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煤炭学报 2017年第07期杂志 文档列表

露天矿节理岩质边坡稳定性分析1643-1649

摘要：针对弓长岭露天铁矿东帮节理岩体边坡的结构特征,使用3GSM三维岩体不接触测量系统,进行了结构面调查及统计分析,获取了结构面倾向、结构面倾角以及节理迹长、节理间距的详细统计数据。基于Monte-Carlo随机模拟方法,使用结构面网络模拟的软件Frac Sim3D,得到节理岩体的三维网络模型。在建立的三维网络模型基础上,采用钻孔取样方法获取节理岩体的岩体质量指标RQD,结合现场点荷载强度试验,进而获取RMR指标,基于Hoek-Brown经验方法得到节理岩体的抗剪强度参数。通过FISH语言编程实现了对复杂节理岩体的精细建模,采用离散元软件UDEC对边坡进行稳定性分析。结果表明:边坡整体处于稳定状态,局部发生岩体变形,受顺倾结构面控制,边坡顶部岩体沿结构面产生楔体破坏,局部散体区域出现掉块现象。

深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制及其动力表现型式1650-1655

摘要：冲击矿压85%发生在巷道中,随着开采深度的增加,冲击矿压发生的频次和灾害烈度都急剧增加,深部煤巷冲击矿压灾害防治已经成为一个亟待解决的技术难题。针对深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制进行研究,基于弹塑性及断裂力学原理,分析了巷道顶板岩层集力聚能破断失稳机理,推导了巷道顶板冲击裂变失稳的承载、形变及能量条件,阐述了冲击动载作用下复合顶板“层间离层-岩梁开裂-动力震裂”的裂变失稳演化规律。深部煤巷顶板冲击失稳模式与顶板岩梁宏观主控裂隙的发育扩展关联密切,在高静载和强动压的叠加作用下,巷道顶板呈“一横五纵”6条主控裂隙展布发育,各横纵裂隙协同扩展直至汇合贯通,最终形成“门式”震裂块体瞬间推入巷道空间发生冲击破坏。最后揭示了深部煤巷顶板岩层动力破坏失稳的6种表现型式,提出了“顶部桁架锚索+跨中长锚索+顶角斜锚杆”强力联控支护对策。

条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏分析1656-1662

摘要：为研究条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏机理及岩层移动特征,结合赵屋煤矿15号煤连采一区地质采矿条件,采用理论分析、现场实测、公式计算及相似模拟相结合的方法,建立了条带式Wongawilli开采煤柱系统模型,分析了煤柱失稳机理及其对覆岩的影响。研究表明:条带式Wongawilli煤柱系统中,个别损害或者不规则(有尖角)煤柱在矿山压力及地下水侵泡等不良因素的共同作用下可能发生破坏失稳,进而引发相邻煤柱失稳,产生“多米诺”效应,从而导致整个煤柱系统失效;煤柱一旦发生失稳,开采工作面由非充分采动转化为充分采动,加剧覆岩破坏,导致地表塌陷。

煤岩动力系统失稳机理1663-1671

摘要：为了计算不同冲击危险程度煤岩体的具体影响尺度,实现煤矿冲击地压的针对性预防和治理,提出了“煤岩动力系统”的概念,构建了“煤岩动力系统与冲击地压显现关系”模型。基于爆破理论和Mises屈服强度准则,提出了“煤岩动力系统”各区域尺度计算方法并建立了相应的评价指标体系。根据煤矿已发生冲击地压和“高能量”微震事件的震源位置和能量值,确定煤岩动力系统“动力核区”、“破坏区”、“损伤区”和“影响区”等各区域尺度的具体影响范围,判断不同尺度范围内煤岩体的冲击危险程度。将煤岩动力系统各区域尺度计算方法在老虎台煤矿进行了准确性验证,表明该方法具有较高的可信度和实用性,可以广泛应用在矿井冲击地压的预测与危险性评价工作中。

