破碎煤体钻孔触探法原位强度测试与分析

由于破碎煤体取样效果差,很难获得标准煤样,一般采用现场原位测试煤体强度,而常用的原位测试方法钻孔触探法在测试破碎煤体强度时出现探针跃进不明显问题。在煤体裂隙较发育的新元煤矿进行试验,采用直径分别为6,8,10mm探针对破碎煤体进行钻孔触探法强度测试,对132mm钻孔不同直径探针载荷与油压测试数据进行拟合分析,直径6mm探针两者相关性差,随着探针直径增大,探针载荷与油压拟合度提高,直径10mm探针两者相关关系明显增强。对56mm钻孔测试,两类尺寸钻孔测试数据均表明增大探针直径能够显著提高探针跃进现象,测试数据有效率增长速率由大变小,此外受钻孔直径影响,大直径钻孔比小直径钻孔测试有效率高约10%。     

破碎煤体点载荷强度测试及单轴抗压强度预测分析

针对破碎煤体获取标准煤样困难,无法直接获得其单轴抗压强度,采用点载荷仪对现场取得圆柱体和不规则2种形式的破碎煤块进行实验室点载荷强度测试,通过数理统计方法对30组测试数据拟合分析,得出煤块点载荷强度指数分布规律以及与等效直径的关系,同时结合以往单轴抗压强度与点载荷强度指数公式及适用范围,获得新元煤矿破碎煤体单轴抗压强度。研究结果表明:煤块点载荷强度指数遵循Weibull分布,随着块体大小变化其分布形式无显著差别。对点载荷测试数据聚类分析,点载荷强度指数与等效直径成反比。通过分析单轴抗压强度与点载荷强度指数关系,得出新元煤矿巷帮破碎区煤体单轴抗压强度处于0.7～4.9 MPa。研究破碎煤体点载荷强度测试以及定量估计其单轴抗压强度,对破碎煤体巷道围岩支护提供依据具有重要意义。     

煤体单轴抗压强度统计与分级研究

为了解决现有煤体单轴抗压强度(UCS)测试数据利用率低的问题,采用数据筛选与分析、数理统计、聚类分析的方法,提出一种能比较有效地分辨、衡量煤体强度差异,并能对UCS测试结果进行定量评价和分类的方法。通过搜集整理山西、山东、内蒙古、陕西、新疆等主要产煤省份及地区129座矿井的808组煤体UCS数据,分析煤体UCS数据分布特征及分布规律并对测试结果进行评价,为煤体强度分级及煤系地层有关工程设计提供重要参考依据;基于煤体强度测试数据统计分析,将煤体强度进行分级同时根据其煤体强度分级与评价结果初步对煤矿巷道围岩支护参数类型提供参考和预测评估。结果表明:所统计煤体UCS分布范围为1.37～55.48 MPa,平均值为16.11 MPa,标准差为8.93 MPa,且满足正态分布。对煤体UCS分级:Ⅰ(1～10 MPa)、Ⅱ(10～15 MPa)、Ⅲ(15～25MPa)、Ⅳ(25～40 MPa)、Ⅴ(40～60 MPa)。依据单轴抗压强度分级标准对其进行分值评价:非常差(0～10分)、差(11～20分)、较差(21～40分)、中(41～60分)、较好(61～80分)、好(81～95分)、非常好(96～100分)。对煤矿单轴抗压强度进行分值评价,同时与不同支护参数进行对应分类划分,所提供的支护参数可为煤巷支护基本参数提供参考。     

利用点荷载仪测试软岩力学性质的研究

露天煤矿岩石工程地质勘探中使用点载荷仪与室内岩石抗压强度测试研究的对比成果。通过岩石径向和轴向点载荷强度测试,给出了软岩点载荷强度与岩石抗压强度的关系,并介绍了软岩点载荷强度的有关测试方法。     

煤截割粒度分布规律的分形特征

为寻找煤粒度的分布规律,根据分形理论建立了煤粒度分布的分形表达式,以此为基础,在不同截割条件下进行试验研究,并与威布尔分布作比较,寻找煤破碎特性指数、破碎程度参数、分形维数与影响参数的关系.试验分为3部分：首先,对不同结构参数的截齿、滚筒进行截割试验,根据试验结果对比2种分布函数对煤粒度分布表达的合适性,并对参数间的关系进行探讨;其次,对不同抗压强度(1.43,1.97,2.48 MPa)的模拟煤进行截割试验,寻找2种分布函数与煤抗压强度的关系;最后,通过变化截割运动参数,研究切屑厚度对煤粒度分布的影响及各参数与切屑厚度的关系.研究结果表明：威布尔分布、分形分布均可表示煤粒度的分布规律,但威布尔分布中的煤破碎特性指数、破碎程度参数不能正确反应煤的破碎程度以及与各截割参数间的关系;而分形分布的分形维数可以正确表达煤的破碎程度,并与煤抗压强度、切屑厚度呈线性关系.     

