• 基于最大周向拉应力准则的水力裂纹起裂特征研究

    赵凯凯1,2,3,4; 姜鹏飞1,2,3,4; 冯彦军1,2,3,4; 孙晓冬1,2,3,4; 程利兴1,2,3,4; 郑建伟1,2,3,4

    为研究水力裂纹起裂特征,优化水力压裂设计及施工,采用最大周向拉应力准则作为水力裂纹的开裂判据,推导裂纹起裂角和临界水压的计算方程。分析起裂角和临界水压与预制裂纹倾角、注入水压、应力差和孔隙压力等的关系。研究结果表明:起裂角随预制裂纹倾角的增加呈先增加后减小的趋势;随着水压增高,裂纹起裂角逐渐减小;起裂角随应力差的增加呈单调递增趋势,随孔隙水压增加呈单调递减趋势。临界水压随裂纹倾角的增加呈单调增加的趋势。整体而言,临界水压随应力差增大而增加;随预制裂纹长度的增加而逐渐降低;随断裂韧度的增加呈单调递增趋势;随孔隙水压增加呈单调递减趋势。理论预测的起裂角及临界水压与水力压裂试验结果较为吻合。研究结论可为水力压裂设计及施工提供借鉴。

    2021年本地第2期 [查看摘要][在线阅读][下载 1946K]
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  • 基于Schwarz交替法求解分析浅埋近距离煤层开采覆岩结构演化规律

    李 磊1,2,3; 李寿君4

    我国西部地区有着丰富的浅埋近距离赋存条件的煤炭资源,其特点是煤层埋藏较浅,上覆基岩厚度较薄,覆盖层为含水砂层。该类型矿井工作面开采一旦波及到含水砂层,工作面将产生涌水溃砂等灾害事故。为了预防此类矿山灾害问题,通过弹性力学和复变函数理论建立了近距离煤层开采扰动的“无限平面双矩形孔口”理论力学模型,并对其覆岩结构演化规律进行了深入研究。主要研究结果为:① 基于弹性力学和Schwarz交替法推导了煤层重复开采扰动覆岩应力场理论公式,并采用理论解析方法对不同中间岩层厚度下覆岩应力场分布规律和破坏范围进行了分析研究。研究表明:覆岩内水平应力σx整体呈“X”型分布,顶底板岩层处于拉应力状态,左右两侧呈椭圆形分布;当中间岩层厚度为20 m时,工作面上方岩层处于拉应力状态,极值拉应力为0.82 MPa,覆岩破坏区达到58 m。与上煤层开采引起的32 m裂缝带高度相比,下煤层开采引起的覆岩破坏范围明显增大;② 灵露煤矿Ⅱ2-1和Ⅱ3煤层开采相似材料模拟结果表明:整个中间岩层发生破坏,与上煤层开采引起的35 m裂缝带高度相比,下煤层开采引起的裂缝带发育高度明显增大,达到61 m。下煤层采动造成了原上覆岩层裂缝带的二次发育。相似材料模拟试验验证了该理论解析方法的可行性。研究成果对浅埋煤层安全高效开采和可持续性发展具有一定的理论指导意义。

    2021年本地第2期 023515页 [查看摘要][在线阅读][下载 781K]
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  • 不同煤岩比例及组合方式的组合体力学特性及破坏机制

