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工作面顶板超前预裂应力阻隔护巷机理

中国矿业大学学报 2024年第2期53卷 264-276页

作者：杨敬轩张瑞卢硕孙兴平陈建本中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 淮南矿业(集团)有限责任公司顾桥煤矿安徽淮南232033

为了改善顾桥煤矿大采深和工作面采动影响引起的煤岩高应力环境,保证工作面停采后系统巷道的安全留设,以矿井1311(1)工作面停采后的系统巷道保护为目标,采用理论分析和现场实践实测方法,探索工作面顶板超前预裂应力阻隔护巷机理.研究表... 详细信息

为了改善顾桥煤矿大采深和工作面采动影响引起的煤岩高应力环境,保证工作面停采后系统巷道的安全留设,以矿井1311(1)工作面停采后的系统巷道保护为目标,采用理论分析和现场实践实测方法,探索工作面顶板超前预裂应力阻隔护巷机理.研究表明:覆岩悬板作用是停采工作面煤岩高应力显现的主要力源组成;通过建立停采工作面覆岩结构力学模型,采用等效应力指标较好地反映了煤层高应力承载特征,揭示了悬板作用下的覆岩应力传递机制,明确覆岩悬板是诱发煤岩高应力的敏感因素,煤层开采扰动范围内的悬板必须及时切断,阻断高应力传载路径;通过合理确定覆岩控制目标层高度,提出利用工作面顺槽联巷爆破切顶阻断高应力传递的卸压思路,给出了重型药柱深孔爆破工艺参数,顶板平面致裂及卸压效果显著.

关键词：顶板预裂切顶卸压应力阻隔爆破切顶等效应力

深井切顶留巷围岩变形机理与分区治理技术研究

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采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 655-665页

作者：华心祝李琛王仙龙祁亚宝陈登红庞文安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学矿业工程学院安徽淮南232001 淮沪煤电有限公司丁集煤矿安徽淮南232141

沿空巷道服务周期长,矿压显现强烈,一次采动后往往造成巷内围岩大变形,难以为下区段工作面开采继续服务。以丁集煤矿1452(1)工作面一次采动结束后留巷修复治理和重新加强支护为工程背景,现场测试留巷断面收缩程度,将其划分为3个不同变... 详细信息

沿空巷道服务周期长,矿压显现强烈,一次采动后往往造成巷内围岩大变形,难以为下区段工作面开采继续服务。以丁集煤矿1452(1)工作面一次采动结束后留巷修复治理和重新加强支护为工程背景,现场测试留巷断面收缩程度,将其划分为3个不同变形特征的待修复治理区域。理论分析巷内围岩变形机理:切顶高度内的顶板破断、回转及采空区垮落矸石的反复压实造成了顶板的非对称变形;采动引起的高支承压力对煤帮破碎区挤压是造成巷帮变形的主要原因;上覆岩层载荷以实体煤帮和采空区矸石帮为媒介传递到底板引起巷道底板变形破坏。利用极小势能原理得到底鼓随应力集中程度的增加而线性增大的结论,并结合数值模拟分析一次采动后顶底板的最小主应力分布状况,以此反映顶底板的应力集中程度。确定留巷修复治理的最佳时机与修复工艺,基于对留巷围岩变形的分析,提出“围岩结构分级分区主被动协同支护”技术。现场监测结果表明,下区段工作面回采时,巷内围岩变形及恒阻锚索受力稳定,该控制技术能够有效控制巷道围岩变形,所留巷道能够满足复用要求。

关键词：沿空留巷切顶卸压围岩控制修复治理补强支护

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单轴压缩下松软煤体波速演化与裂隙分布特征

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 288-301页

作者：朱传奇王磊陈礼鹏张宇王安铖安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-Ⅱ声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用C... 详细信息

