采场覆岩变形分布式光纤监测岩体-光纤耦合性分析

岩体与光纤之间的耦合性是决定分布式光纤感测岩体变形准确性的关键因素。通过岩层变形光纤响应特性的力学分析,结合运动学方法,提出了光纤-岩体的耦合性判据,并建立了岩层变形光纤监测模型。通过水平埋设在物理相似模型内部的传感光纤,监测不同开挖状态下关键层的结构性变形,并借助数字图像相关技术(DIC)对关键层挠度分布进行实时跟踪监测,综合分析覆岩变形特征及演化规律,并将2者监测结果进行对比分析。结果表明:当岩层变形较小时,岩体-光纤耦合性系数在0.9～1.0内,光纤应变计算的岩层挠度与DIC测量的实际岩层挠度基本一致,最大相对误差为8.9%;当岩层变形较大时,岩体-光纤耦合性系数呈断层式直线下降,直至岩层发生破断,裂缝处岩体-光纤发生脱离,光纤-岩体接触度与光纤-岩层耦合系数k值均为0;通过光纤监测数据反演,获得采动覆岩的变形范围及特征,从而反映出光纤沿线岩层移动变形的位置及程度。研究成果为分布式光纤传感技术应用于模型及现场覆岩变形监测提供了参考。     

浅埋煤层隔水关键层失稳光纤传感检测试验研究

隔水关键层破断失稳是矿井水害及开采引起的生态脆弱区水资源破坏的根本原因,准确有效地对隔水关键层稳定性进行科学监测,是实现保水开采及岩层控制的重要基础。隔水层稳定性尚无有效直接监测手段,常采用钻孔探测、理论分析及数值模拟等计算导水裂隙带高度间接评判隔水层导通性。随着光纤传感技术的发展,将光纤布拉格光栅(FBG)、分布式光纤(BOTDA)等技术用于采动覆岩隔水关键层稳定性监测,为光纤传感技术在相似模型试验中的推广提供依据。研究表明:浅埋煤层当基岩厚度仅为60～67 m时,开采厚度为2 m的煤层时导水裂隙带将直接发育至地表,势必造成基岩含水层水体破坏,结构关键层裂隙被其上软弱岩层充填弥合具有一定隔水性,两侧断裂线及其附近发育的纵向裂隙成为主要渗流通道;分布式光纤检测应变因岩层断裂位臵应力集中而呈现"双峰"特征,峰值位臵与断裂线基本对应,可通过传感光纤预测采动覆岩破断线位臵分布;给出基于光纤传感检测的隔水关键层破断极限应变阈值为2 000με;光纤光栅可对特定位臵岩体变形进行精准监测,检测隔水关键层破断失稳位臵与实际观测及分布式光纤检测结果基本一致。     

采动覆岩导水裂隙发育光纤感测与表征模型试验研究

随着国家生态文明建设标准的日益提高,我国西部干旱半干旱地区赋存的浅埋煤层开采引起的生态环境问题愈发严峻。导水裂隙带发育高度探测是与保水开采密切相关的科学问题,是矿山生态损害监测与评价、生态修复策略制定的重要依据。将分布式光纤感测技术应用于相似模型试验,探究采动岩体导水裂隙带发育与光纤检测数据的内在响应关系。针对以往研究中对光纤与采动覆岩在不同开采阶段耦合作用关系分析不足的问题,提出传感光纤与采动岩体的耦合关系量化指标"光纤-岩体耦合系数",通过耦合系数对采动引起的覆岩垂直分带区进行合理划分。研究表明:与光纤接触的不同受力状态岩层介质包括5种:顶部未受采动影响的稳定岩层、稳定关键层上受采动影响存在下移趋势的岩层、离层空域区、采空区矸石区及煤层底板;基于监测数据将覆岩分为4部分:已破坏区、强烈影响区、微弱影响区和未影响区。已破坏区即导水裂隙带,强烈影响区为受采动影响内部应力集中程度极高但结构完整的岩层,即弯曲下沉带。试验得出断裂带与弯曲下沉带分界处耦合系数阈值为0.65;建立了应变曲线形态、导水裂隙带发育高度与关键层活动的内在联系,实现光纤感测表征覆岩分带特征。将光纤传感技术应用于采动引起的覆岩变形监测为导水裂隙带发育高度探测提供了新的研究思路。     

