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超前预掘留巷开采与常规留巷开采巷道破坏特征对比及成因分析

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采矿与安全工程学报 2023年第6期40卷 1129-1138页

作者：王卫军范磊马谕杰袁超湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201

沿空留巷作为无煤柱开采技术的一种,在提高煤炭回收率、降低开拓掘进量的同时,也给后续留巷巷道的维护带来诸多挑战。以沿空留巷技术的应用为主线,选取Y型通风的后退式留巷工艺(常规留巷工艺)和超前预掘运输巷的前进式留巷工艺(超前预... 详细信息

沿空留巷作为无煤柱开采技术的一种,在提高煤炭回收率、降低开拓掘进量的同时,也给后续留巷巷道的维护带来诸多挑战。以沿空留巷技术的应用为主线,选取Y型通风的后退式留巷工艺(常规留巷工艺)和超前预掘运输巷的前进式留巷工艺(超前预掘留巷工艺)为研究对象,研究2种不同留巷工艺下回采巷道的破坏特征,通过分析回采巷道三维应力场的演化规律,揭示不同留巷工艺下回采巷道差异破坏的力学机理。结果显示,围岩主应力方向的分布与开挖空间的形成密切相关,在开挖空间附近的“应力扰动区”内,岩体的最小主应力总是近似指向开挖空间的几何中心,最大主应力呈椭球形将开挖空间环向包裹;不同留巷工艺下回采巷道围岩应力场的分布规律也不尽相同,巷道主应力的大小和侧压系数的高低在一定程度上共同决定了巷道的破坏形态;采动应力对回采巷道的影响并不总是不利的。应力场是矢量场,具有大小和方向,回采巷道的破坏特征取决于采动应力和原岩应力矢量相加所形成的“复合应力场”,而不是两场的代数和。因此,开拓方式的选取和支护参数的确定不仅要考虑原岩应力场的分布规律,还需要考虑采动应力场的影响。在一定条件下,合理利用采动应力可以改善围岩的应力环境,降低回采巷道维护难度。

关键词：超前预掘沿空留巷塑性区差异破坏

基于蝶形破坏理论的深部巷道围岩控制技术研究

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煤炭科学技术 2023年第1期51卷 157-167页

作者：王卫军范磊马谕杰袁超湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201

现阶段巷道围岩控制仍是煤炭资源深部开采的重大难题之一,而围岩塑性的形成与发展是导致巷道大变形和破坏的主要原因。通过数值模拟研究了巷道塑性区形成与发展规律以及对巷道稳定性的影响,结合理论分析和室内试验研究了锚杆支护的作用... 详细信息

现阶段巷道围岩控制仍是煤炭资源深部开采的重大难题之一,而围岩塑性的形成与发展是导致巷道大变形和破坏的主要原因。通过数值模拟研究了巷道塑性区形成与发展规律以及对巷道稳定性的影响,结合理论分析和室内试验研究了锚杆支护的作用机理并阐述了支护与围岩变形的内在关系,基于蝶形破坏理论探讨了深部巷道围岩的控制原理,提出深部巷道围岩控制技术并在工程中予以应用。结果显示:(1)锚杆支护能够有效减少围岩变形,但是无法控制巷道不发生变形,即在现有的支护水平下巷道存在着部分无法控制的围岩变形,即“给定变形”,且“给定变形”随巷道埋深的增加不断增大。(2)锚杆支护对于巷道围岩剪胀、滑移等非连续性变形的控制效果明显,而对于完整岩体的连续性变形的影响十分有限。因此,锚杆支护主要是通过控制巷道塑性区内岩体的非连续性变形进而控制巷道的总变形。(3)巷道总变形主要包括“给定变形”和“支护残余变形”2个部分。巷道围岩控制的主要途径就是减少“支护残余变形”。(4)锚杆支护的作用机理要求锚杆的锚固基础必须始终位于完整岩体中,因此巷道开挖后的塑性区形态以及塑性区在服务期内的发展规律对于锚杆支护方式的设计至关重要。巷道塑性区形态及其力学响应的差异性决定了巷道支护方式必须差异化设计。

关键词：深部巷道围岩控制给定变形支护机理蝶形破坏差异化支护

双向极不等压软岩巷道围岩裂隙分布及变形机制研究

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煤炭学报 2023年

作者：王卫军马谕杰范磊袁超吴海田芯宇湖南科技大学资源环境与安全工程学院

巷道围岩蝶形塑性区破坏是引起巷道围岩大变形的重要原因，近年来已引起了巷道支护工作者的高度重视。掌握蝶形塑性区内围岩变形机制是实现软岩巷道围岩控制的基础。然而，有关于蝶形破坏理论中围岩变形机制的研究却鲜有报道。针对上述... 详细信息

