煤层开采过程中上覆岩层裂隙演化规律研究

以淮南煤矿典型工作面为例,采用离散元数值软件UDEC(universal distinct element code)对工作面回采过程中上下煤岩体内应力场的变化及直接顶冒落过程进行了模拟,分析了上覆煤岩体裂隙产生、发展的形成过程,得到了上覆煤岩裂隙演化规律。研究结果表明,倾向方向工作面回采后,上覆煤岩体内产生冒落、裂隙带和离层带,在工作面内上角位置产生O型圈裂隙带,裂隙发育最大高度为45m。煤层走向回采方向得到了初期来压步距约50m,周期来压步距约20m,上覆煤岩体裂隙在采空区上方约呈45°角发展,并随工作面的前进由下向上、由后往前依次演变。该结果对于煤与瓦斯共采中瓦斯抽放钻孔方位的布置具有工程指导意义。     

基于地质预报的煤巷顶板事故防治研究

对煤巷顸板事故原因和机理进行了总结分析,指出现有煤巷掘进支护过程中顸板事故多发的主要原因是迎头地质情况调查不明、地质条件突变时缺少相应的预警机制和合理的应对措施.经过探讨指出利用煤巷超前地质预报技术预防顶板事故是可行的.通过对巨野矿区某矿煤巷多次冒顶事故教训的总结,指出建立合理的冒顶事故预警机制并设计相应支护预案的必要性,在此基础上提出了基于超前地质预报的煤巷顶板事故支护预案防治方法.以“地质先行、物探紧跟、钻探核实、预案配套、监控反馈”为指导方针,注重各预报环节的反复推演与相互修正.利用该方法成功预防了多起冒顶事故的发生,并对其中一起案例进行了深入分析,显示该方法具有较理想的预报效果,以锚索梁为主的支护预案可以有效控制断层区巷道变形,防止冒顶事故发生,并具有很好的经济性指标.     

地下工程约束混凝土支护理论与技术研究进展

随着我国地下工程的迅速发展,建设规模不断扩大,工程建设过程中面临大量高应力、极软岩、强采动和断层破碎带等复杂条件,导致围岩变形严重、控制困难,联合支护是复杂条件围岩有效控制的必然选择。工程实践表明,拱架作为联合支护的最后一道防线,其承载能力不足导致冒顶、塌方等事故频发。约束混凝土支护具有承载能力高、塑性韧性好、经济性能优等特点,近年来在矿山工程与隧道工程等领域得到了广泛应用。众多学者在室内试验、理论研究、设计方法、现场施工等方面进行了系统研究。在室内试验方面,进行了约束混凝土基本构件与拱架的力学性能试验研究,为约束混凝土拱架承载力计算理论与设计方法提供了依据。在理论研究方面,建立了拱架内力计算模型,形成了约束混凝土支护强度计算理论。在设计方法方面,进行了约束混凝土拱架整体选型设计、核心混凝土设计、灌注口与排气口设计、节点设计以及拱架间距与纵向连接设计研究。在现场施工方面,形成了矿山巷道复合施工与交通隧道机械施工两大类工法,研发了成套关键技术与装备。对上述研究内容进行了总结,同时对下一步约束混凝土体系设计、施工与验收规范制定以及在交通、水利、市政等不同工程领域的推广应用方面进行了展望。     

基于数字钻探的岩石c-φ参数测试方法

岩石黏聚力c和内摩擦角φ(以下简称c-φ参数)的准确测试是进行地下工程支护设计优化及信息化施工的基础。传统的岩石室内试验方法测试步骤繁琐,周期长、成本高,无法进行原位测定。数字钻探技术为现场准确测定岩石力学参数提供了新的途径,实现该技术的关键在于建立随钻参数与岩石c-φ参数间的定量关系。基于此,本文根据岩石切削破碎特征,建立了一种不预设破坏面的岩石切削力学模型,弥补了现有岩石切削力学模型将破坏面假设为平面,从而与岩石受切削时实际的破坏面特征存在差异的不足。基于滑移线理论推导了岩石极限切削力,得到了随钻参数DP(Drilling Parameters)与岩石c-φ参数关系式(DP-cφ关系式)。将利用自主研发的岩体数字钻探测试系统开展室内试验所得到的随钻参数与理论计算得到的结果进行对比分析,两者平均差异率为8.44%,验证了所建立的岩石切削力学模型和DP-cφ关系式的合理性和正确性。在此基础上,提出了岩石c-φ参数数字钻探测定方法,并通过室内试验进行了该方法与传统三轴试验方法测定结果的对比分析,结果表明:两种方法得到的岩石黏聚力和内摩擦角平均差异率均小于10%,证明了本文所提出的数字钻探测定方法的有效性和可行性。该方法实施方便、快捷,可实现现场工程岩体c-φ参数的原位测定。     

