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深部采矿岩石力学进展
被引量:
29
1
作者
何满潮
武毅艺
+1 位作者
高玉兵
陶志刚
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第1期75-99,共25页
随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积...
随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题,论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展,主要包括:(1)提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法,进行了千米深井现场工程应用;(2)构建了深部“非均压建井”模式,研发了实现深井稳定提升的SAP系统,形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法;(3)研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统,揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性;(4)研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统,阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为;(5)提出了深部巷道开挖补偿支护理论,进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术;(6)研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统,提出了热害治理和热能资源化利用方法,建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用,可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。
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关键词
深部开采
岩石力学
110/N00工法
巷道变形
围岩控制
矿井热害
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职称材料
弹-塑性基础边界一侧采空基本顶板结构初次破断研究
被引量:
16
2
作者
陈冬冬
武毅艺
+4 位作者
谢生荣
何富连
孙耀辉
石松豪
蒋再胜
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2021年第10期3090-3105,共16页
为了研究一侧采空条件下基本顶板结构的破断规律,构建考虑煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性变形的基本顶板结构力学模型,全面计算探究了侧方采空条件下基本顶板在煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态等。结论如下:①煤柱区基本顶...
为了研究一侧采空条件下基本顶板结构的破断规律,构建考虑煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性变形的基本顶板结构力学模型,全面计算探究了侧方采空条件下基本顶板在煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态等。结论如下:①煤柱区基本顶的破断形态有3类且随着基本顶厚度h、弹性模量E及弹性煤体基础系数kt增大,而煤柱宽度Lm与煤柱基础系数ksm、煤体塑化范围Lts与塑化程度ξs及跨度L减小时的破断形态变化规律为“单一连续长弧形”→“临界对接双长弧形”→“分隔式双短弧形”;②Lm及ksm主要影响煤柱区基本顶的破断位态;Lm及ksm增大,实体煤区主弯矩减小;③实体煤区基本顶破断位态有5类且随着h,E及ξs增大,而Lts,kt及L减小时的断裂模式演变规律为:“长边与短边断裂线均处于塑化煤体区”→“长边断裂线处于塑化煤体区而短边处于煤体弹塑性分界区”→“长边断裂线位于塑化煤体区而短边断裂线位于弹性煤体区”→“长边断裂线位于煤体弹塑性分界区而短边断裂线位于弹性煤体区”→“长边与短边断裂线均处于弹性煤体区”,存在长边与短边断裂线同时位于煤体弹塑性分界区的情况;④h,E及Lts较大而L及kt较小时,破断顺序为:中部(靠近煤柱侧)→长边(3类位置)→短边(3类位置)→煤柱侧(3类位置);⑤整体破断形态分为3类且随着h,E及kt增大,而Lm,ksm,Lts,ξs及L减小时,整体破断形态的变化模式为:闭合贯通式“非对称■-非对称X”型→临界贯通式“非对称■-非对称X”型→开口非贯通式“非对称■-非对称X”型。针对研究一侧采空基本顶板结构破断的3类力学模型,从模型特征、破断影响因素、初次破断位置、煤柱侧破断形态、实体煤侧破断位置、整体断裂位态及工程指导意义共7个方面,总结对比了“三边固支+简支模型”(第1类)、“三边弹性基础+考虑煤柱宽度和支撑能力的单一塑化模型”(第2类)与建立的“三边弹塑性基础+考虑煤柱宽度和支撑能力的双重塑化模型”(第3类)的重要区别。
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关键词
一侧采空
弹-塑性基础
初次破断
板结构
基本顶
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职称材料
长边采空与弹-塑性软化基础边界基本顶薄板初次破断研究
被引量:
6
3
作者
陈冬冬
郭方方
+4 位作者
武毅艺
谢生荣
何富连
刘瑞鹏
吴朝文
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2022年第4期1473-1489,共17页
为研究长边煤柱(采空)条件下基本顶板结构的破断规律及工程价值,构建考虑长边煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性软化特性的基本顶板结构力学模型,全面计算探究该条件下基本顶板在长边煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态,并从6个层...
