诱导式防冲支护装置的屈曲吸能特性研究

基于薄壁管件屈曲吸能原理,设计了具有特殊形状的诱导式防冲支护装置,应用于一种新式巷道吸能防冲液压支架中,旨在当突发围岩冲击时,通过装置自身及时的变形让位过程,应对支架遭受的冲击破坏作用并快速吸收其携带的冲击能,从而支架结构受到保护,围岩稳定性与巷道的整体性得到保障。防冲支护装置的承载力与吸能量通过吸能理论分析与计算获得;利用ABAQUS大型分析软件模拟两种防冲支护装置结构形式的变形吸能过程,在轴向加载的条件下进行单节支护装置准静态压缩试验。结果表明:单节防冲支护装置支护力大,比吸能高,吸能量大,总体吸能效果好。防冲支护装置吸能特性研究,为解决当下冲击地压发生时巷道支护安全问题提供了新方法。     

液压立柱内外翻转式吸能防冲构件特性数值分析

为增强液压立柱防冲性能,有效防治煤矿冲击地压,或在一定程度上减小冲击地压事故造成的损失,提出并设计了一种与液压立柱结合使用的内外翻转式吸能构件。采用数值分析对构件吸能防冲特性进行研究,结果表明:轴向压缩下内外翻转式吸能构件具有非常好的稳定变形破坏模式,且构件变形后不向四周膨胀。内外翻转式吸能构件压缩过程中具有恒定的反作用力、较高的冲程效率和有较小的载荷波动系数。内外翻转式吸能防冲构件是一种较为理想的吸能防冲构件,其与现有常规立柱结合使用,可改善立柱受冲击载荷时的受力情况,增强立柱防冲性能。     

吸能让位防冲支护结构与围岩协同作用体系研究*

为防治冲击地压危害,减小人员伤亡与经济损失,采用数值计算方法建立吸能让位防冲液压支架与围岩协同作用体系模型,计算支架和围岩组合体系在静载和冲击载荷作用下的受力状态。结果表明:静载条件下,受煤层影响巷道右侧拱肩位置应力值与塑性应变相对最大,此处最易发生破坏;吸能装置在静载条件下没有发生压缩变形,表明吸能装置不会影响支架正常工作;竖向冲击荷载条件下,受煤层结构影响巷道右侧拱肩处等效塑性应变值增大相对比较明显,吸能防冲支架中间液压柱与右侧液压柱水平位移变化相对最明显;冲击地压发生过程中,支架与围岩间相互作用力变化较大,总体可分为振动段、平稳段、上升段、波动段4个阶段。     

新型矿用圆弧形薄壁防冲吸能装置屈曲特性数值分析*

为解决支架面对冲击地压产生的强冲作用容易失效、失稳的难题,针对现有矿用防冲吸能装置存在的不足,提出1种新型矿用圆弧形薄壁防冲吸能装置。采用ABAQUS有限元数值模拟方法对新型防冲吸能装置与原有方形预折纹薄壁装置进行对比分析,同时研究新型防冲吸能装置在不同壁厚和不同轴向模块堆积个数情况下的屈曲特性。结果表明:圆弧形薄壁装置相比于方形折纹薄壁装置在相同厚度情况下其总吸能提升近20%,比吸能提高63%,装置防冲优势明显;在装置高度不变的情况下增加模块轴向堆积个数可有效降低压溃峰值荷载、荷载波动系数,增加平均压溃荷载;随着装置薄壁厚度降低,压溃峰值荷载、压溃平均荷载、总吸能与比吸能均降低,荷载波动系数增加,曲线波动性变大。     

板块倾角对折棱管防冲支护装置吸能特性的影响

鉴于煤矿支护设备抗冲击能力差、在冲击地压中易遭受破坏而失效,开发一种结构简单且吸能性能良好的防冲支护装置。对普通方管轴向压缩过程完成数值模拟后,设计折棱管防冲支护装置,并重点研究其板块倾角对其吸能效果的影响。首先,通过有限元数值模拟分析,研究不同板块倾角的防冲支护装置在冲击下的压溃全过程,分析板块倾角对装置吸能效果的影响;其次,将折棱管防冲支护装置与普通方管做吸能性能对比,综合评价折棱管防冲支护装置的优势;最后,结合室内试验,验证折棱管防冲支护装置的最佳板块倾角。结果表明,板块倾角为156°的折棱管防冲支护装置吸能性能最佳。     