钻屑法孔壁破坍失稳现象研究

采用煤体损伤模型和极值点失稳理论对钻屑法孔壁破坍失稳现象进行了解析分析,计算得到了孔壁破坍失稳的临界载荷, 结果表明, 孔壁破坍失稳的临界载荷与煤体的材料参数E, λ,φ, σc有关, 而与孔径无关。研究了孔壁失稳与煤体冲击矿压之间的关系, 说明了孔壁破坍失稳现象与煤体压缩型冲击矿压之间可以进行类比分析。研究结果可以作为现场有效实施钻屑法预测煤巷冲击矿压的理论依据。     

煤矿冲击地压发生理论公式

冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一,研究冲击地压发生机理的理论公式是实现冲击地压定量防治的第一前提。针对目前尚未有直接明了的冲击地压发生理论公式的现状,通过建立与地应力、煤岩物性、支护强度和工程结构参数直接相联系的巷道冲击地压发生力学分析模型,得到了一套冲击地压发生的理论公式。首先,系统探究了冲击地压解析分析所涉及的几何模型、边界条件、煤岩体变形破坏本构关系和冲击地压发生的力学判据;其次,结合煤岩体变形破坏的"双线性"本构关系和"三线性"本构关系,分别建立了巷道"弹性区、塑性软化区"2分区结构模型与"弹性区、塑性软化区、破碎区"3分区结构模型,对巷道围岩展开应力分析,得到了巷道平衡系统方程;最后,由系统方程与冲击地压发生力学判据,得到了冲击地压发生的临界载荷、临界破碎区半径与临界软化区半径指标及其理论计算公式。采用理论公式定量解答了冲击倾向性与冲击危险性的理论关系、矿井冲击地压发生临界开采深度的理论界定和支护在冲击地压启动过程中的作用及支护安全系数设计方法等科学问题,并对我国近30座冲击地压矿井的冲击启动临界载荷、临界开采深度和支护防冲安全能力进行了计算或验算。研究结果表明,临界载荷、冲击能指数和单轴抗压强度3个指标参量间具有明确的理论关系;表征冲击倾向性的理论指标为冲击能指数和单轴抗压强度,表征冲击危险性的理论指标为实际应力与临界载荷比值;基于冲击地压发生的临界载荷,可以得到矿井冲击地压发生临界开采深度的理论确定方法;支护强度的提高能够有效提升冲击地压发生的临界载荷。研究成果旨在继承并突破现有定性或统计定量的冲击地压理论,为实现煤矿冲击地压机理及应用的定量化研究奠定基础。     

瓦斯抽采对煤体强度与锚固性能影响的现场测试分析

以晋煤集团寺河煤矿为工程背景,现场测试瓦斯抽采前后煤体强度和锚固性能,分析瓦斯抽采对煤体力学性能和巷道支护效果的影响。采用触探法原位测试围岩强度,得到工作面瓦斯抽采前煤体强度平均值为24.89MPa,抽采后平均值为16.15MPa,强度降低35%;开发研制煤体锚固性能测试装置,能够连续监测锚杆锚固力、锚杆位移和护表构件在煤壁的压入量。现场测试结果得出,瓦斯抽采前煤体锚固力平均为220k N,抽采后为124k N,为抽采前的56.4%。试验结果可为进一步提高抽采煤体巷道支护设计的合理性提供依据。     

钻隔封封孔技术在提高瓦斯安全抽采效率中的应用研究

为解决瓦斯抽采钻孔密封性差、漏风量大和伴生的破碎煤体自燃灾害,提出了新型钻隔封一体化封孔技术来对瓦斯抽采钻孔封孔。钻隔封一体化封孔技术通过注入柔性膏体封孔材料密封钻孔,钻孔内和钻孔周围煤壁喷涂黏性无机密封材料,来实现动态密封钻孔周围新生裂隙,隔绝破碎煤体与周围空气接触,提高瓦斯抽采浓度和降低破碎煤体自燃风险。煤矿现场试验表明,采用新型钻隔封一体化封孔技术后,瓦斯抽采钻孔周围煤体漏风大大降低,瓦斯抽采浓度较常规封孔的钻孔提高了2.3倍,钻孔内部温度降低了12.8℃,破碎煤体自燃风险大幅降低,切实保障瓦斯抽采工作安全高效进行。     

