30 000 J多功能落锤冲击试验机研制及应用

为深入研究冲击地压巷道锚杆支护材料的抗冲击力学性能，自主研制了30 000 J多功能落锤冲击试验机。该试验机由主机框架、抓脱锤装置、提升装置、锤体组件、液压缓冲装置、安全防护装置及电气装置等部分组成，可实现锚杆、锚索、托板及金属网等多种支护材料全尺寸动态力学性能测试和锚固岩体相似模型的冲击试验。选取了冲击地压煤矿常用的锚杆支护材料，初步开展了支护材料动态力学性能测试，测试结果表明：动载下锚杆颈缩不明显，表现出明显的脆性。随着冲击能量的增加，锚杆的冲击力峰值逐步增加，而延伸率大幅度降低；锚索受动载后钢丝易散开，外侧的钢丝更容易出现破断，破断位置通常位于夹具区域。动载作用下锚索的强度略有提高，而延伸率却大幅度降低，锚索的断后伸长率约为其静载的1/2;动载下拱形托板冲击力曲线具有明显的平稳震荡阶段，托板的冲击力峰值要明显大于其静载，变形量与静载基本相同，拱部结构在动载下能平稳变形吸能；随着冲击能量的增加，菱形网的冲击力峰值逐步增加，而变形量先增加后减小，菱形网具有很好的缓冲性能。多功能落锤试验机的研制为冲击地压巷道支护材料的动态力学性能测试提供了手段，为不同冲击危险性巷道的锚杆支护材料选取和...     

冲击载荷作用下锚固围岩损伤破坏机制

为研究冲击地压巷道锚固围岩损伤破坏特征,以实际发生冲击失稳的巷道为例,分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征,现场测试了冲击载荷作用后围岩损伤、锚固界面损伤及锚固性能,对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能。研究结果表明:冲击载荷作用下,巷道锚固围岩和锚杆与锚索受反复压拉压作用,导致锚固系统锚固性能降低与失效;冲击载荷作用后,巷道围岩节理、裂隙发育,完整性差且强度大幅降低,锚固性能劣化或失效;锚杆支护材料性能降低,杆体延伸率降低13. 8%,抗拉强度降低6. 6%,冲击吸收功降低24. 3%,锚杆产生塑性变形,晶粒扭曲、畸变,微观金相组织紊乱。采用锚固注浆、高预应力全长锚固以及高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护,可以有效提高冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。     

锚杆托板的力学性能与支护效果分析

采用实验室试验、数值模拟及井下监测相结合的方法对托板的受力状态、应力分布、变形状况及支护作用进行研究。在实验室,制作专门的测力托板,测试了不同支撑状态下拱形托板变形、应力与载荷的关系,得出不同支撑状态下托板开始屈服的载荷。采用有限元数值模拟方法,分析了拱形托板在面接触、四边支撑、四点支撑及三点支撑状态下的应力分布特征。建立了单根锚杆锚固于围岩中,计算锚杆预应力引起的应力场的数值模型;分析了托板对锚杆预应力场分布的影响,托板应力分布特征及托板对围岩的支护作用。采用测力托板,在潞安屯留矿的回采巷道中进行了托板受力监测,初步分析了托板在锚杆安装预紧阶段、掘进影响与稳定阶段的受力特征与变化规律。     

深部大断面硐室动静载作用下锚固承载结构稳定机理研究

针对动载扰动条件下深部大断面硐室围岩锚固支护结构稳定性差、支护设计不合理等问题,以新巨龙煤矿井下煤矸分离大断面硐室为例,采用现场调研、理论分析和室内试验等手段,研究在深部冲击应力与高围岩应力叠加构成的复杂应力环境下大断面硐室围岩锚固支护结构损伤演化特征,构建动静载荷作用下深部大断面硐室围岩锚固承载结构损伤演化模型,获得深部大断面硐室围岩锚固支护结构破坏机理并对深部大断面硐室的围岩锚固支护设计提出合理建议。结果表明:1)深部冲击应力与高围岩应力叠加是大断面硐室围岩变形破坏的主要原因,在受到强动载冲击时,深部大断面硐室顶板、两帮锚杆(索)受损严重,很容易造成顶板大面积垮塌及帮部煤体突出;2)通过室内SHPB动态冲击试验获得了动静载组合作用下,加锚试件的强度和峰后回弹斜率均随着动态应变率的增大而升高,加锚试件对动载冲击能量的耗散能占比与动态应变率呈现出正相关的特性,锚固界面(锚固剂/锚杆、锚固剂/岩体)的黏结程度在锚固体对应力波能量耗散过程中起到了关键作用;3)深部大断面硐室锚固承载结构的失稳破坏是由于动载作用下硐室围岩、锚固剂和锚杆三者之间不协同变形造成的剪切滑移及锚固体受动载压缩变形导致的。提高硐室围岩、锚固剂和锚杆的抗滑移特性,增加锚固密度提高抗压缩变形能力可有效降低动载应力波对深部大断面硐室围岩支护结构的影响。研究成果对井下永久硐室及巷道的加固工程具有一定的理论指导和借鉴意义。     

