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深部大采高综采面厚硬岩层-煤柱结构失稳诱冲机理研究

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岩土工程学报 2024年

作者：张翔朱斯陶姜福兴刘金海朱权洁史先锋韩刚魏晓虎曹京龙曲效成华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室中煤能源研究院有限责任公司北京科技大学土木与资源工程学院北京安科兴业科技股份有限公司鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司山东能源集团有限公司

厚硬岩层-煤柱结构失稳诱发型冲击地压是鄂尔多斯深部矿区典型的冲击地压模式，其发生机理尚不清晰，本文以鄂尔多斯深部矿区某矿30202工作面为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法，研究了深部大采高综采面厚硬岩层-煤... 详细信息

厚硬岩层-煤柱结构失稳诱发型冲击地压是鄂尔多斯深部矿区典型的冲击地压模式，其发生机理尚不清晰，本文以鄂尔多斯深部矿区某矿30202工作面为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法，研究了深部大采高综采面厚硬岩层-煤柱结构失稳诱冲机理，得出了以下结论：探讨了深部大采高综采面厚硬岩层-煤柱结构的空间运动特征，建立了厚硬岩层-煤柱结构的力学模型并推导了其失稳诱冲的工程判据。揭示了厚硬岩层-煤柱结构失稳诱冲机理：区段煤柱承载基础应力来源于面内厚硬岩层组和临侧采空区铰接加载岩层自重，当面内厚硬岩层达到强度极限时发生“W”型破断并传递附加应力，区段煤柱承载的叠加应力超过其破坏阈值后发生局部甚至整体失稳冲击。数值模拟发现区段煤柱承载应力随厚硬岩层组的破断运动发生阶段性突增现象，厚硬岩层组“W”型两次破断运动传递的载荷是工作面附近区段煤柱失稳冲击的主要应力来源，其中二次破断释放的能量远高于初次破断。设计并实施了深部大采高综采面厚硬岩层-煤柱结构失稳诱冲的控制体系，包括承载煤柱强卸载、扰动区域强支护和推进速度强管控，效果评价验证了防冲体系能够保障工作面安全回采。

关键词：冲击地压厚硬岩层区段煤柱微震监测

工程水泥基复合材料与发泡式聚苯乙烯保温板的界面粘结性能

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复合材料学报 2022年第11期39卷 5251-5263页

作者：李雨珊尹世平徐世烺侯向明王宇清李传秀中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室徐州221116 浙江大学建筑工程学院杭州310058 山西五建集团有限公司太原030013

随着国家对节能减排的倡导,因建筑围护结构隔热性能不足导致的建筑高能耗问题日益突出。对此,采用一种以工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)为面层、发泡式聚苯乙烯(EPS)板为保温层的夹芯(Sandwich)结构墙体... 详细信息

随着国家对节能减排的倡导,因建筑围护结构隔热性能不足导致的建筑高能耗问题日益突出。对此,采用一种以工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,ECC)为面层、发泡式聚苯乙烯(EPS)板为保温层的夹芯(Sandwich)结构墙体来改善围护结构的隔热性能。这种结构不仅能够有效降低能量的耗散,还具有良好的变形和控制裂缝的能力。然而,界面粘结性能是决定其能否充分发挥各自材料优势并满足使用要求的重要前提。于是,对夹芯结构进行了双面剪切试验,研究了制作方式、保温层厚度、有无连接件及插入连接件的角度对ECC面层与EPS保温层界面粘结性能的影响。试验结果表明,EPS预制试件的粘结性能最差,并且其极限荷载的平均值仅为现浇试件的1/4。保温层厚度越大,试件的粘结性能则越差。连接件的加入有助于提高试件的承载能力和界面粘结性能,其中嵌入45°连接件的试件的增强效果最明显。同时,通过对各试件韧性指数的分析发现,有连接件的试件的韧性均较好,无连接件且保温层厚度为50 mm的试件在试验后期也具有较好的界面间粘结性能。此外,还基于Teixeira的分析理论推导了试件的抗剪承载力公式,并与试验结果进行对比,结果表明该计算公式可以用于预测试件的抗剪承载力。

关键词：夹芯结构 ECC EPS 界面粘结性能韧性指数抗剪承载力

无煤柱自成巷N00工法采留一体化装备与围岩控制关键设计

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煤炭学报 2022年第11期47卷 4011-4022页