沿空切顶巷道围岩结构稳态分析及恒压让位协调控制1672-1681

摘要：基于无煤柱切顶成巷力学机理,分析了沿空切顶巷道围岩结构演化过程和力学作用机制,建立了工作面超前区、成巷段动压区和成巷段稳压区的全过程力学模型。根据不同分区动压显现特征,提出进行空间补偿,构建自成巷围岩稳态体系的巷道控制思路。从技术工艺优化和支护结构改造两方面着手,以空区碎胀矸体为稳态承载体,以恒阻变形主动支护结构、滑移让位挡矸支护结构和恒压可缩临时支护设备为巷内让压支护体,将应力集中部位转移至采空区,实现让压过程中可控让位。以厚煤层工作面无煤柱自成巷开采为工程背景,提出了稳定性成巷控制方案。结果表明,人为构建巷道围岩稳态体系是实现厚煤层切顶成巷围岩协调控制的有效途径之一。留巷前期以顶板压力上升为主,留巷后期以恒压让位为主。配套支护结构的力学特性满足护巷要求,不仅设备损坏率低且巷道变形人为可控,所留巷道各项指标满足下一工作面使用要求。

轴裂式构件变形吸能特性研究及工程应用初探1682-1690

摘要：为使锚杆适应深埋巷道围岩大变形,有效防治巷道冲击地压灾害,设计了一种适用于锚杆的轴裂式防冲吸能构件。通过理论分析与室内试验,研究了轴裂式吸能构件的变形特性、吸能效果等;探讨构件在锚杆中的应用方式与工作原理,初探了其工程试验效果。研究表明,轴裂式吸能构件撕裂变形稳定,形成“螺旋式”扩展板条,具有良好的可重复性与可控性;构件吸能作用全程具有“峰值轴力波动吸能段、恒定轴力稳定吸能段”两阶段特性,且吸能构件经过预撕裂加工可消除波动载荷,使恒定轴力稳定吸能行程效率达到100%;采用内径26 mm、壁厚4 mm,预制导裂切线4或6条的吸能构件,其恒定轴力达到111.8~143.1 k N,相应吸能量达5.77~8.93 k J,构件恒定载荷值及其吸能量的试验结果与理论分析结果相符合。现场试验表明,轴裂式构件能较好地启动劈裂,实现让压耗能。

煤矿岩巷爆破掘进过程中周边眼对裂纹扩展止裂机理1691-1699

摘要：周边眼在岩巷光面爆破中可以使巷道表面相对光滑完整,同时它对岩体内原生裂纹或爆生裂纹的扩展可能起到止裂的作用。为探究周边眼的止裂作用机理,针对爆破开挖过程中不同间距周边眼对原生裂纹扩展的止裂问题进行了实验及数值模拟研究。实验采用带中心装药孔、预制裂纹(原生裂纹)及两个简化周边眼的有机玻璃圆形试件,观测原生裂纹在周边孔止裂作用下的起裂-扩展-止裂效果。采用AUTODYN软件进行了数值模拟研究,岩石采用线性状态方程(EOS),强度模型为Elastic,失效准则为最大拉应力准则(MMTS),并在扩展路径附近设置观测点,以观测这些点的应力随周边眼间距变化的规律。通过实验及数值模拟结果分析得出:(1)在两周边眼间会产生与裂纹扩展方向垂直的压应力,对裂纹扩展的确能够起到止裂作用;(2)不同的周边眼间距,在周边眼间产生的压应力不同,导致不同的止裂效果;(3)周边眼间距越小,产生的压应力越大,对裂纹扩展的止裂效果越好。

拱北隧道管幕冻结法现场原型试验解冻温度场实测研究1700-1705

摘要：为了能够更加全面地掌握解冻阶段温度场变化规律,采用现场原型试验研究了在解冻阶段两种不同解冻方式(自然解冻和“自然+强制”解冻)下温度场变化规律。试验表明,由于冻土量较小,解冻时间相比于一般冻结工程来说较短,而且利用常温盐水强制解冻,就能达到很好的效果。在空顶管的防通风措施解除后,自然解冻条件下冻土融化速率较快,不需要开启加强管的热盐水循环。该试验作为系统研究管幕冻结法冻结效果动态控制研究的重要一环,探究了管幕冻结法解冻规律,为实际施工提供了可靠的研究依据,能够有效地降低融沉影响。

