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  摘要:根据海拉尔露天矿区实际地质情况建立相应的地球物理模型,对理论地电模型和高阻采空区模型进行三维数值模拟,探讨高阻目标体的瞬变电磁响应特征和分布规律,并确定适合该地区的时深换算系数。结果表明:瞬变电磁法能够比较清晰地反映出地下浅埋高阻目标体,视电阻率等值线横向变化剧烈,受其影响,视电阻率等值线上拱或下凹,形成明显的高阻异常区,与物理模拟实验结论相似,时深换算系数取1.1~1.2时计算得到的视深度与实际地层厚度的误差较小。工程实践表明:对于埋深不大于100 m的小窑采空区而言,只要选择合理的参数,瞬变电磁法能够探测出直径大于5 m的未塌陷小窑采空区,并可查明其空间分布范围和埋深。

  摘要:综放工作面处于复杂构造应力区,为确定该区域地应力状况,采用空心包体应力解除法进行现场地应力实测,确定该区域为构造应力为主的高应力区。以地应力实测结果为依据,采用实测主应力大小和方向对数值计算模型进行初始地应力的加载,有效减小了由于不考虑构造应力导致模拟结果的误差;结合沿空巷道在掘进及回采过程的受力及变形演化机理,设计出沿空掘巷非对称支护方案,非对称支护中设计使用肩部锚索专用紧固构件,减小了锚索被剪断的几率,有效提高了锚索承载质量。工业性试验与矿压观测结果表明:在以构造应力为主的复杂应力区采用不对称支护技术,沿空掘巷支护效果良好,技术经济效益与社会效益显著。

  摘要:针对郑州矿区深部三软煤巷变形严重,服务期间屡次扩修仍无法稳定的问题,分析了三软煤层赋存特点、深部应力环境及巷道失稳原因;提出棚-索强化控制理念,利用锚索提供的支护阻力提高支架的结构稳定性和承载能力,通过支架提供高支护阻力控制蠕变煤体剪胀变形和发挥深部稳定煤体的承载性能,实现支架-锚索-围岩协同承载;并根据力学计算结果指出支架结构的主、次关键强化部位及锚索预应力的合理确定。棚-索强化控制技术在超化煤矿31041运输巷进行应用后,工作面回采影响期间,巷道两帮和顶底板移近量分别控制在300 mm和400 mm以内,有效控制了深部三软煤巷围岩变形。

  摘要:为明确最新研发的矿用U型约束混凝土拱架的基本力学性能,设计了U型约束混凝土(UCC)短柱轴压试验方案,从变形破坏形态、荷载-应变曲线、极限承载力及声发射响应特征等方面,分析了其受力性能和变形破坏特性,同时研究了核心混凝土破裂机理。结果表明:UCC短柱呈现整体塑性失稳的破坏形态,对应的N-ε曲线阶段形式;UCC短柱具有较好的延性和后期承载能力,极限承载力提高127%~196%,经济性得到提高;声发射活动先后经历了孕育期到消寂期4个阶段。分析得到了每个时期约束混凝土短柱的受力、变形、破坏行为及机理。现场应用效果显示,U型约束混凝土拱架为深部、软岩巷道提供了新型有效的支护形式,控制效果明显优于常规U型钢拱架。

  摘要:冲击地压态势评估是煤矿安全监测预警领域的热点及难题之一。本文以微震、电磁辐射及声发射等实时监测数据为基础,将态势评估理论引入冲击地压预测领域,建立了基于监测系统日志审计与实时修正算法相结合的冲击态势评估模型,通过改进D-S证据理论提出一种冲击地压态势量化方法。利用该方法计算得到连续时段的冲击地压态势值后,分别基于一阶灰色模型GM(1,1)及ARMA模型对冲击地压态势值进行预测并对比分析。实例结果及相关分析表明,所提冲击地压态势预测方法合理有效,能动态地反映冲击地压的发展趋势。