为研究松软煤体超声波传播规律与破坏特征,选用型煤代替原煤,设定3条波速传播路径,运用MTS岩石力学实验机、PCI-Ⅱ声发射仪开展单轴压缩条件下煤体多路径波速同步监测试验,引入各向异性指数分析波速演化规律;选定3个横、纵向切面,采用CT扫描设备开展破坏特征观测试验,重构破坏后煤体细观几何结构,对比研究二维横纵切面裂隙分布差异性;探讨波速和三维裂隙体积的关系。结果表明:①随轴向应变的增加,平行、垂直加载方向及煤体平均波速均表现出先平稳后降低再平稳的基本规律,波速各向异性指数具有先平稳后增大再平稳的变化趋势;垂直加载方向波速最先下降,且降幅最大。②与纵向切面相比,破坏后煤体横向切面裂隙谱峰占比和裂隙分形维数均较大,裂隙密度较高,裂隙形态也较为复杂。③随裂隙体积的增大,破坏后煤体平均波速大致呈线性降低,单轴荷载作用下煤体内部裂隙扩展以平行加载方向为主,裂隙竖向线状扩展是造成各方向波速和横纵切面破坏特征差异性的主要原因。④与平行加载方向相比,采用垂直加载方向波速求得的损伤变量较大、评价煤体损伤破坏状态也更为可靠。现场采用声波评价煤体破坏状态时,将声波传播路径设置为垂直煤体受载(最大主应力)方向,有利于提高预测失稳事故的合理性。

关键词：松软煤体损伤破坏裂隙分布各向异性指数 CT扫描

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基于CT扫描的煤体裂隙演化与破坏状态表征

中国矿业大学学报 2024年第1期53卷 93-105页

作者：朱传奇谢广祥王磊安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

为基于裂隙演化特征表征煤体破坏状态,针对原煤试样,采用CT扫描技术开展常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙演化观测试验,重构内部三维裂隙可视化模型,分析裂隙分布形态与特征参数变化规律,基于裂隙面积定义断面(煤体)破坏状态表征指标Ti(... 详细信息

为基于裂隙演化特征表征煤体破坏状态,针对原煤试样,采用CT扫描技术开展常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙演化观测试验,重构内部三维裂隙可视化模型,分析裂隙分布形态与特征参数变化规律,基于裂隙面积定义断面(煤体)破坏状态表征指标Ti(T),并检验指标的准确性和合理性.研究结果表明:随煤体轴向应变的增加,含初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先减小后增大,而无初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先不变后增大.煤体失稳破坏过程中,Ti呈现出先减小(或不变)后增大的变化趋势,且与传统损伤变量相比,变化幅度更大,更能准确量化煤体断面破坏程度.随煤体轴向应变的增加,T表现出先减小后增大的基本规律,与煤体三维裂隙体积变化具有高吻合性.

关键词： CT扫描原煤裂隙演化破坏状态表征指标

CO_(2)−荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2630-2642页

作者：王磊陈礼鹏谢广祥范浩李少波邹鹏张宇安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算... 详细信息

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了CO_(2)作用下煤体的细观统计损伤本构方程,明确了模型各参数的确定方法。最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数,并采用自主研制的气−固耦合实验系统对不同CO_(2)压力下煤体进行了单轴压缩实验,验证了模型的合理性。研究结果表明:①基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量,结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量,并建立了细观统计损伤本构模型;②基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO_(2)作用前后裂隙扩展特征,CO_(2)压力越高,裂隙扩展越充分,煤样三维裂隙参数和损伤变量越大,所形成的空间裂隙网络越复杂;③CO_(2)对煤体力学性质劣化作用显著,煤体的抗压强度与弹性模量随CO_(2)压力增加分别降低了49.78%和22.63%,CO_(2)对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低;④建立的CO_(2)作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度,说明损伤本构模型能够较好地反映出CO_(2)对煤体力学特性的损伤劣化作用,体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性。

关键词： CO_(2)地质封存本构模型损伤变量力学特性裂隙演化

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矿用水泥基注浆材料的发展及展望

中国矿业大学学报 2024年第1期53卷 1-22页

作者：赵光明王艳芬艾洁程详李英明孟祥瑞顾清恒安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学材料科学与工程学院安徽淮南232001

