摘要：针对煤矿巷道掘进智能化建设情况,探讨了现阶段分别以连采机、掘锚一体机、全断面掘进系统、掘锚机为核心的四大类智能快速掘进成套装备发展现状,分析了四大类智能快掘装备与地质条件适用性,提出了实现煤矿智能化掘进需要解决的关键技术的问题,探讨了以信息传输与智能分析技术、智能感知技术、精确定位导航技术,自主定型定向截割技术、掘进机远程自主截割控制技术以及多级多工序智能协同控制技术为基础的智能化掘进实现途径;基于复杂地质条件下煤矿巷道掘进亟待解决的关键问题,提出了以掘进作业功能需求、掘进工艺要求为依据的系统化分析、模块化设计、功能优化组合的设计方法;研究了以虚控实、虚实结合的多级数字孪生构架,基于掘进巷道设备、环境、地质构造多维信息再现实现掘进机远程控制;提出了单机智能化、系统协同化、井下智控与地面远程监控相协同的控制方法。开发了新型的无重复碾压柔性超前支护技术、截割部多级伸缩截割技术、智能锚固机组多钻机并行作业等技术,研制了具有掘、支、锚、运、探多工序并行作业的新型快速掘进作业联合机组,提出了掘进机器人、超前支护机器人、锚固机器人、辅助运输机器人组柔性并行作业技术;提出了基于数据驱动的多机多工序协同控制行为规划决策方法。提出构建完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系,构建集井下现场生产状态、掘进巷道空间信息、掘进装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知智能化监控平台,实现虚拟系统与实际掘进系统实时通信,通过数据驱动规划分析实现智能化、少人化掘进。

摘要：针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增−突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的“两带”发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性。研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据。

摘要：针对大采长/超宽工作面内部隐蔽地质异构体常规地球物理探测难的问题,揭示了对侧发射接收的瞬变电磁透视探测电磁响应机制。采用理论研究、数值模拟和实测数据分析相结合的研究方式,对瞬变电磁透视探测技术电磁场扩散特征、数据影响机制以及探测能力进行了详细研究,研究结果表明:受地空边界的影响,全空间长条形发射回线瞬态电磁场扩散与半空间电磁场扩散不同,全空间状态下感应电动势极值长期位于发射线圈中心位置,无法直接沿用地面“烟圈效应”进行处理解释;对侧发射接收的瞬变电磁透视早期数据主要受一次磁场的影响,具有较高的左右低阻异常分辨能力和探测能力,晚期数据与同侧发射接收数据产生机制相同,为发射线圈附近产生的二次场相互感应扩散形成,其分辨能力和探测能力相对较弱;相较于同侧发射接收的瞬变电磁法,对侧发射接收的瞬变电磁透视技术结合早晚期数据,可以很好的区分低阻异常体相对于发射线圈和接收点的空间位置;低阻异常体越靠近发射线圈,对侧接收的早期数据受到的影响越大,晚期数据影响时间段有所增加,但影响程度越小,越靠近接收点所在巷道,其影响特征相反,以此可以粗略判断低阻异常体沿工作面切向的位置。早晚期数据相结合的瞬变电磁透视探测技术,能更加精细地解译工作面内部及附近隐蔽突水地质异构体的空间信息。

摘要：大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明:充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工作面倾向下部充填区长度增大,中、上部围岩结构不稳定区域的长度缩小,“支架-围岩”系统稳定性提升。充填体改变了采场围岩应力传递路径,承担了部分覆岩载荷,工作面下侧支承压力及超前支承压力均随充填长度的增大而减小,工作面倾向下部充填区域的超前支承压力降幅最大,沿空巷道及工作面应力状态得到改善。大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术具有提高资源采出率、降低掘进率、缓解采掘接替紧张、加强工作面“支架-围岩”系统稳定性等优势。

