切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用

针对传统沿空留巷施工工艺繁琐、留巷成本高的问题,提出了切顶卸压沿空留巷新技术.在沿空留巷覆岩运动规律的基础上,研究了采空侧顶板预裂卸压机制,建立了不同顶板位态下"围岩结构-巷旁支护体"力学模型,分别推导得出了巷旁支护阻力的计算方法.结果表明:通过顶板预裂爆破,采空侧低位基本顶间接转化为直接顶冒落,切落后碎胀的矸石对上位岩层起到了较好的支撑作用,限制了其旋转变形,并降低了顶板断裂冲击载荷;将顶板断裂线转移至采空区侧,顶板在侧向形成了切顶短臂梁结构,减小了侧向悬臂长度,降低了巷旁支护体承受的附加载荷.在此基础上,提出了聚能预裂爆破、恒阻大变形锚索及巷旁密集单体支柱等围岩控制技术,并在哈拉沟煤矿12201工作面得到了成功应用.     

玄武岩纤维混凝土抗弯冲击的声发射特性研究

结合不同纤维掺量的玄武岩纤维混凝土(简称BFRC)与无纤维的普通混凝土抗弯冲击试验,采用全数字化声发射系统采集对BFRC从加载至最终破坏的声发射特征参数,识别BFRC以声发射特征参数为基础的损伤断裂机制。结果表明,在较合理的纤维掺量为1.05kg/m3时,BFRC初裂次数达到73次,与素混凝土梁相比提高108.2%,终裂次数达到81次,与素混凝土梁相比提高100.5%。BFRC具有以下声发射特征:1)不同掺量的BFRC在初裂前平均振铃计数和平均能量都比素混凝土小,玄武岩纤维能够有效阻止冲弯作用下裂纹的产生和发展;2)初裂后,素混凝土采集的声发射能量和振铃计数急剧降低,而BFRC每次冲击产生的高幅值信号在第一峰值后交替产生,玄武岩纤维能够延迟混凝土的断裂并提高其冲击延性。     

不同含水率混凝土断裂过程声发射试验研究

为研究不同含水率混凝土断裂过程的差异性,将干燥试件浸泡不同时间,使其达到不同含水率,基于声发射技术,对三点弯曲梁的破坏过程进行监测。通过比较声发射信号撞击计数、能量计数和振铃计数等不同发射信号来反映不同含水率对混凝土断裂过程力学性能的影响规律,并结合撞击计数、振铃计数和能量计数捕捉起裂荷载,进一步分析水分对起裂韧度和失稳韧度的影响。试验结果表明,相比于P-CMOD曲线,声发射参数变化能更加直观地分析水分对混凝土断裂过程的影响。随着含水率的增加,起裂前,撞击计数累计值呈现增大趋势,起裂后,声发射参数值、峰值以及累计值均呈现减小趋势;损伤演化起始门槛值随含水率的增大而降低,饱和试件较干燥试件最大下降64%;饱和试件断裂过程区宽度较干燥试件最大增大20.8%;     

无煤柱自成巷“短臂梁”结构特征及变形计算分析

为了探索无煤柱自成巷开采条件下"短臂梁"顶板结构及变形特征,建立了顶板变形计算模型,运用能量理论与位移变分方法对顶板变形及其影响因素进行了分析.结果表明:留巷宽度、断裂岩块回转运动对顶板变形影响较为显著;而巷内锚索支护、临时支护对顶板变形控制作用有限.顶板变形的主要影响因素按其影响程度由大到小依次为:留巷宽度、岩体泊松比、断裂岩块回转角度、岩体弹性模量、临时支护强度、锚索支护强度.据此提出应严格控制留巷宽度,合理设计顶板切缝高度的围岩控制思路,可降低上覆岩层断裂岩块回转下沉空间,减小"短臂梁"顶板变形,有利于提高巷道稳定性.     

