检索结果-南通市图书馆

基于能量释放特征的强动压巷道高强柔性支护机理研究

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采矿与安全工程学报 2022年第5期39卷 930-939页

作者：李冲台连海中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

针对强动压巷道锚索易过载拉断的问题,结合弹性力学与广义胡克定律,通过理论分析与数值模拟,探究柔性支护系统围岩变形和能量变化的内在联系,揭示强动压巷道高强柔性支护系统能量释放机制。结果表明:顶板弹性应变能释放速率呈现“先增... 详细信息

针对强动压巷道锚索易过载拉断的问题,结合弹性力学与广义胡克定律,通过理论分析与数值模拟,探究柔性支护系统围岩变形和能量变化的内在联系,揭示强动压巷道高强柔性支护系统能量释放机制。结果表明:顶板弹性应变能释放速率呈现“先增后减”的变化趋势,顶板弹性应变能密度与下沉量呈非线性降低趋势;由巷道近场围岩至远场围岩,弹性能均呈现出“先快速增长后缓慢降低,最终趋于平稳”的变化趋势;围岩支护系统实现动态平衡的同时,处于深部的弹性区煤岩体持续释放能量,近场围岩不断积聚能量,直至超过岩层储能极限,一部分能量通过巷道变形与吸能装置等途径实现释放,另一部分能量储存在远场煤层中。结合工程实例验证,认为运用高强柔性让压支护系统,可有效控制强动压巷道的有害变形,支护效果良好。

关键词：能量释放让压弹性应变能密度高阻大变形锚索

断层带破碎岩体采动剪切变形与渗透性演化规律

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煤田地质与勘探 2023年第8期51卷 150-160页

作者：李樯马丹张吉雄刘勇侯文涛中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

为探索采动影响下的断层活化突水机理,开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统,实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程,开展多因素影响下的破碎岩体剪切-渗流耦合试验,获得... 详细信息

为探索采动影响下的断层活化突水机理,开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统,实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程,开展多因素影响下的破碎岩体剪切-渗流耦合试验,获得连续剪切过程中颗粒级配和初始孔隙率对孔隙率和渗透性参量的影响规律。结果表明,连续剪切条件下,破碎岩体的渗透率和孔隙率变化过程大致相同,可分为3个阶段:缓慢增长阶段,破碎岩石颗粒由散乱状态向有序的组织结构调整;加速增长阶段,破碎岩石颗粒剪切膨胀;增速放缓阶段,破碎岩体颗粒的剪切变形在围压的约束下达到动态平衡。试样Talbot指数越小或初始孔隙率越大,渗透率和孔隙率敏感性越强,渗透率和孔隙率越大;非Darcy流β因子的演化规律与渗透率的演化规律相反。结合数值模拟发现,剪切作用下破碎岩体剪切带内岩石颗粒的运移是剪胀现象发生的主要原因,破碎岩体剪胀过程中颗粒的力链由随机分布向特定方向转化,表现为局部孔隙和孔喉的膨胀,是孔隙率和渗透率增加的主要原因。研究成果可为深部煤矿突水灾害机理揭示与灾害防治提供参考。

关键词：断层突水破碎岩体剪切-渗流耦合渗透特性离散元模拟

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

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煤炭学报 2023年第2期48卷 666-677页

作者：马丹李樯张吉雄刘勇侯文涛中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布... 详细信息

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律,构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明:(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构,级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大,降低破碎岩体的压缩性,增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变,降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用,束缚孔隙率对渗透率的影响较小,增大应力会降低破碎岩体渗透性,大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述,应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反,小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型,通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献,可显著提高级配破碎岩体渗透率预测效果的准确性。研究结果为发展煤矿采动突水灾害理论和防控技术提供了科学依据。

关键词：断层破碎带破碎岩体孔隙结构渗流特性预测模型

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充填弱化坚硬覆岩冲击地压灾害机制研究

岩石力学与工程学报 2023年第10期42卷 2412-2426页

作者：周楠许健飞张吉雄马丹李泽君姚依南中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一,已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素,给出诱冲关键层的判定方法,提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层... 详细信息

