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锚网−围岩接触面注浆充填预应力施加技术

煤炭学报 2024年第5期49卷 2222-2230页

作者：原贵阳高富强王涛李建忠王晓卿中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技... 详细信息

针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题,开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法,阐述了网后注浆技术原理;其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验,分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律;最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验,得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值,验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明:①金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素,围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段;②在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加,面应力变化趋势主要分为:初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段;③网后注浆过程中,面应力变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关,面应力上升过程中,注浆压力、金属网变形量也随之升高;④网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度,面应力上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势,受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术,为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

关键词：锚杆支护金属网网后注浆面型预应力围岩控制

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预紧扭矩对锚杆拉伸工况影响实验研究

采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 699-708页

作者：娄金福董双勇杨景贺原贵阳刘文举吴志刚中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

锚杆安装预紧状态对其后续服役工况有重要影响。依托自主研发的锚杆力学性能综合试验台,以托盘垂直于杆体安装为例,对真实锚杆系统施加不同的预紧扭矩,测试安装预紧、轴向拉伸等静载阶段锚杆的力学响应特征,揭示杆体受力的转化机制,阐... 详细信息

锚杆安装预紧状态对其后续服役工况有重要影响。依托自主研发的锚杆力学性能综合试验台,以托盘垂直于杆体安装为例,对真实锚杆系统施加不同的预紧扭矩,测试安装预紧、轴向拉伸等静载阶段锚杆的力学响应特征,揭示杆体受力的转化机制,阐释安装工况对锚杆后续工况的影响规律。试验发现,杆体预紧力与预紧扭矩呈线性关系,杆体扭矩与预紧扭矩呈非线性关系。轴向拉伸阶段杆体扭矩持续降低,尤其以杆体弹性阶段、屈服阶段降幅最为明显,杆体强化阶段扭矩大致保持恒定。拉扭组合状态杆体的极限承载值降低,相当于杆材强度的89.65%~93%。预紧扭矩对杆体极限承载值几乎没有影响,但预紧扭矩的增加会导致极限承载点的杆体伸长量不断减小。其中,预紧扭矩450 N·m时杆体延伸率较杆材降低2.2个百分点。对比各预紧扭矩方案的结果确定预紧扭矩的合理值为350 N·m。力学分析发现,杆体残余扭矩产生的切应力是其承载能力及延伸率降低的主要原因,建议采用张拉预紧方式安装锚杆,以消除螺纹预紧摩擦产生的不利影响。

关键词：锚杆预紧扭矩预紧力残余扭矩组合受力

矿震诱发巷道冲击地压力学机制及判别准则研究

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 493-503页

作者：朱小景潘一山齐庆新肖永惠李海涛煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院北京100013 辽宁大学物理学院辽宁沈阳110036 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

针对目前矿震诱发巷道冲击地压机制不清晰、理论研究不完善的问题,建立圆形巷道弹塑性软化力学模型,基于巷道围岩软化区能量和矿震波能量,提出矿震诱发巷道冲击地压的软化区能量极值判别准则。将软化区外边界矿震波能量与临界软化区能... 详细信息

针对目前矿震诱发巷道冲击地压机制不清晰、理论研究不完善的问题,建立圆形巷道弹塑性软化力学模型,基于巷道围岩软化区能量和矿震波能量,提出矿震诱发巷道冲击地压的软化区能量极值判别准则。将软化区外边界矿震波能量与临界软化区能量之比定义为统一能量指数,并作为矿震能否诱发巷道冲击地压的判别依据,当统一能量指数小于等于1时,表明没有多余能量推动软化区煤体冲向巷道内,即矿震不会诱发巷道冲击地压;当统一能量指数大于1时,表明有多余能量迫使软化区煤体冲向巷道内,即会诱发巷道冲击地压。冲击地压发生时,用巷道快速收缩位移表征冲击地压破坏程度,且巷道快速收缩位移随着围岩临界软化区能量呈指数下降,随着软化区外边界矿震波能量呈线性上升。通过相似模拟试验和数值模拟,验证了理论分析的合理性和正确性。

关键词：冲击地压临界软化区能量软化区外边界矿震波能量统一能量指数巷道快速收缩位移

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基于局部矿井刚度理论的煤柱冲击机理及防治

煤炭科学技术 2024年

作者：高富强卢志国彭相愿娄金福曹舒雯王晓卿陆闯杨磊中煤科工开采研究院有限公司煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室煤炭科学研究总院开采研究分院