    陈光波1,2; 李 谭1,2; 杨 磊3; 张国华4; 李建伟1; 董红娟1

    为研究不同煤岩比例及组合方式的组合体力学特性和破坏机制,对19种不同煤岩比例 和组合方式的二元、三元组合体开展轴向压缩试验,从抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能 量指数等参数入手,分析组合体的力学特性;对构建的煤岩组合体相互作用模型进行理论分 析,探究煤岩组合体的失稳破坏机理;从煤岩组合体的不同破坏形态入手,研究组合体破坏过 程中的能量传递机制。研究发现:组合体的抗压强度介于各组分抗压强度之间,且偏向于软弱 组分的抗压强度,随着细砂岩比例的增加而增大;组合体的弹性模量随着细砂岩占比的增大而 增大,且岩石的弹性模量越大,组合体的弹性模量也越大;有煤组分的组合体的峰前积聚能量 较少,细砂岩与粗砂岩构成的组合体的峰前积聚能量较多,组合体的峰前能量随着细砂岩占比 的增加而增多;组合体的冲击能量指数与细砂岩比例为线性关系,随着细砂岩占比的增加而增 大;细砂岩组分对于组合体的抗压强度、峰前能量、冲击能量指数的影响较大,对组合体的力学 特性和冲击效应起决定作用;推导了煤岩组合体的弹性模量计算公式,从理论上揭示了组合体 的弹性模量随岩石占比的增加而增加的规律;构建了煤岩组合体的力学模型,分析了组合体的 失稳破坏机制。研究结果可为煤炭资源开采过程中的煤岩体相互作用下的破坏形态、力学特 性、失稳机制等研究提供参考。

    2021年本地第2期 023522页 [查看摘要][在线阅读][下载 1340K]
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  • 沙吉海矿高强度开采软弱覆岩“两带”高度三维模拟研究

    张刚艳1,2; 于秋鸽1,2; 赵高博3

    为研究沙吉海煤矿高强度开采软弱覆岩“两带”高度,以该矿某高强度开采软弱覆岩工作面为原型建立了三维离散元数值模型,该模型考虑了最大、最小水平主应力及其与工作面推进方向夹角,并基于现场钻孔实测数据对数值模型及岩性参数的合理性进行了校核,分析了不同采厚、工作面倾向长度、走向长度与推进速度对沙吉海矿高强度开采软弱覆岩“两带”最大高度的影响。研究结果表明:该矿高强度开采软弱覆岩“两带”最大高度随采厚的增加而增加,但与工作面的倾向长度、推进速度没有明显关系;高强度开采软弱覆岩工作面达到“两带”最大高度时所需的工作面推进距离与采厚成正相关关系,与倾向长度、推进速度成负相关关系。

    2021年本地第2期 023519页 [查看摘要][在线阅读][下载 908K]
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  • 工作面坚硬顶板水力压裂对采动应力影响的数值模拟研究

    高富强

    水力压裂技术已经广泛在煤矿应用于处理工作面坚硬顶板问题,但其卸压机理并不十分明确。采用ELFEN数值模拟方法研究工作面坚硬顶板水力压裂处理对采动应力的影响,探讨卸压机理。数值模拟结果显示:对工作面顶板的水力压裂处理,主要是弱化顶板的完整性,使其在工作面推进后能够及时垮落,这种局部垮落,虽然不会显著影响支承压力分布特征,但局部直接顶的及时垮落会引起上覆基本顶和关键层的及时断裂和垮塌,影响采场覆岩大结构,进而影响支承压力分布特征。对工作面顶板进行持续压裂,可以降低初次垮落步距及平均来压步距。

    2021年本地第2期 023032页 [查看摘要][在线阅读][下载 2201K]
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  • 采动影响下巷道围岩变形破坏规律

    郭良林1,2; 周大伟1,2; 张德民3; 周宝慧3

    针对王家塔煤矿101工作面开采过程中辅助运输巷顶板受采动影响变形破坏严重、支护体失效、后期支护维护困难等问题,以邻近201工作面开采为工程背景,结合数值模拟和三维激光扫描技术现场实测等综合方法,监测获取201工作面推进过程中辅助运输巷顶板变形规律,评估巷道支护方案的有效性,阐述三维激光扫描技术动态监测井巷变形工程中的应用情况。研究结果表明:井下条件复杂,有效扫描距离减少,点云密度下降严重,建议井巷监测工程中扫描仪设站距离不宜超过50 m;三维扫描监测结果显示顶板发生不均匀形变,总体形变量较小,支护方案效果明显;随着201工作面推进,巷道顶板形变值逐渐增加,应力沿工作面推进方向传递,邻近采空区区域处最先发生形变,监测结果与理论相符。

