煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究

随着煤矿向深部发展,矿井动力灾害既表现出冲击地压的部分特征,又表现出冒顶的部分特征。2种典型的灾害打破以往冒顶与冲击地压的发生具有一种互为逆向性的认知规律,在深部高应力煤巷,特别是留顶煤巷道中出现了相互诱导、复合发生的新灾害类型。在总结山东、山西和新疆矿区典型巷道冲击致顶板(顶煤)动力灾害特征的基础上,提出了深部巷道冲击地压与冒顶复合灾害的概念、机理与分类,指出复合灾害机理关键点在于揭示巷道整体系统和破碎区子系统的稳定原理及其2者间的相互影响。建立了巷道发生复合灾害的力学模型,根据扰动响应失稳判据,提出并得到了巷道发生复合灾害的临界应力Pcr、临界软化区半径ρ_cr和最大容许采扰应力增量σ_max,厘清了灾害发生的主控因素,分析了煤岩冲击倾向指数K、支护强度ps、巷道半径ρ₀、煤岩强度σ_c等对灾害发生的影响规律,同时阐明了围岩塑性软化、破碎深度随地应力增加的发育规律。研究结果表明,破碎发育巷道的动力失稳主体为弹性区、软化区与破碎区构成的不稳定系统,垮落主体为破碎区;稳定的破碎区提升了巷道冲击启动临界值,使其启动难度增大,但破碎区的发育又易引起顶煤垮落;巷道稳定支护是解决复合灾害的关键,科学合理支护既能有效调控围岩破碎防冒,又能提升冲击启动临界值。通过理论研究,揭示了巷道冲击地压与冒顶复合灾害的发生机理,阐明了巷道软化与破碎区及其稳控支护对深部破碎发育巷道动力灾害防治的重要性。     

井眼剪切带分叉研究

井眼基本破坏形式是由于不稳定性造成的井眼岩石崩落坍塌和剪切带。井眼破坏的非均匀性采用传统的理论和方法不能得到较好的解释和预测。采用材料的分叉分析方法和变形局部化的数值模拟研究 ,可望对井眼失效的机理分析、预测和控制提供新的思路     

基于手机移动传感网络的矿震群智定位方法

为提高矿震监测系统定位精度,减少监测盲区,降低监测成本,基于分布式的思想,提出一种基于手机移动传感网络的矿震定位方法。首先以矿区附近工人及家属等使用的智能手机建立手机移动传感网络,其次对模拟震源点网格化,构建基于标准差的目标函数,提出改进的萤火虫寻优策略,并使用拐点回溯法以及手机移动传感网络排除离散点策略(EDPS)降低定位误差,最后通过矿震模拟实验进行验证。实验结果表明:在手机移动传感网络无到时误差理想情况下,所有模拟震源点都能够准确收敛至震源位置,定位误差小于1 m。但手机相较于检波器到时误差较高,且定位误差与到时误差具有相关性,当手机到时误差为?1.0～1.0 s时,传统算法定位误差为216 m,无法实现高精度定位。通过研究目标函数值与定位误差间的关系,提出并使用拐点回溯法以及EDPS两种优化方法,算法绝对定位误差降低至73 m,当到时误差为?0.2～0.2 s时,绝对定位误差降低至17 m,定位精度提高76.1%。基于手机移动传感网络的矿震群智定位方法,为矿震监测提供了一种新方法,未来可考虑与井下微震系统联合,在节省监测成本、提高定位精度方面具有重要意义。      

直墙拱形巷道围岩应力场分析

为得出直墙拱形巷道围岩应力分布规律,应用复变函数弹性理论推导了直墙拱形巷道围岩应力分布的解析表达式。对直墙拱形巷道边界的围岩应力和巷道水平线方向的围岩应力分布规律进行分析,并考虑直墙拱形巷道断面高宽比和侧压系数对其影响规律。研究表明：在不同巷道断面高宽比、侧压系数下,直墙拱形巷道围岩应力集中区域主要集中在直墙底部底角处、拱形顶板中点附近和底板中部3个位置。不同巷道断面高宽比下,直墙拱形巷道沿水平线的应力分布规律基本相同。侧压系数大于1时,采用巷道断面高宽比小于1较有利于巷道稳定;侧压系数小于等于1时,采用巷道断面高宽比大于1较有利于巷道稳定。     

Localized shear deformation during shear band propagation in titanium considering interactions among microstructures

Closed-form analytical solutions of plastic shear strain and relative plastic shear displacement during shear band propagation are proposed under dynamic loadings based on gradient-dependent plasticity considering the effect of microstructures due to heterogeneous texture of Ti. According to the differences in shear stress levels, Ti specimen is divided into three regions: residual region, strain-softening region and elastic region. Well-developed shear band is formed in the residual region and the relative plastic shear displacement no longer increases. In the normal and tangential directions, the plastic strain and the displacement are nonuniform in the strain-softening region.At the tip of shear band, the shear stress acting on the band is increased to shear strength from the elastic state and the shear localization just occurs. Prior to the tip, Ti remains elastic. At higher strain rates, the extent of plastic strain concentration is greater than that under static loading. Higher strain rate increases the relative plastic shear displacement. The present analytical solution for evolution or propagation of shear localization under nonuniform shear stress can better reproduce the observed localized characteristics for many kinds of ductile metals.     

