教学课程资源库 更多>>

关键词： 深部煤矿   强矿震   覆岩运动规律   坚硬岩层   地面水力压裂   深孔爆破  

摘要： 随着煤炭开采深度的增加,强矿震频发,严重威胁着井下矿工和地面居民的安全,影响了矿山生产力和开采效益。针对我国深部煤矿坚硬顶板下开采强矿震频发问题,本文以东滩煤矿六采区63_上06工作面深部煤层开采为工程背景,采用工程调研、现场监测、理论分析、数值模拟、工程试验等研究方法,首先,结合微震监测技术,研究了六采区已开采工作面发生的强矿震空间分布特征以及强矿震发生与地表沉降速率间的关系,基于矩张量反演理论计算了强矿震事件震源机制解,研究了煤层开采引起上覆坚硬岩层断裂特征及覆岩破裂面产状及类型;其次,基于覆岩破断运移数值仿真模型,研究了覆岩破断运移规律及工作面前方支承应力分布特征,以及覆岩破断前后能量积聚与释放的变化规律;再次,基于板理论和单广义位移厚梁力学分析法,建立了覆岩破断力学模型,研究了煤层上覆覆岩应力分布特征、覆岩破断能量演化规律及其影响因素,探讨了覆岩破断诱发强矿震的机理;最后,利用地面水力压裂远场坚硬岩层工程试验,研究了水力压裂后岩层中产生的水压裂缝空间展布特征,并在此基础上采用数值模拟的方法,对比研究了模型中有无水压裂缝两种条件下煤层开采过程中覆岩运移破裂规律、覆岩破断高度、工作面前方支承应力及能量分布规律,同时基于井下深孔爆破近场坚硬岩层工程试验,对比研究了深孔爆破近场坚硬岩层前后强矿震的空间分布特征,研究了爆破作用过程覆岩损伤演化规律。经过上述研究,主要结论如下: (1)东滩煤矿六采区已采工作面微震监测数据表明开采期间平均约59.4%的强矿震发生在采空区单见方区域,约60%的强矿震发生在距煤层上方100m-290m的高位硬厚岩层。强矿震震源机制反演结果显示大部分强矿震事件以剪切破裂为主,剪切破裂的震源破裂面倾角普遍分布在15°以内。强矿震的发生会导致工作面前方煤层内的支承应力产生剧烈变化,促进了支承应力峰值向逐渐向煤层深处转移。煤层上方的多个坚硬岩层构成了多关键层组合,其协同破断产生矿震的波形复杂且不规则,强矿震的发生是由多个关键层链生破断的结果。 (2)覆岩破断数值模拟结果显示,煤层开采后,覆岩以悬空破断和悬伸破断渐进破坏方式向覆岩上方传递,直至煤层上覆所有关键层充分破断。当工作面开采至其岩层极限悬空、悬伸距离时,会依次发生悬空、悬伸破断,使得积聚在岩层中的弹性应变能瞬间释放。随着工作面的推进,破断区域支承应力呈下降趋势,而工作面切眼附近煤层上覆基本顶及亚关键层区域内的支承应力呈上升趋势,即破断区域内的应力向邻近的岩层或前方煤层中发生了转移。亚关键层悬空、悬伸顶板破断前后弹性能积聚与释放规律表明,亚关键层悬空顶板破断前弹性能主要积聚在悬空顶板悬空段和固定端处,而亚关键层悬伸顶板破断前弹性能主要积聚在悬伸段左上侧和固定端处。关键层悬空顶板和悬伸顶板破断后,煤层前方的弹性应变能密度整体均出现先上升后下降的趋势。 (3)覆岩悬伸破断理论模型计算结果显示,悬伸顶板瞬间破断,加之破断块体尺寸较大,易对工作面顶板造成强矿压显现。覆岩荷载与岩层的极限悬伸长度呈负相关,即随着覆岩荷载的增大,岩层的极限悬挑长度减小,岩层破断频率增加。工作面回采后,易造成上覆多关键层协同断裂运动,关键层断裂一般会以“O-X”型式呈现,形成“O-X”型破断的范围由下向上逐渐增大,形成的破断结构亦有主亚之分。主、亚关键层的破断失稳产生大能量矿震事件的分布规律与关键层破断规律较为一致。 (4)地面水力压裂岩层控制技术:水力压裂后形成的主裂缝方向基本平行于最大主应力方向,垂向水力裂缝高度范围为300m-344m,基本实现了对煤层上覆坚硬岩层的弱化。压裂过程中的微震事件显示水力压裂的实施可在岩层中形成复杂裂缝网络,有效地削弱和破坏了煤层上覆坚硬岩层,达到了提前释放坚硬岩层中积聚的弹性应变能的目的。水力压裂后,随着工作面继续推进,覆岩破断释放弹性能的强度明显减弱。水力压裂的实施,63_上06工作面强矿震(≥10～5J)发生频次降低了51.3%。水力压裂的实施并不能完全消除强矿震,但可以减少强矿震的发生次数。未预制水力裂缝数值计算结果显示,上覆坚硬岩层的垂向裂缝扩展非常不规则,裂缝所包裹的岩块较大。水力裂缝对厚硬顶板的弱化作用体现在两个方面:首先,利用水力裂缝主动切断厚硬顶板,减小了岩层破断步距;其次,随着煤层的持续开采,水力裂缝在采动应力作用下不断扩展,削弱了岩层中积聚弹性应变能的能力。 (5)井下深孔爆破岩层控制技术:井下深孔爆破前,矿震集中分布在工作面后方采空区上方,分布范围小且强矿震较为频发,小能量事件基本维持在10～3J左右;爆破后,大部分矿震向工作面前方及相邻采空区上方转移,小能量事件频发且能量提升了一个数量级(10～4J),强矿震(≥10～5J)事件明显减少,达到了“数次弱震换一次强震”的减震效果。结合工作面支架阻力监测,利用深孔爆破技术人

