突水矿井动水巷道骨料灌注截流可视化平台研制与试验研究

通过骨料灌注法进行动水巷道截流堵水是矿井淹没后进行救援和复矿的重要方法。为研究骨料灌注截流堵水机理,基于水头高度、流速、巷道尺寸、倾角、糙度、骨料粒径、灌注速度等因素建立大型骨料灌注截流试验平台,并依托平台进行单孔、多孔灌注试验,分析动水巷道骨料运移堆积规律。结果表明:骨料正常灌注期间堆积体具有向下游运移生长的特性,迎水面和背水面由涡流控制的坡脚形态存在差异化现象;低流速条件下骨料会快速接顶且孔间存在空腔,高流速条件下孔间堆积体逐渐接龙、灌注量在下游相互叠加;残余过水通道沿截面呈U形分布,存在扰流接顶效应、空气掏蚀效应、堵孔效应、溃坝冲刷效应等典型动力学现象;结合解析法和数值法,对骨料颗粒的起动速度及典型现象进行计算和模拟,验证了试验平台的可靠性;通过浆液灌注实验验证浆液配比和骨料粒径对注浆效果存在重要影响,浆液在骨料堆积体中存在“上多下少”的空间分带性。试验平台的研制对截流堵水工程技术优化具有指导意义。      

西部典型矿区风积沙含水层突水溃沙的起动条件与运移特征

突水溃沙是西部矿井地质灾害的主要类型之一,为研究突水溃沙灾害的临界判据与水沙运移特征,以榆横矿区含水层风积沙为例,采用自主研发的水沙两相高速渗流试验设备,对4种不同粒径范围的风积沙进行了沙粒起动试验和溃沙试验,对混合风积沙进行了水沙两相高速渗流试验。得到了影响突水溃沙的2个临界速度条件：第一临界速度即沙粒起动速度,为0.38～1.26 mm/s;第二临界速度即溃沙临界速度,为2.48～3.54 mm/s。试验结果表明：体积膨胀是沙粒群起动的必要条件,突水溃沙灾害是起动的风积沙由量变逐步积累到质变的物理过程,分为3个阶段：（1）水携沙流动,（2）水沙混合流动,（3）沙携水流动。沙粒起动是水动能转变为沙动能的过程,溃沙时水沙混合流体运动表现为颗粒群浓度波传播的特征,沙粒间通过碰撞的形式传递能量。溃沙速率随初始水力梯度的增大呈指数增长,单位时间内溃沙量随水力梯度的增大而呈线性增加。     

煤矿大直径救援钻孔顶管钻进装备关键技术研究

为解决煤矿坍塌巷道的救援难题,提高坍塌巷道大直径救援孔的钻进速度,提出了采用顶管工艺进行大直径钻孔施工。通过布置在硐室内的主顶装置,推动可以接续的管节及刀盘,对坍塌岩体完成破岩及排渣作业,最终形成由顶管管节组成的救援通道。研发了坍塌岩体条件下的大开口复合刀盘,由10把切刀、10把滚刀及2把刮刀组成,开口率为40%,能够满足大粒径渣石快速破碎的需求。研发了小直径顶管救援装备驱动系统及外周驱动、破排一体的新型排渣系统,主要结构包括出渣管、行星减速器、大齿轮、刀盘、电机等,电机带动刀盘及出渣管转动,出渣管内部焊接有螺旋的排渣条,煤岩破碎后进入刀盘,再由排渣管连接刮板机进行连续出渣,最大排渣粒径为300 mm,能够解决大流量大颗粒排渣需求和排渣系统小空间布置困难的问题。搭建了坍塌巷道的堆积体试验环境,完成煤矿顶管救援装备的工业性试验,顶进距离为102.5 m,折合日进尺为43.92 m,形成内径1 575 mm的救援通道,并实测得出顶进过程中的刀盘转矩和推进力的变化趋势。研究成果对提升我国应急处置与救援装备技术水平,对灾变条件下最大程度减少人员伤亡和财产损失具有重要意义。      