固流耦合作用下煤层气解吸-渗流实验研究

以典型的高瓦斯矿井阜新孙家湾矿为研究对象，利用自主研制的自压式三轴渗透仪，对煤层气解吸和渗流间的相互作用规律进行了实验研究．实验过程中连续进行加载和卸载（改变轴压、围压和孔隙压）并考虑了固流耦合作用影响，模拟了三维应力下煤层气运移过程．实验结果表明，加载条件下，渗透率和渗透系数与孔隙压力、解吸量、解吸时间的关系具有相似性．在此过程中，渗透率和渗透系数随孔隙压增加均呈非线性递减关系，都具有负指数规律，而解吸量和解吸时间均呈多项式形式增加，且渗透率和渗透系数存在某一临界值，当小于此值时渗透率和渗透系数随瓦斯孔隙压力增大而减小．卸栽条件下，有效水平应力与渗透率和渗透系数呈抛物线关系（先减小后增大），而有效水平应力与解吸量和解吸时间均为负指数形式递减，具有典型的煤层气开采的三阶段主导作用特征（有效应力主导阶段、基质收缩主导阶段和滑脱效应主导阶段）．实验结果真实地反映了煤对瓦斯的吸附和解吸作用；实验结论与前人研究结果吻合较好，说明实验方法和步骤是合理的．     

基于能量贮存及释放主体的煤矿冲击地压分类

冲击地压研究系统包括发生机理、发生准则及基于机理和准则的预测和防治。因诱发冲击地压影响因素众多,相应的类型多样,传统的研究多集中在机理、监测及防治的独立性研究上,造成现场冲击地压预测和防治的盲目性。为了系统性掌握冲击地压机理,提高冲击地压预测和防治效率,通过调研已有的冲击地压分类方法,从能量贮存及释放主体的角度提出了一种新的冲击地压分类方法;依据扰动响应失稳理论,分析了各类型冲击地压的发生机理;建立各类型冲击地压力学模型,得到了冲击地压发生条件的解析解和发生时释放能量估算公式;并对分类方法在预测和防治中的应用进行了初探。研究结果表明:根据能量贮存及释放主体的不同,冲击地压划分为煤体贮存及释放能量型(Ⅰ)、顶板贮存及释放能量型(Ⅱ)、断层带及围岩贮存及释放能量型(Ⅲ)3种类型;Ⅰ型冲击地压由煤体压缩失稳并释放贮存的弹性能产生,发生条件由煤体固有属性单轴抗压强度σ_c和冲击倾向性指数K决定,释放能量与冲击倾向性指数K呈反比关系;Ⅱ型冲击地压由顶板-煤层变形系统中顶板断裂失稳诱发,顶板抗拉强度σ_t越大,冲击的临界采空区跨度L_(cr)越大,失稳垮断时释放能量也越大;Ⅲ型冲击地压由断层带及围岩系统中断层带岩石在软化阶段失稳产生,失稳条件由断层结构及围岩剪切模量确定,失稳时释放能量与断层落差成正比关系。基于各类型冲击地压的分析,提出了针对Ⅰ型冲击地压临界应力P_(cr)的监测方法及其调控防治方法,针对Ⅱ型冲击地压顶板的变形监测方法和支撑顶板或诱导垮断的防治方法,针对Ⅲ型冲击地压断层附近应力监测和降低断层处应力集中程度的防治方法。     

数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字图像相关方法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。试验通过数字图像相关方法测定裂纹尖端区域位移场数据,将位移场数据带入极坐标系下位移场方程,计算裂纹尖端位置和应力强度因子。试验结果表明：采用该方法可以准确的测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子、裂纹尖端位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究方法因不能准确测定裂纹尖端位置和扩展方向,而无法准确测定岩石应力强度因子的难题。     

基于突变模型的断层冲击矿压震级预测

应用围岩 断层模型按突变理论分析了断层冲击矿压的相关影响因素,并对断层冲击矿压的震级进行了预测。断层冲击矿压是由于开采活动引起的断层突然相对错动、弹性应变能迅速释放的动力现象。其特点是释放能量多,震级高,一般为里氏4级左右,破坏程度较大,应进行重点防治,以避免人员伤亡,减少重大损失。断层冲击矿压的震级随断层厚度增大而减小,随断层软化指数增大而增加,随断层初始剪切弹性模量增大而增加,随围岩的初始剪切弹性模量增大而减小。     

圆形硐室岩爆的震级预测

应用损伤力学和极值点失稳理论对圆形硐室岩爆进行了解析分析,在此基础上采用地震震级与地震波释放能量的关系,对圆形硐室岩爆震级预测方法进行了探讨。圆形硐室岩爆震级与采深、圆形硐室半径及岩性等影响因素有关,随采深、圆形硐室半径、岩石抗压强度及E/λ增加而增大,与实际观测的结果基本相符。所提出的岩爆震级的预测方法可以推广应用于煤柱和采场冲击矿压最大震级的预测。