砂型3D打印材料对类软岩力学特性影响规律及机理

煤矿巷道围岩普遍岩性软弱、节理裂隙发育,软岩力学是煤矿巷道围岩控制的基础。由于软岩在力学与结构等方面的特殊性,物理试验中存在试样难以符合现场裂隙特征、离散性强等问题,严重制约软岩力学或裂隙岩体力学试验研究。3D打印技术因其数字建模、精度高等技术优势,突破了浇筑法在制作复杂裂隙试样上的局限,被广泛应用于岩石力学试验研究,但采用该技术打印成型的试件受打印材料和参数的影响规律还需深入研究。基于砂型3D打印技术,通过力学试验、声发射监测、电镜扫描等手段,研究不同类型砂粉和不同黏结剂饱和度对类软岩试样的力学特性的影响规律及机理。结果表明：不同类型砂粉由于其颗粒形状、粒径、排列形态等因素,对成型试样的力学特性、破坏模式等影响显著;黏结剂饱和度与试样强度呈正相关关系,相同砂粉类型前提下,改变黏结剂饱和度能将试样强度提高5倍,同时声发射事件信号与能量也随黏结剂饱和度的增大而增大。研究结果揭示了砂型3D打印技术用于软岩物理模拟上的适用性,为精确、科学地还原具体工程条件的软弱煤岩力学特性提供重要依据。     

综放工作面沿空开切眼布置与支护技术研究

综放工作面沿空开切眼跨度大、顶煤厚度大、沿空小煤柱、围岩松软、裂隙发育,支护难度大。针对宽度8 m、顶煤厚度5.6 m的综放沿空开切眼,采用理论分析、数值模拟、现场试验及监测分析等方法,研究了煤柱的留设原则、煤柱应力分布特征,优选了煤柱宽度;分析了综放沿空开切眼的支护机理,设计并试验了锚网带与锚索支护、锚网带与桁架锚索支护方案。研究结果表明,煤柱合理宽度为4~5 m。2种支护方案改善了顶煤的受力状态,提高了围岩承载能力,有效控制了大跨度、厚顶煤的离层、裂隙扩展和弯曲下沉,保证了综放沿空开切眼的稳定性。     

巷道复合顶板变形破坏特征与冒顶隐患分级

煤层顶板岩性复合及分层厚度变化大,稳定性差异显著。针对巷道层状复合顶板条件,采用现场探测、数值模拟、理论分析等方法,研究了顶板岩层结构分类、顶板变形破坏特征与平衡结构及冒顶隐患评价。研究表明:巷道复合顶板岩层结构可分为坚硬岩层、软弱岩层、下软上硬、下硬上软、软硬渐进、硬软相间及软硬相间等7个类型。对于较差的顶板岩层结构,在层面和节理影响下,巷道顶板下位分层形成离层、随动稳定状态的铰接岩块结构及亚稳定状态的裂隙弯曲结构,其范围和承载能力与顶板岩层结构类型有关,顶板变形和锚索延伸量呈现不协调性。采用锚索是否破断失效作为分级指标,建立了冒顶隐患的分级方案,划分了典型顶板岩层结构的隐患等级,对3个级别的冒顶隐患进行了安全评估。     

浅埋中厚煤层护巷煤柱合理宽度研究

针对浅埋、中厚煤层的工程背景,采用实测分析、数值模拟、理论计算等方法,研究了护巷煤柱的矿山压力特征,确定了煤柱合理宽度。研究表明:浅埋中厚煤层矿山压力较小,巷道矿压显现较轻,煤柱宽度15～25m时,两侧采动应力未明显叠加,弹性核宽度较大;当煤柱宽度小于10m时,两侧采动应力叠加严重,弹性核宽度较小;开采深度80m,120m,160m时,煤柱合理宽度分别为12m,13m,14m。     

不同倾角下正断层下盘开采支承应力演化规律研究

以正断层下盘工作面开采为背景,采用三维有限差分数值模拟软件FLAC~(3D) ,建立不同断层倾角下盘工作面向断层推进的数值模型。研究了工作面支承应力的分布特征和演化规律。研究表明:下盘工作面向正断层推进过程中,由于正断层切割了顶、底板岩层的连续性,采动应力的阻隔效应显著,断层倾角越小,其阻隔效应越显著。     

