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[硕士论文] 金冬
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:冻结法凿井是我国煤矿穿过深厚冲积层的有效工法之一。在我国的安徽、山东和河南等矿区,深厚冲积层的底部含水层直接覆盖在煤系地层之上,随着矿井采掘生产,底部含水层出现疏水固结,地层产生沉降,从而施加给井壁一个竖向附加力,造成了这一特殊地层条件下井壁大范围破坏。为了确保井筒的安全使用,本文对冻结井筒高强钢筋混凝土井壁的竖向承载力进行研究。
  首先,通过对冻结井筒高强钢筋混凝土井壁的竖向受力进行分析,基于混凝土强度理论,推导出该种井壁结构竖向极限承载力计算公式;然后,根据相似理论基本原理,推导出井壁模型相似准则,据此进行了模型设计和制作。进行了高强钢筋混凝土井壁结构竖向承载力试验,对加载过程中钢筋混凝土的应力变形进行了测试,得到了该种井壁结构的应力、变形和承载力特性,分析了竖向荷载与应力应变之间的关系,得到了竖向加载情况下井壁结构中混凝土抗压强度提高系数,建立了该种井壁结构竖向极限承载力的经验公式;最后,采用ANSYS有限元软件对高强钢筋混凝土井壁竖向承载力特性进行了模拟计算,进一步分析了冻结井筒高强钢筋混凝土井壁的竖向受力特性。研究结果可为冻结井筒高强钢筋混凝土井壁竖向承载力分析提供参考依据。
[硕士论文] 汪涛
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着煤炭开采深度的增加,地下破碎岩体的力学特性尤为复杂,通过注浆加固技术可以有效改善破碎岩体的力学性能。传统的聚氨酯化学浆材具有良好的防渗加固性能,但是传统的聚氨酯注浆材料固化时放热量大、抗电阻燃性差,不利于煤矿安全生产,因此本文研究一种新型水玻璃/聚氨酯注浆材料,并通过试验研究其物理力学性能。
  通过物理力学试验发现:新型注浆材料固化时间随试验温度的增高而减小,反应温度随试验温度的增高而增大,当试验温度为9.6℃时,浆液的固化时间为164s,最高反应温度为81.7℃。纯浆液固结体单轴抗压强度平均值为34.15MPa。将新型注浆材料与标准砂按照不同配比混合固结,测得其单轴抗压强度随浆砂比增大而增强,当浆砂比为1∶4、1∶5、1∶6时,其对应的固结体单轴抗压强度平均值分别为45.37MPa、39.38MPa、32.03MPa。
  为了模拟工程实际,本文设计破碎岩层注浆模型模拟实际注浆过程,在模型内部填充破碎岩层模型材料,并在其内外表面安装纽扣式压力盒、热电偶串、压力表等测试元件记录注浆试验过程中压力以及温度变化,由试验结果分析可知:模型内部压力先上升后下降再趋于稳定,且内部温度和压力的分布是非均匀的,在注浆开始至10min,模型内部压力达到峰值为5.7MPa,最高反应温度达到83.2℃。在注浆模型试验完成后养护72h,对其内部加固体进行取芯,并对取芯试件进行单轴抗压、三轴压缩、单轴蠕变试验测出注浆加固体的力学性能以此来判定注浆加固效果,试验结果显示:加固体单轴最大抗压强度达到31.48MPa,最小值为15.43MPa;在5MPa围压下进行常规三轴压缩试验,测得最大破坏荷载36.9MPa,残余强度值为25MPa。本文还通过在传统的Burgers模型上串联一个弹塑性损伤元件建立Burgers三维损伤蠕变模型,并根据损伤蠕变模型对注浆加固体单轴蠕变试验曲线进行拟合,拟合效果良好,尤其对于加速蠕变阶段。
  经过本文的试验验证和理论分析,可以认为新型水玻璃/聚氨酯注浆材料性能良好,本文所做出的研究方法和得出的结论能够为今后工程实际应用提供一定的理论依据。
[硕士论文] 余跃