EB-FRP及HB-FRP加固预裂RC梁对比试验研究

为验证FRP螺栓加固新技术的合理性,结合现役钢筋混凝土桥梁带裂缝工作的特点,采用表面粘贴FRP（EB-FRP）加固技术和FRP螺栓混合加固技术（HB-FRP）,分别对不同预裂度的钢筋混凝土简支梁进行抗弯加固,通过两点对称加载抗弯试验研究加固预裂梁的受力特性和破坏模式,分析裂缝分布对加固预裂梁的剥离荷载及FRP材料利用率的影响。试验结果表明,与表面粘贴FRP加固技术相比较,采用FRP螺栓混合加固的预裂梁,抗弯极限承载能力提高30%～44%,加固后结构的破坏表现为明显的延性,改善了FRP脆性剥离破坏模式;另外,钢筋混凝土梁裂缝对FRP的剥离荷载、FRP材料的利用率及梁的破坏模式影响显著。     

预静载与周期扰动荷载组合作用下花岗岩的断裂韧度与声发射特征

钻爆法是大型地下工程的主要开挖施工方法。对洞室围岩而言,除受地应力作用外(静载),还经常受到爆破等扰动荷载的作用。地应力与爆破扰动的耦合作用在深部高地应力条件下表现更为显著。因此,研究动静组合荷载作用下岩石的力学行为,特别是断裂特征,可为预测和控制深部岩石工程特有的问题提供理论基础。作者采用人字形切槽巴西圆盘(cracked chevron notched brazilian disc,CCNBD)试样,在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验机上进行组合加载试验,研究花岗岩在预静载和周期扰动荷载组合作用下的断裂韧度与破坏特征。在获得静态断裂韧度的基础上,分别设定预静载为静态强度的50%、85%和90%,再分别施加50%、15%和10%的扰动荷载,获得组合加载条件下断裂韧度和声发射信号,分析Falicity比和声发射b值。结果表明:1)组合荷载作用下试样的裂纹张开位移(crack open displacement,COD)比静态加载时大,但随着预静载的增大而减小。2)花岗岩CCNBD试样的塑性变形比、修正断裂韧度均随预静载的增大而增大。3)预静载较低时,对试样承受扰动荷载能力的影响较小;预静载比达到90%后,试样对扰动荷载很敏感,且随着扰动荷载的施加,试样发生渐进破坏。     

千米深井综采工作面覆岩微震显现特征与损伤度计算方法

我国东部多座矿井开采深度已超千米，采动效应增强，围岩失稳现象频发.为提高深部围岩控制效果，以口孜东矿140502工作面为工程背景，基于微震监测分析裂隙发育顶板活动特征，构建顶板稳定等级与微震信息的关系，为深部顶板分区、分级控制奠定基础.结果表明：深部厚煤层开采超前采动应力水平升高，影响范围增大，引发煤壁片帮、顶板漏冒等围岩控制难题；裂隙发育顶板微震事件超前萌生位置距煤壁180 m,基岩全厚进入采动影响范围，微震事件具有空间非均布特征，能级服从正态分布，高能级事件占比8.4%;根据高能级微震事件数量将顶板岩层自下而上划分为强扰动区、弱扰动区和基岩表面活跃区；初采阶段高能级微震事件呈簇状沿面长方向动态分布，一次见方阶段高能级微震事件非均布程度降低，二次见方阶段推进速度升高，高能级事件向采空区转移，高能级微震事件空间分布的动态特征表明裂隙发育顶板沿面长方向存在分区破断和动态迁移的现象；顶板活动受断层构造、采动强度和推进速度影响，微震事件活跃度升高，工作面分区则导致微震事件时空分布的非对称性；提出了基于微震信息的顶板损伤度确定方法，对140502工作面基本顶稳定程度进行了预测，预测结果与支架阻...     

坚硬厚层顶板的破断失稳及其控制研究

以晋华宫煤矿坚硬厚层顶板条件为工程背景,通过理论分析与现场实测相结合,研究了厚层坚硬顶板的临界失稳条件、失稳方式、影响失稳的因素以及失稳的机理,提出了厚层坚硬顶板失稳控制的方法.研究表明,岩层自身属性及赋存特点对坚硬厚层顶板破断后的承载具有重要影响;坚硬厚层顶板断裂失稳的发展受顶板断裂长度的影响显著,而提高支架支护强度对顶板断裂失稳的控制作用是有限的;提出对厚层顶板实施爆破预裂减小顶板断裂长度和合理支架选型提高支架支护强度相结合的顶板控制方法.通过在晋华宫煤矿8210工作面的应用实施,工作面支架末阻力与时间加权阻力分别占额定工作阻力的85.3%与83.7%,工作面顶板随采随垮,煤壁片帮深度控制在0.2～0.3m范围.     