关键词： 导爆索   药包   排雷   AHP   自动成型  

摘要： 随着人们安全意识的提高,不再单纯采用人工排雷的方式,而是通过爆炸物将地雷引爆。因此,对清障药包的需求也相应提高。虽然,国内目前对于含有炸药与导爆索的爆炸物即清障药包的成型工艺的研究,达到了很高水平,但生产过程却还是以人工或者半自动化生产方式为主,其人工成本高、加工效率低、生产过程还存在严重的安全隐患。因此,本课题对该领域的“机器换人”进行研究,进而设计出一套高效且自动化的清障药包成型生产线,以实现从索包的供送、导爆索的合拢及缠胶固定、导爆索的切断、索包合并直至最终堆码的全流程自动化操作。本文的主要内容包括: 首先,根据其传统的加工方式,制定出清障药包自动成型生产线的工艺流程,再对整个生产线的子功能即短索供送、长索供送和索包合并三个部分中的关键模块进行方案设计,以满足清障药包自动成型生产线的功能要求。 其次,利用层次分析法(AHP)对设计方案做出评价,找到方案的最优解,从而确定了导爆索拉伸供送装置和四索转移组件的工作原理。 随后,根据确定的方案以及清障药包各环节相关参数,利用Solid Works对短索自动供送装置、长索自动供送装置和索包自动合并装置进行详尽设计,绘制出三维模型图,最终组装确定整个生产线的效果图。 最后,利用ADAMS软件对清障药包自动成型生产线中的关键结构:短索切断供送组件、四索转移组件,进行运动学仿真,确定机构的运动轨迹。仿真数据表明了两组件运动过程平稳无冲击,且加工效率满足实际生产的要求。