为研究长边煤柱(采空)条件下基本顶板结构的破断规律及工程价值,构建考虑长边煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性软化特性的基本顶板结构力学模型,全面计算探究该条件下基本顶板在长边煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态,并从6个层面、3个区域与传统模型对比,阐述模型所得新结论及意义。结论如下:①长边煤柱宽度与承载能力可显著影响实体煤区基本顶主弯矩大小及初次破断顺序,但是对实体煤区基本顶破断线所处区位(弹性区、塑性区、弹塑性分界区)影响小,长边煤柱也可显著改变基本顶在煤柱区的破断位态(3类),且随基本顶的弹性模量E及基本顶厚度h增大,长边煤柱的支撑系数k_(cm)、宽度L_(cm),实体煤的塑化范围L_(t-s)、塑化程度k_(s-0)、弹性煤体基础系数k_(tt)及工作面跨度L_(d)减小,其演变模式为:1条连续“长直线+两端短弧线”型(CM-N式)→2条临接对称“直线+短弧线”型(CM-L式)→2条大间距对称“短弧线”型(CM-D式);②实体煤的长边与短边区基本顶破断线的区位特征有5类,且随着E及h增大,L_(t-s),k_(s-0),k_(tt)及L_(d)减小时的演变规律为:长、短边破断线均处于塑化煤体区→长边破断线在煤体弹塑性分界区、短边破断线在塑化煤体区→长边破断线在弹性煤体区、短边破断线在塑化煤体区→长边破断线在弹性煤体区、短边破断线在弹塑性分界区→长边与短边破断线均在煤体弹性区;③基本顶的整体破断模式有3类,且随E及h增大,k_(cm),L_(cm),L_(t-s),k_(s-0),L_(d)及k_(tt)减小时的演变模式为:闭合断裂圈非对称“■-X”型→临接闭合断裂圈非对称“■-X”型→开口局部断裂圈非对称“■-X”型。针对研究长边煤柱(采空)基本顶板结构破断的3类力学模型,从6个层面对比了模型的重要区别,从3个区域(长边煤柱区、短边区、长边区)阐明了其工程价值。
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关键词
基本顶
长边煤柱
一侧采空
弹-塑性基础
初次破断
板结构
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职称材料
深井嵌套式变截面巷道交岔点稳定性控制研究
被引量:
12
4
作者
武毅艺
谢生荣
张玉
《矿业科学学报》
CSCD
2022年第6期720-729,共10页
深部矿井中,保持具有长服务年限的开拓巷道围岩稳定性十分重要,而井底车场中常存在两交岔点近距离连接使用的情形,在深部软岩环境下易出现大变形、支护失效等问题。以某煤矿嵌套式变截面巷道交岔点组围岩控制为工程背景,通过现场调研、...
深部矿井中,保持具有长服务年限的开拓巷道围岩稳定性十分重要,而井底车场中常存在两交岔点近距离连接使用的情形,在深部软岩环境下易出现大变形、支护失效等问题。以某煤矿嵌套式变截面巷道交岔点组围岩控制为工程背景,通过现场调研、地质勘查明晰了其具有3.9 m近距离嵌套式连接结构、变截面和大断面的属性及大范围穿层的特性,分析了在深部流变围岩下原支护方案失效的原因。为此进行精细化数值建模分析,得到主巷在三角岩柱侧的应力沿轴向存在“降低—叠加—恢复”的应力分区,两巷交叉角度越小,区域在轴向的距离越长,支承压力峰值及范围越大;变截面段随着截面的逐渐增大,围岩应力集中范围在横向与竖向均增大;塑性区在连接段发生多重叠加,宽度增加两倍以上,同时存在明显的穿层不连续状况,其范围在变截面巷道段及连接段急剧扩大。由此提出以中空注浆锚索为主的分段锚注强化控制方案,并经现场窥视与监测,加强支护有效保障了深井交岔点组围岩的稳定。
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关键词
嵌套式
变截面
巷道交岔点
穿层巷道
精细化建模
锚注支护
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职称材料
题名
深部采矿岩石力学进展
被引量:
29
1
作者
何满潮
武毅艺
高玉兵
陶志刚
机构
中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室
中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院
吉林大学建设工程学院
出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第1期75-99,共25页
基金
国家自然科学基金资助项目(52204164)
国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600900)
中央高校基本科研业务费资助项目(2023ZKPYSB01)。
文摘