我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术

我国煤炭资源大规模步入深部开采,深部开采冲击地压事故频繁发生,为了厘清深部开采冲击地压特点、启动类型以及防治与浅部开采的区别,为深部开采防治冲击地压提供理论与技术指导,以我国煤炭资源深部开采冲击地压特征研究为切入点,从诱发冲击地压的载荷源角度,结合工程实例,建立力学模型,研究提出了我国深部开采冲击地压的3种类型,最后提出了深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控方法。结果表明,我国煤炭深部开采冲击地压特征总体表现为因基础静载荷充足,发生门槛降低,冲击显现位置点多面广,发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大,防治范围扩大,应力恢复快,高强度、长时效卸压要求突出;将我国煤炭深部开采冲击地压划分为3种类型,即深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型。深部动静载叠加型,因深部煤炭资源高地压环境,与浅部相比,较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发生冲击地压。深部高静载加载型冲击地压,其静载荷缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳,导致工程结构体结构动力失稳的结果,而深部高静载卸荷型冲击地压,其高静载荷最小阻抗带减小,静载荷卸荷过程是围岩结构稳定性遭到破坏,导致工程结构体材料动力失稳的结果,2者存在本质差别;深部冲击地压防控与常规浅埋冲击地压防控,差别在于基础静载荷充足,增量顶板等动载荷来源复杂,冲击危险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低,因此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防控,阻止诱发冲击地压的载荷条件形成;在动静载荷分源防控指导思想下,针对顶板动载荷源,开发了顶板"钻-切-压"一体化技术,深度弱化顶板,消除顶板动载源;针对巷道两帮垂直应力集中,开发了煤层一次成孔300 mm超大直径无人钻孔技术,高强度、长时效疏导煤体垂直应力;针对巷道底板高水平应力,开发了巷道底角联排桩基,高强度切断水平应力,阻止底板冲击滑移等技术,现场应用效果良好。     

工作面端头L形区煤柱体诱发冲击机理及防治研究

为了研究深部开采工作面端头L形区煤柱体失稳诱发两类典型的巷帮冲击地压,基于宝积山煤矿705综放工作面5次冲击地压显现与工作面推进位置关系,分析了一定围压条件下煤柱体的受力状态和力学响应,并推导出了煤柱体失稳破坏与作用载荷的关系。利用FLAC3D软件应变软化模型模拟研究了集中静载荷和动载荷组合作用下煤柱体的应力-应变特性,结果表明:初始静载荷变化对煤柱体失稳发生冲击的影响作用要高于动载荷变化,集中静载荷起储存冲击能作用,动载荷起诱发冲击作用。提出锚网索支护+高压水射流巷帮卸压协同作用防治巷道冲击地压方法,模拟分析显示围岩应力分布满足强弱强(3S)三重防冲结构,围岩结构弯矩分布均匀合理。本研究为协同作用防治巷道冲击地压提供了理论依据。     

深部大巷静载荷估算与冲击危险性评价研究

通过分析深部大巷临界冲击载荷与围岩强度的关系，建立了深部大巷巷间煤柱、停采保护煤柱力学模型用于静载荷估算，提出了基于深部大巷静载荷与围岩强度的冲击危险性评价方法及分级指标，研究成果在矿区深部大巷冲击危险性评价得到了实际应用。     

顶板动载冲击效应的相似模拟及理论解析

研制了工作面覆岩破断预测实验平台,对浅埋薄基岩条件顶板动载冲击效应进行了模拟;建立了顶板破断的弹性地基梁理论模型,计算出了基本顶破断时与煤壁的相对位置,得到了动载冲击的作用范围;建立顶板动载冲击的力学模型,结合岩石压缩曲线,应用功能原理得到了不同条件下的最大冲击载荷和支架伸缩量的解析表达式,得到了不发生压架事故的判别准则,验证了相似模拟实验结果。结果表明：基本顶多超前直接顶支撑边界破断,且冲击易发生液压支架上方完成;冲击载荷大小与直接顶厚度与裂隙发育程度、支架刚度和初撑力大小等因素有关,其值远大于工作面静载荷形成对液压支架的压力,动载冲击效应模拟实验验证了理论分析结果。     

