冲击地压载荷下O型棚支架动力响应规律研究

掌握冲击载荷下O型棚支架的动力响应规律是设计冲击地压巷道O型棚支架支护参数的理论基础。通过现场支护承载力变化规律,获得影响冲击载荷对支护作用的主要影响因素;建立冲击载荷下O型棚支架的动力学方程,获得冲击载荷作用下巷道O型棚支架的动力响应。研究表明：冲击能产生的冲击载荷可造成O型棚支架承载力突增并产生振动;冲击能在煤岩介质中传递时衰减迅速,当冲击源距巷道达到一定值时,冲击载荷对支护的作用力基本可以忽略不计;当冲击能增大到一定值后,冲击载荷对支护的作用力快速增长;O型棚支架刚度对支架动力响应产生较大影响,支架刚度越高,支架振动频率越小,因此合理的支架刚度有利于提高支架的抗冲击性能;随着冲击载荷作用于O型棚支架时间的增加,O型棚支架的弯曲变形逐渐减小。由此可见,冲击源距巷道支架距离、巷道围岩介质属性、O型棚支架刚度、冲击载荷持续作用时间等因素均对O型棚支架动力响应产生较大影响。以此为依据,利用改变壁厚填充增加冲击地压载荷作用时间、增加支护密度提高支护刚度与强度等方式对O型棚支架支护参数进行优化,现场实践表明优化后的O型棚支架可抵抗10⁶ J能量的冲击地压,支护破坏情况明...     

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。     

顶板冲击载荷作用下巷道支护体系动力响应特征研究

基于某矿实际地层分布与巷道支护情况,建立了全围岩煤矿巷道和邻近采空区巷道的动力学数值模型,分析了巷道上方不同位置冲击动力下巷道围岩和支护体系的动力响应规律以及邻近采空区小煤柱护巷对巷道支护防冲的影响.研究结果表明:巷道正上方坚硬顶板冲击动力下,巷道直接顶围岩质点运动速度和冲击力最大,随着冲击动力源沿顶板展布方向偏离巷道...     

冲击载荷下锚杆护表构件力学响应规律研究

为了揭示锚杆护表构件的抗冲击力学性能,从而为冲击地压巷道锚杆支护中护表构件的选择提供设计依据,采用落锤冲击试验装置开展煤矿常用托盘及其组合构件力学响应试验研究,分析护表构件的冲击力及变形特征.托盘冲击力时程曲线呈现急剧震荡加载、震荡稳载和迅速卸载3个阶段,冲击力以波动的形式围绕冲击力均值上下浮动;冲击力峰值随托盘面积增...     

锚索在冲击载荷作用下失效的模拟实验研究

采用专门设计的锚索冲击力加载装置，对规格为φ15．24×6500rain的预应力锚索进行了冲击力加载实验研究及锚索破断过程的高速摄影微观分析。通过与恒力加载实验结果的对比实验，表明：冲击加载作用下，锚索在不同预紧力条件下，有拉脱、拉断、脱断三种失效形式。锚索拉断时，由于应力集中，断口发生在锁具的根部。初锚力合格时，锚索在冲击加载作用下失效极限为260kN，三种失效形式的比例分别为拉脱14％，拉断37％，脱断49％。对比实验的频率统计还表明，冲击加载比恒力加载容易使锚索拉脱。     

锚杆托板与缓冲垫层组合结构静、动载力学性能试验研究

针对锚杆支护系统受到冲击载荷作用时,围岩与托板间作用力瞬间增加,造成托板过载弯折、撕裂及接触区域围岩破裂、塌落等问题,采用实验室试验的方法,搭建了托板与缓冲垫层组合试样静、动载测试试验台,分别测试了 5种组合结构托板的静、动载力学性能,获取了组合结构的静载力-位移曲线、冲击力时程曲线及应变时程曲线;研究了不同冲击载荷下...     