巷道围岩蝶形塑性区破坏是引起巷道围岩大变形的重要原因，近年来已引起了巷道支护工作者的高度重视。掌握蝶形塑性区内围岩变形机制是实现软岩巷道围岩控制的基础。然而，有关于蝶形破坏理论中围岩变形机制的研究却鲜有报道。针对上述问题，以南方某矿一采区南运巷产生的大变形特征为研究对象，在分析巷道所处应力环境及地质条件的基础上，对围岩裂隙分布、巷道变形机制及控制方法进行了系统研究。研究结果表明：南运巷是典型的极不等压软岩巷道，巷道开挖后，围岩裂隙呈“蝶形”分布；“蝶形裂隙区”集中出现在“蝶形塑性区”范围内，蝶叶部位围岩裂隙以剪切裂隙为主，且蝶叶部位剪切裂隙大多围绕巷道呈“环形”分布，而张拉裂隙则集中出现在巷道围岩自由面附近。蝶形塑性区内围岩应力特征主要有两方面，一为围岩的主应力方向发生了偏转，具体表现为最大主应力围绕巷道呈环形分布，巷道上部最小主应力方向指向巷道中心，巷道下部最小主应力方向背离巷道中心；二为围岩最大/最小主应力比值较大，且主应力比值等值线呈“蝶形”分布。根据塑性区内围岩裂隙分布特点及应力特征，建立了含软弱面围岩力学剪胀模型，认为处于此应力特征下的围岩剪胀作用较强，剪胀作用使围岩向巷道空间内挤压，进而使巷道产生大变形。围岩裂隙分布不规则及原支护方案不合理是导致巷道产生大变形的主要原因。基于上述研究，提出了以“全断面预应力短锚索+关键部位长锚索加强支护+注浆”为核心的差异化支护方案，现场监测表明，新支护方案可有效控制围岩变形，保证巷道在使用期间的稳定性。

关键词：软岩 3DEC 裂隙分布巷道大变形原因围岩控制

不同位置爆源作用下硐室围岩损伤规律的数值模拟研究

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爆破 2023年第2期40卷 181-190页

作者：唐海马谕杰夏祥袁超张肖雨范磊姜威振湖南科技大学资源环境与安全工程学院湘潭411201 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

爆破作用下硐室围岩的损伤扩展过程对硐室抗爆设计具有重要意义。为探究不同位置爆源作用下硐室围岩的损伤扩展规律,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了顶爆、拱顶侧爆、侧爆、底部侧爆及底爆5个等爆源距数值计算模型,对模型中的岩... 详细信息

爆破作用下硐室围岩的损伤扩展过程对硐室抗爆设计具有重要意义。为探究不同位置爆源作用下硐室围岩的损伤扩展规律,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了顶爆、拱顶侧爆、侧爆、底部侧爆及底爆5个等爆源距数值计算模型,对模型中的岩体采用RHT模型分析了不同位置爆源作用下硐室围岩的损伤扩展过程。在此基础上,在模型中沿爆源至硐室边界处等距离地设置了10个振速监测点,研究了爆源中心至硐室边界处的振动速度衰减规律。结果表明:相同爆源距不同爆源位置下硐室围岩的损伤扩展规律为首先在距爆源最近距离处出现“损伤点”,在“损伤点”形成后,损伤区沿着硐室边界逐步扩展,最终形成沿硐室边界处的损伤区。相较于爆破振动速度衰减规律,爆破振动波在硐室围岩处发生全反射,使硐室围岩处爆破振动速度出现放大效应。同时,爆源至硐室围岩处的损伤演化与峰值振速变化规律相互对应,将硐室围岩处峰值振速放大效应与硐室围岩的损伤结合,认为硐室围岩是否产生损伤可通过监测其振动速度进行确定。

关键词：不同爆源位置 RHT模型围岩损伤振动速度数值模拟

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台山核电站爆破开挖基岩损伤分析及控制

工程爆破 2022年第1期28卷 45-53页

作者：姜威振唐海马谕杰刘亚群阳生权朱帅帅湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室武汉430071 湖南科技大学土木工程学院湖南湘潭411201

核电工程在进行爆破开挖时,为保证核岛所在岩层的完整性,需控制爆点周围岩体的损伤范围。为探究岩体损伤深度与特定点振动速度之间的关系,本文结合台山核电站核岛负挖爆破工程,根据场地地质勘察资料,通过数值模拟和现场试验对岩体损伤... 详细信息