水泥注浆材料是注浆技术的关键环节,由于结石体强度高、价格低廉、材料来源丰富且无毒,在煤炭行业巷道围岩加固、软岩矿井、矿山充填、堵水防渗及防突水工程等领域发挥关键作用.采用一定工艺技术或掺入合适外加剂,是改善水泥浆液性能、... 详细信息

水泥注浆材料是注浆技术的关键环节,由于结石体强度高、价格低廉、材料来源丰富且无毒,在煤炭行业巷道围岩加固、软岩矿井、矿山充填、堵水防渗及防突水工程等领域发挥关键作用.采用一定工艺技术或掺入合适外加剂,是改善水泥浆液性能、提高结石体力学特性并获得高性能、多功能和绿色环保注浆材料的有效途径.本文提出了矿用注浆材料体系框架,包括注浆理论、注浆材料、注浆设备、注浆工艺及工程应用;综述了近年来矿用水泥基注浆材料的研究成果,包括超细水泥基注浆材料、粉煤灰-水泥注浆材料、水泥-水玻璃注浆材料和其他类水泥基注浆材料,如聚氨酯-水泥、氧化石墨烯-水泥、纳米材料-水泥、活化煤矸石/矿渣-水泥、纤维-水泥基材料,归纳了不同矿用水泥基浆液的优点、缺点及工程应用条件;介绍了矿用水泥基注浆材料在煤矿围岩加固、矿山充填、堵水防渗及钻孔封堵领域的工程应用,并展望了矿用水泥基注浆材料的发展趋势,为我国煤矿注浆材料的研发指明方向.

关键词：煤矿水泥基注浆材料围岩加固矿山充填堵水防渗钻孔封孔

煤张开型裂隙三维宏细观演化特征及扰动因素探究

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 71-83页

作者：王磊刘化强陈礼鹏刘怀谦李少波朱传奇范浩安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

裂隙演化方式受控于诸如矿物特征及围压条件等内外环境,为探究含裂隙煤体裂隙宏细观演化特征及影响因素的围压效应,基于工业CT扫描系统及其搭载的三轴加载系统对含裂隙煤体开展三轴静载试验,以多角度联合表征,对原生裂隙、矿物及围压的... 详细信息

裂隙演化方式受控于诸如矿物特征及围压条件等内外环境,为探究含裂隙煤体裂隙宏细观演化特征及影响因素的围压效应,基于工业CT扫描系统及其搭载的三轴加载系统对含裂隙煤体开展三轴静载试验,以多角度联合表征,对原生裂隙、矿物及围压的内外条件相互作用机制做出合理解释。结果表明:①围压会改变煤体初始损伤显著区位置,使其随围压升高由裂隙尖端过渡至煤体上、下端,且微孔隙和大尺寸裂隙之间比微孔隙和微孔隙之间更易相互贯通,并产生新的宏观裂纹。②围压升高使得三维动态分形维数由缓慢增加、快速增加和平稳增加转变为平稳增加、快速增加和缓慢增加的发展阶段,可表征裂隙的时间演化规律。③含裂隙煤体在单轴或低围压下呈纵向拉伸破坏,高围压会使其破坏方式趋于剪切,并通过2种途径提升煤体强度。④起裂角理论值偏离试验值程度随围压增加而增加,与煤体由矿物分布引起的离散度数值关系一致。⑤根据裂隙的受力成分及矿物分布特征将裂隙扩展行为分为直驱、绕核和错核3种类型,该扩展行为受围压对裂隙的作用力成分影响,由相对纯粹拉应力、拉伸–剪切复合应力和相对纯粹剪应力作用的裂纹分别对应以上3种扩展行为,即对裂隙的扩展影响形式表现为以围压为主,矿物赋存形态为辅。

关键词：张开型裂隙 CT实时扫描孔隙分布分形维数矿物分布特征

基于几何特征约束的煤矸DE-XRT精准识别方法

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 262-275页

作者：何磊郭永存支亚王爽李德永胡坤程刚安徽理工大学机电工程学院安徽淮南232001 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 安徽中科光电色选机械有限公司安徽合肥230000

