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：针对传统矿井瞬变电磁仪易受井下人文干扰因素的影响,设计了一种矿用孔中瞬变电磁仪;仪器的发射部分主要由电桥电路、消隐电路组成;为缩短关断时间,源栅之间的稳压二极管和发射线圈两侧吸收消隐电路构成快速关断电路系统,快速释放射线圈中的能量,削弱电感效应;接收部分具备全空间信号采集能力,通过自调节二次场信号的增益倍数,使设备动态范围满足需求。试验表明:该仪器具备探查钻孔径向含水异常体的能力,由于装置位于孔中,距探测目标体近,易获得信噪比高的二次场信号,并避免了巷道人文干扰因素的影响,提高了探测精度。

摘要：基于煤的瓦斯解吸速度法研制了一种以低功耗微处理器STM32F103RCT6为核心控制单元的CWH200型井下便携式煤层瓦斯含量快速测定仪。介绍了测定仪的理论公式和测定仪总体设计,详细说明了测定仪的硬件模块原理和软件流程。便携式煤层瓦斯含量快速测定仪2种量程自动切换,可在10 min内测出井下现场煤层瓦斯含量,测量结果可实时打印上传,提高了煤层瓦斯含量的测量效率。

摘要：介绍了我国巷道修复机的研究现状,归纳总结了巷道修复机的特性、特殊功能要求和设计要点。对巷道修复机的常用作业属具进行了分类总结,在介绍巷道修复机基本组成的基础上,分析了目前研究中的难点、关键技术和发展趋势,论述了巷道修复机器人作为巷道修复机的发展趋势和目标,归纳总结了其实现道路上的关键技术和难点。

摘要：煤矿井下大断面硐室适合采用“锚杆锚索+混凝土砌碹”联合支护方案,但锚杆锚索与混凝土砌碹在支护中所起的作用尚不明确,具体支护参数也需基于工程经验确定,往往造成支护不足或支护过度。为解决煤矿井下大断面硐室支护难题,以某煤矿井下超大断面液压支架拆解组装硐室为研究对象,基于工程经验提出“锚杆锚索+混凝土砌碹”的初始支护方案,采用数值模拟方法分别针对无支护、锚杆锚索单独支护、混凝土砌碹单独支护、锚杆锚索和混凝土联合支护4种条件进行支护效果分析,基于数值模拟结果提出改进支护方案并进行工程验证。研究结果表明:采用工程经验和数值模拟相结合的方法能够实现煤矿井下超大断面硐室的合理支护,基于工程经验提出初始支护方案,采用数值模拟进行方案参数优化,可避免支护不足或支护过度。锚杆锚索与混凝土砌碹对煤矿井下超大断面硐室均具有良好的支护效果,混凝土砌碹的支护效果要远优于锚杆锚索。锚杆锚索适合作为预支护,减小硐室掘进初期的剧烈变形,混凝土砌碹适合作为永久支护,起主要支护作用。煤矿井下超大断面硐室支护适合采用锚杆锚索和混凝土砌碹联合支护形式,当围岩较破碎时,需要辅以注浆补强,可适当减小锚杆锚索的支护密度,以加快施工速度,并及时进行混凝土砌碹支护。

摘要：我国煤矿无煤柱开采技术研究与应用已有60多年。综合分析了沿空留巷、沿空掘巷、跨巷开采及采空区布置巷道等无煤柱开采方法及适用条件、围岩控制取得的研究成果。在沿空留巷方面的主要内容为:不同开采系统的沿空留巷类型、围岩变形与破坏特征;沿空留巷结构力学模型及围岩与支护作用关系;沿空留巷巷内基本支护、巷内加强支护、巷旁支护形式及支护性能;爆破与水力压裂围岩卸压机理及技术;沿空留巷断面优化及维护时间控制;沿空留巷支护设计原则及沿空留巷安全技术。在沿空掘巷方面,论述沿空掘巷的类型及小煤柱尺寸设计方法,分析沿空掘巷围岩结构特征、围岩变形的主要影响因素及沿空掘巷围岩控制技术。介绍跨巷无煤柱开采的类型,分析巷道与采煤工作面底板的垂直距离、工作面边界至巷道的水平距离等参数对跨采巷道围岩变形的影响。论述在采空区布置巷道的方式:在采空区形成巷道和掘进巷道,分析采空区巷道的应力环境及施工存在的难点。介绍陕西何家塔煤矿支卸组合泵充混凝土支柱沿空留巷、山西野川煤矿泵充钢筋混凝土墙与水平长钻孔水力压裂卸压沿空留巷围岩控制2个应用实例,分析沿空留巷围岩变形控制效果。最后,提出无煤柱开采方法及围岩控制技术的改进意见与发展方向。

摘要：冲击地压因其特有的易发、多发、难防治特征,成为影响煤矿生产最为突出的动力灾害之一,其中以回采巷道冲击地压发生最为显著。冲击地压巷道动力显现过程中,锚杆支护系统往往伴随着一定的动载冲击作用,关于锚杆支护系统在动载冲击作用下的力学响应研究对冲击地压防治具有重要意义。为研究锚杆支护系统中杆体不同位置对冲击载荷的响应规律,选择煤矿常用的500号左旋无纵肋螺纹钢锚杆,沿锚杆轴向不同位置粘贴应变片,利用锚杆力学性能综合试验台对支护单元施加轴向冲击载荷,分别采用激光位移传感器和动态应变仪采集锚杆杆体及不同位置变形数据,分析杆体变形规律及时序特征;利用LS-DYNA数值分析软件再现轴向冲击载荷下锚杆受载变形过程,分析锚杆不同位置的应力和变形特征。结果表明:①在171 kN初始拉伸载荷状态下,10 kJ轴向冲击能量使锚杆端部载荷瞬时增加至438 kN,此后处于振荡衰减状态,衰减速度逐渐增大。②10 kJ轴向冲击能量导致锚杆在30 ms内振荡拉伸和收缩,并最终产生28.39 mm的拉伸塑性变形。③锚杆杆体不同位置的变形受应力波的界面反射效应影响较大,塑性变形大部分产生在锚杆自由段,且距离锚固段与自由段分界面越近杆体塑性变形量越大。④锚杆不同位置对冲击载荷响应具有时序性,拉伸和收缩变形均由杆尾向锚固端头依次响应。⑤锚固作用可有效约束锚杆变形,吸收冲击产生的应力波,随着锚固深度加大,锚杆应力和变形响应幅值显著减小。