核电工程在进行爆破开挖时,为保证核岛所在岩层的完整性,需控制爆点周围岩体的损伤范围。为探究岩体损伤深度与特定点振动速度之间的关系,本文结合台山核电站核岛负挖爆破工程,根据场地地质勘察资料,通过数值模拟和现场试验对岩体损伤深度与距爆源30 m处质点振动速度之间的关系进行探究。研究结果表明:台山核电爆破开挖时,岩体损伤深度随最大段药量的增加呈幂函数增加,且特定点振动速度与最大段药量之间符合萨道夫斯基公式对应关系;运用数值模拟与现场试验结果所拟合公式,提出在核岛负挖分层爆破施工中距爆源30 m处爆破控制振动速度分别为10.0、3.5、1.5 cm/s时可控制相应岩层的爆破损伤,并通过后期工程监测验证控制参数的有效性。

关键词：爆破开挖声波试验数值模拟爆破振动损伤深度

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相邻地形地貌对爆破振动波传播的影响研究

相邻地形地貌对爆破振动波传播的影响研究

作者：马谕杰湖南科技大学

学位级别：硕士

爆破振动受岩石性质、装药方式等诸多因素影响,然而在含有较大起伏的地形中,地形地貌对爆破振动传播影响较大。目前关于地形地貌对爆破振动波传播的影响研究主要集中在单个地形地貌上。然而,在工程实际中,相邻地形地貌也很常见,而目前... 详细信息

爆破振动受岩石性质、装药方式等诸多因素影响,然而在含有较大起伏的地形中,地形地貌对爆破振动传播影响较大。目前关于地形地貌对爆破振动波传播的影响研究主要集中在单个地形地貌上。然而,在工程实际中,相邻地形地貌也很常见,而目前关于相邻地形地貌对爆破振动波传播的影响研究较少。因此,研究相邻地形对爆破振动波传播产生的影响对探索爆破振动衰减规律,预测并控制爆破振动效应有重要意义和现实价值。采用波动理论分析了单个地形地貌对爆破振动波传播规律的影响,同时结合相邻地形中地震波的传播特性,分析确定了相邻地形对爆破振动波传播的影响因素主要有:凹形地貌的深度、凸形地貌的高度、相邻距离及爆源距。通过对广东陆丰核电站爆破现场振动数据进行分析,得到了相邻地形地貌中爆破振动波传播特征:爆破振动波经过凹凸形地貌中凹形地貌时,水平向和垂直向振动速度峰值均降低,其中水平向降低的幅度较大,爆破振动衰减系数随爆源距的增加而降低;当爆破振动波经过凹凸形地貌中凸形地貌时,凸形地貌顶端水平向和垂直向振动速度峰值均发生了放大,且垂直向放大的幅度较大。水平向和垂直向放大系数均随爆源距的增加而减小。当爆破振动波经过凸凹形地貌凸形地貌时,水平向和垂直向爆破振动速度均发生放大。当经过凹形地貌时,在凹形地貌两端,水平向振动速度产生衰减,垂直向振动速度则发生放大。根据工程现场岩石力学性质及相关爆破参数,运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序模拟了相邻地形中爆破振动波的传播特性,模拟结果表明:凹凸形地貌中,凸形地貌顶端的振动速度随凹形地貌深度的增加而减小,随凸形地貌高度的增加而增大,随凹形地貌至凸形地貌之间距离的增大而减小;凹形地貌的衰减系数与凸形地貌的放大系数随爆源距的增大而减小。凸凹形地貌模拟结果表明:凸凹形地貌中,爆破振动衰减规律整体上呈现出“类M曲线”,且水平向和垂直向“类M曲线”表现不同。随着凹形地貌深度的增加,凸形地貌顶端振动速度峰值与凹形地貌靠爆源侧振动速度峰值均增大。随着凸形地貌高度的增加,凸形地貌顶端、凹形地貌靠爆源侧及背爆源侧的振动速度峰值均增大。而随着相邻距离与爆源距的增大,凸形地貌顶端、凹形地貌靠爆源侧及背爆源侧振动速度峰值均减小。通过现场实际振动监测将研究结论推广到工程应用上,认为在凹凸形地貌中,爆破振动监测不应只考虑爆源距,还应考虑爆破振动的高程放大效应,并根据相邻地形对爆破振动传播影响规律,给出了凹凸形地貌与凸凹形地貌减振沟布置的危险工况以及标准工况。