  摘要:为了解决保水与采煤这一矛盾,在论证了保水开采机理及其可行性后,神东矿区补连塔煤矿32202长壁工作面在正常回采过程中,根据浅埋煤层保水开采适用条件的初步分类研究成果,确定采高为5.3 m以下,并选用高强度液压支架和大功率高可靠性配套设备,保证工作面推进速度大于15 m/d。工作面回采后,地面水井水位观测显示,工作面中部10号水井水位,在采后25 d左右就渐趋稳定;靠近回风平巷的18号水井水位,在近1个月后才能够稳定。工作面回采稳定后,10号水井水位相对于地面升高0.66 m,18号水井水位相对于地面下降0.87 m,对第四系松散含水层影响较小,地表主要植被能够正常生长。工业性试验表明,以工作面快速推进为核心的长壁工作面保水开采技术在适宜地质条件下能够取得成功,为我国西部浅埋煤层矿区的生态环境建设和提高煤炭资源回收率提供了借鉴。

  摘要:为研究受地应力与渗透水压耦合作用下的深部岩体受到爆破等动力扰动的力学响应,研制了渗透水压加载装置,对含裂纹类岩石材料的混凝土试样加载预应力后,进行有渗透水压作用和无渗透水压作用下单轴循环加卸载压缩破坏对比试验。试验结果表明,在试样弹性阶段加载有限次循环载荷有助于类岩石材料的强化;在有渗透水压作用下,单轴循环加卸载后岩石的强度降低,降低的程度与循环载荷加载时预应力的大小有关,在弹性阶段加载循环载荷的岩石强度高于在损伤阶段加载循环载荷的岩石强度,而且在渗透水压作用下岩石的应变大于无渗透水压作用下岩石的应变。具有岩爆倾向性的岩石可以通过加载、卸载产生损伤以降低其岩爆倾向性,同时低渗透水压的作用可使岩爆降低程度更剧。

  摘要:相似材料模拟试验结果表明,地下煤炭开采引起上覆节理岩体沉陷出现偏态特征。通过建立考虑节理倾角、迹长和迹宽的地质数学模型,运用随机介质理论,推导了地下煤炭开采引起上覆节理岩体沉陷的概率分布函数,认为单元岩块开采引起的地表沉陷概率分布符合n重Bernoulli试验概率分布规律;当n≥10时,采用Poisson分布来代替n重Bernoulli试验概率分布规律;考虑到地表沉降的连续性,采用Poisson分布实数域拓展后的Gamma分布代替Poisson分布,提出了考虑节理几何特征的上覆节理岩体沉陷预计方程。通过该模型计算的地表沉陷预计结果与相似材料模拟试验监测结果相比较,该模型能较好地预计地下煤炭开采引起上覆单组节理岩体沉陷,为开采沉陷预计和岩层移动监测提供了技术参考。

  摘要:针对特厚煤层采出率低、三下及其他特殊地质条件下特厚煤层采场围岩移动破坏与地表沉陷控制困难的问题,提出了特厚煤层长壁巷式胶结充填开采技术。在研究特厚煤层长壁巷式胶结充填开采技术原理的基础上,系统阐述了该技术的开采系统布置、主要设备与巷式充填开采工艺;并对胶结充填材料的组成及其承载特性进行了研究,确定了适用于工程现场的充填材料干料配比为粉煤灰35%、白灰渣10%、水泥2%、矸石53%,料浆质量分数为79%,该配比充填材料单轴抗压强度可达1.8 MPa。现场工程应用表明:该技术充实率可达96.1%,开采21 m厚的煤层地表下沉最大值为265 mm,地表下沉系数仅为0.012 6,应用效果良好。

  摘要:考虑采动矿压和煤层隔水底板下承压含水层水压的联合作用,推导出断层影响下底板突水的水压力解析式。运用试算法搜索出最危险底板剪切破裂面及临界突水水压。在此基础上,分析了工作面开切眼到断层带距离、断层倾角、工作面推进方向以及侧压力系数等因素对底板临界突水水压的影响规律。算例显示,临界突水水压随工作面开切眼到断层带距离的加大而减小;随着断层倾角的减小,临界突水水压先减小后增加,但当断层倾角小于某一临界角度时,底板不沿断层面破坏;由断层下盘向上盘推进时的临界突水水压较由断层上盘向下盘推进时大,但无论工作面的推进方向如何,临界突水水压皆随着工作面过断层带距离的加大而逐步减小;随着侧压力系数的加大,临界突水水压先增大后逐渐减小。实例应用表明,临界突水水压计算判别结果与实际情况吻合。