钢筋混凝土梁声发射检测参数设置和受力特征试验研究

为了建立声发射参数与钢筋混凝土梁受力特征之间的关系,进行了钢筋混凝土梁的四点弯曲试验和声发射测试试验.通过预加载和断铅试验,给出了适用于钢筋混凝土梁的门槛值确定方法、时间参数(峰值定义时间、撞击定义时间和撞击闭锁时间)确定方法、声发射波速的测定方法,以及相应的测试结果.通过四点弯曲试验和声发射测试试验,得到了振幅、振铃计数、能量和上升时间等声发射参数随荷载的变化关系,揭示了利用上述声发射参数表征钢筋混凝土梁受力特征的规律和方法.基于声发射参数,通过计算得到了试件在初始开裂和屈服时的裂缝分布情况,与试验结果相比,在裂缝数量和裂缝位置上,均吻合较好.     

不均匀锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力试验研究

制作了12根钢筋混凝土适筋梁,为模拟既有钢筋混凝土梁在实际情况下的受荷状态,对其中10根梁进行预裂加载,然后采用电化学方法进行快速锈蚀,最后采用四点弯曲试验对钢筋混凝土梁进行加载.研究表明:锈蚀后的钢筋呈现出沿截面和长度两个方向的不均匀锈蚀,预裂裂缝位置处钢筋锈蚀较为严重;采用沿长度方向不均匀锈蚀表征参数建立平均锈蚀率与最大锈蚀率的关系,在此基础上给出的梁抗弯承载力计算公式,其计算结果具有较好的精度,与试验值吻合较好.     

玄武岩纤维混凝土三点弯曲梁的断裂性能

为探讨玄武岩纤维混凝土(BFRC)的断裂性能,采用《水工混凝土断裂试验规程》的三点弯曲梁法,制作缝高比为0.4的不同纤维长度及掺量的混凝土试件,利用MTS试验机对试件进行加载试验,得到玄武岩纤维混凝土三点弯曲梁的试验结果,并对P-CMOD曲线、起裂韧度、失稳韧度及断裂能等断裂参数进行分析,结果表明：掺入玄武岩纤维后,试件的断裂性能得到了提升,纤维掺量越多,纤维长度越长,P-CMOD曲线的下降段越饱满;纤维长度为18 mm、掺量为1.5%的试件起裂韧度及失稳断裂韧度的提升最为明显;纤维长度为12 mm、掺量为1.5%的试件断裂能最大。     

深埋薄基岩综放工作面切顶卸压沿空留巷围岩协同控制技术研究

为解决深埋薄基岩切顶卸压沿空留巷巷道受采动影响支护困难的问题,以焦作煤业集团赵固(新乡)能源有限责任公司赵固一矿18060综放工作面切顶卸压沿空留巷巷道为工程背景,基于留巷围岩结构运动和覆岩力学传递特征,提出深埋薄基岩切顶卸压沿空留巷巷道围岩协同控制技术。研究结果表明:采用定向预裂爆破技术能够切断留巷顶板下位关键岩层,并形成短壁梁结构;与未切顶相比,切顶后巷道侧向支承压力减小14.17 MPa(降低37.67%),顶板竖向应力峰值减小5.22 MPa(降低22.5%);切顶侧矿压较未切顶侧明显降低,切顶影响范围约30 m;留巷两帮收缩量最大为471 mm,顶底板移近量最大为717 mm,工作面后方约200 m开始稳定。提出的深埋薄基岩切顶卸压沿空留巷围岩协同控制技术现场应用效果较好,可为类似地质条件下的切顶卸压沿空留提供参考。     

碳纤维布和钢板加固超载预裂梁的受力机理分析

选用32根不同配筋量的缩尺梁,进行不同预加超载幅值的重复加载预裂,并采用碳纤维和钢板加固,主要研究了具有不同损伤的被加固梁在加固前、后的受力状态,以及粘贴加固超载预裂梁在荷载作用下原结构和加固材料之间的内力分配,对进一步认识粘贴加固结构复合截面工作机理具有很好的参考价值.     

表面处理对玄武岩纤维活性粉末混凝土力学性能的影响及断裂特性

使用偶联剂KH-550和盐酸对玄武岩纤维进行表面处理,研究改性条件对玄武岩纤维活性粉末混凝土力学性能和工作性能指标的影响,并分别优选出最佳改性条件:偶联剂质量分数为0.75%,盐酸浓度为3 mol/L,刻蚀时间为60 min,刻蚀温度为20℃。采用声发射技术对比改性前、后玄武岩纤维活性粉末混凝土的损伤特征,确定试样在抗折试验中的断裂阶段和断裂模式。结果表明:声发射参数中,累计声发射(AE)命中、累计能量和振幅与玄武岩纤维活性粉末混凝土的损伤阶段有关,纤维改性对混凝土损伤的最后阶段有所影响。另外,在加载过程中,上升角(RA)和平均频率(AF)有相反的趋势,均随着断裂模式的变化而变化。     