砂型3D打印类煤试样动静组合加载力学特性

深部煤矿巷道围岩软弱、裂隙发育,动载影响下易引发动力灾害,其中软岩及节理岩体动力学试验研究是解决上述问题的关键。3D打印技术因其能突破浇筑法在制作复杂节理试样上的局限,被广泛应用于岩石力学试验研究,而应用该技术的关键是所制类煤试样的静态和动态力学特性与天然岩石相似。基于砂型3D打印试样,通过开展单轴压缩、巴西劈裂等力学试验,揭示了砂型3D打印试样与煤样弹塑性力学特性的相似性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置开展不同动静组合加载试验,采用宏观破碎块度和细观电镜扫描综合分析等手段,对不同动静组合荷载下砂型3D打印试样的动力响应与破坏特征进行研究。结果表明：砂型3D打印试样的动态强度和组合强度与冲击气压的增大呈正相关关系,动态强度与轴压的增大呈负相关关系,组合强度随轴压的增大呈先增大后减小的变化,这说明岩石抵抗动载的能力随轴压的增大呈先增强后减弱的变化;随着静、动荷载水平的提高,试样的破碎块度逐渐细粒化,其中动载对试样破碎程度的影响最显著。揭示了砂型3D打印试样的动力学特性并验证了其应用于煤岩动力学试验的可行性,为采用砂型3D打印技术开展岩石动力学试验提供了重要基础,研究结果有助于进一...     

顶板可接长锚杆耦合支护系统性能研究

针对大变形巷道顶板支护系统中锚杆与锚索受力和变形不协调的问题,研发了一种新型可接长锚杆。在对普通锚杆、锚索及新型可接长锚杆拉伸试验和力学分析的基础上,结合大变形巷道顶板围岩的变形破坏特征,提出了大变形巷道顶板可接长锚杆耦合支护系统,建立并分析了可接长锚杆耦合支护系统与锚索耦合支护系统的本构模型。研究表明:当巷道顶板变形量超过锚索最大延伸量时,锚索耦合支护系统中锚索由于延伸率低,过早于普通锚杆达到延伸极限而破断,而可接长锚杆能与普通锚杆在受力和变形2方面协调同步地支护顶板围岩;可接长锚杆能够提高顶板围岩的自承性能,并在保证较强支护力的同时提供更大的让压距离。可接长锚杆耦合支护系统成功应用于赵固一矿11031巷道试验段中,顶板变形量比原支护方案减少了20%左右,顶板围岩从开挖到稳定的时间缩短了33%,且顶板变形稳定后顶板下沉速率较原支护方案明显降低。     

基于砂型3D打印的复杂节理岩体变形破坏特征试验研究

复杂节理岩体变形破坏特征对于指导工程岩体稳定性控制具有重要理论意义和工程价值。为了克服浇筑法难以制备复杂节理试件的局限以研究节理密度对岩体变形破坏特征的影响,采用砂型3D打印技术制备基于Monte-Carlo法的含复杂节理岩体试件,通过单轴压缩试验与数字图像相关技术(DIC)相结合,研究复杂节理密度对岩体力学特征、破裂演化过程及破坏模式的影响规律,探究复杂节理对岩体的劣化效应。结果表明：随着节理密度的增加,峰值强度和峰值应变呈指数型减小,弹性模量呈线性减小;峰前总能量、弹性应变能、耗散能和峰后盈余能量均呈指数减小,而峰后释放能则呈线性减小;节理的位置和倾角共同影响着试件裂纹产生及延伸,随着节理密度的不断增加,试件破坏所产生的裂纹更易沿着特定路径扩展,节理对裂纹扩展控制作用增强。研究成果能够为复杂节理岩体力学试验的进一步研究提供新的研究思路,为复杂节理岩体变形破坏机制与稳定性分析提供理论依据。     

煤样贯穿节理对岩-煤组合体强度及破坏特征影响模拟研究

通过颗粒流数值模拟实现了煤样含贯穿节理岩-煤组合体单轴压缩试验,研究了煤样贯穿节理对岩-煤组合体强度及破坏特征影响。结果表明:煤样含贯穿节理岩-煤组合体单轴抗压强度σ、弹性模量E、峰值应变ε、起裂应力σci及损伤应力σcd均小于完整组合体;但E随贯穿节理与竖直方向夹角α变化不明显,接近完整组合体弹性模量,同时当α为0°,75°,90°时,σ,ε,σci,σcd与完整组合体相差不大;随α增大,σ,ε,σci,σcd均先递减再增大,当α为45°时,σ,ε,σcd最小,与完整组合体相比,分别递减了72.77%,68.28%,74.43%;而当α为15°时,σci最小,与完整组合体相比,递减了66.13%。煤样贯穿节理加速了岩-煤组合体从裂纹不稳定扩展向宏观失稳转变,大部分煤样含贯穿节理岩-煤组合体破坏发生在煤样内,岩样未发现明显破坏,其破坏模式主要包括"V"型穿节理面剪切破坏、部分沿节理面剪切破坏、沿节理面剪切破坏及复合式破坏模式;当α为30°时,岩-煤组合体发生整体性破坏,煤样沿节理面剪切破坏,而岩石由于节理尖端裂纹扩展而发生拉伸破坏。