基于旋转水槽试验的泥石流阻力坡降速率效应研究

使用自主研发的旋转水槽制作稳定循环流动的泥石流,通过实测泥石流阻力坡降和流动速度,探索泥石流阻力坡降的速率效应。在旋转水槽试验中,通过控制线速度v,制作出稳定循环运动的泥石流,其阻力坡降J等于槽底坡降tanθ,可以实测。试验再现了野外的泥石流运动特性,观察到“龙头”、颗粒弹跳、低阻力坡降、固液相分离、剪切速率效应等现象。试验结果表明,在一定的流动速度范围内（例如试验中1.88m·s-1≥v>0.47m·s-1）,泥石流的流动速度越高,阻力坡降越大;如果泥石流运动速率过低（例如试验中v<0.47m·s-1）,泥石流会出现固液两相分离现象,砾石（粒径>2mm）运动明显落后于液相运动。本项目的试验研究成果为泥石流制作和阻力坡降测量提供新途径,为泥石流阻力坡降的速率效应理论研究提供实验支持。     

ANSYS在煤矿开采数值模拟中应用研究

以典型矿井山东华丰矿、阜新五龙矿和北京大台井为例,利用ANSYS有限元软件,对煤矿开采引起的地表沉陷、冲击地压危险区域确定和俯伪斜采煤法参数优化进行了数值模拟分析.分别针对所处的地质条件和赋煤状况,建立了二维或三维有限元模型,模拟计算了地表沉陷曲线和最大沉陷位置,指出山东华丰矿随开采推进沉陷位移和影响范围将逐渐扩大,最大沉陷位移逐步向开采方向前移的规律,当开采800 m时出现最大下沉速度3.5 mm/d,最大沉陷位移为3.7 m.五龙矿311面当开采100m和400 m时分别由于火成岩墙和应力集中区贯通导致顶板易断裂而极易发生冲击地压事故;大台井俯伪斜采煤法煤层倾角只有在60°～67° 时,推采距离才对煤层顶板法向最大压应力具有明显影响,且顶底板法向最大位移规律为上部位移大于中部位移,西中部位移又大于下部位移,在煤层倾角70°时,工作面超前支撑压力作用范围最小为30 m,而下巷道支撑压力作用范围最大为25 m,巷道数为3时,顶板下巷道超前支撑压力峰值位置为5.3 m.ANSYS计算结果表明,该数值模拟是合理的,与实际情况基本吻合,说明ANSYS在煤矿开采领域是一种有效的数值模拟工具.     

碎屑流冲击下桩梁组合结构拦挡效果及受力特征研究

以高位泥石流、碎屑流区桩梁组合新型拦挡结构为研究对象, 在总结已有桩梁组合结构的基础上, 运用颗粒流分析仿真程序、通用显示动力分析程序分别对碎屑流冲击下单排、多排桩林及桩梁组合结构拦挡效果、不同位置桩梁组合结构拦挡效果对比模拟以及桩梁组合结构受力特征模拟研究, 探讨了拦挡结构阻挡后碎屑流堆积特征和结构应力传递特征。计算结果表明: 碎屑流中较大粒径颗粒与拦挡结构、两侧沟道边界接触形成的桩-巨石力链拦挡效应可有效阻挡、迟滞后续碎屑流运动, 桩梁组合结构桩-巨石力链拦挡效应最佳; 第一排桩和第二排桩之间改流区进一步抑制了碎屑流速度; 桩梁组合结构在设计布置位置时, 一方面要考虑在碎屑流启动、势动转换过程中尽早抑制碎屑流速度, 另一方面仍需重视库容的设计, 谨防跃顶造成部分碎屑流逃逸, 在上述二者之间选择最优解进行位置布置; 碎屑流巨石冲击桩梁组合结构时, 冲击应力将通过连梁分散传递到后排桩, 连系梁两端连接部分的应力几乎达到屈服强度, 需加强配筋。      