煤岩静爆致裂微震活动规律及频谱演变特征1706-1713

摘要：利用静态破碎剂对原煤试件进行静爆致裂,通过煤岩动力灾害实验模拟系统(ZDKT-1型)实时监测该破裂过程中的微震信号,以模拟研究煤岩静爆致裂增透过程中微震活动规律及频谱演变特征。研究发现:(1)受煤岩层理影响,煤岩静爆致裂后除纵向裂纹外还存在横向裂纹,但纵向裂纹多于横向裂纹;(2)静爆致裂可分微裂、膨胀压传递及劈裂3个阶段;随着进程发展,微震幅值趋于走强,尾波愈发明显,频域变宽(但主频降低),且主震、尾波频域差异较大;可通过微震幅值、尾波发育及频谱特征评估煤层静爆致裂增透进程;(3)微震事件阵发性明显,且幅值及能量呈强弱相间分布;微震计数与总裂纹面积正有关,可通过微震事件数评价煤层致裂增透效果。

高强度红砂岩峰后分级加载蠕变及强度特征1714-1723

摘要：通过RLW-2000型伺服流变仪,对一组红砂岩8个试样进行峰后分级加载蠕变试验,研究了红砂岩峰后蠕变基本特性,确定了试样峰后蠕变破坏强度与卸载峰值强度、瞬时强度的关系,分析了蠕变试验曲线与理论曲线内在机制,探讨了试样峰后蠕变破坏的基本形态。结果表明:随着应力水平提高,峰后红砂岩试样瞬时应变呈近线性增加趋势;在相同应力水平下,随着蠕变破坏强度的增加,瞬时应变呈微小增加趋势;随着应力水平提高,试样蠕变应变表现为减小-平稳-增加-急速增加的S曲线增加趋势,最后一级应力水平下,试样呈非衰减蠕变,蠕变应变加速明显;在相同应力水平下,随着蠕变破坏强度增加,蠕变应变呈轻微减小趋势;试样峰后蠕变破坏强度分别达到卸载峰值强度与瞬时强度的84.00%与79.92%,卸载峰值强度是瞬时强度的95.27%;伯格斯流变模型能较好地表征蠕变试验曲线,高蠕变应力水平下蠕变试验曲线与理论曲线相关性大于低蠕变应力水平;试样破坏形态表现为压剪破坏主控面与无规则弱化区的复合,蠕变破坏强度越小,主控面角度与弱化区范围越大,而卸载峰值越大,主控面越明显。

间歇性动态剪切作用下泥质夹层剪切流变特性1724-1731

摘要：动力反复扰动作用是驱动岩体渐进失稳的重要影响因素,为研究爆破振动对岩体软弱结构面的影响,进行了动态剪切力间歇性循环作用下泥质软弱夹层的扰动流变试验,对比分析了试样的单纯剪切流变、单纯循环动态剪切和间歇性动态剪切作用下流变变形特征。研究表明,软弱夹层试样在流变过程中,受动态剪切力间歇性循环扰动时,若初始剪应力水平和动态循环剪切应力峰值均较低,动力扰动对试样流变过程可能无明显的影响。而若初始剪应力水平较接近其剪切强度时,微弱且长期作用的动力扰动也可以加速其流变变形过程。循环动态剪切间歇性扰动作用下试样最终发生流变破坏时,存在一应力状态门槛值,该值由静态剪应力和动态剪应力峰值之和确定。对于受泥质夹层等流变性软弱结构面控制且受爆破振动长期影响的岩质边坡,应进行瞬态动力稳定性和长期动力稳定性的综合评价。