双能X射线透射识别煤矸仍存在厚度、硬化、余辉和扇形效应等缺陷,面向5~150 mm宽厚度煤矸分选参数波动大、识别率低。为此,提出一种基于几何特征约束的煤矸双能X射线透射多维度识别方法。该方法通过目标图像最小外接圆直径和区域面积两... 详细信息

双能X射线透射识别煤矸仍存在厚度、硬化、余辉和扇形效应等缺陷,面向5~150 mm宽厚度煤矸分选参数波动大、识别率低。为此,提出一种基于几何特征约束的煤矸双能X射线透射多维度识别方法。该方法通过目标图像最小外接圆直径和区域面积两个几何特征区分煤矸厚度,约束X射线透射响应特征的空间分布,进而从多个维度特征削弱缺陷影响。以少量低密度煤和高密度矸石,获取X射线透射响应特征、位置特征和几何特征,结合Relief-F特征选择建立强特征组合。检验多种分类器的识别性能,选取中等高斯SVM作为多维度方法的分类模型。以强特征组合作为输入,自动创建最终决策模型并分类未知煤矸像素点,通过像素变换图像处理方法获取分选参数p值。结果显示,p值与煤矸密度呈强线性相关,利用密度可选取p值调控分选。而p值与煤矸厚度呈现弱线性相关,宽厚度范围内p值离散程度小、可分性好,赋予分选参数较大调整空间。批量试验验证结果显示,多维度法预排矸分选参数p值为33.01%,以此分选参数对不同密度、不同煤种煤矸识别,整体识别率达99.57%。对5~150 mm厚度范围原煤预排矸整体识别率达99.37%。相比较H-L法、RL法,多维度法识别率更高,面向不同厚度煤矸计算得到的p值精度高、一致性更好。印证了几何特征约束下多维度识别方法的有效性及分选参数调控优势,为现有双能X射线煤矸分选装置识别算法提供了设计参考。

关键词：煤矸识别双能X射线几何特征多维度分选参数

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爆破扰动高应力巷道围岩力学响应特征研究

煤炭科学技术 2024年第6期52卷 1-13页

作者：常聚才齐潮殷志强史文豹吴博文王拓高翔安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 安徽理工大学矿业工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学安徽省煤矿安全采掘装备制造业创新中心安徽淮南232001

为研究深井厚硬顶板采场巷道围岩在高静载和强动载耦合作用下的力学响应,基于相似模拟试验分析原岩应力、采动应力及爆破扰动三阶段的巷道围岩应力场与位移场,结合光纤环向应变场研究巷道围岩破坏特征,探索爆破扰动应力波在不同煤岩体... 详细信息

为研究深井厚硬顶板采场巷道围岩在高静载和强动载耦合作用下的力学响应,基于相似模拟试验分析原岩应力、采动应力及爆破扰动三阶段的巷道围岩应力场与位移场,结合光纤环向应变场研究巷道围岩破坏特征,探索爆破扰动应力波在不同煤岩体中的传播规律及巷道动力响应机制。研究结果表明:巷道开挖后顶底板卸压明显,两帮产生应力集中区,采动应力阶段应力集中区范围增加50%,爆破后顶板围岩沿垮落角大范围卸压,应力沿巷道左肩窝逆时针逐渐增大;浅部巷道围岩呈现向自由面膨胀–变形,受巷道肩窝处剪切滑移错动影响,锚杆、锚索支护场产生相反的位移量,应力波扰动后,巷道左帮产生拉伸裂纹并与锚杆支护场连成宏观裂纹,裂纹发育高度大于锚杆支护场高度;巷道围岩顶底板呈现明显的张拉破坏特征,左右肩角呈现张拉及剪切复合破坏形式;应力波由小阻抗介质进入大阻抗介质的衰减速度最快,在同种介质中衰减速度次之,由大阻抗介质进入小阻抗介质中应力波峰值反而增大,应力波峰值强度衰减后仍大于巷道顶板极限抗拉强度,导致巷道围岩大变形失稳并产生一定程度的动力响应。基于应力波连续穿过层状岩体理论模型,结合动静载叠加理论,可优化爆破参数从而实现减冲抗冲主被动联合支护。

关键词：高静载强动载巷道围岩爆破扰动高应力