    2021年本地第2期 023038页 [查看摘要][在线阅读][下载 532K]
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  • 复合顶板薄及中厚煤层智能超前支护系统研制及应用

    高喜才1; 王 琪1; 范 凯2; 肖前昌3; 胡 彬3; 王灿华3; 黎 亮4

    针对龙滩煤矿复合顶板薄及中厚煤层传统超前支架存在顶板破碎严重、空间位置受限、推移困难、劳动强度大的问题,从巷道围岩控制和超前支架快速推进角度出发提出设计原则,运用理论计算和结构设计方法,研发了一种由8架超前支架和2架端头支架组成的轻型横向自移式超前液压支护系统。龙滩煤矿3124S工作面现场应用效果表明:超前支架组架间留空按800?mm布置,推移一个超前支架,顶板所受支撑破坏减少2次,保证了顶板的稳定性;结构紧凑的超前支护系统有效解决了薄-中厚煤层设备配套空间布置不合理的问题;整体式底座配合双推移千斤顶在双抵帮装置协助下确保超前支架顺利协调前移,大幅减少了停机时间,工作面推进速度提升15%~20%;配套视频监控系统、控制系统、传感系统,实现集控中心对超前支架系统的远程控制和人工干预,大幅降低了工人劳动强度,每班超前维护人员减少67%。新型超前支护系统的应用为智能化综采工作面安全高效生产提供了保障。

    2021年本地第2期 023538页 [查看摘要][在线阅读][下载 1358K]
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  • 深井厚煤层综放工作面顶板运动与沿空巷道围岩变形动态响应关系

    卜 滕 滕1,2

    针对深井厚煤层综放工作面沿空巷道围岩控制困难的问题,以新河煤矿5302工作面沿空巷道为研究对象,采用理论分析、现场实测、微震监测等手段研究了巷道变形和顶板运动的动态响应关系,重构了工作面顶板破断过程,分析了回采巷道变形特征,建立了回采巷道受力模型,确立了顶板破断与巷道变形的对应关系,得出以下主要结论:5302工作面顶板破断过程存在“大小周期”现象,顶板最大破断高度为70?m,高位岩层( 中位基本顶和高位基本顶 )的破断是沿空巷道变形加剧的主要原因;在顶板初次破断周期内,巷道围岩变形随着顶板破断高度的增加而持续增加,在周期破断过程中,巷道围岩变形不会持续增加,而是在一个范围内周期性地上下波动;高位岩层破断致使两帮移近量和顶板下沉量达到峰值,但两帮和顶板变形峰值响应的时机不同,两帮移近量峰值显现滞后于高位岩层破断位置,顶板下沉量峰值显现超前于高位岩层破断位置。研究揭示了深井厚煤层沿空巷道围岩变形与顶板岩层运动间的对应关 系,可为其围岩控制设计提供参考。

    2021年本地第2期 023031页 [查看摘要][在线阅读][下载 2966K]
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  • 煤层底板突水危险性评价的FDAHP-TOPSIS模型

    王静雪 1,2;刘海松 3;邱 梅 1

    针对我国华北型煤田煤层开采过程中严峻的底板突水问题,考虑多因素影响煤层底板突水的发生,提出采用模糊德尔菲层次分析法( FDAHP )与逼近理想解排序法( TOPSIS )的基本理论建立煤层底板突水风险评价模型。以山东新汶煤田良庄井田与孙村井田11煤层底板奥灰突水危险性评价为例,选取断层强度指数、断层端点与尖灭点密度、含水层水压、含水层富水性、隔水层厚度、脆性岩比率、底板破坏深度等7个主控因素作为决策指标,对11煤层底板突水的危险性进行评价,利用FDAHP法科学分配权重向量,进而结合TOPSIS法分析研究区突水的最安全解和最危险解并计算突水风险系数,建立底板突水风险评价模型,利用开采实例验证模型的可靠性并确定分区阈值。研究结果表明:在井田的东北部突水风险系数较高,发生突水可能性较大;在井田的西南部突水风险系数较低,发生突水的可能性较小。基于FDAHP与TOPSIS的煤层底板突水风险评价结果与工程实践相吻合,预测效果较好。