冲击地压频发严重威胁煤炭资源安全高效回收，冲击地压机理研究是预测预警和灾害防治的基础。针对某矿井应力环境稳定且未受到动载影响的条件下发生的冲击事件，引入局部矿井刚度(LMS)概念，并以该矿井冲击事件高发区域为工程背景，综... 详细信息

冲击地压频发严重威胁煤炭资源安全高效回收，冲击地压机理研究是预测预警和灾害防治的基础。针对某矿井应力环境稳定且未受到动载影响的条件下发生的冲击事件，引入局部矿井刚度(LMS)概念，并以该矿井冲击事件高发区域为工程背景，综合运用数值分析和现场实测等方法，分析复杂采掘布置条件下大空间尺度采掘作业过程中煤柱力学响应规律，并考察该过程中局部矿井刚度演化。指出采掘作业导致局部矿井刚度降低，煤层及其顶底板系统中能量快速积累，超过煤柱破坏所需能量，在失稳瞬间迅速释放造成煤柱冲击破坏，并对比分析随工作面推进局部矿井刚度演化与现场地音及微震实测数据。基于煤柱冲击破坏机理，结合该矿生产实际，采用大直径钻孔弱化煤体，降低冲击危险性，并以实测微震数据验证防冲效果。研究表明：(1) 煤柱变形、载荷及弹性能量积累随采掘作业整体呈增长趋势，但LMS呈降低趋势，采出空间尺寸及其与研究区域间距离是主要影响因素，LMS对工作面回采响应程度显著大于巷道掘进，工作面回采对LMS降低显著影响范围是巷道掘进的3.67倍，单位推进距离下LMS降幅是巷道掘进的6.41倍。(2) 随工作面推进LMS演化与现场地音及微震数据的良好对应关系，表明煤层回采导致LMS降低直接影响煤柱破坏方式，煤层及其顶底板系统中能量随LMS降低而快速积累，在煤柱承载能力降低时迅速释放，致使煤柱发生冲击破坏。(3) 采用大直径钻孔弱化煤体后，微震能量及频次均显著降低，表明大直径钻孔破坏该区域煤体，降低煤柱峰后刚度，冲击危险性降低。

关键词：煤炭开采冲击地压局部矿井刚度煤柱响应能量演化大直径钻孔防冲

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采煤机智能化发展现状及关键技术展望

工矿自动化 2024年第7期50卷 64-78页

作者：邱锦波刘聪吴昊坤庄德玉朱胜强中煤科工集团上海有限公司上海200030 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室上海200030

介绍了国内外采煤机智能化发展的现状:采煤机目前正朝着智能机器人化的方向发展,处于智能化初级阶段。阐述了采煤机智能化发展历程及趋势:英国远程操作长壁工作面(ROLF)计划、采煤工作面自动化系统(MINOS)、美国航空航天局(NASA)长壁自... 详细信息

介绍了国内外采煤机智能化发展的现状:采煤机目前正朝着智能机器人化的方向发展,处于智能化初级阶段。阐述了采煤机智能化发展历程及趋势:英国远程操作长壁工作面(ROLF)计划、采煤工作面自动化系统(MINOS)、美国航空航天局(NASA)长壁自动化合作项目、澳大利亚煤炭工业研究计划(ACARP)、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)项目、欧盟长壁钻井设备新型机械化与自动化(NEMAEQ)等6项科研项目在采煤机智能化发展中扮演了重要角色;采煤机发展趋势在于利用不断发展的监测传感及远程控制技术代替人工干预及操作,不断提高工作面设备的生产效率及可靠性,朝信息化、一体化、无人化、智能化的方向发展。从采煤机智能感知、智能控制和智能通信3个方面介绍了采煤机智能化关键技术,指出基于煤岩识别的智能截割技术、智能滚筒调速技术、采煤机精确定位技术和基于三维地质模型的采煤机规划开采技术是亟待突破的关键技术。从采煤机降尘和降噪2个方面对采煤机智能化发展过程中不可忽视的人机关系进行了论述。