典型硫酸盐环境中氢氧化钡对混凝土性能改善及机理1732-1739

摘要：通过试验比较不掺/掺加氢氧化钡混凝土在典型硫酸盐环境中质量、超声波传播速度、强度等宏观性能的变化,并采用扫描电镜、能谱分析、X射线衍射及热重-差热分析等微观试验手段观测腐蚀引起微结构和腐蚀产物组分的变化,探讨氢氧化钡对混凝土腐蚀劣化的影响机理。试验结果表明:(1)掺加氢氧化钡的混凝土腐蚀劣化速率减缓,腐蚀引起的质量和波速的变化幅度均降低,腐蚀300 d后不掺/掺加氢氧化钡混凝土强度较腐蚀前分别下降17%和3%,氢氧化钡的掺入削弱了硫酸盐腐蚀的破坏程度;(2)相比普通试件,同样腐蚀时间下,掺加氢氧化钡试件的内部结构更完整致密,钙矾石、石膏等腐蚀产物含量有所降低,伴有硫酸钡生成,且随着腐蚀时间延长,掺加氢氧化钡试件内腐蚀产物数量较普通试件显著降低;(3)掺入氢氧化钡的试件内部同时发生了硫酸钡和钙矾石的生成反应,2者存在竞争性,硫酸根优先与氢氧化钡反应生成硫酸钡沉淀,硫酸钡沉淀阻塞硫酸盐溶液入侵的孔隙通道,进一步延缓了腐蚀反应的进行。

基于核磁共振技术的酸性环境下灰岩力学特性劣化试验1740-1747

摘要：为研究灰岩在酸性环境下宏观力学性质的劣化度及细观结构的损伤规律,以重庆某采区的灰岩为研究对象,对经酸性溶液(pH=3,5)和蒸馏水(pH=7)浸泡前后的试件进行核磁共振测量(NMR),并对浸泡后的试件进行三轴压缩试验,分析了灰岩浸泡前后孔隙度及力学参数的劣化规律。试验结果表明:酸性环境作用下,灰岩内部孔隙呈整体变大的趋势,pH=3时次生大孔隙的生成率较高;在pH=3,5,7条件下,试件孔隙度分别增加12.15%,6.67%,3.43%;随pH值的降低,灰岩的延性特征更明显,峰后应力降进一步减小;除弹性模量的劣化度呈二次减小外,其它力学参数(单轴峰值应力、泊松比、内摩擦角、黏聚力)均呈线性减小的规律。此外,酸性环境对灰岩变形参数的影响大于强度参数,而强度参数中,对黏聚力的影响大于内摩擦角。

基于核磁共振和低温氮吸附的煤层酸化增透效果定量表征1748-1756

摘要：针对某些煤储层中的孔隙和裂隙被方解石、白云石等矿物或杂质堵塞致使煤层渗透率降低的问题,提出一种煤层酸化增透方法。利用核磁共振（NMR）和低温氮吸附实验表征了煤样酸化前后的比表面积、孔隙体积、孔隙度、渗透率、孔径分布及核磁成像等特性参数,分析了酸化作用下煤的细观结构变化规律。测试结果表明,煤样经酸化处理后,饱和水状态的NMR信号量增加,残余水状态的NMR信号量降低,T2谱的中大孔峰（T2>20 ms）的变化较大,NMR所表征的总孔隙度、有效孔隙度、渗透率均增加,残余孔隙度、T2截止值降低;低温氮吸附所表征的比表面积和总孔隙体积均增加,且主要集中增加在10 nm左右的孔隙,但高煤阶煤增加不明显。NMR图像直观地反映了煤样酸化前后内部孔隙结构的变化特征,为揭示酸化增透的微观演变过程提供了新的手段。煤样初始孔隙越发育或孔隙裂隙中可溶性矿物质越多,所表征的特征参数变化越大,酸化增透效果越好。

千米深井高瓦斯煤层W-S-W水力压裂强化增透试验研究1757-1764

摘要：水力压裂是增加煤岩体透气性的有效方法之一,针对深部水力压裂存在的问题,提出了“水-砂-水”(W-S-W)水力压裂强化增透技术,以千米深井高瓦斯煤层为研究背景,开展了W-SW水力压裂强化增透试验和常规水力压裂试验,并对增透效果进行了考察。结果表明:煤体的非均质性和孔隙裂隙分布的非均匀性导致了煤体非对称性增透,在水力压裂的作用下裂缝的扩展演化是递进循环式的,并依次经历了能量缓慢增长、微裂隙萌生、局部损伤破坏、裂缝迅速扩展、裂缝网络循环扩展演化5个阶段。高压水对煤体内部结构产生切割,形成一种高压水驱动裂隙弱面不断扩展、延伸的连锁效应,并使支撑剂(砂)楔入到裂缝端部,抑制了裂缝的闭合,增加了煤体的透气性。采用W-S-W水力压裂强化增透区域煤层的百孔抽采量最高达1.2 m~3/min,平均百孔抽采量与瓦斯体积分数分别为0.77 m~3/min,52%,与常规水力压裂区域的平均百孔抽采量0.44 m~3/min和瓦斯体积分数31%相比分别提高了0.75倍、0.68倍,与未压裂区域的平均百孔抽采量0.32 m~3/min和瓦斯体积分数24%相比分别提高了1.4倍、1.2倍,W-S-W水力压裂强化增透区域煤层的百孔抽采量与瓦斯体积分数均具有明显的峰值阶段,且稳定抽采阶段可持续45 d以上,瓦斯抽采时效性明显,实现了千米深井高瓦斯煤层大范围增透和长时高效抽采瓦斯。