    2021年本地第2期 023528页 [查看摘要][在线阅读][下载 1092K]
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  • 承压防砂煤(岩)柱下溃水溃砂工作面压架机理及支架阻力确定

    许延春 1; 赵 霖 1; 任志祥 2; 郝宪杰 1; 张二蒙 1

    新近系、第四系厚松散地层弱富水性含水层下留设防砂煤柱时,由于薄基岩界面倾斜和起伏变化等特殊地质条件,易形成松散含水层保压结构,含水层水压高,导致防砂煤( 岩 )柱承受高水压冲击,造成突水溃砂事故以及工作面矿压明显增大并压架。运用理论分析的方法,解释了防砂煤( 岩 )柱承压加大的概念与形成原因,研究了水砂降低摩擦因数和“高水压核”的水压冲击作用对支架阻力增大的影响,推导出工作面支架阻力计算公式。研究表明突水溃砂过程中工作面阻力异常增大主要是由于水砂降低摩擦因数和“高水压核”的水压冲击,得出了不同情况下摩擦因数降低的数值,并依据机械能守恒定律推导得出高水压对工作面支架冲击力的计算公式。以某矿11071工作面为工程实例,计算了工作面支架阻力变化过程,结果表明由于摩擦因数降低与高水压的冲击造成支架载荷额外加大,超出工作面支架最大载荷,验证了溃水溃砂过程中工作面矿压增大的结论,为类似条件工作面提供借鉴。

    2021年本地第2期 023539页 [查看摘要][在线阅读][下载 523K]
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  • 矸石固体充填散体材料注浆扩散试验研究

    郄 磊1,2; 史艳楠1,2; 刘建功1,2

    为得到整体性好、抗压强度高的胶结充填体,对级配矸石散体材料进行注浆扩散研究。基于幂律流体流变方程和渗流运动方程建立了柱形扩散理论公式,并应用COMSOL Multiphysics模拟软件对浆液扩散进行了数值模拟,得到浆液扩散半径与材料孔隙率、水灰比和注浆压力成正相关。通过设计正交试验对级配矸石散体材料进行注浆扩散试验研究。试验结果表明,当压实力为0.8?MPa,矸石粒径级配方案为A1,水灰比为0.5:1时,胶结体3?d强度能达到3.23?MPa,21?d能达到6.28?MPa,21?d胶结体平均弹性模量为19?425.4?MPa,胶结体抗压强度在养护前期增长明显,充填体整体性和力学性能得到很大改善。通过数值模拟及注浆扩散试验验证了注浆扩散规律,研究结果可为优化矸石散体材料注浆参数设计提供参考。

    2021年本地第2期 023015页 [查看摘要][在线阅读][下载 1009K]
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  • 基于震动波CT反演的巷道掘进超前探测技术研究

    桂 兵 1;李成海 2, 3; 刘体军 1; 王九红 1; 郑有雷 1; 巩思园 2

    针对巷道掘进诱发冲击地压的难题,基于震动波CT反演原理和波速SIRT算法,研发出1种可实现井下主、被动震动波信号实时采集与CT反演的巷道掘进超前探测技术。该技术能实时监测掘进巷道超前位置以及工作面区域的震源分布,形成穿透煤岩层的高密度射线覆盖,生成大范围、高分辨率的波速反演云图,进而分析掘进巷道超前应力分布。以济三煤矿183下05掘进工作面为例进行研究,结果表明:震动波CT反演云图能得出掘进巷道超前应力集中分布区域,经过钻屑法的检验证明该区域属于高应力危险集中区,从而验证该技术能实时探测巷道掘进工作面周边的应力分布,应用效果良好。