关键词：采煤机智能化智能感知智能控制智能通信智能截割智能滚筒调速精确定位规划开采

煤系共伴生矿产协调开采完全成本内涵、构成要素和挑战

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采矿与安全工程学报 2024年第1期41卷 200-211页

作者：王茗可黄炳香陈大勇中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116

煤系共伴生矿产协调开采是国家的重大战略需求,实行采矿完全成本有利于矿产资源的合理开发利用,促进矿产企业安全高质量生产和可持续发展。目前,完全成本主要基于煤矿进行研究,在其他矿产开采方面的研究相对较少;对单一矿产开采的完全... 详细信息

煤系共伴生矿产协调开采是国家的重大战略需求,实行采矿完全成本有利于矿产资源的合理开发利用,促进矿产企业安全高质量生产和可持续发展。目前,完全成本主要基于煤矿进行研究,在其他矿产开采方面的研究相对较少;对单一矿产开采的完全成本问题研究较多,而对多矿产协调开采的完全成本问题研究则较少,煤系共伴生矿产协调开采缺少完全成本方面的理论指导。对比分析各矿产独立开采完全成本构成及协调开采特点,提出协调开采运行成本的概念,分析得出协调开采完全成本由传统的5类成本和协调开采运行成本共同构成,即协调开采完全成本不但包含各矿产独立开采的完全成本,还应该考虑因建立和维护协调开采系统以及应对协调开采对外部产生的效应采取应对措施所产生的费用。结合煤系共伴生铝土矿、铀矿、煤层气的协调开采具体案例,获得不同情况下协调开采运行成本产生的原因及构成要素,并指出系统内部不同矿产开采活动的相互影响是导致协调开采运行成本产生的关键因素。基于协调开采相关技术进展,分析协调开采完全成本在成本量化、协调开采关键理论技术、实施难度和人才需求等方面所面临的挑战。

关键词：煤系共伴生矿产协调开采完全成本科学采矿

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煤系共伴生矿产分区错时协调开采原理

采矿与安全工程学报 2024年第1期41卷 74-85页

作者：赵兴龙黄炳香吴占伟魏志鹏韩晓克中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116

我国煤系共伴生矿产种类多、储量丰富、与煤层叠置,赋存状态与开发方式差异大,各矿产开采的岩层活动和流体迁移等影响彼此正常开采。针对煤系共伴生矿产开采存在的问题,提出并阐明了煤系共伴生矿产分区错时协调开采理念及内涵。基于分... 详细信息

我国煤系共伴生矿产种类多、储量丰富、与煤层叠置,赋存状态与开发方式差异大,各矿产开采的岩层活动和流体迁移等影响彼此正常开采。针对煤系共伴生矿产开采存在的问题,提出并阐明了煤系共伴生矿产分区错时协调开采理念及内涵。基于分区协调开采理念,将煤与共伴生矿产开采区域划分为煤矿优先开采区和共伴生矿产优先开采区,根据采动岩层活动及流体迁移规律留设协调开采保护区作为煤与共伴生矿产开采的缓冲区域,使煤与共伴生矿产开采活动在空间上相互避开,互不影响。基于错时协调开采理念,将资源叠置区煤与共伴生矿产的开采时序错开,根据矿产资源的战略需求属性、经济价值等建立共伴生叠置矿产的优先开采度,从而确定共伴生叠置矿产的开采时序。待优先开采的矿产开采结束,并且其开采引起的岩层活动趋于稳定或流体迁移在可控范围内,再开采采空区上方或下方的叠置矿产。通过合理划分共伴生叠置资源的开采时序,实现叠置矿产资源的综合开发。给出了煤与共伴生矿产分区错时协调开采的关键参数和确定原则,并通过煤铝分区错时协调开采相似模拟试验,系统阐述了煤铝分区错时协调开采过程及现象,分析了煤铝分区错时协调开采规律及参数合理性。提出了煤与共伴生矿产同步/异步分区错时相向开采、同步/异步分区错时逆向开采及同步/异步分区错时同向开采等成套分区错时协调开采工艺。

关键词：煤系共伴生矿产分区错时协调开采

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低刚度加载诱发煤样冲击破坏特征及其机制

岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1455-1467页

作者：卢志国高富强鞠文君娄金福白刚董双勇孙卓越杨磊李建忠中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院辽宁阜新123000