火区下近距离煤层开采有害气体入侵灾害防控技术1765-1775

摘要：火区下近距离煤层开采容易导致有害气体入侵灾害的产生,严重威胁着工作面的安全回采。陕西煤业化工集团孙家岔煤矿30110工作面上部采空区自然发火严重,虽然采取了注氮、堵漏风技术进行防治,但效果均不明显。针对此问题,利用PFC2D软件建立了火区下近距离煤层开采数值模型,对3号煤层开采过程中的裂隙变化进行动态追踪,结果证明了有害气体入侵灾害的产生并判断了灾害产生的时间节点,为灾害发生前的重点监测工作以及均压通风系统的应用提供了依据。为了防止有害气体的入侵并避免新鲜风流压入火区引发灾害的扩大,对30110工作面进行均压通风技术研究,将上部火区和下部工作面的气压差控制在一个安全的范围内。通过计算确定了均压通风系统试运行期间的安全压差为296 Pa,正常运行期工作面回风风窗压差安全调节区间为(118 Pa,166 Pa)。现场应用结果证明,均压通风技术能够有效地避免有害气体入侵灾害的发生,确保工作面的安全回采。

基于封闭耗氧实验的窒熄带氧临界体积分数研究1776-1781

摘要：为更准确划分采空区自燃带与窒熄带,提出根据不同煤质的耗氧特点,用封闭耗氧实验确定采空区窒熄带临界氧气体积分数的新方法。在采空区煤自燃氧化升温热平衡条件下,分析煤自燃的耗氧速度、氧气体积分数和氧化放热的一致性特征,利用研制的煤样封闭耗氧实验装置,采集煤氧化实验过程中氧气体积分数呈衰减变化的连续检测数据,由数据变化曲线求氧气体积分数变化差商,获得煤在不同氧气体积分数下的耗氧速度,建立耗氧速度与氧气体积分数的量化关系,即γ-c(τ)图,由此确定窒熄临界氧气体积分数。分别对不同煤样做实验测定,得出长平矿3号煤层(无烟煤)窒熄带临界氧气体积分数为14.2%,九道岭矿4号煤层(烟煤)的窒熄带临界氧气体积分数为6.8%,晓南矿7号煤层烟煤的窒熄带临界氧气体积分数为8.2%。新方法按不同的煤种和煤质,依据各自不同的耗氧特性,来确定自燃带与窒熄带的划界标准,且与工程实际相符合。

水分相变下松散煤体导热系数的数值模拟研究1782-1789

摘要：煤自燃过程中水分的相变与迁移对松散煤体所处的导热和蓄热环境具有重要影响,而导热系数的变化可直观表征水分相变对松散煤体导热能力的改变。考虑到水分相变对松散煤体自燃过程中热湿迁移的实际作用,建立了含水松散煤体的简化物理模型,运用有限元数值模拟的方法,求解了二维稳态条件下,水分发生相变时含水松散煤体的温度场和热流密度分布,分析了水分相变对松散煤体内部各处导热能力的改变,并计算得到了相应的导热系数。研究结果表明:水分相变的发生直接影响了含水松散煤体内部温度及热流的分布,最终表现为含水松散煤体导热能力的整体变化;基于水分相变的影响,随着液相饱和度的增大,含水松散煤体的导热系数基本呈线性增加,增加趋势随着温度的升高逐渐变缓;100℃时水分相变下导热系数与液相饱和度满足关系:λe=0.130 1+0.132 8S,通过与对比数据的误差分析,验证了模拟的可靠性。