炭质泥岩破碎带的突出预测与防突措施

为探索快速安全地揭露高瓦斯炭质泥岩破碎带,以新疆石庄沟煤矿主斜井掘进过程中遇到炭质泥岩破碎带为背景,运用初始释放瓦斯膨胀能指标法对炭质泥岩破碎带进行突出危险性预测与抽放瓦斯效果检验。由于炭质泥岩破碎带裂隙发育及施工抽放钻孔后,瓦斯压力难以测定,基于瓦斯压力与初始释放瓦斯膨胀能的关系,结合郎格缪尔方程,通过测定瓦斯含量间接得到采取抽放瓦斯后的初始释放瓦斯膨胀能。结果表明:石庄沟煤矿炭质泥岩破碎带发生弱突出时的临界瓦斯压力为0.56MPa,临界瓦斯含量为0.4281m~3/t;初始释放瓦斯膨胀能指标法用于炭质泥岩层的突出危险性预测与消突效果检验是科学合理的。     

几种岩石点荷载强度与单轴抗压强度的相关性

通过对某矿区的矿岩进行单轴抗压强度试验及点荷载试验,用Shapiro-Wilk正态检验法对点荷载试验数据进行正态分布检验,用Grubbs准则对可疑数据进行取舍,再将得到的点荷载强度(I_(S(50))、PLS)与单轴抗压强度(UCS)进行对比分析,研究其相关性。结果表明:点荷载试验结果符合正态分布,其离散程度大于单轴压缩试验;6种岩石的点荷载强度与单轴抗压强度高度正相关,因此能够相互转换,转换得到的抗压强度可作为该矿山岩体分级的依据。     

松软煤层抗张强度及防隔水煤柱宽度的研究

在矿井生产过程中,为防止发生突水事故,常在井下设置防隔水煤柱。通过留设矿井防隔水煤柱,对矿井延长服务年限和煤矿水害防治具有十分重要的意义,而研究合理的防隔水煤柱宽度,能够更加安全、合理、高效地开采煤炭资源。通过点荷载试验测定了祁南煤矿34下6工作面采取的松软结构煤体的点荷载强度指数。考虑到尺寸效应,对不规则试件的结果进行修正后,利用点荷载强度间接获取松软煤层抗张强度。在矿井特定位置留设防水煤柱时,煤层的厚度和水头压力是固定的,煤柱的留设宽度仅为煤层的抗张强度的函数。因此,根据经验公式可计算出防隔水煤柱的合理留设宽度。     

岩石点荷载强度与单轴抗压强度关系研究

点荷载试验是一种在工程现场快速确定岩石单轴抗压强度的方法。自国际岩石力学协会建议采用以来,得到了广泛的研究和应用。点荷载强度指标和单轴抗压强度之间的变换关系式存在较大的不确定性,影响该关系的因素较多,例如修正系数、点荷载强度标准值等。以贵州紫金水银洞金矿多个采场顶板岩石的点荷载试验数据为基础,探讨了不规则点荷载强度指标IS和点荷载强度标准值IS(50)之间的修正系数F的变化情况,分析比较了目前常用的四种计算方法获得的点荷载强度标准值IS(50),并对点荷载强度标准值IS(50)与岩石单轴抗压强度σC进行曲线拟合和线性拟合比较,最后得到了该矿顶板的单轴抗压强度σC和点荷载强度标准值IS(50)之间的最佳关系式,这种拟合关系在该工程施工过程中得到了很好地运用,经实践证明这种关系式是可行的。     

浅部煤矿井下地应力分布特征研究及应用

采用煤矿井下小孔径水压致裂地应力测量装置,在山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等5省（自治区）的10余个浅部煤矿区,进行了88个测点的地应力测量,最浅测点的埋深仅为38 m。根据地应力测量数据,分析了浅部煤矿井下地应力分布特征与变化趋势,并与深部煤矿进行了比较。通过实例分析,介绍了地应力测量结果在浅部煤矿井下工程中的应用情况。浅部煤矿井下地应力受多种因素影响,测量数据离散性很大,随测点埋深的变化规律不明显;地应力场以σH>σh>σV型为主,水平应力占绝对优势。最大水平主应力与垂直主应力的比值主要集中在1~3之间;最小水平主应力与垂直主应力的比值大部分在0.5~2.0;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于1.0~2.5;最大主应力与最小主应力之差同垂直主应力的比值离散性较大,最大值超过2。将地应力测量数据应用于浅部煤矿煤柱尺寸优化、锚杆支护参数设计,在保证巷道安全与支护效果的前提下,提高了煤炭资源采出率,降低了巷道支护成本。     

煤样抗压、拉强度与点荷载指标关系的试验研究

通过对漳村煤矿3#煤层煤样进行单轴压缩、巴西劈裂、捣碎法以及点荷载试验,对试验结果进行分析。结果表明:捣碎、巴西劈裂、单轴压缩和点荷载试验结果的离散程度依次增大;非规则试样与规则试样相比,点荷载试验结果的离散程度明显偏大,规则试样平行层理与垂直层理加载方式得到的点荷载强度结果大致相同;煤样的坚固性系数、单轴抗压强度、抗拉强度与点荷载强度具有关联性,能够实现相互转换得到相应参数,转换后的强度参数可为煤体强度分级指标的确定提供了依据。     