碎软煤层气动双管定向钻进排粉特性分析及应用

为研究双管定向钻进技术中套管、套管钻头尺寸及套管转速对煤粉排出的影响,以碎软煤层气动双管定向钻进成孔为背景,分别设计了3种不同尺寸的套管及套管钻头,分析了其不同组合下煤粉排出率及煤粉出口速度的变化,得到了不同转速对煤粉悬浮率及煤粉输送轨迹的影响规律。数值模拟结果表明,?120/96 mm套管与不同套管钻头配合均有较高的煤粉排出率;煤粉输送速度随环空通道总截面积的增大而减小,随内通道截面积的增大而增大;煤粉悬浮程度随套管转速的增加先增大后减小。基于数值分析结果开展了现场试验,对不同套管组合携粉能力及套管转速变化对煤粉排出的影响进行了对比分析,试验表明:?140 mm套管钻头与?120/96 mm套管组合在套管40 r/min转速时取得最大钻进深度。研究结果为碎软煤层双管定向钻进参数的选择以及钻进设备的选配和研发提供技术借鉴。      

贵州关岭大寨崩滑碎屑流灾害初步研究

2010年6月28日,贵州省关岭县岗乌镇大寨村发生特大型崩滑碎屑(石)流灾害,造成99人死亡或失踪。通过现场考察崩滑区的地质环境与斜坡岩体结构,认为斜坡体由似"干砌块石结构"的裂隙化岩体组成是发生崩溃式破坏的主要内在原因。超常暴雨(过程雨量237mm)条件下斜坡岩体后缘裂缝充水形成持续的"水楔作用"是斜坡岩体松动、倾倒垮塌的主要外部引发因素。碎屑(石)流块度的空间分布具有从源头向沟口逐次减小,碎屑(石)流运动冲击高度逐步降低,冲击速度逐步减小,并显示4个能级4个冲程的特点。根据动势能守恒定律,计算了每个冲程的最大速度,得出第1冲程为高速崩滑,其它冲程属于碎屑(石)流动冲击。未发现区域天然地震、光照水库诱发地震与外围历史采矿活动与本次事件相关的直接证据。由于滑坡后缘仍存在不稳定岩体,碎屑(石)流堆积体上多处分布直径3～5m的堰塞塘,说明碎屑(石)空隙的排泄能力不足,在未来暴雨条件下引发新的崩滑或形成沟谷型泥石流的可能性是存在的。     

深部急倾斜煤层偏压巷道支护参数优化研究

深部急倾斜煤层由于受特殊的地质结构和高地应力影响,煤层巷道开挖后易出现地层错动、垮塌的特点,施工中冒顶、底臌现象异常突出,巷道支护极其困难。通过对新集三矿-700 m煤探巷道进行现场勘查与试验,针对该急倾斜软岩巷道变形非对称性,底臌严重、地层错动的破坏特点,提出了可缩性U型钢全断面封闭支护和非对称性预应力锚杆(索)支护的全新支护方案,通过大型有限元软件ABAQUS建立数值分析模型,与原支护方案进行了对比分析。研究表明,采用改进支护方案巷道底臌位移量减小了66%,最大拉应力从0.58 MPa减小到0.38 MPa,塑性区较原方案更小,支护结构受力更加均匀。其结果可为同类地质条件的巷道支护设计提供一定参考。     

空气反循环钻头井底流场分析及结构优化

为改善空气潜孔锤反循环钻进技术在大口径嵌岩桩施工中的应用效果,运用Fluent软件对嵌岩桩施工用反循环钻头底喷孔水平倾角θ_d和扩压槽水平倾角θ_k做了进一步的分析和研究,得到θ_d和θ_k对反循环钻头抽吸系数ω的影响规律。在分析中发现原有反循环钻头中心贯通孔结构设计中的不足之处,并进行了优化,优化后的反循环钻头抽吸效果明显增强。采用优化后的结构加工了一个直径为660 mm的反循环钻头,并进行现场钻进试验,试验效果良好,平均钻进效率为6.00 m/h,成功嵌入微风化岩层表面,能够满足嵌岩桩施工对嵌入微风化岩层和孔壁稳定、无塌孔的要求。     