冲击载荷下锚杆托板及组合构件力学性能试验研究

在冲击地压巷道中,冲击载荷会造成锚杆支护系统构件与围岩相互作用力急剧增加,托板在高作用力下易出现变形破坏。针对上述问题,采用微机控制电液伺服试验机和自主研发的落锤冲击试验装置,对煤矿常用的拱形托板及其组合构件等3种试样进行了力学性能测试,获取试样静载力-位移曲线、冲击力时程曲线、位移时程曲线及变形破坏特征,分析了锚杆托板及组合构件的抗冲击性能。研究结果表明：静载作用下,托板承载力位于228～243 kN,最大变形量14.10 mm,变形呈现拱高降低、四角翘起、连接部位向圆心转移等特征。动载作用下,托板变形均经历拱高降低、四角翘起及压平3个阶段,冲击能量为500～3 000 J时,冲击力时程曲线呈现急剧上升阶段、震荡作用阶段和迅速下降阶段;冲击能量为3 500～5 000J时,冲击力时程曲线呈急剧上升阶段、震荡稳载阶段、震荡上升阶段和迅速下降阶段。随着冲击能量的增加,试样的冲击力峰值均逐渐增大,与静载相比,托板试样的动载荷峰值较大。试样位移时程曲线可分为弹塑性变形和回弹变形两阶段,弹塑性变形阶段变形量与作用时间呈现线性关系,正、反向及组合构件最大形变量平均作用时间占比分别为68.66%、...     

深部巷道冲击相似试验装置研究

随着煤矿开采深度的不断增加,冲击地压灾害呈现越来越严重的发展态势,给煤矿安全生产和矿工的生命安全造成了极大的威胁。深部巷道开挖相似试验台的设计搭建成为国内外学者研究的难题之一,在测试高空落锤对巷道影响的模拟试验时,由于落锤砸到承压柱后弹起,造成二次冲击而影响实验结果。为了解决该问题,基于巷道冲击地压灾害机理,模拟冲击地压瞬间释放对巷道造成的破坏,设计出一种落锤下落时可以顺利下落、当落锤弹起再次落下时会被托住的试验系统,从而防止巷道冲击试验中落锤的二次撞击,较好地实现了巷道的动态加载。     

高延伸率锚索动态力学特性及工程应用

传统锚索延伸率低、抗冲击能力差,在强冲击载荷作用下易出现脆性破断失效,导致巷道出现冒顶、冲击地压事故等问题。基于此,自主开发了具有高强度、高延伸率及高抗冲击等特性的锚索,采用实验室试验、理论分析及现场试验等综合手段,分析了高延伸率锚索的静、动载力学性能,研究了高延伸率锚索化学成分、金相组织和夹杂物与普通锚索的差异,提出了高延伸率锚索支护吸能原理,并将高延伸率锚索在现场进行了应用。研究结果表明：静载作用下,高延伸率锚索抗拉强度为1 790 MPa,最大力总延伸率8.1%,是普通锚索的1.61～2.25倍;动载作用下,高延伸率锚索钢丝不易散开,破断载荷与普通锚索基本相同,断后伸长率分别是锚索A、B、C的1.82倍、1.68倍和1.52倍,单位长度吸能量分别是锚索A、B、C的2.54倍、1.99倍和1.70倍,高延伸率锚索塑性变形能力更强,吸能能力更高。高延伸率锚索通过在冶炼和轧制工艺过程中控制有害化学元素和有益化学元素含量、细化金相组织及减少夹杂物尺寸和数量等方式提高了钢丝的塑性变形能力,进而提高锚索整体的抗冲击性能。高延伸率锚索在现场应用过程中经受了多次大能量冲击后,巷道支护效果良好,高...     

微波热力冲击下硬脆砂岩冲击倾向性演化规律试验研究

冲击地压是深部资源开采的主要灾害类型,冲击倾向性是表征冲击地压风险的重要指标。为了探索微波热力冲击对岩石冲击倾向性的影响,本文对典型强冲击倾向性硬脆砂岩开展了微波热力冲击和单轴压缩试验,分析了微波热力冲击后砂岩的物理力学性质和冲击倾向性指标响应规律。研究结果表明：(1)微波作用后,砂岩表面温度随着热力冲击时间增加持续升高,直至150 s发生热破断;(2)微波热力冲击120 s后,砂岩内部结构发生微破裂,岩石冲击倾向性明显减弱,纵波波速与弹性模量分别下降了15.12%、8%;(3)单轴压缩变形破坏过程各阶段声发射信号密度增大,砂岩最终破坏时的绝对能量最大值下降42.3%;(4)岩石动态破坏时间增长了259%,冲击能量指数减小95%,弹性能量指数下降92%,砂岩由强冲击性岩石变为弱冲击性岩石。研究结果为煤炭深部开采冲击地压防治和深地工程高效破岩具有参考价值。     

