不同界面角度煤充结构体劈裂破坏特性与机理

柱旁充填中煤柱与充填体之间的界面为煤充结构体的薄弱环节,对煤充结构体的劈裂特性具有重要影响。本文开展了不同界面角度情形下煤充结构体试样破坏的巴西劈裂试验,分析了煤充结构体试样的劈裂特性、破坏模式与受力状态,并揭示了其劈裂破坏机理。结果表明：煤充结构体可简化为由煤体元件和充填体元件共同组成的复合承载体,其劈裂力学特性与界面角度密切相关。煤充结构体试样整体抗拉强度随界面角度增加呈先增大后减小的变化趋势,表现出明显的各向异性。煤充结构体试样的破坏模式表现为：类型Ⅰ:裂纹主要沿煤充结构体试样界面扩展;类型Ⅱ:裂纹主要沿煤充结构体试样加载方向扩展;类型Ⅲ:裂纹沿煤充结构体试样界面方向和加载方向扩展。煤充结构体劈裂破坏机理体现在：界面上所受载荷达到界面抗压、抗拉或抗剪强度,使试样内部产生沿界面贯通的裂纹,发生Ⅰ类破坏。煤体元件所受载荷先达到其抗拉强度,最早产生拉伸裂纹;随着载荷持续增大,充填体元件所受载荷也达到自身抗拉强度,最终沿加载方向在试样内产生贯通型拉伸裂纹,发生Ⅱ类破坏。煤体元件所受载荷先达到其抗拉强度,产生拉伸裂纹;随着载荷不断增大,先后或同时达到界面强度和充填体元件抗拉强度,使试样内形...     

浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳机制

工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳,诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式采空区下伏6107工作面开采的覆岩移动规律,发现了超前煤柱群的回弹变形现象,开展了房式采空区下伏煤层开采的物理模拟实验,研究了房采煤柱群-覆岩的变形破坏特征,分析了采动影响下超前煤柱群回弹冲击失稳的动态过程,揭示了浅埋近距离煤层开采超前煤柱群的冲击失稳机制。结果表明：(1)浅埋柱采区近距离下伏煤层开采过程中工作面前方覆岩呈现出“先短暂回弹后剧烈下沉”的运动特征,即首先存在极短时间的覆岩回弹变形现象,之后出现了部分覆岩的整体破断与垮塌。由此,反推出采动影响下超前煤柱群也发生了回弹变形。(2)柱式采空区下伏煤层开采过程中关键柱在覆岩沉降和超前支承压力的作用下最早出现斜切破坏,引起载荷的转移,加剧邻近部分房采煤柱群的应力集中程度,进而发生链式斜切破坏。在此过程中,覆岩持续沉降,裂隙也不断发育,形成剪切贯通断裂面,发生破断回转,促使超前煤柱群回弹变形与冲击失稳,引发层间岩层的全厚...     

FRP包裹对煤充结构体劈裂破坏特征的影响

柱旁充填中煤柱与充填体共同组成具有协同承载作用的煤充结构体,二者之间的界面为煤充结构体薄弱环节。界面失稳会诱发煤充结构体的整体失稳,FRP包裹可以用于增强界面稳定性。本文开展不同界面角度情形下煤充结构体的3组巴西劈裂试验(不进行FRP包裹、FRP包裹1圈和FRP包裹2圈),结合DIC和声发射监测技术,研究FRP包裹对煤充结构体劈裂破坏特征的影响。结果表明：(1)煤充结构体界面上所受荷载超过界面抗拉强度或界面抗剪强度时会产生界面裂纹;煤体元件或充填体元件所受荷载超过其抗拉强度时会产生拉伸裂纹;FRP包裹后,煤充结构体能够承受的荷载增加,积聚的能量不能通过界面分离释放,使得煤体元件上出现集中破坏区。(2)随着界面角度增大,界面裂纹由拉伸裂纹转变为剪切裂纹;FRP包裹后,界面裂纹的发育程度显著降低,且其脆性特征也会减弱。(3)煤充结构体应变带的扩展方向包括沿着加载方向扩展和沿着界面方向扩展2种;FRP包裹会增大煤充结构体界面的抗拉强度和抗剪强度,使得界面稳定性增强。(4) FRP包裹可以提高煤充结构体试样的AE计数,并削减试样最终发生失稳时的损伤程度。(5)FRP包裹后煤充结构体的AF–RA...     

2023年度矿业与冶金工程学科国家自然科学基金管理工作综述

总结了2023年度国家自然科学基金委员会工程与材料科学部矿业与冶金工程学科科学基金项目的申请、评审和资助情况,主要分石油工程、矿业工程、安全科学与工程和冶金与材料加工工程4大领域进行分析;同时介绍了本年度学科战略研究相关工作,并对学科下一步的工作进行了展望.     

综采面过陷落柱采动应力与柱体应力相互影响模拟研究

为了确保综采工作面安全通过陷落柱,采用数值模拟方法研究工作面推进过程中采动应力及陷落柱体应力随工作面推进的变化情况及相互影响。研究表明:陷落柱体应力和工作面采动应力的相互影响作用可分为弱、中、强3个影响阶段,3个阶段的范围分别为工作面距离陷落柱150~100 m,100~50 m和小于50 m。不同阶段关注重点不同:在弱影响阶段,采动应力开始对陷落柱体应力产生影响,在此之前需完成陷落柱加固;在中影响阶段,陷落柱对采动应力的影响开始显现;在强影响阶段,互相影响强烈,需加强顶板管理。根据研究结果,确定了K8403工作面顶板加强支护范围、陷落柱预加固时间及强度,实践表明加固效果良好,现已安全通过陷落柱。     