椭球体的视电阻率特征

椭球体是最具代表性的典型三维地电体之一,它三个轴的长短经过变化后可以和多种形状的地电体相似。因此,实现了椭球体电阻率的求解,就可以模拟绝大多数三维地电体的电阻率曲线。从拉普拉斯方程的求解出发,得到了均匀空间中存在的水平椭球体异常表达式,并用简单加倍的方法得到了均匀半空间中水平椭球体的视电阻率公式,结合倾斜旋转椭球体的视电阻率公式的规律,得到了倾斜椭球体的视电阻率公式,再进行一系列简化得到板状体。最后分析对比了均匀电场中旋转椭球体和板状体的视电阻率曲线的形态和规律。结论表明:旋转椭球体与板状体的视电阻率曲线的走向大体相似,且板状体的曲线相比旋转椭球体较缓和。对于低阻情况,在异常体顶部附近的视电阻率异常为零,异常体的倾向一侧有极小值,反倾向一侧有极大值,曲线随倾角α的增大而逐渐变陡。对于高阻情况,视电阻率的极大值出现在异常体顶部附近,两侧有极小值,倾向一侧的曲线较缓和而反倾向一侧的曲线较陡峭,随着倾角α的增大,视电阻率异常变大。     

局部倾斜桩竖向承载力的有限元研究

桩基会由于隧道或基坑开挖、打桩顺序不当等原因而倾斜。实际工程中经常遇到桩局部倾斜的情况,例如上段桩发生弯曲与倾斜,下段桩则仍然保持竖直。在已经完成的整体倾斜桩现场试验及有限元分析基础上,建立了桩身局部倾斜的有限元模型,对局部倾斜桩的承载力进行有限元分析。分析结果表明：算例条件下相同竖向荷载作用时,垂直度在5 %以内的局部倾斜桩的桩顶沉降均小于竖直桩的桩顶沉降;垂直度超过5 %时局部倾斜桩的桩顶沉降大于竖直桩的桩顶沉降。相同竖向荷载作用下垂直度为7 %以内局部倾斜桩的桩顶沉降均小于相同垂直度整体倾斜桩的桩顶沉降,超过7 %后局部倾斜桩的桩顶沉降大于整体倾斜桩的桩顶沉降。对于局部倾斜桩,由上段倾斜桩传递到垂直度转折点处的轴力将对下段竖直桩产生水平向推力。当垂直度转折点深度在反弯点以下时,水平向推力将导致下段竖直桩产生更大的反向挠曲变形和弯矩,使竖向荷载作用下桩顶水平位移增加,使桩更易于因为水平弯曲变形过大而破坏。     

竖向荷载作用下斜桩荷载传递性状试验研究

通过模型试验研究了竖向荷载作用下砂土中斜桩的荷载传递性状,分析了桩身倾角及长径比对斜桩桩身轴力、弯矩、剪力、桩侧摩阻力及端阻比的影响。试验结果表明：在桩顶竖向荷载作用下,斜桩桩身轴力均小于相应直桩桩身轴力,桩身倾角越大,轴力沿深度衰减得越快,桩长径比越大,轴力沿深度衰减得也越快;斜桩桩身最大弯矩随桩身倾角及长径比的增加而增加,最大弯矩出现的深度与桩身倾角无关,只与长径比相关;不论桩身倾角及长径比的大小,斜桩桩身最大剪力均出现在桩顶截面处,桩身最大剪力随着桩身倾角的增加而增大;桩身倾角越大,斜桩最大摩阻力越大,长径比越大,斜桩最大摩阻力越小,斜桩最大摩阻力出现在桩顶下1/4～1/5桩长处;斜桩端阻比随着桩顶竖向荷载的增加而增大,随着桩身倾角及长径比的增加而减小。     