关键词：相邻地形地貌振动衰减规律影响因素放大效应衰减效应有限元数值模拟 ANSYS/LS-DYNA

裂隙围岩隧道爆破开挖断面轮廓控制研究与应用

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工程爆破 2023年第2期29卷 80-86页

作者：耿世明唐海马谕杰刘蒙彭爱全武俊博姜威振湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 中国核工业华兴建设有限公司南京210000

为解决裂隙围岩隧道爆破掘进施工过程中断面轮廓控制不足、超欠挖严重的问题,以某隧道为例,通过分析掌子面爆破开挖过程中导致轮廓控制不足的主要因素,对炮孔装药结构、装药密度和光爆层厚度等进行了优化。现场爆破效果表明:采用优化后... 详细信息

为解决裂隙围岩隧道爆破掘进施工过程中断面轮廓控制不足、超欠挖严重的问题,以某隧道为例,通过分析掌子面爆破开挖过程中导致轮廓控制不足的主要因素,对炮孔装药结构、装药密度和光爆层厚度等进行了优化。现场爆破效果表明:采用优化后的爆破参数进行开挖,可有效控制爆破开挖断面轮廓,抑制拱顶岩体大面积离层,避免掌子面底部“根底”现象;隧道平均线性超挖量大幅降低80%,平均炮孔利用率提高至93.2%,有效降低了裂隙围岩隧道爆破开挖对围岩的损伤,改善了爆破效果。

关键词：裂隙围岩轮廓控制光面爆破水压爆破装药结构参数优化

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不同空孔直径对三角掏槽爆破效果的影响研究

采矿技术 2023年第1期23卷 144-147页

作者：张肖雨唐海马谕杰姜威振刘蒙耿世明湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭市411201

为探究三角掏槽炮眼布置中空孔直径对爆破结果的影响,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA分别在三角掏槽中心设置1倍炮孔直径、2倍炮孔直径、3倍炮孔直径的空孔,分析了不同空孔直径作用下掏槽孔周围岩体的损伤扩展规律。结果表明:在空孔... 详细信息

为探究三角掏槽炮眼布置中空孔直径对爆破结果的影响,利用有限元模拟软件ANSYS/LS-DYNA分别在三角掏槽中心设置1倍炮孔直径、2倍炮孔直径、3倍炮孔直径的空孔,分析了不同空孔直径作用下掏槽孔周围岩体的损伤扩展规律。结果表明:在空孔与爆源距最小处出现损伤点,损伤点沿着空孔边界逐步扩展,形成空孔周围损伤区,随着时间增加爆源周围形成的损伤与空孔周围损伤区贯通。且空孔直径越大,应力波反射作用越大,致使空孔周围损伤区变大。空孔直径与爆破效果成正比关系,但从凿岩成本综合考虑,本次模拟研究确定空孔最佳直径为2倍炮孔直径。

关键词：三角掏槽爆破数值模拟围岩损伤空孔直径

不同侧压力系数下瓦斯抽采孔最佳布孔间距数值模拟

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矿业工程研究 2023年第4期38卷 17-25页

作者：邓宗萍王卫军彭绍明袁超马谕杰湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 湖南省煤业集团嘉禾矿业有限公司湖南郴州423000

为探究不同侧压力系数下瓦斯抽采孔的最佳布孔间距,采用数值模拟的方式,建立基于塑性破坏的流固耦合模型,模拟钻孔周围的塑性区分布以及塑性区连接状态.研究结果表明:瓦斯单孔抽采时,抽采钻孔形成的塑性区半径随侧压力系数呈类指数增长... 详细信息

为探究不同侧压力系数下瓦斯抽采孔的最佳布孔间距,采用数值模拟的方式,建立基于塑性破坏的流固耦合模型,模拟钻孔周围的塑性区分布以及塑性区连接状态.研究结果表明:瓦斯单孔抽采时,抽采钻孔形成的塑性区半径随侧压力系数呈类指数增长,塑性区半径越大,裂隙分布更广,利于瓦斯流通;多孔抽采时,瓦斯流场范围与侧压力系数呈正相关,抽采时间与侧压力系数呈负相关;由于多孔抽采存在叠加效应,布孔间距大于单孔抽采的塑性区半径的2倍;采用数值软件模拟侧压力系数为2.48时的最佳布孔间距为3.4 m,与嘉禾煤矿2365工作面的实际布孔间距一致.模拟结果具有一定的参考价值,在实际工程中可将瓦斯抽采钻孔布置在侧压力系数高的区域,或者人为增加偏应力以便于瓦斯抽采.

关键词：瓦斯抽采布孔参数蝶形塑性区数值模拟