黏性矿物中刀盘扭矩及掘进总推力建模与试验研究

主要研究了掘进机刀盘作业土质的特性及刀盘扭矩和掘进总推力。在分析完离子型稀土矿物土质的特点后,建立了掘进机刀盘结构模型,然后根据刀盘结构模型建立了刀盘扭矩及掘进总推力的数学模型,最后依据刀盘结构模型建立刀盘扭矩和掘进总推力的试验模型。并通过研究掘进机在离子型稀土矿矿物土质中刀盘扭矩和掘进总推力的变化规律,得出不同刀盘结构参数对刀盘扭矩和掘进总推力的影响。研究结果表明,试验所得刀盘扭矩和掘进总推力与所建立数学模型得出的结果相差小于10%,从而验证了所建立的数学模型的正确性;根据建立的数学模型可知刀盘开口率及刀盘正面与切向夹角是影响掘进机刀盘扭矩和掘进总推力的重要参数。最后通过分析实验结果得出适宜的刀盘结构参数。     

全断面岩石掘进机刀盘结构设计的发展与挑战

全断面岩石掘进机刀盘结构设计涉及多学科,极具复杂性和挑战性。通过对已有公开资料的研读和相关工程的调研,发现全断面岩石掘进机的发展——盘形滚刀耐磨容量的提高、背装式换刀技术的实施等对其刀盘结构、强度和刚度提出了更高要求。刀盘是多功能——破岩、拾渣、出渣、方便作业人员进到掘进面及方便运输等的集合体,其结构应是充分实现这样功能的有机整体,即刀盘整体结构布局、设计、刀盘关键参数的确定、盘形滚刀的分布与安装等应以这样功能的充分实现为目标,以围岩、刀盘强度和刚度等约束为条件进行整体有机化设计。这样理念的提出,为全断面岩石掘进机刀盘设计理论的创新发展提供了有益借鉴。     

千米盲竖井注浆帷幕围岩塑性劣化特征研究

为了研究凿井开挖卸荷对千米竖井注浆帷幕堵水性能的影响,采用理论分析和数值模拟方法研究了竖井注浆帷幕围岩开挖卸荷塑性劣化特征。建立了轴对称荷载条件下竖井注浆帷幕和外部岩体的组合圆筒模型,采用厚壁圆筒理论对竖井注浆帷幕围岩进行了弹塑性分析,推导了竖井注浆帷幕塑性劣化区半径计算公式,得到了井筒开挖卸荷后注浆帷幕围岩二次应力分布特征和围岩响应曲线。以毛坪矿千米级盲竖井为案例,分析得到开挖卸荷后,竖井注浆帷幕围岩塑性劣化区半径为5.14 m,峰值切向应力为51.69 MPa,最大应力集中系数为1.72。结果表明:凿井开挖卸荷会导致注浆帷幕产生较大的塑性劣化范围,明显减小有效堵水帷幕厚度,不利于保证注浆帷幕堵水效果;竖井注浆帷幕围岩开挖卸荷塑性劣化半径对支护力敏感,增加支护力可有效控制注浆帷幕围岩塑性劣化范围,建议在凿井过程中及时支护,避免注浆帷幕围岩劣化范围继续扩大。论文研究成果可为千米竖井井筒基岩含水层注浆堵水提供技术参考。     

