弱胶结软岩巷道支护技术研究

为研究弱胶结软岩巷道支护难题,以塔然高勒矿区某矿弱胶结软岩巷道支护工程为研究对象,通过现场调研和室内试验分析弱胶结软岩遇水软化机理。利用有限元分析软件MIDAS/GTS建立弱胶结软岩巷道弹塑性数值计算模型,对比分析锚网喷和锚网喷架两种支护方案时的巷道塑性区范围、应力分布、表面位移、喷混结构受力及锚杆和钢支架的受力形态。进行现场工业试验,监测巷道围岩收敛变形和锚杆受力变化情况。结果表明,锚网喷架支护形式能够确保支护体系充分发挥作用,塑性区范围小,围岩应力分布均匀、锚喷支护结构受力均匀且较锚网喷支护时小,采用钢支架与锚网喷构成支护体系会大大提高支护结构整体刚度,提升围岩的自稳能力和自承能力。     

不同地应力条件下直眼掏槽破岩的理论研究与数值模拟

为了研究不同地应力场对直眼掏槽破岩的影响,提出了基于Schwarz交替迭代法和弹性力学理论建立的掏槽区岩体的应力状态方程,同时对不同地应力条件下单孔直眼掏槽破岩过程进行了数值模拟。结果表明:在炸药爆炸前期和中期,初始地应力场对结果影响较小,主要是槽孔爆炸应力场起主导作用,在爆炸后期,初始地应力场对爆破后裂纹的扩展具有导向作用,裂纹扩展主方向趋向于最大初始地应力方向。进一步分析表明,岩体在初始地应力场与爆炸应力场共同作用后,在空孔和槽孔圆心连线上产生最大拉应力,并且在不同地应力条件下最大拉应力模拟值的发展趋势与理论计算较为一致。     

深井大采高综采面矿压显现及覆岩破断规律研究

针对深井大采高综采技术中采场矿压控制难的特点,以潘二矿11223大采高综采工作面为工程背景,采用相似模拟、数值模拟、现场矿压监测、理论分析等方法,对深井大采高综采工作面矿压显现及覆岩运动破断规律进行研究。结果表明:深井大采高综采面覆岩运动破断后结构形态演化特征可概括为“组合悬臂岩梁结构——压实填充结构——非铰接岩梁结构——铰接岩梁结构”的动态演化过程,这种动态演化过程直接影响着工作面的矿压显现特征及覆岩破坏特点;得到工作面初次来压步距为34 m,基本顶周期来压步距15 m,来压由中部开始向两端转移;工作面前方应力集中区距煤壁平均4.4 m,应力峰值平均为26 MPa,工作面矿压显现特点受控于覆岩运动破断的动态演化力学结构,研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论依据和借鉴意义。     

桥式起重机结构裂纹扩展路径模拟方法研究

桥式起重机焊接结构普遍存在“初始裂纹”和“应力集中”,裂纹的扩展和转移以及断裂规律对结构的安全可靠性评价至关重要.以断裂力学和损伤累积为基础,在有限元划分网格中“最薄弱”单元出现裂纹类缺陷,“最薄弱”单元退出工作,载荷重新分布.在重复变化载荷持续作用下,裂纹逐渐扩展,由于相邻单元的连续性,内力传递至“次薄弱”单元,使其成为下一个“最薄弱”单元.依此类推,最终结构材料达到许用应力值,裂纹达到临界值,从而形成裂纹扩展的路径.对ANSYS软件的“单元生死技术”功能进行扩展,采用Visual C++6.0集成开发环境MFC,集成了Pro/E二次开发语言Pro/Toolkit和ANSYS二次开发语言APDL,开发了桥式起重机桥架结构人机交互参数化建模及有限元分析可视化软件.通过软件模拟计算得到桥式起重机焊接箱形主梁的裂纹扩展路径,有限元分析结果与桥式起重机的实际情况相吻合.     

高尘烟气脱硝催化剂抗压阈值及损伤形貌研究

选取18×18孔新投运蜂窝式SCR催化剂,采用不同位移速率(α=0.2,2,5 mm/min)和损伤应力(σ=5,15 kN)研究SCR催化剂在高尘烟气中的抗压阈值和损伤应力过程,并进行损伤表面形貌分析。结果表明:位移速率越小,抗压应力过程中阈值σ_0较极限承压值越稳定,阈值σ_0越能反映试块的机械强度;损伤应力大于阈值时,损伤应力与机械强度呈负相关性,损伤应力为5 kN和15 kN时,磨损率分别为(0.018～0.022)%/kg和(0.036～0.043)%/kg,磨损量增多,机械强度降低;此外,通过损伤表面形貌分析可知,表面裂纹和损伤面积随着损伤应力的增大而增大,新生的裂纹将沿着一条最薄弱的路径扩展和汇集,间接验证了损伤应力与机械强度呈负相关性,并从损伤机理解析了损伤应力对表面损伤程度的影响,为高尘烟气下新投运SCR催化剂损伤研究提供一定依据。     