刀柱残采区上行长壁开采支承压力时空演化 规律研究

针对大同矿区刀柱残采区安全上行开采问题,通过相似模拟试验分析了刀柱残采区形成时和上行长壁开采过程中采场支承压力时空演化规律,提出了上行采动影响下超前采动煤柱的基本概念,基于关键层理论建立了超前采动煤柱的应力模型,解析了超前采动煤柱所受的平均支承压力,并结合晋华宫煤矿进行了分析验证。结果表明:1)超前采动煤柱是指:下伏残采区中受上行工作面超前支承压力影响的遗留刀柱煤柱。2)下部残采区形成过程中,刀柱煤柱的支承压力显著高于边界煤柱处,其整体呈现增长趋势,但增长速率逐渐减小;上行长壁开采过程中,超前采动煤柱的支承压力峰值在主关键层初次破断时达到最大,主关键层初次破断后明显减小。3)受主关键层运动影响,各刀柱煤柱受力依次经历了"微增长—快速增长—急速降低—保持低应力—应力反升"5个阶段。4)晋华宫煤矿9号煤层上行长壁开采,预计主关键层初次破断时超前采动煤柱承受的平均支承压力为40.5～47.2 MPa。     

“上柱-下垮”复合残采区中部残煤开采可行性评价

针对白家庄煤矿"上柱-下垮"复合残采区中部残煤的安全开采问题,采用实验手段研究了多重采动影响下中部残煤采场岩层的垮落特征、应力分布规律及塑性区分布范围,结合弹塑性力学理论分析了上下煤层开采造成的损伤破坏范围,对中部残煤开采可行性进行了研究。研究表明:(1)上下煤层的采动影响并未破坏中部残煤的宏观连续性,且在中部残煤开采过程中,上覆岩层结构相对稳定;(2)采场岩层的支承压力与塑性区的分布范围基本一致,二者皆可以评价上下煤层开采后层间岩层的损伤破坏范围,其损伤范围包含整个上位层间岩层和下位层间岩层的局部范围;(3)中部残煤主要受上部煤层开采影响,处于上部煤层开采损伤破坏范围之内,因此在中部7号残煤开采过程中,其采场顶板稳定性较差,应采取合理有效的顶板控制措施保证安全生产。     

残采区关键域充填储碳空间重构的科学内涵

减碳降碳是我国煤炭工业绿色低碳发展面临的新挑战和科技攻关的新方向.在分析残采区储碳空间重构必要性的基础上,以绿色开采和科学开采的学术思想为指导,综合考虑残采区空间资源的高效率开发与CO₂的大体量储集,提出了残采区关键域充填储碳空间重构的技术方法——基于残采区发育特征和围岩结构形式,通过分区设计、充填重构和储集控制等技术的系统集成,在煤矿残采区关键位置实施针对性地充填增稳技术,构筑出封闭且稳定的CO₂储集空间.残采区关键域充填储碳空间重构需要解决四大关键科学问题：残采区潜在储碳空间煤岩破坏响应规律及关键域判别原理、关键域碱性充填材料碳化改性-碳化养护的协同储碳机制、煤岩充结构体蠕变失稳模型与储碳空间群灾变失稳机理、储碳空间关键域充填参数与CO₂注/排参数的设计准则等.残采区关键域充填储碳空间重构关键技术包括：潜在储碳空间关键域的多参量识别技术、关键域碱性充填材料储碳性能的表征技术、注/排影响下储碳空间的链式灾变模拟技术、储碳空间重构“承载-储碳”参数的调控技术等.残采区关键域充填储碳空间重构亟需攻关的研究任务有：残采区潜在...     

遗留群柱中关键柱判别方法与软件

关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称群柱)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏.关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提.首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了 4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的方法,优化了遗留煤柱自身强度的计算方法;其次,引入应力扩散的最大距离L,改进了遗留煤柱承担载荷的计...     

复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响

近距离煤层群复合采动影响下,层间岩层中隔水层的稳定性至关重要。若层间岩层中隔水层的稳定性遭受破坏,则上覆采空区中的积水会向下方渗流扩逸,甚至瞬间涌出,威胁下部煤层的安全开采。提出了复合采动影响下层间隔水控制层的基本概念,运用损伤力学的基础理论构建了复合采动影响下层间岩体损伤参量D的计算模型,分别研究了损伤参量D与层间岩体抗压强度及破坏范围之间的关系,分析了不同条件下复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响。研究结果表明:(1)层间隔水控制层是指复合采动影响下层间岩体中不发生破断失稳且能起到阻隔上方采空区积水向下渗流扩逸的控制岩层。(2)损伤参量D可以用来衡量复合采动影响下层间岩体的损伤破坏程度。(3)层间岩体抗压强度R_D与损伤参量D的关系为:随着损伤参量D的增大,层间岩体的抗压强度R_D表现出线性递减的变化趋势,其折减系数为1-D。(4)层间岩体破坏范围与损伤参量D的关系为:层间岩体的最大破坏深度/高度H_(max)及其距工作面端部的距离L_(max)均随着损伤参量D的增大而增加;D越大,H_(max)和L_(max)的增幅也越大。(5)层间隔水控制层的稳定性与复合采动产生的叠加损伤密切相关;通过综合考量上下煤层多重开采后层间岩体的损伤破坏范围与隔水控制层的层位关系,全面分析了6种不同条件下层间隔水控制层的稳定性,并给出了合理有效的控制措施,来减轻上覆采空区积水对下部煤层开采的威胁,并保障安全生产。复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响研究可以为积水采空区下伏煤层的安全开采提供理论指导。