    2021年本地第2期 023015页 [查看摘要][在线阅读][下载 813K]
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  • 耦合拐点偏移修正的Boltzmann函数预计模型及其参数反演方法

    江克贵1; 王 磊1; 池深深1; 魏 涛2; 蒋 创1

    针对常规概率积分法应用于矿山开采沉陷预计的不足,为了进一步提高沉陷预计的准确性和可靠性,开展了耦合拐点偏移修正的Boltzmann函数预计模型及其参数反演方法研究。基于Boltzmann函数,通过探讨拐点偏移修正方法,构建了耦合拐点偏移修正的Boltzmann函数预计模型;为了准确可靠地求取模型参数,引入FWA( Fireworks Algorithm ),提出了耦合拐点偏移修正的Boltzmann函数模型参数反演方法( BFWA-MSPP )。仿真试验结果表明,BFWA-MSPP反演参数的平均相对误差约为2.1%,平均中误差为2.3,预计拟合下沉和水平移动误差为-11.6~5.7mm,中误差为±6.1mm;另外,抗差试验表明,在观测值中加入大量的随机误差和粗差后,BFWA-MSPP能够较为准确地反演模型参数,在一定程度上削弱了观测误差的影响。将BFWA-MSPP和PIM-MSPP( 基于概率积分法模型的求参方法 )分别应用在顾桥煤矿1414( 1 )工作面,预计拟合下沉和水平移动中误差分别为±83mm和±108mm,BFWA-MSPP求参结果为:q=1.07,tan?β=1.91,b=0.41,θ=88.32°,S1=-18.89m,S2=14.74m,S3=48.89m,S4=64.42m。

    2021年本地第2期 023527页 [查看摘要][在线阅读][下载 1111K]
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  • 基于3D打印和数字散斑技术的节理岩体锚固效应分析

    薛飞,刘小霞,王天佐

    为研究锚杆对节理岩体的锚固力学效应,基于3D打印技术制作了以矿用锚杆为原型的缩尺锚杆和含预制节理面的制样模具,进而制备了2组不同角度的节理锚固试样,并采用数字散斑( DIC )方法监测了试样在单轴压缩试验过程中表面位移及应变场的变化,对比分析了不同节理角度锚固岩体的变形与强度特性和锚固力学效应。试验结果表明:节理角度对岩体强度和变形特性具有显著影响,节理的存在会降低岩体的承载能力,节理角度为15°和60°岩体的强度分别为不含节理完整岩体的34%和19%,节理岩体的应力应变曲线表现出显著的多峰性。当节理角度为15°时,试样破坏模式以压缩劈裂为主,试样整体承载力受块体自身强度影响较大,锚杆的加固作用不显著;当节理角度为60°时,试样破坏模式则以剪切破坏为主,锚杆的加固作用明显,此时锚杆除了杆体的黏结及抗剪作用外,还借助装配在锚杆两侧的托盘给锚固试样提供一定的侧向约束,从而维持结构的整体承载性能。DIC方法形象直观地再现了锚固节理岩体加载全过程中裂隙发展和剪切滑移的全过程,当节理角度为15°时,Exx和Eyy应变场呈现与试样表面裂隙高度吻合的应变集中区域,节理面两侧的应变集中则不显著;而当节理角度增大至60°后,Exx和Eyy应变场在节理面两侧区域高度集中,呈现出3色剪切带,验证了节理面角度对试样发生剪切行为起着重要的控制作用,角度越大试块剪切运动越明显,研究结果可为节理岩体锚杆加固机理的相关研究提供参考。

    2021年本地第2期 023013页 [查看摘要][在线阅读][下载 3356K]
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