岩巷综掘工作面泡沫除尘技术研究

在截割头割岩产尘机理和泡沫除尘机理的指导下,通过实验开发了发泡剂和泡沫除尘设备,经过现场实验验证,泡沫开启前后回风中全尘平均质量浓度分别为442.79 mg/m3和112.29 mg/m3,泡沫平均除尘效率为74.64%;泡沫开启前后回风中呼吸性粉尘平均质量浓度分别为151.29 mg/m3和23.87 mg/m3,泡沫平均除尘效率为84.22%。     

淹没条件对连续射流破碎含瓦斯煤效率影响研究

为研究淹没条件对射流破煤效率的削弱程度,基于ALE算法,借助Ansys/Ls dyna模拟软件,建立围压状态下非淹没及淹没射流破碎含瓦斯煤体流固耦合模型,通过动态追踪破碎坑体单元失效演化过程及内部应力分布等瞬时信息,探讨2种射流状态下破煤成坑过程及破煤效率的差异。研究结果表明:淹没射流与非淹没射流两者破煤坑体形态差异显著,非淹没射流条件下射流破煤坑体断面较窄,深度较深,破煤效率前后阶段差别不大;淹没射流条件下射流破煤坑体断面较宽,深度较浅,在初始阶段形成漏斗状的破碎坑体,而后逐渐向下延伸,在0～100 μs内破煤效率最高;相同工况、同一时间内,淹没射流平均破煤深度是非淹没射流平均破煤深度的41.46%。研究结果可为水射流技术的现场应用提供参考依据。     

厚煤层采空区定向孔分域抽采研究及应用

为提高厚煤层采空区定向钻孔的瓦斯抽采效率，针对山西某高瓦斯矿井采煤工作面，采用理论分析和FLUENT数值模拟相结合的方法研究采动裂隙分域演化特性，提出覆岩裂隙场分域准则，确定定向钻孔布置区域与核心抽采布置范围，并在采空区现场开展定向钻孔分域抽采瓦斯试验。结果表明：破断裂隙密集区内，岩层断裂穿层裂隙发育较明显、瓦斯聚集显著，且钻孔稳定性高，是布置定向钻孔的最佳区域；并将与回风巷中心线水平距离3～13 m,与煤层顶板垂直距离10～18 m的区域设定为核心抽采区域。定向钻孔分域抽采试验中，单孔抽采瓦斯体积分数平均提升22.355%,单孔瓦斯抽采纯量平均提升1.295 m³/min,该结论验证了厚煤层采空区定向钻孔分域抽采方法的实用性与合理性。     

深埋矩形软岩巷道变形破裂规律研究

为研究深埋矩形软岩巷道的变形破裂发展演化规律,以一条泥岩巷道的地质条件为依据,采用PFC2D离散颗粒元软件,首先通过单轴和三轴压缩数值模拟试验确定泥岩颗粒及胶结物的细观参数;然后在此基础上,考虑泥岩颗粒及孔隙结构的排列分布情况,分析得出泥岩不同细观结构条件下深埋软岩矩形巷道周边围岩变形破裂的空间分布模式及其发展特点。结果表明,1)岩体细观颗粒在空间上的不同排列顺序,将导致深埋矩形软岩巷道围岩发生非对称变形破裂现象,且分别出现3种和5种截然不同的破裂和变形模式;2)深埋矩形巷道围岩的破裂扩展过程为:先在浅部薄弱处随机出现微小裂纹;之后这些裂纹逐步贯通形成多条由巷道表面引出的剪切滑移带;随着剪切滑移带的扩展延伸,巷道顶底部和两帮的破裂带开始相互交叉,最终将整个巷道围岩分割形成网状的分区破裂区域;3)在不同开挖时段,深埋矩形巷道围岩的径向位移都大致与其距巷道表面的距离呈指数衰减关系,且顶板浅部围岩的平均位移明显大于两帮;4)矩形巷道表面岩体最大位移在矩形四边中点处出现的概率很小,在矩形四个角点附近约0.25 m范围出现的概率最大;5)随开挖时步增加,深埋矩形巷道围岩裂纹总数和位移均呈指数衰减。     