  摘要:为分析复杂空区顶板的稳定性,用力学理论与数值模拟相结合的方法对空区顶板的稳定性进行综合分析。采用简支梁理论、荷载传递交汇线理论、厚跨比法对空区顶板失稳临界参数进行计算,运用FLAC3D数值模拟软件对空区围岩的稳定性进行研究。结果表明,空区顶板的结构参数超出顶板失稳的临界参数的范围,空区处于失稳状态;空区稳定性数值模拟分析得出空区顶板中央位移较大,最大为4.7 cm,空区之间矿柱侧向位移较小;空区顶板最小主应力接近于拉应力状态;在空区顶板、底板及矿柱都有不同程度的塑性区分布,尤其是在矿柱上,分布范围较广,说明空区围岩稳定性较差,空区处于失稳状态比较明显,应及时采取措施治理空区。由此可见,基于FLAC3D的数值模拟分析空区稳定状态,可综合考虑影响空区失稳的因素,较真实反映空区围岩的应力应变及塑性分布状态,具有广泛的适应性。

  摘要:煤层底板隔水岩层的结构、厚度是影响承压水上采煤安全性的重要因素。河南省局部地区缺失奥陶系,煤层开采受底板高承压寒武系石灰岩岩溶水突水威胁严重。以位于豫中矿区的马陵山煤矿为例,通过现场钻探查明了该矿煤层底板寒灰上段至少25 m厚度的含隔水层结构。以此为基础,评价了该层段的阻隔水能力,研究了基于GIS平台并利用寒灰上段的相对隔水性开展底板突水危险性评价的方法。应用研究成果,解放了马陵山矿约1 340万t的煤炭资源储量,并实现了近400万t煤炭的安全采出;同时,成功完成了该矿-350 m水平上车场进入寒灰上段垂深55.5m、320 m长巷道的施工。研究表明,将寒灰上段岩溶不发育段作为隔水层考虑更符合实际,并成功指导了马陵山矿的带压开采工作。

  摘要:为了揭示近地表倾斜矿体开采过程中地表及覆岩变形破坏机制,以某铜矿一典型地质剖面为原型,运用物理概化模型试验,联合UDEC数值模拟,分析了地表及覆岩变形破坏随不同开采步的变化规律。物理模拟与数值模拟均表明:开采-45 m以上的矿体,覆岩局部扰动,位移小。当开采-75~-45 m之间的矿体,覆岩位移加大,陷落区范围逐渐扩大,岩体出现离层,破坏波及地表。如果对预留矿柱进行开采,覆岩整体崩塌,离层显著,覆岩块体出现错动与转动,破坏直达地表。合理采用概化物理模型试验技术,联合数值模拟,可以既直观又准确地模拟地表及覆岩变形破坏的动态演化过程。

  摘要:针对深部软岩巷道采用普通注浆工艺的不足,采用三步注浆工艺进行围岩加固,能取得更好的效果。对三步注浆浆液扩散机理进行探讨,并将三步注浆工艺应用于现场注浆工程。一步低压注浆充填壁后散体状碎石充填层,堵塞浅部围岩泄压通道;二步注浆主要针对围岩中的裂隙网络进行注浆,通过浆液固化充填、胶结作用提高围岩的自承载能力;三步注浆为预留注浆,对成型巷道变形较大处进行补强加固。虽然三步注浆工艺增加了注浆工序,但浆液扩散范围得到保证。注浆后检查影像表明:采用此注浆工艺的围岩注浆扩散深度普遍大于3 m,达到了预期注浆加固的有效范围。而注浆前后巷道的变形监测数据表明:三步注浆工艺大大改善了注浆加固围岩的效果,有效提高了岩体的自承载能力,围岩的整体稳定性得到有效控制。

  摘要:以某铁矿-230~-290 m首采中段工程为研究对象,采用现场多点位移计监测及数值模拟相结合的方法,针对大直径深孔阶段空场嗣后充填法充填体对采场围岩移动控制作用的时空规律进行了研究,建立了上覆岩层移动控制的支承压力三维力学结构模型。研究结果表明,15 m宽度的采场结构只要在延滞期内及时充填,围岩的移动变形能够得到有效控制。矿体下盘成为支承上覆岩层的主要承载结构,胶结充填体支承上覆岩层的能力有限,但能够有效限制上覆岩层的移动变形,矿房和矿柱采场围岩最终变形量无差异性,覆岩最大下沉量39 mm,地压显现不明显。