关键词： 无煤柱采场   厚硬顶板   切顶卸压   预裂爆破  

摘要： 无煤柱开采能够有效解决掘替紧张以及加大煤炭资源回收,但无煤柱采场连续开采时,接替面采场矿压显现要明显高于首面。针对无煤柱采场厚硬顶板强矿压显现问题,以张集矿1615A工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟以及现场应用的手段,开展无煤柱采场厚硬顶板控顶技术研究,最终达到减少采场厚硬顶板强矿压显现现象,主要研究内容及结论如下: (1)通过工程地质条件分析采场围岩结构并建立数值模拟模型,对应力场、位移场、叠合应力场进行数值模拟,得到无煤柱开采矿压显现特征。对无煤柱采场结构分析,通过关键层理论确定厚硬顶板为关键层,构建无煤柱采场厚硬顶板力学模型,推导出初次、周期来压步距表达式,揭示厚硬顶板破断距影响因素以及顶板破断形态。 (2)通过对不同控顶技术进行分析,结合1615A工作面地质条件,确定厚硬顶板控顶技术为深孔预裂爆破。分析深孔预裂爆破原理,揭示深孔预裂爆破控顶原理。通过构建预裂后顶板力学模型,得到预裂后顶板初次、周期来压步距表达式。对预裂前后顶板破断形态和破断步距做对比,验证顶板预裂能够有效缩短顶板破断步距。 (3)通过数值模拟的方法构建顶板爆破模型以及预裂后采场模型,对不同孔间距裂隙发育情况以及不同放顶高度采场矿压显现特征进行模拟,得出单孔爆破粉碎区、裂隙区半径。双孔爆破由于相互叠加的作用效果要优于单孔爆破效果,1.5m、2m孔间距均能实现裂隙贯通,达到破坏顶板整体性效果。切顶高度15m、20m、25m均能有效降低工作面前方应力集中程度,切顶高度越高,上覆岩层下沉较快,工作面应力集中程度更低,厚硬顶板岩层内应力低能量积聚小,控顶效果更好。 (4)结合1615A工作面地质条件确定预裂爆破方案并进行现场实践,现场监测数据表明:深孔预裂后,基本顶初次来压步距平均32.81m,周期来压平均步距15.98m。深孔预裂爆破能够有效的控制工作面的悬顶状态,有效缩短悬顶长度、来压步距,无碎顶片帮等现象,保障了开采的安全。 图57表11参96

关键词： 冲击反应材料   准静态压缩   霍普金森杆   力学性能   毁伤效应  

摘要： 冲击反应材料作为一种兼具优异力学性能和显著能量释放特性的多功能复合材料,在外界载荷的作用下,能够迅速发生化学反应,并释放大量能量。作为毁伤元时,冲击反应材料能够通过多种方式对目标造成毁伤。因此,各国都在积极研究和开发新型冲击反应材料。本文研究以钛锆基并添加铌、钒、铝等元素为组分,制备了冲击反应材料,并对其力学性能和毁伤威力进行研究。 首先根据Grüneisen模型和三项式物态方程,获得了冲击反应材料的物态方程,通过计算结果与实验结果对比分析,评估不同计算方法之间的差异和准确性。随后,推导了冲击反应材料的动高压条件下的温度增加的理论模型。在此基础上,采用基于温度诱发反应机制的Arrhenius模型和Avrami-Erofeev方程,建立了TiZrNbVAl材料经过动高压加载反应后的热力学模型。通过计算,得到了TiZrNbVAl材料反应度与压力和温度之间的关系。 基于万能试验机和霍普金森杆技术,系统研究了TiZrNbVAl材料的静态和动态压缩、拉伸力学性能,获得其力学性能参数。结果表明,TiZrNbVAl材料在压缩条件下表现出应变硬化现象,而在拉伸条件下则表现出应变软化现象。随着应变率的增加,材料的抗压强度与失效应变逐渐增大,显示出明显的应变率效应。最后对试验结果进行处理,得到了TiZrNbVAl材料的Johnson-Cook本构关系及其损伤参数。 通过弹道枪试验和数值模拟相结合的方法,研究了TiZrNbVAl材料毁伤元侵彻目标过程中反应的剧烈程度,碎片云形成历程及飞散形貌,以及其后效毁伤能力。分析冲击燃爆行为与撞击速度之间的关系、对反应机理做出相应阐述。最后通过静爆试验验证了TiZrNbVAl材料在破片战斗部上应用,并计算了破片的飞散角、穿透概率和杀伤半径。 本文研究成果为TiZrNbVAl材料破片战斗部结构设计提供支持,对指导未来高效毁伤战斗部技术的开发和提高武器弹药毁伤威力具有重要的现实意义和应用价值。