天池煤矿煤岩冲击倾向性试验研究

天池煤矿位于四川绵竹市境内，开采煤层为上二迭系的单一煤层。煤田为一圈闭向斜构造，煤层厚度变化较大，浅部为０７～１２ｍ，深部２～４ｍ，局部厚达１０～１２ｍ，有时出现薄化和尖灭。煤层倾角变化也较大。矿井为低沼气矿井。自１９５８年建矿以来，天池煤矿发生...     

增量荷载作用下深部煤巷冲击破坏规律模拟试验研究

为研究深部煤巷道围岩应力状态与围岩结构冲击破坏之间的关系,探索深部煤巷冲击地压发生机制,利用设计的可水平和垂直双向增量加载相似模拟试验平台,试验分析了巷道围岩全过程(自掘进至成巷)应力演化及宏观破坏特征,研究了增量荷载作用深部煤巷围岩冲击破坏规律。研究得到:(1)掘进成巷时,巷道围岩体为应力卸荷状态;成巷后,巷道围岩应力开始进入"缓增—快增—缓增"波动阶段;当巷道模型左侧和顶部载荷增加时,围岩变形增大、局部破坏明显,巷道围岩应力开始进入"快增—突变"阶段,巷道发生冲击破坏;冲击破坏后,巷道围岩应力进入"降低—稳定"阶段,与载荷增加前的围岩应力大小相比,顶底板岩层、左帮、右帮浅部等煤体应力基本恢复到冲击破坏前的大小,但巷道右帮煤体深部应力仍处于较高应力状态。(2)深部煤巷围岩冲击破坏与其应力状态呈正相关关系,静载作用下围岩应力呈波动缓增状态,围岩结构破坏不明显;增量荷载作用下,巷道围岩应力呈快增突变状态,局部围岩破坏明显、冲击破坏发生,围岩应力经历了从初始增加到波动增加、再到突变及平衡共7个演化阶段,试验再现了围岩冲击破坏发生的全过程,揭示了冲击破坏发生时的围岩应力突变特征。(3)在山东...     

我国东北矿区冲击地压发生特征及防治现状

东北三省是我国重要的煤炭生产基地,随着资源开采进入中后期,矿井开采深度加大,冲击地压事故频发,冲击地压防治工作面临巨大挑战。通过问卷调查和实地调研相结合的方法,分析我国东三省冲击地压目前的发生现状、矿井特征、发生特征、发生类型以及监测预警手段、防控防治方法等,剖析近年来典型冲击地压事故发生诱因,收集汇总矿方与监察部门反映及调研发现的共性问题并给出了建议。结果表明:东北矿区冲击地压发生历程可分为灾害初现、逐步增加、集中爆发和相对平稳4个阶段,矿区现有冲击地压矿井20座,具有煤层埋深大、赋存条件复杂、上覆厚硬顶板、地应力水平高等特征;冲击地压显现具有埋深较大,煤岩具有冲击倾向性和地质构造参与明显等共性特征,发生原因主要归结为上覆坚硬厚层顶板,开采布置不合理和地质构造活化等,近年来东北矿区典型冲击地压事故可划分为深部动静载叠加型和深部高静载加载型;东北矿区冲击地压防控工作开展较早,监测预警手段较全面且多种设备并行监测,但实际应用效率不高;现有冲击地压防治方法偏重局部解危,区域防范的重视与落实需进一步提升。     