作者：王亚军何满潮王琦杨军王建文刘辉陈菲北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司陕西榆林719300

无煤柱自成巷N00工法是我国自主创新的采煤新工法,其在提高资源采出率、降低巷道掘进量、消减煤柱引起的应力集中等方面具有一定优势。为进一步推进该工法发展,以陕煤柠条塔煤矿N00工法工业性试验为工程依托,从采掘布局、围岩控制、装... 详细信息

无煤柱自成巷N00工法是我国自主创新的采煤新工法,其在提高资源采出率、降低巷道掘进量、消减煤柱引起的应力集中等方面具有一定优势。为进一步推进该工法发展,以陕煤柠条塔煤矿N00工法工业性试验为工程依托,从采掘布局、围岩控制、装备系统3个方面梳理了N00工法核心设计思路。针对N00工法成巷围岩结构特征,考虑围岩空间结构整体稳定和运动全过程稳定性,提出了“碎胀平衡降压+动静耦合支护”围岩控制设计思路,明确了3个控制对象、4种控制技术、8项设计标准及相关设计内容。基于N00工法“采留一体化”采掘布局设计理念,形成了N00工法采煤装备系统和成巷装备系统布局新设计,明确了N00装备系统关键结构和功能设计内容。工程试验结果表明,采用N00工法设计,采煤装备系统可实现工作面前无巷采煤,成巷装备系统可实现工作面采后同步成巷,突破了传统采掘分离式装备布局模式,实现了采煤过程中无提前掘巷和无留设煤柱。柠条塔煤矿试验工作面留巷长度2 344 m内,巷道顶底板移近量最大145 mm,巷道围岩控制效果良好,完全满足安全生产要求。无煤柱自成巷N00的成功应用,验证了N00工法采留一体化装备和围岩控制关键设计的可行性,为提高矿井采出率、节约煤炭资源,减少巷道掘进、降低开采成本以及缓解采掘接续问题提供了新途径。

关键词：采留一体化围岩控制 N00工法无煤柱自成巷切顶卸压

特厚黏土层多圈孔冻结壁温度场实测研究与工程应用

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岩土工程学报 2012年第8期34卷 1516-1521页

作者：盛天宝魏世义中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 河南煤业化工集团有限责任公司河南郑州450046

中国国内冻结法凿井通过冲积层的厚度已突破500 m接近了600 m,收集了前10个井筒的多圈孔冻结方案和施工资料,对其中赵固一矿2个特厚黏土层冻结井,开展了多圈孔冻结壁温度场实测。分析前期冻结井存在浅部片帮、深部冻实、冷量浪费、掘进... 详细信息

中国国内冻结法凿井通过冲积层的厚度已突破500 m接近了600 m,收集了前10个井筒的多圈孔冻结方案和施工资料,对其中赵固一矿2个特厚黏土层冻结井,开展了多圈孔冻结壁温度场实测。分析前期冻结井存在浅部片帮、深部冻实、冷量浪费、掘进速度慢的问题。主要原因是设计的冻结壁过厚、冻结孔布置圈径不适应,中圈孔过多、内圈孔过深,中、内圈交汇后冻土向内侧扩展速度过快,主冻结孔布置在中圈冻结期间调控能力差。研究提出冻结壁厚度计算和相匹配的3圈孔冻结,以外圈为主冻结孔、中圈辅助孔、内圈防片帮孔的布孔方法,在赵固二矿3个530 m的特厚黏土层冻结井应用,有效解决了冻结与掘砌的矛盾,技术经济效益大幅提高。

关键词：特厚黏土层多圈孔冻结壁温度场布孔方法

煤与共伴生战略性金属矿产协调开采理论与技术构想

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煤炭学报 2022年第7期47卷 2516-2533页

作者：黄炳香赵兴龙余斌贺桂成岳中文杨成祥王长申孟庆彬杨玉贵刘江峰冯秀娟陈大勇邢岳堃朱卫兵段晓恒鞠金峰中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 矿冶科技集团有限公司矿山工程研究设计所北京100160 南华大学资源环境与安全工程学院湖南衡阳421001 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室辽宁沈阳110819 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中核第四研究设计工程有限公司铀矿冶研究设计所河北石家庄050021 中国矿业大学物联网研究中心江苏徐州221116