非均质煤样细观力学特性的双轴压缩数值模拟

煤的微观结构特征对煤的力学特性起着重要作用。为了更加真实准确地研究非均质煤样的细观力学特性,首先通过扫描电镜(SEM)获取煤样放大8 000倍的微观结构图像;然后采用数字图像处理技术对SEM图像进行处理,构建能反映煤样较为真实结构特征的CAD矢量结构模型,并将其导入颗粒流离散元软件(PFC)建立符合煤样结构特征的数值模型;最后开展了煤样细观力学特性的双轴压缩颗粒流数值模拟。结果表明:煤作为一种混合物,它所包含的矿物质和微孔裂隙对其力学性能有重要作用;应力应变曲线有明显的峰值转折点,可以分为弹性阶段、应变软化阶段和残余阶段;煤样在双轴压缩条件下产生的宏观裂纹主要受拉伸力影响,其破裂形态不规则;在应力峰值位置附近,裂纹的增长速率最快,此时的颗粒体间平均接触力也最大,能够达到3.25×10⁸N;另外随围压和加载速率增大,应力-应变曲线形式基本保持不变,但轴向应力峰值及裂纹数逐渐增加;应力峰值对应的轴向应变与围压无确定的规律,而与加载速率呈正比关系。     

纵向风速对隧道内烟气发展影响的实验研究

通过在鹰嘴岩隧道内的现场模拟火灾试验,对不同纵向通风速率下隧道内烟气发展过程进行了研究。结果表明,纵向风速和火源大小均对烟气层沉降有重要影响。相比之下,纵向风速对烟气层沉降的影响更大;火源位置较高时,烟气层热膨胀力较大,在距离火源一定距离外仍可产生上游方向的烟气逆流;一定坡度的隧道在某种条件下可以产生"弱烟囱效应",导致烟气向下游方向的流速增加。在隧道设计中可以考虑利用这一点来增加排烟效率。     

司马矿薄基岩区顶板突水危险性数值模拟研究

为了研究司马矿薄基岩厚松散层特殊地质条件下的采动覆岩破坏、渗流等特性,评价发生顶板突水的危险性,建立了薄基岩厚松散层开采条件下的数值计算模型。采用理论分析、数值模拟和现场工程相结合的方法,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics,研究了随工作面推进采场的变形、破坏、渗流和应力变化规律。结果表明:在司马矿薄基岩厚松散层这一特定的地质条件下,工作面涌水量、顶板破坏高度均随工作面推进不断增加并最终趋于稳定,当工作面推进到200 m时,顶板破坏高度约为80 m,工作面涌水量约为33 m3/min,与实测数据基本吻合;随着开采的进行,在采空区后方煤层的支承压力峰值位置几乎不变,在工作面前方形成的支承压力峰值极值点位置不断前移,应力集中系数约为2.0;在司马矿薄基岩区,在煤层采厚为5 m、基岩厚度为40 m的条件下,若顶板黏土层厚度大于40 m,将不会发生顶板突水。     

液态CO2相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO₂相变爆破钻孔布置参数，研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响，基于LS-DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征，并在山西某矿15号煤层进行液态CO₂相变致裂现场试验。结果表明：液态CO₂单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大，两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通，当孔间距为5 m时，致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成，裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO₂相变致裂后，平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍，平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。     

基于采动覆岩三维裂隙场演化规律的地面L型钻井瓦斯抽采技术*

为了解决目前采用的直立型地面钻井抽采范围小、工作面所需钻井数量多及瓦斯流量和浓度偏低的问题,基于屯兰矿12507工作面Ⅱ段工程地质情况,提出地面“L”型钻井提高瓦斯抽采效率的理论和实践研究。通过PFC3D颗粒流离散元数值模拟软件对工作面覆岩采动影响进行模拟,得到采动影响下的覆岩结构、裂隙和孔隙率变化。研究结果表明:屯兰矿12507工作面Ⅱ段的垮落带高度为15.87 m,裂隙带高度为49.46 m,采空区上方15~50 m、沿倾向方向距离采空区边界20~100 m的范围内裂隙较发育,孔隙率高且稳定。在屯兰矿12507工作面Ⅱ段进行工程实践,得到地面“L”型钻井在抽采效率、工作面上隅角瓦斯治理及采空区瓦斯有效利用方面优于普通地面钻井抽采,抽采系统工作149 d瓦斯抽采浓度平均为52.52%,抽采纯量平均为9.48 m3/min,上隅角瓦斯浓度平均为0.21%,降低了矿井瓦斯灾害出现的风险并提高了煤层气的利用。     