建筑与土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:以内蒙古唐家会煤矿副井井筒穿越石炭二叠系富含水地层施工关键技术为背景,针对富含水地层注浆堵水、井壁优化以及机械掘进技术进行研究。得出主要结论如下:
  (1)基于岩石的拟连续介质模型和综合渗透系数,采用数值计算方法,计算分析了不同渗透系数和注浆压力条件下,岩层的扩散半径和注浆量,并分别拟合出相应的计算公式,用于指导注浆设计。
  (2)根据数值计算和注浆设计,对唐家会副井累深472.6m进行工作面注浆,注入水泥1401.15吨,通过工作面及壁后注浆,副立井涌水量由25.6m3/h降至5m3/h。
  (3)基于流固耦合理论,对唐家会副井富含水注浆段井壁结构进行优化设计,该井壁采用700mm厚的C40混凝土支护结构,能够保证其满足施工与运营期间安全要求。
  (4)采用岩石分裂机配合挖掘机破碎头、人工B87C风镐破岩掘进施工以及掘砌混合作业,在不具备爆破的条件下,保证了破岩速度。在合理的劳动强度下,保证了掘进时间和成井速度,从而形成了无炸药破岩井筒快速掘砌成套技术。
  上述成果,为井筒穿越富含水地层的关键技术提供了一定的理论依据。
[硕士论文] 曾昆
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:人工地层冻结法是我国应用最为广泛的煤矿深立井特殊施工方法。在深厚表土层冻结法凿井过程中,因地下水渗流速度大,而导致冻结壁迟滞形成和难以交圈的立井冻结工程事故时有发生,进而造成较大的经济损失。由此可见,地下水流速对深立井冻结壁温度场的分布与形成具有重要影响。
  淮南潘三矿新西风井表土层采用冻结法施工,设计选用三圈管的冻结管布置方案,地下水最大流速达到7.96m/d,原冻结方案未考虑地下水渗流的影响,这无疑给该井筒的冻结法施工带来一定风险。为此,本文基于冻结温度场和渗流场的耦合数学模型,采用COMSOL Mutiphysics有限元程序,对地下水渗流条件下深立井冻结壁温度场的分布与形成规律开展研究,在此基础上,对潘三矿新西风井多圈管冻结方案进行优化。主要研究内容和成果如下:
  (1)针对潘三矿新西风井原冻结方案,对0m/d、2m/d、4m/d、6m/d和8m/d五种地下水不同渗流速度下的多圈管冻结温度场进行了数值模拟研究。无渗流(0m/d)和有渗流条件下的冻结温度场差异明显,无渗流时,冻结温度场、冻结壁整体呈对称、均匀和规则状,而有渗流时,冻结温度场及井帮温度呈现下游温度低、上游温度高、下游冻结壁厚度大、上游冻结壁厚度薄的现象。
  (2)地下水不同渗流速度下的多圈管冻结温度场计算结果表明,渗流速度越大,冻结温度场越不规则。渗流速度越大,下游区域温度越低,上游外圈、中圈冻结管之间区域温度越高,冻结壁交圈时间越长。且在相同冻结时间内,下游区域冻结壁厚度越小、冻结壁平均温度越高,冻结壁交圈时间随地下水渗流速度的增大呈指数型增长。
  (3)对潘三矿新西风井原冻结方案中最外圈主冻结管进行了优化,将左半圈均布的24个冻结孔加密6个增至30个均布冻结孔,冻结孔间距由1.674m减为1.34m。优化方案的数值模拟结果表明,在现场地下水最大流速下,冻结壁交圈时间由原冻结方案的69d提前至44d;冻结140d后,冻结壁最小有效厚度增大了2.861m。优化后的冻结方案满足预期效果。
  通过对原冻结方案的数值模拟分析、优化后冻结方案冻结效果分析,发现优化后冻结方案可有效降低地层冻结温度场上游区域的温度,减小水流上游、中游区域渗流场的水流流速,节约冻结施工的时间成本、改善冻结壁发育效果、提高冻结法施工的效率,为以后遇到地下水渗流下的冻结工程问题提供参考和依据。