随着煤炭开采日益向深部发展,深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下,深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题,论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展,主要包括:(1)提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法,进行了千米深井现场工程应用;(2)构建了深部“非均压建井”模式,研发了实现深井稳定提升的SAP系统,形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法;(3)研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统,揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性;(4)研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统,阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为;(5)提出了深部巷道开挖补偿支护理论,进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术;(6)研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统,提出了热害治理和热能资源化利用方法,建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用,可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。
关键词
深部开采
岩石力学
110/N00工法
巷道变形
围岩控制
矿井热害
Keywords
deep mining
rock mechanics
110/N00 mining method
roadway deformation
surrounding rock control
underground thermal disaster
分类号
TD31 [矿业工程—矿井建设]
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职称材料
题名
弹-塑性基础边界一侧采空基本顶板结构初次破断研究
被引量:
16
2
作者
陈冬冬
武毅艺
谢生荣
何富连
孙耀辉
石松豪
蒋再胜
机构
中国矿业大学(北京)能源与矿业学院
出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2021年第10期3090-3105,共16页
基金
国家自然科学基金资助项目(52004286,51974317,52074296)。
文摘
为了研究一侧采空条件下基本顶板结构的破断规律,构建考虑煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性变形的基本顶板结构力学模型,全面计算探究了侧方采空条件下基本顶板在煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态等。结论如下:①煤柱区基本顶的破断形态有3类且随着基本顶厚度h、弹性模量E及弹性煤体基础系数kt增大,而煤柱宽度Lm与煤柱基础系数ksm、煤体塑化范围Lts与塑化程度ξs及跨度L减小时的破断形态变化规律为“单一连续长弧形”→“临界对接双长弧形”→“分隔式双短弧形”;②Lm及ksm主要影响煤柱区基本顶的破断位态;Lm及ksm增大,实体煤区主弯矩减小;③实体煤区基本顶破断位态有5类且随着h,E及ξs增大,而Lts,kt及L减小时的断裂模式演变规律为:“长边与短边断裂线均处于塑化煤体区”→“长边断裂线处于塑化煤体区而短边处于煤体弹塑性分界区”→“长边断裂线位于塑化煤体区而短边断裂线位于弹性煤体区”→“长边断裂线位于煤体弹塑性分界区而短边断裂线位于弹性煤体区”→“长边与短边断裂线均处于弹性煤体区”,存在长边与短边断裂线同时位于煤体弹塑性分界区的情况;④h,E及Lts较大而L及kt较小时,破断顺序为:中部(靠近煤柱侧)→长边(3类位置)→短边(3类位置)→煤柱侧(3类位置);⑤整体破断形态分为3类且随着h,E及kt增大,而Lm,ksm,Lts,ξs及L减小时,整体破断形态的变化模式为:闭合贯通式“非对称■-非对称X”型→临界贯通式“非对称■-非对称X”型→开口非贯通式“非对称■-非对称X”型。针对研究一侧采空基本顶板结构破断的3类力学模型,从模型特征、破断影响因素、初次破断位置、煤柱侧破断形态、实体煤侧破断位置、整体断裂位态及工程指导意义共7个方面,总结对比了“三边固支+简支模型”(第1类)、“三边弹性基础+考虑煤柱宽度和支撑能力的单一塑化模型”(第2类)与建立的“三边弹塑性基础+考虑煤柱宽度和支撑能力的双重塑化模型”(第3类)的重要区别。
关键词
一侧采空
弹-塑性基础
初次破断
板结构
基本顶
Keywords
one side goaf
elastic-plastic foundation
first fracture
plate structure
main roof
分类号
TD325 [矿业工程—矿井建设]
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职称材料
题名
长边采空与弹-塑性软化基础边界基本顶薄板初次破断研究
被引量:
6
3
作者
陈冬冬
郭方方
武毅艺
谢生荣
何富连
刘瑞鹏
吴朝文
机构
中国矿业大学(北京)能源与矿业学院
出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2022年第4期1473-1489,共17页
基金
国家自然科学基金资助项目(52004286,51974317,52074296)。
文摘