超埋深竖井破碎围岩稳定控制技术研究

目前我国金属矿山的最大开拓深度正逐步迈入1 500~2 000 m，深部“三高”软破围岩下竖井施工工艺合理调整与施工安全的综合评估是制约超埋深竖井安全高效施工的难点。以国内某超埋深破碎围岩竖井工程为研究对象，研究得出在开挖卸荷引起的围岩切向集中应力作用下，最小主应力方向井壁附近围岩的局部剥落和垮塌是竖井施工应重点关注的风险源。掘进段高由4 m调整为3 m时，掘进时最危险部位为井壁接茬下部1.5 m内，分布深度~1.1 m；掘进段高为2.5 m时，掘进工序时最危险部位为井壁接茬下部1.0 m内，分布深度~0.7 m，改善了掌子面侧壁围岩维护状况。超前小导管、超前钢管约束砼以及钢拱架+超前钢管约束砼等超前支护，仅起到超前防护、防止局部围岩大范围连续垮塌的作用，可增加施工期间安全性，但对围岩的超前支护和加固效果甚微。综合结合掌子面超前探水进行工作面预注浆工作，可减小小导管注浆频繁施工工序切换对施工组织和工期的影响的同时，解决超埋深竖井遇破碎围岩施工安全问题。     

深竖井开挖施工工艺优化与数值模拟分析

深竖井开挖过程中，随着开挖深度的增加，围岩应力集中现象愈加明显，容易导致围岩失稳和井壁衬砌结构开裂或破坏。为了让竖井开挖过程中围岩的应力、位移得到充分释放，在新城金矿-930 m深竖井施工过程中，提出“三掘一砌”的施工工艺，并与原“一掘一砌”的施工工艺作对比。研究结果表明：①改进工艺中围岩压力得到有效释放，衬砌的安全系数明显提高，有利于深部井筒的稳定性；②由于施工工艺的改变，井筒围岩暴露面积增大，导致该处井筒衬砌比原工艺衬砌所承受的应力更大。因此，现场施工工艺转变应逐步实现，以免造成局部应力集中。     

硬岩掘进机刀座装配工艺技术

<正>刀盘是硬岩掘进机中的关键部件,在隧道掘进过程中,具有开挖和稳定掘进面等功能。刀座在刀盘中的位置精度直接影响到滚刀的受力状况和滚刀的磨损,最终影响到隧道的掘进速度。因此,在刀盘制造过程中,必须对滚刀座装配的位置精度进行控制,以达到延长滚刀使用寿命,提高隧道掘进效率的目的。由中信重工自主研发的?5 m硬岩掘进机的刀盘为面板式结构,刀座插入面板方孔内,并与刀盘面板及对应的肋板焊接成整体。刀盘上装有中心刀、正刀及边刀等共36把滚刀。滚刀通过楔块和连接螺栓压紧在刀座上。滚刀装配后,对滚刀刀刃端面跳动和径     

前伏承压溶洞对巷道围岩稳定性影响分析

为研究前伏承压溶洞对巷道开挖围岩稳定性的影响,基于1条前伏溶洞巷道工程实例,采用FLAC~(3D)软件研究分析了巷道围岩应力、变形、塑性区以及涌水量在不同溶洞充填物与水压条件下的变化特征。结果表明:溶洞内部的软弱充填物将导致巷道近接溶洞时,掘进面与溶洞之间的围岩产生明显应力集中现象,使得巷道掘进面位移呈突变式增长;当巷道前方存在充填溶洞时,巷道掘进面前方岩体的剪切滑移破裂现象会受到溶洞阻隔作用而变得不明显;巷道掘进面涌水量与溶洞水压则近似呈指数递增关系。     

基于收敛-约束应力分析的超深竖井施工工艺优化

随着竖井建设深度的增加,地应力逐渐增大,致使浅部竖井掘支工艺在深部竖井建设中不完全适用.为此,通过收敛-约束分析法,理论分析深竖井掘进工作面与衬砌混凝土间的合理距离,即井筒掘进工作面超前混凝土衬砌井壁12 m(3个循环工序).据此优化新城金矿1527 m深竖井掘支优化工艺,采用释能支护系统支护未衬砌段井筒围岩,有助于井筒围岩内的高应力区向井筒围岩深部转移,有利于井筒及其围岩的长期稳定.竖井掘支优化工艺较原工艺比,更适用于深地层超深竖井建设.     