基于损伤危险指数的巷道围岩损伤评价数值模拟

基于Mohr-Coulomb强度准则建立了损伤危险指标来评价巷道围岩的损伤程度,并通过Fish语言编写损伤危险指数程序代码,对N2105回风平巷在静载荷和动静载荷叠加作用下的围岩全部损伤危险指数进行了对比分析。结果表明:动静载荷叠加作用下,巷道围岩全部损伤危险指数均较静载荷作用下大,其相对应的损伤危险区面积呈现偏向动载源侧的不对称分布;垂直于顶板和靠近动载源侧右帮的锚杆几乎全部处于损伤危险区内,锚杆损伤失效诱发严重的矿压显现。微震监测和损伤危险指数数值模拟相结合的方法能有效地对巷道围岩支护体系做出评价。     

向斜构造区内动压巷道围岩水射流防冲技术研究

针对砚北矿区向斜构造区内2502采区内巷道围岩动压显现频发难题，通过现场调研、实验室测试和理论分析的方法对动压巷道围岩冲击机理进行了研究，基于此，阐释了水射流防冲机理并进行了现场工业性试验。研究结果表明：煤样经过饱和水软化处理后，冲击倾向性由强冲击转变为弱冲击|采动引起的动载荷和巷道围岩内积聚的静载荷叠加作用是导致围岩诱发冲击的根本原因，且可划分为动载荷主导型和静载荷主导型2种类别|水射流防冲技术能够在巷道两帮内形成弱结构区，有效地转移和释放两帮内原有高集中静载荷，进而实现对于巷道两帮和底板的冲击防治目的。现场实施水射流防冲技术后电磁辐射信号平均值由49.7mV减小至15.6mV，同时巷道两帮和顶底板移近量均控制在5%以内，有效保证了巷道围岩的应力环境和支护控制效果。     

半孤岛面全煤巷道底板冲击启动原理分析

采用案例分析与理论分析,提出了冲击地压启动概念,指出冲击地压发生依次经历冲击启动-冲击能量传递-冲击地压显现3个阶段,将冲击地压防治研究着眼点提前到冲击启动阶段;建立了巷道冲击地压发生工程结构模型,揭示了全煤巷道底板冲击启动实质来自于两帮高集中应力区,底板只是能量传递与释放的载体,即冲击地压显现位置。进一步提出了冲击地压发生的冲击启动理论,指出巷道围岩近场系统内静载荷的过度积聚是冲击启动的内因,系统外动载源是外因,确定了冲击启动的能量判据,指出了冲击地压可能的启动区域。     

考虑多次冲击动载作用的深部煤巷支护参数优化

针对高家堡煤矿42101措施巷受冲击动载影响导致围岩变形量大、巷道破坏严重的情况,通过锚杆工作阻力监测、理论分析及数值模拟等手段,结合巷道围岩现场变形破坏情况,分析了深部动载作用下煤巷围岩矿压显现特点及支护结构的支护效果。在此基础上,提出了相应的围岩控制对策及优化支护方案,并进行了考虑多次动载作用的不同支护方案下巷道围岩变形数值模拟计算,分析了优化方案的有效性及合理性。     

锚杆侧向冲击载荷下动力响应及抗冲击机理

为了研究冲击载荷作用下锚杆的动态力学性能,测试了5种不同材质的锚杆杆体力学参数。采用自由落锤冲击实验装置对不同锚杆进行了侧向抗冲击性能实验,分析了侧向冲击载荷下锚杆的动力响应。进行了5种不同冲击高度的侧向抗冲击实验,得到不同冲击高度下不同锚杆的冲击动态响应曲线,锚杆表面轴向的应变时程曲线,冲击作用点的力-位移时程曲线。研究发现,在相同冲击能量下,锚杆冲击吸收功越高冲击峰值载荷越小,冲击作用时间随着冲击高度增大逐渐减小;冲击吸收功越高,锚杆应变峰值及残余应变越大;不同锚杆冲击力峰值和最大位移明显不同,峰值强度和最大位移越大,破断能越大。对锚杆抗冲击机理进行了研究,发现控制材质中有益及有害元素含量,可提高锚杆的抗冲击性能。测试了断口组织和金相组织,得到锚杆冲击吸收功越高,晶粒度级别越高的结论。     