基于声发射的三维编织T型梁复合材料损伤研究

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制备了三维编织T型梁复合材料,在万能试验机上进行弯曲试验,用声发射仪器监测损伤演化。T型梁在三点弯曲载荷作用下,加载初期对应基体裂纹出现,此时并没有严重损伤;随着加载过程进行,裂纹逐渐扩展到纤维基体界面使得纤维基体脱粘,腹板处纤维开始断裂;在加载后期,腹板纤维完全断裂,材料失效。用主成分分析(PCA)和kmeans++算法对声发射信号进行聚类分析,可以成功识别出三种声发射信号,并表征破坏情况。     

喷射钻井中井底岩面最大水功率和最大冲击力工作方式

本文首次把解决现代工程技术问题行之有效的“黑箱(black box)”理论用来研究井底射流流场。用一种新的全尺寸水力能量测试实验,直接测得三牙轮钻头下射流到达井底岩面(即钻进过程中钻头钻出的瞬时井底岩石表面)的水功率和冲击力。建立了计算井底水功率和冲击力的经验公式,提出了以井底岩面获得最大水功率和最大冲击力为喷射钻井水力程序设计准则的两种新的最优工作方式。 本文在所实验的条件下,获得了井底岩面最火水力能量的功率分配比值(R_N)和全喷距(135毫米)下射流水力能量衰减系数的范围等极值条件。在同样的条件下,以井底岩面最大水力能量优选的最优排量比钻头最大水力能量的最优排量约提高7.5％左右。并从理论和实践上证实了适当提高排量和强化机泵的必要性。     

箭头型超材料模型及其在无线电力传输中的应用

为改善无线电力传输系统中微带发射天线的增益和方向性系数2个性能指标,提出一种新型箭头型超材料模型。通过HFSS电磁软件仿真和反演参数法提取其有效参数从而验证所设计的箭头型超材料模型在6.51~7.34 GHz频段符合等效介电常数和等效磁导率同时为负的性质;将箭头型超材料模型加载作为微带天线覆层,从而使微带天线的E面和H面远场辐射方向性系数的HPBW分别减少48.7%和54.9%,其最大增益和最大方向性系数分别从7.665、7.45 dB增加到10.977、11.19 dB。该箭头型超材料模型和微带发射天线形成了较好的传输匹配,从而提升了无线电力能量的传输效率。       

大理岩破坏起裂应力及断裂能特征试验研究

根据大理岩常规三轴试验数据,探讨不同围压下大理岩破坏的起裂应力和起裂断裂能变化规律.大理岩起裂应力位于峰值应力的53％～76％之间,随围压升高向峰值强度逐渐逼近.起裂断裂能与围压、峰值强度呈正线性关系.起裂应力对应的声发射能量计数率出现突跳,起裂点之后声发射能量计数率和累计释放能量增加速度明显变快,理论计算求得的起裂点和声发射监测数据吻合较好.大理岩常规三轴破坏符合Mogi-Coulomb强度准则.     

华丰煤矿顶板突水机理研究

为了解决新汶矿业集团华丰煤矿4煤层顶板突水问题，基于矿山压力控制理论，在分析顶板突水水源的基础上，研究了该矿的顶板突水机理．结果表明：顶板突水同顶板覆岩运动过程中形成的离层、冲击地压及斑裂线存在密切的因果关系，斑裂线和沿层离层是造成顶板水主要沿工作面下平巷涌出的主要因素，斑裂线是导致华丰煤矿顶板大量突水的主要导水通道．通过3405工作面出水实例和化学连通试验说明离层带注浆浆液中的水能够通过顶板岩层的裂隙进入工作面．     

薄煤层切顶卸压自动成巷关键参数研究

以嘉阳煤矿3118薄煤层工作面为工程背景,通过现场工程地质条件分析,建立力学模型,推导切缝角度和高度的理论公式,利用数值计算方法,确定预裂切顶合理参数,并分析作用效果.结果表明,薄煤层顶板预裂切缝具有明显的角度与高度效应,合理的预裂切顶参数为预裂切缝角度为20°、孔深4m.研究成果在嘉阳煤矿3118工作面成功应用.为薄煤层切顶卸压自动成巷技术的推广应用提供基础.