冲击地压刚度理论认为加载刚度降低是煤柱冲击的必要条件之一,为量化低刚度加载对煤体力学性质及破坏特征的影响,选取不同弹性模量岩石材料与煤样构成不同刚度比组合试样,岩石作为煤样的直接加载体,实现对煤样的低刚度加载,获取煤岩组... 详细信息

冲击地压刚度理论认为加载刚度降低是煤柱冲击的必要条件之一,为量化低刚度加载对煤体力学性质及破坏特征的影响,选取不同弹性模量岩石材料与煤样构成不同刚度比组合试样,岩石作为煤样的直接加载体,实现对煤样的低刚度加载,获取煤岩组合试样各项力学参数,并分析其宏、细观破坏特征;收集煤样破坏后碎屑,量化碎屑尺度及散落空间分布特征,利用高速相机记录煤样碎屑弹射过程,获取弹射碎屑的体积、速度、动量及动能等参量描述其弹射特征,以碎屑尺度、散落空间分布及弹射特征,定量评价组合试样中煤样破坏烈度。利用黏贴于试样表面应变片获取加载过程变形特征,结合试验机记录载荷数据,计算能量演化,从能量角度分析组合试样中煤样冲击破坏机制。研究发现:(1)组合试样中煤样均发生冲击破坏,加载阶段岩石被压缩而积累弹性应变能,当煤样破坏时,所积累能量中超过90%随岩石回弹变形而释放对煤样做功,导致煤样冲击破坏。(2)组合试样轴向变形是岩石和煤样变形的综合,峰值强度时刻煤样轴向变形量相对恒定,不同组合模式下,组合试样轴向变形量的差异主要取决于岩石,峰值强度时刻岩石轴向应变随弹性模量增大而减速降低。(3)随岩石弹性模量降低,峰前变形量呈反比例函数增大,弹性应变能积累量增加,峰后能量释放量急速增大,导致煤样破坏烈度随岩石弹性模量降低而非线性加剧。(4)峰值强度时刻岩石轴向应变、煤样破坏烈度等参量随组合试样中岩石弹性模量演化规律的非线性特征突出:当岩石与煤样弹性模量处于同一量级时,各参量对岩石弹性模量变化响应显著;当岩石弹性模量显著高于煤样时,各参量对岩石弹性模量响应程度减弱。

关键词：岩石力学煤岩组合试样冲击破坏力学性质变形特征能量演化破坏烈度

基于连续实测的煤巷围岩掘–采期间采动应力演化与破坏模式分析

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：苏超康红普姜鹏飞刘畅刘跃东伊康太原理工大学矿业工程学院中煤科工开采研究院有限公司煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室

采动应力是煤矿开采各类地质灾害的根本驱动力之一，为掌握煤巷围岩掘进和回采期间采动应力演化规律，采用空心包体应力测量技术，在陕西陕煤曹家滩矿业有限公司122110工作面辅运巷首次通过连续监测获取了煤巷围岩掘-采期间采动应力演... 详细信息

采动应力是煤矿开采各类地质灾害的根本驱动力之一，为掌握煤巷围岩掘进和回采期间采动应力演化规律，采用空心包体应力测量技术，在陕西陕煤曹家滩矿业有限公司122110工作面辅运巷首次通过连续监测获取了煤巷围岩掘-采期间采动应力演化数据，提出了基于空心包体应变计连续监测计算应力全量的方法，并基于莫尔-库伦准则对实测数据进行了有效性判定，揭示了掘进与回采影响下巷道围岩采动应力的动态变化规律，并通过应力比K对巷道围岩破坏模式进行了讨论，研究结果表明：掘进及回采期间的超前采动应力影响范围分别为8和110 m，最大与最小主应力差值分别提升0.17倍和1.58倍，回采期间提升值为掘进期间的9.3倍；掘进期间围岩破坏模式主要为表层围岩张拉破坏，回采期间则发生较大范围的塑性破坏，其中浅部围岩主要发生张拉破坏，中浅部围岩发生拉-剪复合破坏，深部区域一般较少发生破坏；结合实测数据、钻孔窥视结果与现场破坏特征，验证了应力比K则能够较好的反应巷道围岩应力状态与破坏模式之间的关系。

关键词：采矿工程煤巷采动应力掘–采期间破坏模式