新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击 失稳规律分析

随着我国煤炭资源开采战略西移,西部部分矿井已进入深部开采阶段,邻空巷道冲击失稳频繁发生,严重威胁煤矿安全生产。以新街矿区红庆河煤矿为工程背景,综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等方法对新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳机制进行研究。建立了初次来压、充分采动阶段工作面前方邻空巷道动静载叠加力学模型;通过精细描述不同阶段静载及扰动动载,提出了基于采空区侧向静载、超前静载及扰动动载的邻空巷道"三载荷"动静叠加原理,并给出了发生冲击失稳的应力判据;揭示了邻空巷道围岩受"三载荷"叠加诱冲机制,即高应力、能量经巷道"顶—帮—底"传递,巷道围岩形成应力集中,能量积聚,达到煤岩体冲击失稳临界值时,诱发邻空巷道冲击失稳。针对工作面上覆厚硬岩层的邻空巷道冲击地压灾害,提出了"切断动载源、降低集中静载应力和恒阻大变形吸能锚杆锚固"的防治措施。研究结果表明:邻空工作面初次来压阶段相邻双工作面采空区顶板形成非对称"T"型结构,亚关键层Ⅰ破断,亚关键层Ⅱ未破断,工作面来压较缓和,邻空巷道围岩所受静载较大,扰动动载较小;周期来压(充分采动)阶段相邻双工作面采空区顶板形成对称"T"型结构,两组亚关键层均破断,邻空巷道围岩所受静载及扰动动载均较大,此时易诱发邻空巷道冲击失稳。     

巷道围岩连锁冲击破坏机理及稳定控制方法研究

利用虚拟交界面将巷道围岩整体结构分成若干岩体单元和弹性单元，建立巷道围岩连锁冲击破坏理论及其力学结构模型，分析了不同静载、动载组合巷道围岩连锁破坏形式，建立了连锁破坏的力学方程和能量方程，揭示了巷道围岩储能结构、阻力结构在冲击启动和破坏过程中的作用和影响机制。研究表明，冲击地压是动力扰动诱发煤岩体内部弹性能突然释放的结果，其中煤岩体储能结构是冲击破坏的内因和动力源泉，动载诱发局部岩体破坏和能量连续释放；煤岩体冲击破坏时，其整体结构转变为向巷道自由空间运动的多滑块（岩体单元）结构，各滑块间存在相对运动、挤压以及弹性单元触发产生的冲击力，使各岩体单元的速度和加速度均处在动态变化当中；巷道围岩防冲控制的有效思路是调整巷道围岩整体结构，合理分布储能结构和冲击阻力结构，主动破坏能量持续解锁所需的弹性单元，使巷道周边围岩由储能结构转变为阻力结构区域。     

动载扰动下特厚煤层巷道破坏机理及其控制技术研究

为改善园子沟煤矿特厚煤层巷道在高应力、强动载扰动下支护效果,以园子沟煤矿1102007工作面为工程背景,通过现场调研测试、数值模拟、理论分析及工程实践的方法,对巷道支护进行优化。通过数值模拟,分析了巷道围岩在动载扰动下变形破坏效应,巷道围岩浅部支护构件易损坏,深部围岩变形破坏严重;通过理论分析,提出了“长短锚杆索梯次支护+帮顶M型钢带整体支护+弱结构构建”组合支护技术。现场实践结果表明,采用新的支护组合体系后,可以有效控制巷道围岩稳定性。     

离心磨矿机介质冲击特性的动静法研究

利用现有的实验设备难以对离心磨矿机介质冲击应力、应变进行直接的动态测试，本通过动静转化法，先从理论上推导出介质和衬板间的静应变、静应力和动载荷系数，然后据此导出动应力、动应变及动载荷的表达式，最后通过试验，测出介质和衬板间的静应变，将理论计算的动应变与同一动载荷大小下实测的静应变进行比较，证明了公式的正确性，达到利用静态测试检验动态冲击应力、应变的目的。     

煤矿冲击矿压动静载叠加诱发原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明：随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型：① 高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;② 强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

顶板断裂产生的冲击载荷对深井巷道围岩变形的数值计算研究

针对义马矿区煤层顶板巨厚砾岩层垮落引起的动载荷,通过FLAC3D数值计算,研究动载荷幅值的大小对静压巷道围岩应力场、位移场及塑性区范围的影响。模拟结果表明:随着动载荷幅值的增加,巷道顶板下沉量和煤壁位移量迅速增大,但变形速率逐渐减小,最终趋于零。随着动载峰值增大巷道围岩塑性区范围增大。     

动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制

为进一步加深对动载诱发冲击地压机理的认识,采用时效损伤本构模型与尖点突变理论相结合,得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移以及释放总能量的数学表达式。并建立一维动静载下煤岩组合系统的非线性动力学模型,发现外载能量与系统自身固有能量之间的相互作用导致模型的演化过程呈阶段性并出现混沌现象;当组合系统本身的非线性作用与外部载荷的作用能力相当时,系统的演化进入混沌阶段。由此得出,井下煤岩体结构与动静载荷之间的相互作用是影响动载诱发冲击地压演化过程的关键。最后,对理论结果进行一维动静加载试验验证,表明理论和试验值吻合较好。