矿用六边形折痕构件吸能防冲特性数值分析

为有效防治煤矿冲击地压,或在一定程度上减小冲击地压事故造成的损失,提出了一种矿用六边形折痕吸能防冲构件,构件防冲体现在构件被压溃过程中吸收冲击能、压溃空间给煤岩提供了一定的能量释放空间和构件恒力变形阶段为液压阀打开提供了时间.采用ABAQUS有限元软件模拟了不同壁厚、不同凹角宽度、轴向“堆积”不同模块个数的构件的吸能特性,并与常规六边形薄壁进行了对比分析.结果表明,折痕引入能有效降低常规六边形构件的峰值载荷、载荷波动系数,提高能量吸收和增加冲程效率,验证了折痕构件的有效性.六边形折痕构件具有较高的冲程效率,模块凹角宽度及壁厚对冲程效率、吸能评价指标影响较小.载荷波动系数随壁厚增加而降低,构件的峰值载荷、平均压溃载荷及吸收能量随壁厚增加而增加.模块凹角宽度对构件的防冲性能影响较大,应选择合适的模块凹角宽度.随“堆积”模块数增加,峰值载荷降低,反力波动增大.防冲构件与现有液压支柱结合使用能提高支柱的防冲性能.     

大变形巷道弹性锚喷混凝土耦合支护技术研究及应用

为提高层理地质条件下大变形巷道的稳定性,延长巷道使用寿命,采用具有较大变形承载能力的喷钢纤维混凝土与弹性锚杆耦合支护技术加固围岩。首先研究层理状地质条件下高应力软岩巷道的破坏特点及规律,确立支护结构和时效耦合的关系,并通过钢纤维混凝土试样的动静荷载试验,研究混凝土强度与钢纤维掺量的关系,得到喷钢纤维混凝土合理的钢纤维掺量。此外,针对大变形巷道开挖初期变形量大、破坏速度快的特点,设计具有让压吸能作用的新型弹性锚杆,并将此弹性锚杆结合喷钢纤维混凝土技术进行工业试验,试验的位移监测结果表明:该方案位移量比原方案减小约50%,且支护10个月后未出现裂缝。     

拱形支架在煤矿巷道中的应用研究

针对目前一些高压力和不宜采用锚杆支护的巷道,为适应其支护的要求,研制开发了拱形支架。对于巷道支护,其着眼点应放在充分利用和发挥岩层的自承能力上。对本文的拱形支架支护,根据力法原理,采用曲梁模型进行了支架系统的力学分析,得出其最大承载能力;通过与直梁支架承载能力相比较,得到了拱形支架承载能力系数与支架半径和巷道跨度的影响关系。同时为了使巷道断面更为合理,对支架构件轮廓曲线进行了优化,以使支架构件的内力和变形最为合理。结果证明：拱形支架承载能力比直梁梯形支架的承载能力有大幅度提高,其半径和跨度直接影响着承载能力,从而有效解决了软岩巷道难以支护的问题。另外,从合理拱轴线的角度,得出在均布等压的巷道中,选用圆弧形支架构件进行支护,能最大程度地发挥支架的力学性能。     

忻州窑煤矿5935巷道底板卸压槽防冲效果研究

运用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法,对忻州窑煤矿5935巷道底板卸压槽防冲效果进行研究。依据现场实际情况,基于煤岩体静载破坏理论,选定底板卸压槽作为5935巷道的防冲技术方案。利用FLAC3D数值软件模拟5935巷道布置底板卸压槽后围岩应力、应变响应,模拟结果肯定了卸压槽的防冲作用。在现场5935巷道布置底板卸压槽的防冲试验中,实际观测巷道围岩变形量与模拟结果基本一致,声发射技术监测数据证实了底板卸压槽的防冲效果。通过底板卸压槽防冲投入分析,其经济效益相当显著。研究表明:布置底板卸压槽是忻州窑煤矿最为直接、有效的防冲手段,对"三硬"矿井冲击地压的防治工作具有一定的指导意义。     