摘要： 你知道土行孙吗?对,他是《封神演义》里的人物,能够钻到泥土里自由行走。要是有一种深入到地下的机器,挖土掘进,那该多好啊!别急,在高科技迅猛发展的今天,这一挖掘神器已经横空出世。灵感来源于船蛆自古以来,人类都是通过建桥来解除河流天堑的阻碍,但建桥代价高,也存在交通堵塞情况,限制船只通行,还容易受天气影响,比如洪水等威胁。如果能修建地下隧道,就可以解决不少问题,既不受恶劣天气影响,也不影响船舶通行。

关键词： 薄煤层   岩石断层   数值模拟   深孔预裂爆破   模型试验  

摘要： 煤炭仍然是我国的主要消耗能源,目前大部分都是在开采中厚煤层与厚煤层而放弃薄煤层的开采,但随着采煤设备与工艺的优化,薄煤层综采技术也在不断完善,但薄煤层开采受地质条件影响问题更加突出,尤其是薄煤层开采过程遇到坚硬的岩石断层,传统的跳采或者重新开辟新的巷道,成本都较高,为解决薄煤层工作面回采过程中遇坚硬断层采煤效率低的问题,采用深孔预裂爆破技术对坚硬断层进行弱化。以山东某煤矿薄煤层综采工作面断层为工程背景,通过理论分析研究初始地应力作用下岩石爆破破裂范围和对爆破裂纹扩展的影响;根据相似准则,以强度相似为主要因素,配置模型相似材料,开展含薄煤层双孔爆破模型试验;利用数值模拟开展地应力作用下含薄煤层模型双孔爆破数值模拟;以现场实际情况开展数值模拟和深孔预裂爆破试验。得出主要结论如下: (1)在地应力作用下,爆破裂纹的扩展会受到抑制作用,地应力越大抑制作用越明显,但不会影响裂纹的发育方向;裂纹沿最大主应力方向发展,竖向裂纹长度与数量和侧向压力系数呈现反比关系,并且最长裂纹长度与侧向压力系数呈现正比关系。 (2)开展水泥砂浆制作相似模型试验,利用高速相机拍摄裂纹扩展过程,通过应变场测试技术测量应变分布特性,由动态应变测试可知在炮孔中心连线下方的应变要大于上方的应变,分析得出在爆破的瞬间水平裂纹先于竖直裂纹出现,裂纹的长度和宽度随时间增加而变宽变长。 (3)地应力作用下含薄煤层模型双孔爆破数值模拟结果表明:炮孔间距分别为7D、9D、10D、11D(D为炮孔直径)时,综合有效应力云图、爆破裂纹扩展特性,优选10D炮孔间距;根据不同断层高度爆破模拟结果,确定薄煤层会对爆破裂纹发育的影响范围,同时得出在竖直地应力一定时,竖直裂纹与水平地应力呈现幂指数衰减关系。 (4)根据现场情况进行数值模拟,选用炮孔直径为75mm,炸药直径为63mm。在单排炮孔时,炮孔间距1.2m,爆破效果最佳;双排炮孔梅花布孔,炮孔间距1.2m,排间距为1m,150后炮孔间均形成了贯穿裂纹。采用靠近煤层先起爆,能够有效扩大爆破的破碎区域,为后续的爆破提供自由面。现场预裂爆破后整个回采区域断层弱化,采煤机顺利切割回采。 图[51]表[14]参[71]