摘要：破碎岩体锚杆支护加固作用已被普遍证明,但对荷载作用下破碎岩体锚固及承载失稳机制仍不清晰。基于此,开展系列破碎岩体锚固试验,揭示破碎岩体锚固及承载失稳机制,得出不同条件下破碎岩体稳定承载支护条件,提出破碎岩体锚固支护建议。与常规岩体锚杆支护受力特征截然相反的是,破碎岩体在荷载作用下产生变形破坏特征响应时,锚杆受力呈现逐渐衰减演化特征,锚杆支护对破碎岩体支护作用仅体现为施加预紧力产生的主动支护效应。锚固破碎岩体间呈力链结构铰接,以压力拱结构承载,拱下岩体起着支撑压力拱及将锚杆支护作用传递至压力拱的力学媒介作用,是压力拱能否稳定承载的关键。破碎岩体产生变形破坏响应特征时,岩体间力链结构稳定性降低,拱下岩体对压力拱支撑及将锚杆支护作用传递至压力拱的力学媒介作用减弱。破碎岩体锚固失稳机制表现为拱下岩体支撑作用弱化及锚杆支护作用衰减双重因素叠加诱导的结构性失稳。不同物理力学及支护参数条件,改变的是压力拱拱下岩体稳定性及其力学媒介作用,影响破碎岩体压力拱结构稳定性及锚杆支护作用。获得了不同物理力学参数条件下破碎岩体锚固稳定承载条件,提出了破碎岩体锚固支护合理建议:统计破碎岩体平均粒径,确定合理锚杆支护密度;提高锚杆预紧力及护表支护强度。

摘要：为研究煤的变形断裂特性,采用三点弯曲测试法对3组预裂半圆盘煤样开展Ⅰ型断裂试验,探讨了Ⅰ型断裂韧度与单轴抗压强度、单轴抗拉强度以及弹性模量的相关性,得到了煤样三点弯曲试验中的载荷位移特征,利用非接触全场应变测量系统监测分析了煤样变形破坏过程中的应变场演化规律与断裂过程。试验结果表明:3组煤样的Ⅰ型断裂韧度分布在0.14~0.29 MPa·m,煤样断裂裂纹均从预制裂纹顶端起裂,扩展路径近似为直线,呈典型的张拉破坏形式。煤样的Ⅰ型断裂韧度与其弹性模量和单轴抗拉强度正相关,线性关系式分别为:E=10.47K和σ=5.48K,相关性系数R~2分别达到0.99和0.97。煤样的变形破坏过程可分为压密阶段、弹性变形阶段、弯曲变形阶段、抵抗裂纹产生阶段和破坏后阶段。弯曲变形与抵抗裂纹产生阶段是能够表征煤样断裂特性的重要阶段,抵抗裂纹产生阶段载荷的差值直观反映了煤样Ⅰ型断裂韧度的大小。弯曲变形阶段前,水平应力主要集中在直裂纹两侧;进入弯曲变形阶段后,直裂纹顶端出现应力集中并逐步向上发展;进入抵抗裂纹产生阶段后,应力集中程度与范围快速增大,逐步形成张拉裂纹的潜在轮廓与路径,煤样断裂瞬间应变率呈显著的非线性增长特征。

摘要：CT扫描技术为观测煤岩内部裂隙提供了重要手段,然而由于煤岩CT扫描裂隙场的高度复杂性,对其精确定量描述一直是行业内十分困难的问题。通过CT扫描发现,煤岩内部裂隙结构以面裂隙为主,因此针对CT扫描获得的煤岩面裂隙结构,提出了一种基于椭球模型的解决方案:首先将煤岩CT扫描获得的面裂隙结构离散为三角形面网格,在Geomagic Wrap软件中对三角形面网格进行简化和修复,得到一系列三角形裂隙面代替原有的裂隙结构;然后采用一种特殊的面椭球,即旋转扁椭球,拟合每一个三角形面裂隙,据此实现对整个裂隙结构的椭球模型重构,详细给出了二维空间和三维空间中面椭球重构的控制方程及求解策略,并验证了求解策略的可行性,给出了椭球模型重构CT扫描裂隙场的精度分析;最后利用重构的椭球形裂隙场,分别设计面裂隙方向张量与面裂隙组构张量,定量表征煤岩CT扫描面裂隙结构,同时给出了针对面裂隙方向张量与组构张量的简便计算方法。对于裂隙张量表征理论的应用,选取了简单面裂隙结构、CT扫描获得的真实复杂裂隙结构、真实裂隙场的演化过程等3个具体案例,验证了裂隙张量理论对煤岩复杂裂隙结构的描述能力,并阐明了其与孔隙率、分形维数描述方法之间的异同。关于椭球模型重构方法的应用,除了有助于裂隙结构的定量表征,还介绍了其在裂隙煤岩等效弹性模量预测理论方面的应用前景,并通过数值模拟分析初步验证了理论公式的适用性。