忻州窑煤矿5931巷道卸压槽防冲模拟与试验研究

采用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法,对忻州窑煤矿5931巷道卸压槽防冲效果进行研究.数学推导了巷道底板岩层轴向力,分析了巷道底鼓原因.根据煤岩体静载破坏理论,确定了巷道卸压槽防冲技术方案.并运用FLAC3D数值软件模拟布置卸压槽巷道围岩应力、变形状态,从模拟结果可以看出,卸压槽具有很好的防冲作用.最后,选取部分5931巷道开展卸压槽防冲试验,布槽巷道围岩变形量明显减小,与模拟结果较为一致,同时,声发射现象显著减弱,证实卸压槽有好的防冲效果.     

动载下巷道围岩微震响应特征及支护研究

为探讨动载下深部巷道围岩变形特征,采用微震监测系统、顶板动态监测仪及FLAC3D 数值模拟软件研究深部工作面回采中微震活动特征及巷道变形破坏特征,模拟动载前后巷道围岩及支护体力学响应特性。研究结果表明:微震事件分布与累计损失能量均呈现出明显的3阶段特征,与工作面开采过程出现的初次来压、采空区初次见方和遇见断层现象相对应;微震事件的分布在时间和空间上具有一致性;动载下顶板破坏程度大于底板及两帮;动载扩大了巷道围岩塑性区范围,改变了围岩的受力状态,增大了围岩的变形量与支护体的受力;通过增加锚杆直径、长度、排距及提高预紧力对支护结构进行优化,现场监测数据表明,优化后支护方案保证了围岩的完整性,限制了围岩的变形,减小了锚杆受力,能够有效控制采动影响下巷道围岩的变形,对采动影响下深部巷道维护保证煤矿安全生产具有参考应用价值。     

特厚煤层巷道冲击特征及冲击危险性评价方法研究

通过研究特厚煤层巷道能量储存、应力分布及围岩强度特征,揭示了特厚煤层巷道与薄及中厚煤层相比具有储存能量多、应力影响范围广及围岩强度低的主要冲击特征。基于特厚煤层巷道冲击特征和冲击地压启动理论,提出了综合弹性能指数、应力比指数和冲击能量速度指数的冲击危险性评价多元指数法,建立了特厚煤层巷道冲击危险性的综合评价指标体系。将该评价指标体系应用于陕西某矿特厚煤层掘进期间巷道冲击危险性评价,根据评价结果对冲击地压危险区域采取了合理的卸压措施,保证了工作面的安全开采。     

基于能量理论的冲击地压细观过程研究

为了解冲击地压细观发生过程,从而分析冲击地压不同阶段特点,从能量消耗角度对该过程进行了研究。认为冲击地压是岩体系统由于外界扰动引起的能量释放过程,总释放能量理论上等于岩体形成期间残余弹性势能。由于该弹性势能和岩体形成后裂隙发育的不同,导致岩体受开采扰动后经历的能量释放形式有所不同。大体上能量释放形式可分弹性变形、可产生裂隙的大变形、岩体破碎飞石、广义变形集中区岩体失稳和伴随裂隙产生的机械振动5种。过程可分三部分:初期变形和裂隙、中期飞石-变形-破碎-飞石的循环破坏过程(岩爆)、末期广义应变失稳破坏。使用颗粒流理论的PFC3D对上述过程进行了模拟,结果表明:-120 m、-220 m、-320 m时开采面岩体只发生变形和裂隙;-420 m、-520 m、-620 m岩体先经历变形和裂隙,然后发生岩爆;-720 m和-820 m岩体经历变形和裂隙、岩爆和广义应变区失稳坍塌。     