摘要：提升镁合金的高温抗蠕变性能是其能够在汽车动力系统得到广泛应用的关键.对耐热镁合金蠕变变形机制和组织演变缺乏系统研究,是限制其发展的重要因素.本文以低稀土镁合金(Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金)为研究对象,将蠕变应力指数计算、滑移迹线和析出相观察相结合,系统分析了重力铸造和高压铸造Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金在200℃~250℃/60~100 MPa条件下的变形模式和组织演变.主要结果为:重力铸造和高压铸造Mg-3Sm-0.5Zn-0.4Zr合金在200℃/60 MPa条件下稳态蠕变速率分别为1.4×10^(-9)s^(-1)和1.1×10^(-9)s^(-1),表明其具有优异的抗蠕变性能.200°C~250℃/60 MPa条件下,高压铸造合金具有比重力铸造合金更低的稳态蠕变速率.在200℃60~100 MPa条件下,两种合金的主要变形机制均为基面滑移.在225℃条件下,当σ≤80 MPa,基面滑移仍然是两种合金的主要变形模式;当σ>80 MPa,两种合金的变形模式为基面滑移、非基面滑移和孪生.在250℃/60~70 MPa条件下,基面滑移和非基面滑移是两种合金的主要变形模式.此外,重力铸造和高压铸造合金在蠕变过程中均会发生动态析出,形成大量与基面垂直的析出相.与重力铸造合金相比,高压铸造合金具有更多细小的析出相,可有效阻碍位错滑移,这是其具有优异抗蠕变性能的重要因素.

摘要：为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律,采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置,测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0.425~0.850(20~40目)、0.250~0.425(40~60目)、0.180~0.250 mm(60~80目);3种饱和度:40%、60%、80%)应变及渗透率,获取加卸载条件下应力–应变曲线确定煤体变形特征,分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律,通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征,基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。研究表明:①饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂,总体而言,随着饱和度增加,渗透率降低百分比越大,堵塞程度越显著。瓦斯水合物生成后,煤体渗透率明显降低,降低幅度为58.3%~83.3%(20~40目)、61.5%~95.0%(40~60目)、81.8%~90.9%(60~80目),随着饱和度增加,煤体渗透率整体呈降低趋势,下降幅度为55.6%~86.1%。②煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段,煤体渗透率与应变具有一定相关性,并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势,二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。③引入渗透率损失率,在相同水合物饱和度下,随着偏应力增加,煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。④引入体积膨胀变形角,在相同偏应力差下,随着饱和度增加,煤体体积膨胀变形角由19.0°~63.9°降至0.2°~38.2°,说明水合物饱和度越低,煤体体积膨胀效应越显著。

摘要：埋入式后压浆管桩作为一种新型桩基础,集钻孔灌注桩和预应力管桩的优点于一体,可以解决灌注桩桩身质量不可靠和预应力管桩沉桩困难等问题。对埋入式后压浆管桩的竖向抗拔试验进行CT扫描,得到不同位移状态下模型桩的CT扫描图像,直观地揭示破坏面的发展规律,并建立破坏面方程。对其他学者提出的抗拔桩破坏面方程进行优化,通过静力平衡方程,获得优化后破坏面方程对应的埋入式后压浆管桩抗拔极限承载力函数,并采用遗传算法确定优化后破坏面方程的参数。将多种理论假定破坏面与试验获得的破坏面进行对比分析,验证所得破坏面方程的准确性。研究发现:埋入式后压浆管桩在上拔位移到达0.45倍桩径时发生破坏,此时灌浆层与土体紧密结合,两者之间未出现明显位移,破坏仅发生在灌浆层之外的桩周土体中;破坏面从桩底向桩顶延伸,越靠近桩顶,破坏面距离桩身越远,破坏面在桩底与混凝土侧壁相切,在地面与水平面的夹角接近42°,呈喇叭形破坏;本文的理论假定破坏面与试验获得的破坏面的相关指数R^(2)=0.97,前人的理论假定破坏面与试验获得的破坏面的相关指数R^(2)=0.91,本文的破坏面方程更加贴近试验获得的破坏面。研究成果对埋入式后压浆管桩的设计计算具有重要的参考价值。