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一,已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素,给出诱冲关键层的判定方法,提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路,以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景,研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律,揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法,最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明,坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键,采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形,降低致灾能量的积聚程度和释放速度,同时,充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率,进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。

关键词：采矿工程冲击地压灾害充填方法坚硬覆岩诱冲关键层致灾能量

固体充填液压支架机构干涉临界表征与自主解调方法

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煤炭科学技术 2023年第8期51卷 260-270页

作者：宗庭成张强时培涛王云搏李凤铭常天骄中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221008

在采充工序自驱执行过程中,能否实现机构干涉的自主解调,是固体充填液压支架能否实现智能化的基础。利用理论分析方法,以ZC5160/30/50型固体充填液压支架为例,从充填支架机构的几何及运动约束关系出发,建立了正交位姿控制指标:夯实铰点... 详细信息

在采充工序自驱执行过程中,能否实现机构干涉的自主解调,是固体充填液压支架能否实现智能化的基础。利用理论分析方法,以ZC5160/30/50型固体充填液压支架为例,从充填支架机构的几何及运动约束关系出发,建立了正交位姿控制指标:夯实铰点顶梁平距和夯实铰点顶梁垂距,实现了任意工况下支架后顶梁的位姿表征;分析了充填支架底卸式输送机在各工况因素作用下的运动特征,建立了正交位姿控制指标:底卸式输送机顶梁垂距和输送机顶梁平距,实现了任意工况下底卸式输送机的位姿表征;基于后顶梁和底卸式输送机的位姿控制指标进一步得出充填物料卸料过程中在煤层底板的落点位置表征指标:卸料中心距,实现了任意工况下充填物料的落点位置表征;分析了采充工序执行过程中各工序阶段机构动作与位姿调整的衔接关系和易干涉位置,基于正交位姿控制指标,利用投影法建立了任意工况下落料与典型碰撞位置的干涉临界控制方程;以夯实机构转角和夯实油缸行程表征典型工况下的干涉临界曲线,提出采用“干涉区、易干涉区、非干涉区”的三区分布特征表征干涉临界程度,并给出各干涉状态的解调路经;基于干涉临界控制方程、干涉三区分布特征和充填工序过程中机构动作与位姿调整的衔接关系,提出了干涉状态自主识别方法:利用角度传感器及行程传感器获取夯实机构的实时转角和行程,代入各易干涉位置的干涉临界方程得到处于该位置干涉临界状态的夯实机构转角或行程的理论值和干涉临界曲线,判断实际值在干涉临界曲线三区分布图上的位置即可实现干涉位置及状态的自主判别,根据干涉三区分布曲线图即可实现自主解调;基于干涉位置及干涉状态自主识别方法设计了干涉自主判别和解调算法。研究结果为充填液压支架机构位姿表征提供了新的参考指标,为机构干涉的智能避障和解调提供了基础判据,为固体智能充填的采充工序自驱执行提供了算法基础。

关键词：智能充填充填开采液压支架干涉临界表征方法自主解调

CO_(2)矿化煤基固废制备保水开采负碳充填材料试验研究

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煤炭学报 2022年第12期47卷 4228-4236页

作者：马立强翟江涛 NGO Ichhuy 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

煤炭资源开发利用过程中会产生大量的CO_(2)以及粉煤灰等煤基固废,在“双碳”目标下,如能采用CO_(2)矿化煤基固废制备充填材料,并将其充填在采空区里控制岩层移动,将会“变废为宝”,推动保水开采等绿色低碳技术发展。针对矿井充填现场... 详细信息