深部开采对下盘竖井稳定性影响的研究

为研究深部开采对下盘竖井稳定性的影响,以内蒙古某金矿为工程研究背景,通过测定矿山岩体力学参数、建立矿山三维数值模型,采用数值模拟分析方法,模拟空场法开采该金矿32号矿体188～-300m的过程,得到深部矿体开采过程中下盘竖井围岩变形量、应力集中情况和塑性区分布特征。研究结果表明:32号矿体深部开采的过程中,下盘竖井围岩主要受压应力作用,且围岩所受最大压应力超过围岩抗压强度,围岩稳固性差;下盘竖井围岩中将发生较大范围的剪切破坏;下盘竖井的变形量将超过规定的安全许可范围,易发生变形破坏。     

全断面竖井掘进机装配工艺及始发关键技术研究

矿山开采目前多采用竖井开拓方式。探讨在岩层中竖井快速施工技术,对金属矿山或采煤矿井的生产建设有重大而深远的影响。全断面竖井掘进机融合了传统竖井施工技术和全断面隧道掘进机施工理念,是未来竖井施工的发展新方向,在坚硬岩层中有较好的适用性。目前,全断面竖井掘进机在矿山领域鲜有应用,缺乏成熟的理论指导和成功经验借鉴。本文以国内首个采用全断面竖井掘进机施工的宁海抽水蓄能电站工程作为依托,在实际应用的基础上,针对小场地施工、全断面竖井掘进机井下组装和始发掘进中的主要技术难题,提出了主机和后配套吊盘分体组装的二次始发关键施工技术。全断面竖井掘进机的装配分为主机组装和后配套吊盘组装两部分。主机井下组装按照从下向上的顺序依次组装各个部件,下井前在地面完成各个部件的部分安装工作;后配套吊盘连接成整体后由井架进行悬吊。通过人工开挖一定深度后,主机进行始发作业,再安装后配套吊盘,最后安装井架和其他地面系统,开始全断面竖井掘进机正常掘进工作。通过对全断面竖井掘进机在实际施工中遇到的问题进行全面分析,形成全断面竖井掘进机井下装配工艺及始发的关键技术,该研究成果对于中国深部矿产资源开发技术装备的发展具有很好的借鉴意...     

超千米竖井岩爆防控对策研究

针对深竖井施工中的岩爆问题,以弹性应变能、平均能量释放率、塑性区体积为评价指标,研究不同掘进速率、竖井掌子面实施不同应力释放孔方案及井壁有无锚喷支护情况下围岩的能量释放与聚集情况等,得出降低掘进速率可以降低施工中的平均能量释放率;掌子面周边均匀布置应力释放孔,可以更好降低掌子面后方的应力集中,引导掌子面在主动释放较少能量的情况下在其周围形成较大的低压破碎区;对井壁进行锚喷支护,可减小井壁的位移,降低开挖后井壁围岩的能量释放速率。以上三种方式相辅相成,各自从不同的角度、位置出发,整体对岩爆的发生进行调控,可为深竖井的顺利施工提供有益指导。     

盾构机刀盘推力试验研究

针对盾构机施工现场环境恶劣,难以直接测量其刀盘推力的问题,提出了一种试验和有限元仿真相结合的测量方法。首先建立了盾构试验样机,搭建相应的试验装置,以该样机实际切削工况作为边界条件进行有限元仿真,分析刀盘及胸板上的应力分布,并以此确定试验时应力采集点的位置。对比试验结果和仿真分析,建立采集应力和样机刀盘推力之间的关系。试验结果表明,测得推力与液压缸实际推力平均误差为 6.69%。该试验方法为类矩形盾构机刀盘推力的测量提供了理论依据。     