循环冲击条件下磁铁矿石损伤特征研究

为研究磁铁矿石循环载荷条件下的损伤发展规律,采用落锤冲击试验装置,对磁铁矿石进行了不同高度的循环冲击试验,分析了损伤因子随冲击次数和矿石吸收能的变化特征。结果表明:冲击高度较小时,前几次冲击波速与损伤因子无明显变化,随着循环冲击次数的增加,波速缓慢减小,损伤因子缓慢增加,试件发生宏观破坏时,其值发生急剧变化;随着冲击高度的增加,波速逐渐降低,试件累积吸收能和冲击次数显著减少,损伤因子增长速率明显增大;研究结果将磁铁矿石循环冲击损伤至完全断裂过程划分为三个阶段,即初始损伤阶段、加速损伤阶段、断裂阶段,存在使磁铁矿石发生一次性冲击完全断裂的最低能量。研究结果为矿山磁铁矿石破碎节能降耗提供理论依据。     

冲击荷载作用下煤岩动力特性试验研究

为研究陕北地区硬质煤岩的动态力学性能,利用应力加载系统和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,对煤岩试件进行了基础的动、静力学特性试验,研究了其破坏机理。结果表明:静载作用下,煤岩试件多为单一裂纹破坏;而动载作用下,破坏形式比较丰富,如低应变率时的劈裂破坏和较高应变率下的压碎破坏;弹性模量与峰值应力的率相关性显著,而峰值应变的率相关性较弱;在动态加载方式下,由于加载速度过快,试件内部孔隙、裂隙、颗粒间距等缺陷闭合压实时间过短,宏观上表现为应力-应变曲线压密段缺失。     

震动波触发巷道动力失稳响应特征数值分析

井下煤岩体在震动波作用下的动力失稳特征是有效防治扰动型冲击地压等矿井动力灾害的必要条件,采用FLAC^3D软件,开发其Dynamic功能,模拟分析了不同震动波释放位置和震动波强弱程度对巷道顶底板和两帮产生的失稳响应特征。结果表明:震动波加载后迫使巷道围岩最大主应力发生强烈震荡,最大主应力最高可达到其初始状态的2倍,巷道底板释放的震动波对巷道顶板(尤其顶角处)产生的应力增量较大;4种加载方案下对巷道顶板变形影响强度顺序从大到小分别为B₁、B₂、A₁、A₂;震动波施加后,震源区塑性破坏逐步向巷道扩展,最终连通。矩形巷道顶底角为冲击地压等灾害的易发区域。     

冲击地压巷道锚杆支护金属网静载和动载力学性能试验研究

为揭示冲击地压巷道锚杆支护常用金属网的静载和动载力学性能,从而为冲击地压巷道锚杆支护中金属网的选取提供设计依据,采用专门制作的金属网静载和动载力学性能试验装置对常用的经纬网、菱形网和钢筋网的力学性能进行了测试,分析了常用金属网在静载和动载荷下的受力特征和变形状况。实验结果表明:静载作用下,菱形网、经纬网和钢筋网的最大挠度分别为240,236和225 mm,最大承载能力分别为20,16.2和77 kN,3种金属网的最大挠度差别不大,但承载速率差别较大,钢筋网承载速率最大,其次是经纬网,最小是菱形网;动载作用下,菱形网、经纬网和钢筋网的最大吸能能力分别为1 743,938和2 010 J,最大挠度分别为350,420和360 mm,钢筋网吸能能力最大,挠度中等,而菱形网吸能能力次之,而挠度反而最小。菱形网无论是静载还是动载,其初期刚度较低,承受效率慢,而其受力均匀,能承受较大的静载荷和动载荷,且四周绑丝处不易破断,勾接连接方式有很好的承载和缓冲能力,但其主要的缺陷在于承载效率慢,支护刚度太低,通过提高初期张紧力是提高菱形网支护效果的主要途径;经纬网刚度较高,承载效率快,但强度相对较低,易产生经线和纬线错动失效,且经纬网变形时,受力不均匀,绑丝易断裂,四角固定处受力较小,受力传递效果较差,要想提高经纬网支护效果,需提高经纬网经线和纬线之间的约束力;钢筋网初期刚度高,强度大,吸能能力强,但钢筋网的缺点是强度不能充分利用,尤其是钢筋网焊接处和四周绑丝处强度较低,制约了钢筋网支护效果,要想提高其支护效果,需提高焊接点强度和四周绑丝强度。