破碎围岩锚注扩散加固机制研究与应用

随着煤炭开采深度的增加,高地应力、复杂地质构造和巷道围岩松散破碎现象逐渐增加,锚注作为该类巷道治理中常采用的支护手段,在该类巷道治理中取得良好的控制效果,而锚注浆液的扩散及加固规律作为锚注研究的重要依据,相关研究目前还比较缺乏。本文以巨野矿区千米深井赵楼煤矿为工程背景,通过现场注浆前后普通锚杆拉拔力试验,定义锚注有效加固区,得到锚注有效加固区的陀螺形分布规律。在此基础上,开展不同注浆锚杆布设条件下的数值模拟试验,分析注浆锚杆长度和间排距对锚注加固效果的影响规律,提出基于现场锚注扩散试验和数值模拟研究的锚注支护设计方法,并在赵楼煤矿5302轨道巷破碎围岩锚注支护设计中进行应用,有效控制了围岩变形。     

深部厚顶煤巷道高预应力锚索梁支护优化技术研究

赵楼煤矿3302轨道巷为埋藏千米的深井巷道,在原支护条件下顶板沉降量大,围岩变形严重。针对此,采用钻孔窥视仪及地质雷达探测了巷道围岩的破裂区域,并对松动破坏规律进行了分析。根据探测结果,提出了高预应力锚索梁支护优化方案,利用离散元数值软件UDEC对方案优化前后的围岩裂隙分布及锚杆(索)受力进行了分析。数值模拟及现场监测结果表明,提高锚杆(索)预紧力可有效地控制锚固区内顶板离层,增强顶板的完整性;高预应力锚索梁支护方案显著改善了巷道围岩控制效果。     

恒阻吸能锚杆力学特性与工程应用

地下工程面临大量高应力、极软岩等复杂条件,导致围岩应力集中、能量积聚,易发生围岩大变形。高强度、高预紧力、高延伸率以及高吸能特性的锚杆支护是大变形围岩的有效支护方式。传统锚杆支护存在强度低、延伸率不足等问题,支护体系易发生破断。基于此,自主研发了具有高强、高延伸率特性、可施加高预紧力的恒阻吸能锚杆,开展了新型锚杆、普通锚杆与恒阻大变形锚杆的静力拉伸与动力冲击对比试验。结果表明,在静力学性能方面,新型锚杆的屈服强度和破断强度分别为普通锚杆的2.06和1.62倍以上,具有高强、恒阻的力学特性。新型锚杆的最大力延伸率和断后延伸率分别是普通锚杆的1.52和1.26倍以上,单位长度吸收的能量是普通锚杆的3.05倍,具有高延伸率、高吸能特性。在动力学性能方面,新型锚杆的单次冲击平均位移量相比普通锚杆降低了47.0%,延伸率是普通锚杆的1.53倍,单位长度吸收的能量是普通锚杆的2.77倍,表明新型恒阻吸能锚杆具有良好的抗冲击能力和整体变形能力。恒阻吸能锚杆具有高强、高延伸率、高吸能特性,提出了恒阻吸能锚杆支护思路,并将新型锚杆在大断面隧道和深部高应力矿井现场进行了应用,现场监测结果表明,采用恒阻吸能...     

深部厚顶煤巷道大型地质力学模型试验系统研制与应用

为研究深部厚顶煤巷道围岩应力演化规律与变形特征,研制了大型地质力学模型试验系统。该系统由反力装置、柔性均布压力加载装置、数字智能液压控制系统和高精度多元实时监测系统组成,具有可自由拼装、模拟空间大、荷载集度高、边界加载均匀和模拟精度高等特点。以赵楼煤矿3302工作面运输巷为工程背景,通过大量的相似材料配比及力学参数测试,确定了两种不同系列的材料分别模拟砂岩和煤层;设计制作了预应力锚杆（索）、箱型支护梁、钢带及托盘等相似构件;对让压型锚索箱梁支护系统进行了大比尺模型试验研究,得到了深部厚顶煤巷道开挖支护过程中的围岩内部应力演化与变形规律。结果表明,该系统能够较好地进行深井煤巷及其他大型地下硐室开挖支护全过程的模型试验研究。     

构造最小生成树的量子算法

图的最小生成树问题是网络优化中的一类基本问题。目前构造最小生成树的算法都是基于传统计算机的算法如Prim算法和Kruskal算法。该文提出了一个用于构造图的最小生成树的量子算法,它结合量子搜索的方法和经典Kruskal算法的思想,对于n个节点m条边的图,依次搜索出n-1条边使它们构成一棵最小生成树。这一算法的时间复杂性为O(nm√)。与经典Kruskal算法相比,在同等条件下,该文的算法有较快的加速。