煤与煤系共伴生矿产协调开采是国家重大战略需求。我国煤系共伴生有铝、铀、铁、镓等22种战略性金属矿产,种类多、储量丰富、与煤层叠置,赋存状态与开采方法差异大,各矿产开采的岩层活动、流体迁移等影响彼此正常开采。传统煤矿仅开采煤... 详细信息

煤与煤系共伴生矿产协调开采是国家重大战略需求。我国煤系共伴生有铝、铀、铁、镓等22种战略性金属矿产,种类多、储量丰富、与煤层叠置,赋存状态与开采方法差异大,各矿产开采的岩层活动、流体迁移等影响彼此正常开采。传统煤矿仅开采煤炭,对煤系共伴生矿产考虑较少或没有考虑,导致资源浪费;近些年国内开始出现煤与共伴生矿产开采的矛盾,煤与共伴生矿产协调开采迫在眉睫。面向煤系全部共伴生战略性金属矿产,聚焦典型代表性的煤系铝土矿和铀矿,保障研究成果的通用性。煤与共伴生矿产协调开采亟需解决的核心共性重大科学问题是:协调开采的固液气应力场、渗流场、化学场、微生物场、采动裂隙场耦合机制及岩层活动叠加影响规律。亟需攻克的关键技术包括:煤与共伴生矿产协调、协同及共采的分区错时协调开采技术、减振高效爆破开挖技术、水位主动调控技术、污染物的微生物原位还原-矿化治理技术。针对协调开采的重大科学问题和关键技术,研究揭示协调开采多相多场耦合机制与岩层活动叠加影响规律,提出协调开采成套方法,研发协调开采关键技术与装备,构建全资源、全生命周期协调开采规划理论,制定协调开采技术标准,形成通用性的协调开采理论与技术体系,保障各矿产开采活动不影响彼此正常开采。实现煤与共伴生矿产可持续绿色协调性开采,释放矿产储量,保障资源集约开发,经济社会效益显著。

关键词：协调开采战略性金属煤系共伴生矿产多相多场耦合岩层活动叠加全生命周期采矿

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注浆岩体强度随钻评价试验研究

采矿与安全工程学报 2021年第2期38卷 326-333页

作者：高红科王琦李术才王悦蒋振华江贝山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 山东高速集团有限公司山东济南250100

复杂条件地下硐室安全控制的难点在于破碎围岩的有效支护,锚注支护是破碎围岩有效控制的主要手段,注浆后的岩体强度是锚注支护参数合理设计优化的重要依据。目前对于注浆岩体强度的定量测试评价方法研究较少,数字钻进测试技术为实现注... 详细信息

复杂条件地下硐室安全控制的难点在于破碎围岩的有效支护,锚注支护是破碎围岩有效控制的主要手段,注浆后的岩体强度是锚注支护参数合理设计优化的重要依据。目前对于注浆岩体强度的定量测试评价方法研究较少,数字钻进测试技术为实现注浆岩体强度的定量获取提供了新思路,其关键在于建立数字钻进参数与注浆岩体强度参数的定量关系。基于此,本文以厚冲积层高应力矿井——万福煤矿为工程背景,利用研发的岩体数字钻进试验系统,开展注浆岩体数字钻进试验,讨论分析不同水灰比及不同岩体粒径因素对钻进参数、切削能量和抗压强度的响应规律。在此基础上,结合回归分析方法,得到数字钻进PDC钻头条件下的钻进能耗系数和钻进能耗常数,以及钻进岩体破碎系数,建立基于能量分析的注浆岩体钻进参数与等效强度定量关系模型(EDP-ECS模型),提出注浆岩体等效强度随钻评价方法。本文研究为基于数字钻进测试实现地下工程注浆围岩强度的定量评价提供了理论与方法基础。

关键词：注浆岩体数字钻进切削能量等效强度评价方法

基于切削理论的数字钻探参数与岩石单轴抗压强度关系研究

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中南大学学报（自然科学版） 2021年第5期52卷 1601-1609页

作者：江贝马凤林王琦刘悦李术才何满潮魏华勇中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 山东高速集团有限公司山东济南250100

为实现岩石力学参数的现场实时测试,利用数字钻探技术准确获取岩石单轴抗压强度,考虑钻进过程中岩石碎屑对切削荷载的影响,建立基于岩石碎屑区的切削力学模型。基于该模型得到数字钻探参数与碎屑区边界压力(碎屑压力)的关系式,结合数字... 详细信息