为研究长边煤柱(采空)条件下基本顶板结构的破断规律及工程价值,构建考虑长边煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性软化特性的基本顶板结构力学模型,全面计算探究该条件下基本顶板在长边煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态,并从6个层面、3个区域与传统模型对比,阐述模型所得新结论及意义。结论如下:①长边煤柱宽度与承载能力可显著影响实体煤区基本顶主弯矩大小及初次破断顺序,但是对实体煤区基本顶破断线所处区位(弹性区、塑性区、弹塑性分界区)影响小,长边煤柱也可显著改变基本顶在煤柱区的破断位态(3类),且随基本顶的弹性模量E及基本顶厚度h增大,长边煤柱的支撑系数k_(cm)、宽度L_(cm),实体煤的塑化范围L_(t-s)、塑化程度k_(s-0)、弹性煤体基础系数k_(tt)及工作面跨度L_(d)减小,其演变模式为:1条连续“长直线+两端短弧线”型(CM-N式)→2条临接对称“直线+短弧线”型(CM-L式)→2条大间距对称“短弧线”型(CM-D式);②实体煤的长边与短边区基本顶破断线的区位特征有5类,且随着E及h增大,L_(t-s),k_(s-0),k_(tt)及L_(d)减小时的演变规律为:长、短边破断线均处于塑化煤体区→长边破断线在煤体弹塑性分界区、短边破断线在塑化煤体区→长边破断线在弹性煤体区、短边破断线在塑化煤体区→长边破断线在弹性煤体区、短边破断线在弹塑性分界区→长边与短边破断线均在煤体弹性区;③基本顶的整体破断模式有3类,且随E及h增大,k_(cm),L_(cm),L_(t-s),k_(s-0),L_(d)及k_(tt)减小时的演变模式为:闭合断裂圈非对称“■-X”型→临接闭合断裂圈非对称“■-X”型→开口局部断裂圈非对称“■-X”型。针对研究长边煤柱(采空)基本顶板结构破断的3类力学模型,从6个层面对比了模型的重要区别,从3个区域(长边煤柱区、短边区、长边区)阐明了其工程价值。
关键词
基本顶
长边煤柱
一侧采空
弹-塑性基础
初次破断
板结构
Keywords
main roof
long side coal pillar
one side gob
elastic-plastic foundation
the first fracture
plate structure
分类号
TD325 [矿业工程—矿井建设]
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职称材料
题名
深井嵌套式变截面巷道交岔点稳定性控制研究
被引量:
12
4
作者
武毅艺
谢生荣
张玉
机构
中国矿业大学(北京)能源与矿业学院
北京市应急管理事务中心
出处
《矿业科学学报》
CSCD
2022年第6期720-729,共10页
基金
国家自然科学基金(52074296)。
文摘
深部矿井中,保持具有长服务年限的开拓巷道围岩稳定性十分重要,而井底车场中常存在两交岔点近距离连接使用的情形,在深部软岩环境下易出现大变形、支护失效等问题。以某煤矿嵌套式变截面巷道交岔点组围岩控制为工程背景,通过现场调研、地质勘查明晰了其具有3.9 m近距离嵌套式连接结构、变截面和大断面的属性及大范围穿层的特性,分析了在深部流变围岩下原支护方案失效的原因。为此进行精细化数值建模分析,得到主巷在三角岩柱侧的应力沿轴向存在“降低—叠加—恢复”的应力分区,两巷交叉角度越小,区域在轴向的距离越长,支承压力峰值及范围越大;变截面段随着截面的逐渐增大,围岩应力集中范围在横向与竖向均增大;塑性区在连接段发生多重叠加,宽度增加两倍以上,同时存在明显的穿层不连续状况,其范围在变截面巷道段及连接段急剧扩大。由此提出以中空注浆锚索为主的分段锚注强化控制方案,并经现场窥视与监测,加强支护有效保障了深井交岔点组围岩的稳定。
关键词
嵌套式
变截面
巷道交岔点
穿层巷道
精细化建模
锚注支护
Keywords
nested
variable cross-section
roadway intersection
crossing layer roadway
accurate modeling
bolt and grouting support
分类号
TD353 [矿业工程—矿井建设]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
深部采矿岩石力学进展
何满潮
武毅艺
高玉兵
陶志刚
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024
29
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职称材料
2
弹-塑性基础边界一侧采空基本顶板结构初次破断研究
陈冬冬
武毅艺
谢生荣
何富连
孙耀辉
石松豪
蒋再胜
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2021
16
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职称材料
3
长边采空与弹-塑性软化基础边界基本顶薄板初次破断研究
陈冬冬
郭方方
武毅艺
谢生荣
何富连
刘瑞鹏
吴朝文
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2022
6
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职称材料
4
深井嵌套式变截面巷道交岔点稳定性控制研究
武毅艺
谢生荣
张玉
《矿业科学学报》
CSCD
2022
12
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