基于分布式光纤的覆岩变形特征监测试验研究

采动覆岩变形、破坏方式及其内部应力演化规律是采矿工程领域研究的重要问题,通过科学、有效的监测手段对上覆岩层在工作面开采过程中的变形及来压规律进行实时监测至关重要。将分布式光纤水平、垂直埋设在模型内部,监测覆岩变形特征与应力应变状态。结果表明,1-2煤回采过程中,水平传感光纤的"马鞍形"频移曲线反映了覆岩破断的动态变化过程;布里渊频移变化度准确实现了工作面的来压判别;分布式光纤的时空演化规律揭示了整个开采过程中相似模型的应变分布特征。     

矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究

在分析传统综采与充填综采覆岩变形特征的基础上,建立充填综采覆岩关键层力学模型,并运用弹性地基梁理论分析了关键层弯曲变形的特征,得到关键层最大挠度与强度、下部岩层弹性地基系数与岩性参数之间的关系。结合某矿的具体条件,计算得出充填综采工作面覆岩关键层的最大挠度,并通过改变充填材料的性质,研究了充填材料弹性模量与关键层挠度之间的变化关系,提出可通过提高充填材料弹性模量的方法减少关键层的弯曲变形量,证实了矸石充填具有限定关键层的变形、控制地表沉陷的作用。     

采动覆岩全场变形演化过程分布式光纤监测研究

以龙王沟煤矿61601综放工作面为背景,采用分布式光纤传感技术,研究了覆岩变形分布式光纤监测方法,分析了光纤应变曲线变化与采场覆岩变形、破坏、移动过程的对应关系,探讨了采场覆岩导水裂隙带高度和岩层破断角动态发育过程及机理.研究结果表明:光纤应变曲线的变化揭示了各回采阶段上覆岩层的变形过程,曲线的形态主要与光纤和工作面的...     

分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究

为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律,以义马矿区的地质条件为背景,利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系,结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型(3.6 m×2.0 m×2.0 m)进行物理模拟试验,采用压力传感器测试采场支承压力,分布式光纤传感技术(BOTDA)监测覆岩动态变形过程,多点位移计测试岩层内部位移,并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致,传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时,40 m厚亚关键层一细砂岩(煤层上方112 m位置)中的传感光纤V_(11)出现了4次频移峰值,分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz,发生了4次破断,初次破断距为368 m,周期破断距为186 m,处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩(煤层上方225 m位置)中的传感光纤V_(12)出现了1次频移峰值,为165.94 MHz,仅发生1次破断,初次破断距为736 m,但结构未失稳,处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩(煤层上方386 m位置)中的传感光纤V_(13)最大频移峰值为38.61 MHz,远远小于光纤V_(11)和V_(12)的频移峰值,仅发生微小弯曲变形,处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致,但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大,巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断,会出现同步和非同步破断现象,增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度,易诱发矿井动力灾害。     

采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比

物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段,将BOTDA,FBG与DIC光测方法相结合,建立“点-线-面”的试验测试系统以提高测试精度十分必要。基于光测原理,分析了BOTDA,FBG和DIC技术的应变测量,探究了应变局部化带对DIC检测应变的影响,BOTDA和FBG测试本质上是一种“线应变”,而DIC是“面应变”。统计已有的试验研究,得出了不同工况下物理模型试验BOTDA,FBG光纤应变监测数据范围。搭建3 m平面应力相似模型,模拟煤矿工作面开挖77次,推进240 cm。通过埋设在模型内部的1根BOTDA传感光纤以及3个FBG传感器对模型关键层内部变形状态进行监测,同时以DIC实时观测模型表面变形,研究这3种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果,进行对比分析覆岩变形破坏规律,得出3种不同的光测技术测试应变的量化关系,并分析他们对应变测试存在差异的原因。试验结果表明,BOTDA和FBG的测试应变量级相同,在均匀连续变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为15.52~16.70,在非均匀变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为27~133;在应变曲线峰前阶段,DIC与FBG测试应变一致性好,峰后阶段DIC更好地反映了上覆岩层的变形;尽管在测试结果上有量级的差异,但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开、闭合,3种光测方法均可以反映岩层内外部同步性的变形,其发展趋势基本一致,BOTDA,FBG和DIC应变曲线峰值位置偏差较小;对离层出现位置,FBG的偏差为1.13%,FBG测试结果更好;对关键层破断范围,DIC测试的破断范围偏差为1.62%,测试结果更好。     

覆岩垮落形态的光纤监测立体模型试验研究

采用BOTDA分布式光纤传感技术监测上覆岩层变形的内部应力、应变、位移等参量,对指导生产具有重要的工程应用价值。试验获得BOTDA分布式光纤的测试数据,分析了Brillouin频移值随工作面开挖与上覆岩层破断变形的关系。     