考虑基岩层面影响的水平受荷嵌岩桩模型试验研究

西南地区常见碎石土-基岩斜坡地基,在此类地基上的嵌岩桩基础,其上覆土层、嵌固段基岩多为倾斜。然而岩石试样中结构面倾角改变时,岩石试样的强度也随之发生变化。故当嵌固段基岩存在层面且层面具有倾角时,往往对桩基的水平承载特性影响很大,所以基岩层面是影响嵌岩桩水平承载性能的主要因素之一。本文采用物理模型试验,通过改变嵌固段基岩层面倾角,得出嵌固段基岩不同层面倾角对于桩顶位移,桩身内力的发展规律,进而研究其对水平受荷嵌岩桩承载性能的影响。试验结果表明:在碎石土-层状基岩斜坡地基场地中,嵌固段基岩存在层面会降低嵌岩桩水平承载性能。相对于完整基岩,嵌固段层状基岩存在水平层面时,临界荷载下降了17%、最大弯矩值下降了23%、最大剪力值下降了37.5%;而嵌固段基层层面为倾斜时,嵌岩桩水平承载性能下降的更多,且层面倾角为逆向30°时比顺向30°更加不利于嵌岩桩的水平受荷;桩身最大弯矩点与最大剪力点位置随嵌固段层状基岩倾角变化影响比较小,最大弯矩点位置几乎没有变化,最大剪力点位置在嵌固段基岩层面为顺向30°与逆向30°时下降了1倍桩径。该项研究可为在不同层面倾角下的层状岩体斜坡地基上受水平荷载的嵌岩桩设计作一定的指导。     

基于优化SPFA算法的矿井突水救援模型

煤矿突水事故时有发生,易造成重大人员财产损失,而优化突水救援路径,将提高矿井突水灾害应急救援能力,降低突水危害。本文采用无向图和邻接表对矿井巷道网络进行描述和存储,根据巷道水位高度与井下人员身高的比值计算巷道安全系数,进而求解巷道等效长度,据此,使用优化SPFA算法进行单源路线搜索,提出矿井突水救援路线模型,并给出最优救援路线。以王家岭矿的巷道拓扑网络结构为基础进行仿真分析,结果表明,基于优化SPFA算法的矿井突水救援模型可以正确地计算出单源最优路线。该方法综合考虑了工作人员被井巷塌方或水流所阻而不可通行的复杂情况,为实现快速有效的事故抢险提供了可靠的技术支持。      

Effect of Mine Water on the Stability of Underground Coal Mine Roadways

The basic objectives of mine roadways are to provide sufficient cross sections to accommodate equipment, transport, personnel travel and ventilation. However, many roadways become damaged to the extent of needing maintenance, generally dinting, and in some cases requiring re-ripping. Strata conditions play important effects on stability of roadways and other mining activities. Weak rocks cause excessive roadway closures, and water softens some rocks and worsens the closure problem. Therefore, study on effect of mine water on the stability of underground coal mine roadways is important for underground coal mine development. A scientific discussion on the effect of water on the stability of roadways is given on the basis of results obtained by means of field investigation and laboratory tests. Based on analysis, rock in saturated condition has only between 0.19 to 0.49 of its compressive strength and 0.17 to 0.59 of its tensile strength in dry condition. Among the coal measures rock in research area, water has the most obvious effect on the strength reduction of shale. The slaking behavior of shale has also been the worst among the other. Field investigation of roadway driven in shale shown vertical closure in the wet and dry condition area reached 40–60 and 5–15 cm respectively, in 30 days after the drivage. Among the measures, drainage is considered to be the most economical and simplest method to reduce the water content in the rocks or the rock masses.     

Numerical Investigation of the Inclined Pullout Behavior of Anchors Embedded in Clay

Two-dimensional plane strain finite element analysis has been used to simulate the inclined pullout behavior of strip anchors embedded in cohesive soil. Previous studies by other researchers were mainly concerned with plate anchors subjected to loads perpendicular to their longest axis and applied through the centre of mass. This paper investigates the behavior of vertical anchors subjected to pullout forces applied at various inclinations with respect to the longest anchor axis, and applied at the anchor top and through the centre of mass. The effects on the pullout behavior of embedment depth, overburden pressure, soil–anchor interface strength, anchor thickness, rate of clay strength increase, anchor inclination, load inclination and soil disturbance due to anchor installation were all studied. Anchor capacity is shown to increase with load inclination angle for anchors loaded through the centre of mass; greater effects are found for higher embedments. The results also show that anchor capacity improves at a decreasing rate with higher rates of increase of soil shear strength with depth. In addition, the capacity of vertically loaded anchors is shown to approximately double when the soil–anchor interface condition changes from fully separated to fully bonded. Similarly, disturbed clay strengths adjacent to the anchor following installation cause a significant reduction in anchor capacity. The results showed a significant effect of the point of load application for anchors inclined and normally loaded. The effects of other parameters, such as anchor thickness, were found to be less significant.