩控制设计提供参考。

关键词：超大断面硐室群变形破裂数字散斑声发射