深竖井围岩变形破坏规律及控制技术

随着浅部资源消耗殆尽,越来越多的矿山逐渐步入深采阶段,同时,深部围岩控制问题逐渐突显,亟需开展深井围岩控制技术研究,为深井开采地压控制提供理论和技术支撑。以某深竖井工程实际情况为 工程背景,运用FLAC3D数值分析软件,开展了不同地应力条件下竖井围岩变形破坏数值分析研究。在此基础上,通过高应力竖井围岩控制技术优选,开展了不同卸压孔布置条件下高应力围岩钻孔卸压技术研究,并进 行了现场试验。结果表明：随着原岩水平主应力差的增加,竖井围岩中塑性区范围逐渐扩大,首先向最小主应力方向发展,逐渐呈现为“X”形塑性区;在剪切塑性区范围外的最大水平主应力方向施工卸压钻孔,能将 围岩应力峰值向深部转移,降低井壁及围岩的收敛位移。通过工程应用,井壁位移总量小于2 mm,位移速率远小于预警阈值,井壁处于健康状态,并存有一定的安全余量。研究反映出,所采用的柔性初支+现浇混凝土 井壁支护配合钻孔卸压技术能有效保障高应力条件下井壁的安全性和稳定性,应用效果较好。     

深竖井围岩变形破坏规律及控制技术

随着浅部资源消耗殆尽，越来越多的矿山逐渐步入深采阶段，同时，深部围岩控制问题逐渐突显，亟需开展深井围岩控制技术研究，为深井开采地压控制提供理论和技术支撑。以某深竖井工程实际情况为 工程背景，运用FLAC3D数值分析软件，开展了不同地应力条件下竖井围岩变形破坏数值分析研究。在此基础上，通过高应力竖井围岩控制技术优选，开展了不同卸压孔布置条件下高应力围岩钻孔卸压技术研究，并进 行了现场试验。结果表明：随着原岩水平主应力差的增加，竖井围岩中塑性区范围逐渐扩大，首先向最小主应力方向发展，逐渐呈现为“X”形塑性区；在剪切塑性区范围外的最大水平主应力方向施工卸压钻孔，能将 围岩应力峰值向深部转移，降低井壁及围岩的收敛位移。通过工程应用，井壁位移总量小于2 mm，位移速率远小于预警阈值，井壁处于健康状态，并存有一定的安全余量。研究反映出，所采用的柔性初支+现浇混凝土 井壁支护配合钻孔卸压技术能有效保障高应力条件下井壁的安全性和稳定性，应用效果较好。     

巷道掘进围岩纵向变形分析与支护技术

为了研究开挖面空间效应对巷道掘进时的影响,利用Hoek拟合的位移释放系数方程来描述空间效应下的巷道围岩纵向变形规律,建立巷道径向位移与力学模型中虚拟支护力关系的数学模型,导出开挖面空间效应下虚拟支护力与距开挖面距离的关系式。基于Mohr-Coulomb强度准则,推导出巷道开挖时围岩应力、塑性区半径与开挖距离的数学表达式。根据巷道围岩纵向位移以及塑性区半径的变化规律,能够更好地对巷道进行支护设计。结果表明:以巷道开挖面为例,建立的模型计算与FLAC~(3D)模拟分析进行对比,在开挖面处围岩位移释放约为31%,利用开挖面的空间效应及时地对巷道进行支护,能够有效控制巷道前期变形,减缓巷道围岩塑性区的发展。     

全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀等寿命布置理论

全断面岩石掘进机刀盘上每个安装半径一般只安装1把盘形滚刀,从而造成不同安装半径的盘形滚刀在全断面岩石掘进机掘进相同距离时磨损不同。在刀盘上安装半径越大,磨损越快,导致盘形滚刀检测与更换频繁,严重影响了全断面岩石掘进机利用率。通过实际工程统计发现,80%以上的盘形滚刀消耗量是正常磨损造成的;深入的理论和应用研究发现,盘形滚刀的磨损与其破岩点在岩石中走过的弧长高度相关。据此提出了刀盘上盘形滚刀破岩点在刀盘转一圈的情况下,其在岩石中走过的弧长应相等的安装理论。理论研究证明,这样安装盘形滚刀可基本实现全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀的同步磨损,从而实现全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀的等寿命布置。     