  摘要:针对煤矿穿膨胀岩钻孔遇水缩径问题,本文基于湿度应力场理论,借助有限元分析程序,通过引入湿度修正系数ψ(w),推导出了综合考虑围岩遇水软化和膨胀特性的钻孔孔壁位移修正解析解。并结合数值模拟软件ANSYS和相似模型实验,研究和分析了湿度场和地应力场对钻孔缩径变形的影响。结果表明,随着钻孔围岩含水率的增加,钻孔孔壁位移呈非线性递增,钻孔孔壁呈两端粗中间细的哑铃形,钻孔中部为孔壁最大径向位移处;含水率变化引起的岩性软化对钻孔缩径影响显著;随着地应力的增大,钻孔孔壁位移呈线性增加,增幅较小;湿度场和地应力场对煤矿穿膨胀岩钻孔缩径都产生不可忽视的影响,就影响程度来看,湿度场影响最大,地应力场次之。

  摘要:渗水泥化巷道锚杆支护可靠性差,导致此类巷道冒顶事故频发。通过典型岩样崩解和风化实验、渗水泥质巷道变形规律及锚杆锚固性能实测开展研究。结果表明:煤系地层含有黏土类矿物,使得巷道围岩遇水崩解,发生泥化现象,且风化脆裂,导致自身承载力急剧降低;渗水泥质巷道围岩变形破坏具有明显阶段性,演绎减速变形-弱泥化-加速变形-强泥化-失稳全过程,有效控制泥化进程是该类巷道稳定性控制的关键;提出了渗水泥化巷道围岩的控制技术,即新型三高锚杆强化控制技术和滞后注浆加固技术,给出巷道掘进后10~30 d最佳注浆时机,开展了典型的工程实践,取得了良好控制效果。

  摘要:为了检测锚杆的应力分布状态,采用光纤光栅传感技术搭建了锚杆支护质量的长期在线监测系统。在实验室模拟巷道中锚杆的受力过程,进行了锚杆拉拔试验。在试验中用光纤布拉格光栅检测锚杆应变,利用高斯函数对锚杆杆体上应变的实测数据进行拟合,得到锚杆的轴力和剪应力分布情况。试验结果表明:用光纤布拉格光栅技术检测锚杆的应力应变具有可行性;高斯函数可以准确地拟合全锚锚杆的轴力;高斯函数的拟合参数t与岩体对锚杆的握裹程度有关,它变化方向的转折表明了杆-岩界面状态的转变,岩体对杆体的握裹能力开始降低。研究结果为锚杆锚固质量的在线检测提供了一种手段。

  摘要:为认识胶结充填体在外界扰动下的响应特征,进行了单轴循环加卸载试验,研究了胶结充填体在加-卸载过程中声发射b值特征。试验结果表明:在胶结充填体压密阶段,声发射b值先减小后增大;在弹性阶段,声发射b值随应力的增大而有序下降;经多次加卸载后,当加载应力不断接近峰值应力时,声发射b值持续大幅度减小。在卸载阶段,胶结充填体具有明显的声发射事件。当卸载始于压密阶段时,声发射b值是逐渐增大的;当卸载始于弹性阶段时,声发射b值在小范围内波动;当卸载始于胶结充填体临界状态时,声发射b值呈现台阶状上升。声发射b值数值表现出的不同特征,说明在加卸载过程中微破裂处于动态演化之中。

  摘要:针对回采工作面直接过陷落柱的难题,提出并成功实践了回采工作面直接过陷落柱的盐酸软化法。通过室内浸泡试验、岩石力学特性测试、X射线衍射等方法,研究岩样在不同体积分数盐酸溶液中,浸泡不同时间后的变化规律,探讨其软化机制。研究结果表明:1)砂质泥岩力学强度随盐酸溶液浸泡时间呈负对数规律变化;2)砂质泥岩力学强度随盐酸溶液体积分数升高呈指数规律降低;3)随盐酸溶液体积分数升高,岩样孔隙率增加、屈服点变化明显、塑性增强,但弹性模量变化不明显;4)主要是由白云母和高岭石含量降低引起砂质泥岩抗压强度的降低;5)选取合适的盐酸溶液体积分数、合理浸泡时间、注液量、合理采煤机截深可以确保工作面正常推进。工程实践表明,本方法安全、可靠、高效,可为类似条件下的工作面直接过陷落柱提供借鉴和参考。