煤炭资源开发利用过程中会产生大量的CO_(2)以及粉煤灰等煤基固废,在“双碳”目标下,如能采用CO_(2)矿化煤基固废制备充填材料,并将其充填在采空区里控制岩层移动,将会“变废为宝”,推动保水开采等绿色低碳技术发展。针对矿井充填现场难以满足CO_(2)矿化所需高温高压高钙(“三高”)条件的问题,探索在常温常压条件下,采用常规低钙粉煤灰(“三常”)研制CO_(2)矿化煤基固废负碳充填材料(Negative Carbon Filling Material, NCFM)。在NCFM反应过程中,原材料首先发生水化反应生成C—S—H凝胶、Ca(OH)_(2)和CaCO_(3),再与CO_(2)反应后生成SiO_(2)硅胶。在此过程中,碱性激发剂加速C—S—H凝胶和硅胶的生成,使NCFM具有快速早强特征。随着NCFM进一步水化反应,碱性激发剂会促进火山灰反应的发生,进而促使更多水化产物的生成,有利NCFM长期强度的提高。在采用坍落度测试、凝结时间测试、单轴抗压强度(UCS)测试、X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)-X射线能谱仪(EDS)分析,以及热重分析(TGA)测试的基础上,研究了NCFM的力学性能和微观组织,阐明了NCFM的早期与长期强化机制。80%粉煤灰掺量的NCFM试样的UCS最大,3 d达2.70 MPa, 28 d达5.12 MPa。1 g NCFM的最大CO_(2)吸收量为1.39 mg。NCFM的研制提供了保水开采负碳充填材料,可推进形成CO_(2)资源化利用、固废规模化处置、采空区再利用,以及保水开采等煤炭资源绿色化开采的协同技术途径,促进实现“碳炭置换”,助力加快能源资源领域“双碳”战略目标实现。

关键词： CO_(2)矿化煤基固废常温常压负碳充填材料保水开采

基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用

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煤炭学报 2022年第2期47卷 672-682页

作者：姚强岭李英虎夏泽李学华王烜辉晁宁中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

通过对巷道顶板岩梁的变形及破坏特征分析,确定了顶板岩层失稳的宏观过程;针对煤系巷道顶板沉积岩层的分层特征,建立了煤系巷道顶板叠加梁力学模型,基于其协调变形及共同承载特性,求解出了叠加梁中各分层岩梁等效承载应力、层间作用力... 详细信息

通过对巷道顶板岩梁的变形及破坏特征分析,确定了顶板岩层失稳的宏观过程;针对煤系巷道顶板沉积岩层的分层特征,建立了煤系巷道顶板叠加梁力学模型,基于其协调变形及共同承载特性,求解出了叠加梁中各分层岩梁等效承载应力、层间作用力以及锚杆(索)支护强化参数,揭示了锚杆(索)对叠加梁结构的支护作用机理,即优化不同抗弯刚度的各层顶板的承载应力分配,充分发挥各岩层力学承载性能,控制顶板岩层的整体下沉,同时提高叠加梁的黏聚力及变形模量,间接强化整体锚固结构的承载强度。针对顶板叠加梁支护结构在巷道不同服务阶段的失稳条件,提出了煤系巷道顶板支护的“有效锚固”状态以及有效锚固层厚度理念,用于评价巷道支护中锚杆(索)对顶板实际的锚固能力,形成了煤系巷道顶板叠加梁支护理论。基于该支护理论,以皖北煤电集团任楼煤矿Ⅱ7_(3)24S工作面回风巷为工程背景,对其在近距离煤层、采空区下伏成巷条件下进行了顶板支护设计,根据层间距在>6,4~6以及2~4 m的3种不同范围,将该巷道进行了分区,通过对顶板叠加梁结构进行分析与有效锚固层厚度计算,分别确定了在不同巷道区域内采用锚杆与注浆锚索为主的支护技术参数,并结合现场工业性试验验证了该支护方案的合理性与有效性。

关键词：叠加梁理论煤系巷道锚杆支护机理 “有效锚固”状态有效锚固层厚度

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泥岩多尺度模型与水岩作用特性研究进展

煤炭学报 2022年第3期47卷 1138-1154页

作者：李桂臣李菁华孙元田孙长伦许嘉徽荣浩宇杨森沃小芳卢忠诚中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展,特别是在煤矿工程实践中,泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化,往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性与泥质胶结的强度低、塑性强特性,是富黏土矿物(>50%)泥岩遇水大变形与... 详细信息

泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展,特别是在煤矿工程实践中,泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化,往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性与泥质胶结的强度低、塑性强特性,是富黏土矿物(>50%)泥岩遇水大变形与承载失效的内在本质。工程实践研究中承载持续大变形与泥岩遇水渐进劣化是关键防控和调控过程。针对泥岩研究尺度广、大变形力学机制与水岩作用机理复杂的特点,首先基于工程防控/调控技术研究焦点界定了多尺度研究范畴,划分出宏观岩体(mm)、细观矿物(μm)、微观晶胞(nm)3个研究尺度;其次阐明了不同尺度下的泥岩物理、力学、化学研究模型,讨论了不同尺度泥岩物力化性质分析方法与手段,厘清了泥岩物理力学和物理化学性质的多尺度特性,系统研究了不同尺度下的水岩作用机制,构建了考虑不同尺度相互作用关系的泥岩水岩作用多尺度关联体系;最后展望了泥岩多尺度研究中细观尺度研究的发展方向;指出多尺度水岩作用在多物理场耦合中的研究前景,提出基于多尺度分析的泥岩灾变防治技术研发体系,凝练人工智能方法辅助研究泥岩多尺度的关键科学问题。同时,开展多尺度研究有助于掌握与控制泥岩的物理、化学、力学响应特性,为解决泥岩灾变防治和核废料封存工程难题提供理论基础。

关键词：泥岩多尺度模型构建水岩作用耦合机理

三向应力状态下超高水材料固结体损伤特征及力学特性研究

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煤炭科学技术 2022年第12期50卷 128-135页

作者：胡世杰王方田高翔任帅冯光明中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

为研究超高水材料固结体在三向应力状态下的损伤特征及力学特性,进行不同养护时间(1、7、14、21、28 d)下超高水材料固结体的单轴压缩试验。借助PFC3D的平行黏结模型建立不同养护时间下的单轴压缩模型,得出与单轴试验强度相符合的5组PF... 详细信息

为研究超高水材料固结体在三向应力状态下的损伤特征及力学特性,进行不同养护时间(1、7、14、21、28 d)下超高水材料固结体的单轴压缩试验。借助PFC3D的平行黏结模型建立不同养护时间下的单轴压缩模型,得出与单轴试验强度相符合的5组PFC3D单轴压缩模拟试验强度。并统计各组平行黏结模型的细观物理力学参数,依据所得参数建立不同养护时间下超高水固结体的三轴压缩模型,施加与轴向应力相等的围压,记录不同养护时间下三轴试验过程中的应力-应变曲线及破坏时的力链分布。分析了超高水固结体在三向应力状态下的损伤特征,研究结果表明:①超高水材料固结体三向应力状态下的极限强度随养护时间的变化规律可由波尔茨曼方程表示。养护时间1~14 d时,极限强度增长最快;养护时间28 d时达到最大极限强度3.1 MPa。②超高水材料固结体三轴压缩模型力链贯通程度随养护时间的变化规律为:养护时间1~28 d,横向接触力链数目分别为4006、4561、4891、5017、5062;纵向接触力链数目为4029、4439、4716、4917、5123。表明超高水材料固结体的承载能力随养护时间的增加而增强,在养护时间0~14 d增长最快,14~28 d时承载能力趋于稳定。③以受拉力链模拟超高水材料固结体三轴压缩模型破坏过程中的裂隙发育过程,得出养护时间为1 d的超高水材料固结体破坏时的裂隙主要集中试样的上下两端。随着养护时间的增加,裂隙的发育程度增加,破坏时试样的中部开始出现裂隙,与上下两端的裂隙逐步贯通。

关键词：超高水固结体三轴试验岩石力学损伤机制充填浆料