不同围压巷道开挖应力场演化规律模拟试验研究

在实验室利用自制模具对模型边界进行约束,采用微机控制电液伺服万能试验机进行加载,采取卸除前约束板模拟煤矿井下煤层巷道开挖,得出了不同应力煤层开挖前后轴向应力变化特征,探讨了低应力、中等应力、高应力条件下巷道围岩开挖前后的应力场变化特征。研究结果表明:在低应力条件下,模型开挖造成应力的重新分布,在开挖面附近形成拉应力区,但模型内应力值较小,整体处于弹性状态,围岩抗开挖扰动能力较强;在中等应力条件下,模型开挖造成围岩浅部拉应力区进一步加大,岩体接近或达到屈服状态,围岩受开挖扰动比较强烈,开挖后应力场开始呈现"拉—压—拉"交替现象;在高应力条件下,围岩出现明显的塑性破坏,模型内部整体处于受拉状态。受到开挖扰动,围岩表面迅速恢复到受压状态,并再次向深部转移,形成明显的动态"拉—压—拉—压"交替现象,围岩破坏深度大、抗扰动能力差,呈现深部开采特征。     

全断面竖井掘进机导向控制技术研究

导向系统可以在竖井掘进过程中实时、准确地给出方向指引,然而目前在竖井掘进机中的应用还较少。以国内首台竖井掘进机(SBM)为对象,详细介绍了SBM导向装置及控制算法。结合全断面竖井开挖工程,对该SBM竖井施工应用过程中导向技术的误差原因做进一步分析,并提出相应的优化措施,其研究可为类似工程提供参考和借鉴。     

深部高应力下不同巷道掘进速率对围岩稳定性的影响

研究了不同加卸荷速率条件下岩石破坏特性及其蠕变性质, 结果表明, 加卸荷速率越大, 岩体的强度越大, 蠕变越小。同时以金川二矿区巷道掘进工作面的工程地质情况及生产技术条件为背景, 研究了掘进速度对巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明: 掘进扰动在工作面前方和巷道周围尤其在四个角点位置引起围岩破坏, 随着掘进速率的增加, 破坏区体积减小; 岩体开挖卸载导致掘进工作面前方及两帮形成耳状应力集中区, 随着推进速度的加快, 掘进工作面前方应力区向工作面移动, 围岩应力及应力区面积均减小; 掘进扰动引起围岩的位移变形, 最大位移发生在巷道顶底部, 随着掘进速率的增加, 围岩的位移减小。现场生产时适当加快工作面掘进速率, 有利于保持巷道的稳定及改善巷道维护状态。     

小型巷道全断面掘进机快速施工关键技术与应用

岩巷掘进效率对于煤矿高效生产具有重要影响。与传统的钻爆法和综掘机法相比，盾构掘进施工法在掘进效率方面具有显著优势，已逐步应用在煤矿岩巷掘进施工中，但其直径一般都超过5 m，难以适用于小断面岩巷。因此，为提高小断面岩巷掘进速度，综合考虑井筒罐笼提升、设备运力、巷道尺寸、瓦斯治理模式、设备防爆性能、连续化排矸、巷道施工条件等因素，研制出了直径为3.5 m的小型矿用全断面掘进机。基于工程地质条件进行数值模拟，提出砂岩、砂质泥岩和泥岩顶板条件下的最优支护参数，获得了巷道最优支护参数，并通过动态调整实现巷道围岩分类精准控制，达到“围岩控制稳定、支护材料数量精确、支护耗时少”的目标。通过研制钢筋自联网、超长运输能力带式输送机，提高整机变坡范围（-9°～+9°），改进刀盘冷却水循环系统，超前治理断层技术，解决了现场应用中遇到的技术难题。研究结果表明，连续化排矸系统构建、盾构机作业线设备配置、快速始发与拆除技术、巷道精准支护施工及劳动组织方式均为保障盾构机快速施工的关键技术。最后，将该小型矿用全断面掘进机及快速施工技术应用于顾桥矿东一边界回风巷，7个月内完成3 115 m岩巷掘进施工，月进尺600.6...