矿山围岩变形与破坏光纤感测理论技术及应用

矿山围岩应力与结构演化机理是深部煤炭资源开采围岩控制的关键科学问题。开展采场和巷道围岩应力演化与变形破坏监测,是掌握应力场动态迁移规律,分析覆岩分区破裂、结构演化的重要手段,也是实现井下灾害超前辨识和危险区域感知预判的基础。近年来光纤传感技术在解调原理、传感器研发方面取得了长足的进步,可实现不同尺度的围岩应力、变形,大范围、分布式动态监测,成为了岩体变形破坏的重要监测手段之一。分析了光纤传感技术在矿山围岩变形与破坏监测方面的应用进展,总结了用于采场和巷道围岩变形监测中的光纤传感理论及适用特点,归纳了光纤传感系统布设方法与安装工艺,讨论了采场覆岩"横三区、竖三带"分布,覆岩结构演化,支承压力分布,顶底板变形特征的光纤表征机制,介绍了光纤传感技术在矿山围岩变形表征中的最新成果。结果表明:光纤传感技术在矿山围岩监测中的应用仍处于现场应用研究阶段,在智慧矿山建设背景下,采场和巷道围岩变形监测技术向多参数、智能化、实时动态监测发展,光纤传感技术存在多参量、多尺度传感器研发,多维度光纤传感系统及布设工艺,大数据光纤传感数据智能分析系统构建等研究热点。研究成果对推动矿山围岩光纤传感智能监测技术研发与应用具有积极意义。     

混联二自由度机械臂的运动学研究

提出了一种混联机械臂,该机械臂是串并联混合机构,具有串联机构工作空间大和并联机构承载能力高的优点,可以实现较大活动空间内对重物的搬运仓储。对该机械臂进行了自由度分析,得到该机械臂的自由度为2,具有平面内的一个移动和一个转动自由度。基于几何解析法分析了该机构的运动学正反解,并且给出了5组正反解分析数值算例,验证了正反解分析的正确性。     

煤中镜质组反射率的测定

介绍了煤中镜质组反射率的测定原理及在测定过程中应注重的问题,从镜质组富集程度的差异性、样品处理、镜质组颗粒鉴别、测试条件和技术方法等方面探讨了其反射率测定的影响因素,并概括论述了煤中镜质组反射率在生产实践中的确定煤级、指导炼焦配煤等实际应用。     

某高速公路岩石单轴抗压强度结果的不确定度评定

依据JTG E41—2005《公路工程岩石试验规程》,结合工程项目实例,对岩石单轴抗压强度进行了试验,对试验结果采用JJF 1059—2012《测量不确定度评定与表示》进行分析与评定,了解测试中造成误差的因素,结果显示影响该项目单轴抗压强度试验的主要因素来源于样品的不均匀性和压力试验机的测量。     

磨机筒体螺栓孔漏料问题分析

对球（棒）磨机筒体衬板螺栓孔漏料、螺栓易松动及断裂原因进行了深入分析,找出了问题的根本所在,提出了处理措施,并给出了全新的结构方案。     

复杂管类零件空间尺寸加工误差分析

介绍某柴油机排气过渡管的加工工艺,分析空间尺寸较多的复杂管类零件的加工工艺及角度误差对空间尺寸的影响。通过角度在公差范围内的微量调整,解决了排气过渡管由于毛坯铸造及加工时找正存在的误差而造成气口处壁厚不均的问题。     

影响横轴式掘进机截割机构振动特性的因素分析

在横轴式掘进机截割机构横向截割的刚体动力学模型基础上,利用计算机模拟方法获得其在不同参数下的振动特性曲线,并分析了截割头质量、悬臂质量、液压系统刚度及阻尼变化对掘进机截割机构振动特性的影响,为研究横轴式掘进机的振动特性,改进机器设计创造了条件.     

矿柱流变对采空区顶板稳定性的影响

为研究岩石流变特性对采空区长期稳定的影响,基于Reissner厚板和流变力学理论构建了矿柱-顶板流变力学模型,并推导出顶板沉降位移关于流变时间的关系式;依据不同边界条件将顶板破坏过程划分为固支、固支-简支、简支和内部破坏四个阶段。研究结果表明:所建立的流变力学模型可用于对采空区稳定时间的预测,并为采空区及时处理提供参考。     

煤矿提升机齿轮箱振动分析

提升机作为煤矿中的重要设备,其故障率对于煤炭的安全高效生产有着极为重要的作用。在详细分析了煤矿提升机工作环境和工作特性的基础上,建立了提升机齿轮箱振动的数学模型,分析了速度和载荷变化情况下的提升机齿轮箱振动的特点,分析了变工况条件下齿轮箱故障信号的分布特征,为变工况条件下提升机齿轮箱的故障诊断提供了一定的理论基础。