为实现岩石力学参数的现场实时测试,利用数字钻探技术准确获取岩石单轴抗压强度,考虑钻进过程中岩石碎屑对切削荷载的影响,建立基于岩石碎屑区的切削力学模型。基于该模型得到数字钻探参数与碎屑区边界压力(碎屑压力)的关系式,结合数字钻探试验结果建立数字钻探参数与岩石单轴抗压强度关系模型(DP-σ_(c)模型),将该模型应用于岩石单轴抗压强度的随钻测试,并验证基于DP-σ_(c)模型实时获取岩石单轴抗压强度的有效性。研究结果表明:通过随钻测试反演得到的岩石单轴抗压强度与室内单轴压缩试验结果差异率平均值小于5%,建立的DP-σ_(c)模型应用于岩石单轴抗压强度的随钻测试是合理、有效的。

关键词：钻探参数岩石碎屑区碎屑压力单轴抗压强度随钻测试

矿井扩散塔喷淋换热装置热质传递模型及参数优化

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煤炭学报 2014年第10期39卷 2047-2052页

作者：崔海蛟王海桥陈世强湖南科技大学能源与安全工程学院湖南湘潭411201 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

针对矿井扩散塔喷淋换热装置的能量回收问题,建立了空气-水之间的传热传质数学模型。利用四阶龙格-库塔方法,进行了传热传质的数值计算,分析了装置结构参数、工质初始状态参数对装置换热的影响,结果表明:装置内部换热以潜热为主,且装置... 详细信息

针对矿井扩散塔喷淋换热装置的能量回收问题,建立了空气-水之间的传热传质数学模型。利用四阶龙格-库塔方法,进行了传热传质的数值计算,分析了装置结构参数、工质初始状态参数对装置换热的影响,结果表明:装置内部换热以潜热为主,且装置底部潜热交换越充分,装置热回收率越高;对装置换热效果的影响,按装置计算高度、液滴粒径、迎面风速、水汽比和液滴初速度的次序,依次下降;迎面风速对装置换热效果有较大影响,应控制迎面风速,避免风吹水损失和实现充分的热质交换。

关键词：矿井扩散塔喷淋换热龙格-库塔热质传递参数优化

纤维编织网增强ECC夹心保温复合墙板抗弯性能

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湖南大学学报（自然科学版） 2023年第5期50卷 123-135页

作者：尹世平李雨珊徐世烺侯向明王宇清丰琳莉中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058 山西五建集团有限公司山西太原030013

目前,夹心保温墙板已经被广泛使用在建筑保温结构中,但是墙板的饰面层通常采用普通混凝土,使得内部保温材料极易因外饰面开裂脱落而受到腐蚀.因此,选用纤维编织网增强工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)作为... 详细信息

目前,夹心保温墙板已经被广泛使用在建筑保温结构中,但是墙板的饰面层通常采用普通混凝土,使得内部保温材料极易因外饰面开裂脱落而受到腐蚀.因此,选用纤维编织网增强工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)作为饰面层,通过四点弯曲试验研究夹心保温复合墙板的抗弯性能,影响因素包括保温材料类型、保温层厚度、面层厚度、纤维编织网处理方式、有无连接件和连接件角度.结果表明:增大保温层厚度对墙板抗弯承载力和延性的影响不大,但能够提高墙板的组合程度;发泡聚苯乙烯(Expanded Polysty⁃rene,EPS)保温板与ECC基体的黏结性能更好,墙板的组合程度也更高,但EPS自身的受力性能和刚度较差,使得墙板的承载能力较低;纤维编织网经过浸渍和浸胶黏砂处理会降低墙板的承载能力,但浸胶黏砂处理能提高ECC基体与纤维编织网的黏结从而改善墙板的延性;连接件的存在能够提高墙板的组合性能,并且减小连接件角度或者增大面板厚度有助于提升墙板的抗弯刚度、承载能力和组合性能,但会导致墙板的延性下降.最后,推导了纤维编织网增强ECC(Textile Reinforced ECC,TRE)夹心保温墙板抗弯承载力计算公式,并将计算结果与试验结果进行对比,结果表明提出的计算方法具有一定的可行性.

关键词：夹层结构纤维增强材料工程水泥基复合材料抗弯强度理论计算