滇东黔西松软煤岩三轴压缩力学特性及能量演化特征

为促进滇东黔西地区煤炭资源安全高效开发,开展了不同围压下的三轴压缩试验,研究了该地区松软煤岩的压缩力学特性及能量演化特征。研究结果表明:裂隙增大了松软煤岩差应力-应变曲线峰后下降的速率,差应力-体积应变曲线从峰前屈服阶段开始左拐,表现出扩容现象,达到峰值强度后扩容现象愈加明显;围压增强了煤岩承压能力,对煤岩压缩变形过程中径向变形的抑制作用明显;围压条件下,松软煤岩的抗压强度、破坏模式及破坏角均符合Coulomb强度准则;围压几乎不影响弹性能的增长速率,但提高了煤样储存弹性能的能力,受割理等裂隙影响,耗散能与围压无明确相关关系。     

中义隧道片理化玄武岩段大变形控制技术研究*

为进一步探究高地应力隧道软岩大变形控制技术,以中义隧道主洞片理化玄武岩段为工程背景,提出大变形Ⅰ型支护、大变形Ⅱ型支护、大变形Ⅱ型支护（围岩加固）3种大变形控制方案,以现场试验段监测为辅助验证,采用数值仿真对3种控制方案的控制效果进行对比分析。结果表明:适宜的支护成环时间具有减缓大变形的作用;在衬砌各部位累计最大变形控制方面,控制方案3较其他方案衬砌最大变形最少减小20.8%,且变形时程曲线最终收敛;围岩最大日变形量控制方面,经过开挖断面的进一步优化以及边墙部位塑性区围岩自承能力的提高,控制方案3最大日变形量较其他支护方案至少减小20.8%。结果显示控制方案3能够稳定控制片理化玄武岩大变形,且效果最好,研究结果可为类似工程提供设计依据。     

加轴压卸围压下含瓦斯煤岩损伤变形的能量演化机制

采动影响下含瓦斯煤岩的损伤变形是一个极其复杂的非线性过程,单纯依靠传统经典弹塑性力学无法准确分析其破坏机理。针对此情况,通过试验研究了不同初始围压条件下含瓦斯煤岩的损伤变形特征,并分析了损伤变形与能量演化规律之间的内在联系。研究表明:初始围压越高,煤样破坏时强度越大,脆性破坏特征越明显,瓦斯流量急剧增加幅度越大,煤样破坏时积累的总能量和弹性应变能越多,且初始围压与弹性能之间满足对数函数关系。采用累积耗散能定义了煤岩损伤变量,并分析了不同阶段损伤与渗透率之间的演化关系。     

白云岩单轴压缩试验声发射特性研究

在单轴压缩条件下,进行白云岩破坏全过程的声发射试验研究,得到应力、声发射特性与时间的关系,并研究了岩体的Kaiser效应。结果表明:（1）岩石单轴压缩破坏过程中并不是所有试验岩样有具有典型的声发射特征阶段,部分岩样AE曲线中可以找到Kaiser效应特征点,但是多数岩样的Kaiser效应特征点不明显;（2）岩样的AE现象在应力达到峰值前会经过一个平静期,而在岩石发生破坏直至彻底破坏阶段,AE现象明显增加,这个先平静后剧增的过程可以作为预报岩爆发生的一种警示信号;（3）大多数岩样都在AE能量达到最大时发生彻底破坏。     

五老峰隧道岩爆声发射参数特征研究

为研究岩爆事件的声发射特征,为岩爆灾害的进一步监测预警提供依据,对五老峰隧道掌子面附近区域岩爆事件进行声发射监测,以RA均值作为主要参数,研究岩爆发生前后的参数变化规律,并通过与b值等参数分析结果的相互印证,对比岩爆信号与爆破震动信号之间的区别。试验结果表明:不同传感器因为布设位置、耦合程度的差异,接收到的声发射信号数量与参数分布范围存在较大差异;RA均值作为参数分析依据,能够较好地反映岩爆事件的孕育发展过程,且能够一定程度上消除传感器接收信号数量差异的影响,更稳定地反映岩爆事件的信号特征;岩爆事件发生前RA均值与事件密度不断升高,峰值后则都迅速降低,而爆破产生的声发射信号则在RA值上存在一定突变性,且峰值后仍保持较高水平。本次监测中,共发生1次微型岩爆,而在左洞爆破后,声发射信号明显增多,但并未产生显著破裂事件。