特厚煤层综放工作面多参量监测预警分析

根据某矿12220工作面特厚煤层综放开采,穿越F16逆冲断层的特殊情况,为保证安全生产及时提供预警信息,采用微震、钻屑量、支架阻力、地表变形多种监测手段综合分析回采过程中的参量变化规律。结果表明:微震活动的峰值能量周期约为3 d,回采间距约为4.5 m,且断层下盘较上盘的微震事件能量更集中;钻屑量的统计分析发现最大值出现在上巷下帮7～11 m和下巷上帮9～11 m范围内,划定该区域为巷帮高应力集中区,并将平均钻屑量3 kg/m作为黄色预警临界值,3.5 kg/m作为红色预警临界值;另外,根据支架前、后柱阻力变化情况,划定了2个连续变化的高压力区,发现在初撑力偏低,甚至不接顶、虚顶情况下,支架梁顶部煤体受自重和构造应力作用易发生准脆性受拉断裂破坏,且在穿越逆冲断层的回采过程中,支架阻力峰值呈现由中下部向上部转移的变化规律;最后,通过对地表走向、倾向测点的变形量数据进行统计分析发现,走向面后84.9～284.8 m范围内下沉量较大,下沉速率增幅明显;而工作面倾向中部下沉量最大,整体下沉变形呈二次抛物型,其中下部下沉速率增幅明显。     

非线性拉伸对甲烷-空气预混火焰燃烧特性的影响

使用定容燃烧弹与高速纹影照相系统研究了不同当量比下甲烷-空气预混气体的层流火焰燃烧特性。实验数据同时应用传统线性模型和非线性模型分析了不同当量比对球形扩展火焰的传播速率和马克斯坦长度的影响。结果显示:随着当量比的增加,层流燃烧速率先增大后减小,直到当量比为1.1时,火焰速率达到最大值。马克斯坦长度始终为正值,且随着当量比的增大而增大。在所有当量比条件下,线性和非线性方法计算的火焰速率大致相同,差值小于0.01 m/s;线性方法得到的马克斯坦长度均大于非线性模型计算的结果,并随着当量比的增大,两种方法得到的马克斯坦长度的差值更加显著。     

采动岩体破裂数值模拟及高位钻场参数优化

基于降低采煤工作面瓦斯浓度和减少采空区瓦斯涌出的重要性,采用岩石破裂过程分析软件( RFPA2D)对鹤壁六矿21151顶分层工作面上覆岩层随工作面推进的运动情况进行了数值模拟.从中获取了上覆岩层的运动信息,得到了顶板由变形到损坏的全过程及损坏规律,并用经验公式对覆岩裂隙带高度进行了计算,综合判定工作面上覆岩层的裂隙带高度为12.3～44m.高位钻场抽采参数优化后,平均抽采量达到6.79 m3/min.     

矿用聚氨酯硬泡密闭材料的安全性能研究

对聚氨酯硬泡密闭材料的安全性能进行测定和研究,旨在为矿井降氡技术提供可行的安全材料,从而改善铀矿开采环境,提高井下工作人员的职业安全健康水平。在材料反应机理研究的基础上,通过实验对制备出的聚氨酯硬泡密闭材料进行安全性能测试,结果表明:其发泡时间低于5min、发泡倍数达30倍以上、泡沫均匀致密;降氡效率为84.58%;压缩应力为850.60kPa,断裂拉伸应力为206.0kPa,冲击强度为2.66kJ/m2;材料贮存36个月内的密度变化率小于0.5%,压缩应力变化率小于10.5%,18个月后压缩应力变化趋势缓慢。     

基于覆岩破坏传递的超前自卸压区影响宽度研究*

为确定超前自卸压区的宽度,将其更好地应用于边采边抽钻孔布置中,探讨影响超前自卸压范围的主要因素,揭示卸压区宽度与工作面超前支承压力的内在联系,根据压力拱曲线平移特性,提出在覆岩破坏传递过程中,冒落带随回采周期性垮落,造成超前支承压力重分布,简化工作面开采模型,推导计算卸压区宽度的理论新方法并进行现场试验验证。结果表明:通过实测采面前方顺层钻孔的瓦斯抽采纯量,确定超前自卸压区宽度为28~30 m;距工作面＞20~40 m范围为卸压瓦斯高效抽采区,平均瓦斯抽采纯量0.074 m³/min,为卸压前的3.89倍;考虑覆岩破坏传递的超前自卸压区宽度计算值为29.97 m。计算值与实测结果较吻合,验证该方法的可行性,为井下卸压区高效抽采提供借鉴。     

厌氧氨氧化颗粒污泥的培养及影响因素

在EGSB反应器中快速启动厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺,总氮去除速率为0.931±0.006 kg/(m~3·d),总氮去除效率为90.5%±0.8%。培养得到厌氧氨氧化颗粒污泥和絮状污泥混合物,污泥平均粒径为307.5μm。高质量浓度的NO_2~-(143.25 mg/L)抑制厌氧氨氧化菌活性;N_2H_4可强化厌氧氨氧化,但高质量浓度的N_2H_4抑制厌氧氨氧化菌活性;短期添加丙酸盐(COD质量浓度0~400 mg/L)对厌氧氨氧化速率几乎无影响;厌氧氨氧化速率随Fe~(3+)浓度(0~1.2 mmol/L)的增加而增加。