突出煤体变形破坏过程声发射演化特征综合分析

对阳煤新元矿3号突出煤层的原煤和型煤进行载荷控制方式下的变形破坏试验,研究不同类型煤样变形破坏过程中声发射特征及其差异。研究结果表明,煤体破裂过程经历了3个阶段：非裂纹发展阶段、裂纹的稳定发展阶段和非稳定发展阶段。原煤在裂纹的稳定发展阶段及其以后,体应变速率的增大伴随着声发射指标的增大,且体应变的突降伴随着声发射指标的激增。原煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力之前,表现出峰后的脆性变形特征,声发射指标峰值也出现在峰值应力之前;而型煤的裂纹非稳定发展阶段出现在峰值应力以后,表现出峰后塑性流动的延性变形,声发射指标峰值也出现在峰值应力以后。原煤破裂过程中呈现出两种体应变-时间曲线形态,既有较为平滑的曲线形态,也有在裂纹的稳定发展阶段就开始出现短时突降的体应变-时间曲线形态;而型煤仅呈现出平滑的曲线形态。原煤的声发射参数与应力之间总体上呈正相关关系,且在裂纹的非稳定发展阶段或者稳定发展阶段的中期以后,声发射参数具有较高的数值;而型煤声发射参数的演化分为两个阶段,峰前的平静期和峰后的爆发期,由峰前较为稳定的低值跃升到峰后较高水平的最大值,其破坏的声发射参数具有突增性。原煤声发射强度包括平均强度和峰值强度均远大于型煤的声发射强度,这主要是原煤强度较高容易积聚较高的弹性潜能且内部结构相对破碎所致。     

煤矿工作面顶板倾斜钻孔疏放水井流计算方法

以顶板疏放水中常用的倾斜钻孔为对象,以空间点源理论为基础,运用反映法,建立了均质各向异性无限水平承压含水层中非完整倾斜钻孔的井流计算方程,讨论了多个倾斜钻孔同时工作时,多孔叠加的疏放水井流计算方法。在此基础上,运用陕北某矿顶板含水层疏放水工程实例,验证了此方法的有效性。形成了一套集分析、模拟、预测为一体的倾斜钻孔疏放水计算方法。     

“隔离水墙+泄放钻孔”技术在治理煤壁内煤炭自燃中的应用研究

矿井巷道煤壁内煤炭氧化自燃事故的处理，常规方法是采取挖出着火点煤炭、向煤壁内注水等措施，但某矿井出现巷道煤壁内煤炭氧化自燃事故后，常规方法不仅未能有效处理，反而出现随着灭火钻孔注水范围扩大。煤炭氧化范围顺巷道向着火点两侧扩大的异常现象。针对此种异常现象，研究分析了煤炭氧化范围自着火点向两侧扩大的原因，创新地采用“隔离水墙+泄放钻孔”技术，即在着火点两侧施工注水钻孔构建“隔离水墙”，阻止着火点高温气体向周围扩散，同时在着火点范围两侧、“隔离水墙”之内，施工开口不封闭的“泄放钻孔”，构建高温气体“泄放通道”，使着火点内的高温气体从“泄放钻孔”泄出。采用“隔离水墙+泄放钻孔”技术，成功治理了煤壁内煤炭氧化自燃事故。该研究成果对类似事故的处理具有借鉴意义。     

煤的抗拉强度测试方法及其存在问题

对当前矿井防隔水煤柱留设中存在的问题进行简单介绍,由此引出煤的抗拉强度测定方法的讨论,经过分析比较得到了较为可靠的结论:在有条件的情况下尽可能使用原位测试方法测定抗拉强度;实验室方面,套筒致裂法具有相对准确性和易操作性,在实践过程中可加以推广。提出加强对煤的基本物理性质的研究以寻求煤岩抗拉强度测试的新方法。     

近距离残留煤柱下破碎围岩巷道修复技术

针对近距离煤层开采过程中,残留煤柱下部巷道在煤柱集中应力作用下围岩破碎程度高、修复难度大的问题,以山西某矿为工程背景,采用数值模拟的方法分析煤柱底板应力分布规律,结合巷道实际变形特征总结了下位巷道围岩变形破坏原因。认为:残留煤柱底板集中载荷的非均匀性分布,及其引起的支护体承载结构破坏是近距离煤柱底板巷道围岩发生大变形的本质。由此,提出了基于破碎围岩注浆和高强度锚杆支护的巷道修复技术,工程实践表明该技术在有效提高围岩整体性和可锚性的同时,使浅部锚固区与深部围岩相连形成整体承载结构,有效地控制了巷道围岩变形,保障了矿井安全生产。