  摘要:通过对赵楼煤矿综放沿空掘巷现场调查和变形监测,分析了巷道围岩变形破坏特征,深入揭示了围岩变形破坏机制,认为围岩强度低,地应力高,围岩松动破坏范围大,支护结构及参数不合理,巷道围岩应力环境复杂和断面尺寸大是围岩变形破坏的主要原因。基于强力让压耦合支护和关键部位加强支护的围岩控制原理,提出了顶板锚网带索、纵向钢带+两帮锚网梯索、纵向钢筋梯+窄煤柱帮部锚索加强和喷浆+实体煤帮钻孔卸压的支护对策并进行现场试验。结果表明:掘巷稳定后,巷道围岩控制效果良好;锚杆、锚索受力最大值均在其屈服范围内,并为回采期间留够了充足的余量。研究结果为类似复杂难支护巷道提供了借鉴。

  摘要:为了提高水力冲孔技术的消突效果,建立了考虑煤的塑性软化、扩容特性和流变特性的钻孔周围煤体黏弹塑性模型,得到了不同冲煤量钻孔的卸压范围,建立了考虑渗透率动态变化和吸附特征的渗流-应力耦合模型,采用COMSOL软件对建立的耦合模型进行求解,研究了不同冲煤量钻孔的抽放半径,优化了水力冲孔布孔参数。结果表明:在确定水力冲孔布孔参数时,应综合分析水力冲孔的卸压范围和抽放半径,冲煤量为0.5,1.0和1.5 t/m时,卸压范围分别为3.71,4.61和5.8 m,抽放半径分别为3.5,4.3和5.0 m,义安矿平均冲煤量为1.0 t/m,由此确定水力冲孔布孔间距为8.0 m,区域措施效果检验和工作面预测数据表明,确定的布孔参数合理可靠。

  摘要:为了研究时间对岩石应力记忆的影响,利用岩石试验机和SDAES数字声发射检测仪对2次加载时间间隔分别为2,7,15,30和45 d的片岩进行单轴压缩条件下的声发射Kaiser效应试验。试验结果表明:首次加载7 d后再次加载Kaiser效应明显,30 d后还可以观察到Kaiser效应,而45 d后Kaiser效应已难以辨认;随着首次加载与第二次加载间隔时间的增长,岩石Kaiser效应逐渐衰退;首次加载的应力水平影响岩石Kaiser效应的消退,介于岩石强度的30%~80%之间,岩石记忆先前应力的能力最好。

  摘要:为克服传统方法确定地下金属矿山岩层移动参数的缺点,提出基于支持向量机(SVM)理论的地采岩层移动角选取方法。选取影响岩层移动的7个主要因素(矿体上、下盘围岩普氏系数、稳固程度,以及开采深度、开采厚度、矿体倾角)作为模型的输入,上、下盘岩层移动角为模型的输出,在收集65组金属矿山开采岩层移动参数的基础上,根据不同开采技术条件,利用SVM强有力的模式识别功能,采用RBF核函数,分别建立了崩落开采和充填回采的岩层移动参数预计模型。为提高预测模型的泛化能力和预测精度,应用遗传算法选择SVM的模型参数。应用该模型预测了三山岛金矿和狮子山铜矿开采岩层移动参数。结果表明:模型选取的因素合理,建立的遗传算法优化SVM回归模型对地采岩层移动角预测效果良好,为岩层移动角评价提供一种新思路。

  摘要:根据热弹性力学、对流弥散理论和多孔介质热力学原理,建立了包含煤的变形方程、气体运移方程、热传导的注气驱替热-流-固多物理场全耦合数学模型,求解耦合模型,研究温度场对注气驱替开采煤层气运移过程的影响。结果表明:煤层温度升高可以促进煤层气解吸,加速煤层气产出。研究成果可为注气驱替开采煤层气工程实践提供相应的理论基础,对深部开采高瓦斯矿井时施行先抽后采技术具有借鉴意义。

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