摘要：我国岩溶地质分布广泛,岩溶突涌水已成为石灰石矿山安全生产的巨大灾害与挑战。以广西某岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水为研究对象,针对该矿山地质条件复杂、集中涌水量大、流速高等特点,利用岩溶发育特征、资料分析与地球物理探查等方法初步圈定矿山径流带区域;进一步通过钻探、跨孔CT和示踪联通试验等精准查找到矿山Y01特大涌水点岩溶管道的具体位置,在此基础上研究并实施了矿山涌水治理技术与工艺。研究表明:(1)针对复杂岩溶凹陷式露天矿山大流量、高流速的涌水特征,提出并实施了“非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速”的岩溶矿山涌水综合治理体系。依据岩溶发育的不均匀性,提出了非连续帷幕封堵裂隙型涌水区域的思想;对大流量岩溶管道型集中涌水设计采用止浆垫控流装置,通过控流能有效降低关键过水通道内水流速度,为注浆材料的有效留存沉积和工程的成功封堵提供了重要条件。(2)关键孔联合注浆工艺是岩溶管道型涌水成功封堵的保证,关键孔是指直接揭露岩溶涌水管道或与涌水管道联通性极强并对注浆堵水起主要作用的钻孔。针对矿山Y01岩溶管道型特大涌水精准查找到2个关键孔,均在矿坑南部:一个是距涌水点直线距离约50 m的近距离钻孔(以下简称“近孔”),另一个是距涌水点直线距离约150 m的远距离钻孔(以下简称“远孔”)。现场采用近孔、远孔2个关键孔联合注浆工艺:近孔以粗骨料和自主研发的可控凝结新型材料进行注浆,远孔仅注水泥浆液;近孔粗骨料和新型材料既能降低管道内的水流速度为远孔浆液起到更好的留存沉积作用,又能作为封堵材料起到增强的功能,远孔因其离涌水点距离长、辐射范围广、浆液扩散充分而能确保封堵长度和效果。近孔、远孔协同配合同步注浆是封堵管道型大流量涌水的有效组合工艺。(3)涌水口止浆垫控流降速装置的合理有效调控,配合关键孔联合注浆工艺的同步实施,进一步确保了注浆浆液的有效快速留存和沉积,是岩溶地区封堵管道型大流量涌水的创新性技术和方法。项目实施后,彻底封堵矿坑内集中涌水量达7.12万m^(3)/d的Y01特大涌水点,实现总减水量8.43万m3/d(含非连续帷幕注浆封堵),保证了矿山的正常安全开采,大幅降低了抽排水费用,同时保护了周边环境和地下水资源,具有显著的经济效益和社会效益。研究成果可为我国矿山涌水灾害治理提供理论价值和经验借鉴。

摘要：为解决编队系统存在的参数模型变动范围不可预测、执行器部分失效等问题,设计提出了一种自适应鲁棒容错编队控制方法。给出航天器相对位置非线性动力学模型,设计了自适应鲁棒容错控制器,并且分别设计自适应律估计故障大小、质量和外界扰动上界,同时分析了闭环系统的Lyapunov稳定性,给出系统稳定所需要的条件。数值仿真结果表明,提出的控制方法能实现编队跟踪控制的目标,位置跟踪稳态误差小于1.5×10-3m,速度跟踪稳态误差小于1.8×10-5m,验证了所提出方法的有效性。

摘要：为更好地研究天线索网结构对展开态形面精度的影响机理,针对六棱柱模块化天线构型,提出一种六边形索网结构高精度几何设计方法。首先,根据支撑结构特点、工作波段及天线形面方程等参数,开展了天线索网构型设计,建立了形面精度与索长、索段等分数间的参数化模型,并基于机器人学齐次坐标变换理论,建立了考虑悬垂效应的边界节点数学模型;其次,以实际应用工程案例作为比较,对上述模型进行了验证,并在六棱柱单模块样机上对索网结构进行了实物研制,对误差进行了分析与研究;最后,开展了多参数影响分析,研究了展开口径、抛物面方程、网格密度等参数对形面精度的影响规律。研究结果表明:索段实测绝对误差均值约为4.9 mm,相对误差均值约为3.38%,实测值与理论值吻合良好;索网形面误差减小的趋势随着索段密度的增加相对变缓;采用增大反射面焦距、降低天线口径等方式可有效改善索网精度。该研究可为后续索网结构找形分析、形面精度调整及同类天线索网结构的研究等提供借鉴与参考。