[硕士论文] 许彪
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:爆破是目前岩石开挖中常用的手段。充分了解岩体的构造特点,掌握爆破能量在岩体中的传播规律,选择合适的控制爆破方案,不但可以达到预期的爆破效果,还可以提高爆破效率,有效地保证预留岩体的安全稳定性。因此,开展工程岩体爆破的特性分析以及控制爆破的研究意义重大。颗粒离散元方法是目前模拟岩体这种非线性材料相对合理的一种方法,本文在颗粒离散元软件PFC2D的基础上开展了岩石爆破过程的模拟和边坡控制爆破的模拟分析。本论文主要从以下几个方面展开研究:
  1、详细介绍颗粒流理论的基本原理,借助单轴压缩试验分析得出颗粒细观参数对模型宏观力学性质的影响规律,为细观参数的标定提供参考依据。
  2、通过室内岩石力学试验,获得了岩样的宏观力学参数,作为标定试验的基准。将颗粒离散元法数值模型的建立过程细化为4个部分进行介绍,包括颗粒集合体的生成,模型细观参数的标定,无反射边界的施加,阻尼参数的设置。
  3、利用颗粒流软件PFC2D建立了岩体数值模型,通过在炮孔壁上施加简化的爆炸荷载来模拟爆破作用。测量圆的监测结果显示,爆炸应力波在岩体内部随距起爆点距离的增大而逐渐减弱,符合应力波衰减规律。从爆破漏斗的形成效果来看,PFC能较好的再现爆破的整个过程。试验结果证明了PFC模拟爆破的合理性。
  4、运用颗粒流软件PFC2D建立了无节理与含节理岩体模型,施加简化的爆破荷载,考察了无节理岩体的爆破损伤特征,模拟所得的岩体损伤区范围与理论较一致。在此基础上对节理岩体的爆破损伤特性进行了研究,结果表明,岩体损伤半径随着节理与爆孔轴线之间夹角的增大而增大,而损伤区深度的变化并没有明显的规律可循,但相同条件下当节理与爆孔轴线夹角为90°时损伤深度最小。
  5、在分析爆破参数对光面爆破效果影响规律的基础上,结合工程实例,对新建高速公路的路堑边坡爆破开挖过程中的损伤区范围控制问题进行了模拟分析,建立了相应的控制爆破方案。
[硕士论文] 张超
安全工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:针对我国深部煤层开采存在着的瓦斯压力大、煤层透气性差以及瓦斯抽采困难的难题,以赤峪煤矿C1201工作面区域作为试验区域,采用深孔预裂爆破技术对煤层进行卸压增透。通过对国内外深孔爆破强化增透技术和机理的总结,以理论研究为基础,结合相似模拟试验的结果,将深孔预裂爆破试验方案应用于赤峪煤矿C1201工作面。最后通过考察赤峪煤矿C1201工作面实测瓦斯抽采数据,对深孔预裂爆破强化增透抽采技术在低透气性高瓦斯煤层中的适用效果进行了系统研究。本文主要完成了以下工作:
  首先通过对煤层瓦斯赋存和流动理论的分析总结,得出影响煤体吸附性能的因素有煤体本身性质、瓦斯特性以及外界因素,并对含瓦斯煤体的特性进行了分析总结。之后通过总结国内外研究现状,从理论层面上分析了深孔预裂爆破卸压增透的作用机理,探讨了爆炸冲击波、应力波、爆生气体、瓦斯压力以及控制孔的作用机理。总结得出:爆炸冲击波作用于煤体形成粉碎区并衰减为应力波,应力波作用于煤体产生大量的裂隙,遇到自由面反射拉伸进一步扩展裂隙,并在爆生气体和瓦斯压力的共同作用之下,裂隙发育的更加丰富,形成了裂隙圈;
  其次,在相似理论的指导下,根据原始煤岩的力学参数确定配比材料和方案。通过超动态应变仪和网络并行电法仪多手段检测模型裂隙发展规律。试验结果表明:炸药在煤岩交界处爆炸后,煤体在冲击波的作用下先受压、后受拉,并且随着传播距离的增大,冲击波的能量不断衰减。通过网络并行电法仪测量结果可以得知爆破后的模型电阻率急剧升高,表明煤体内部的通电道路被截断、阻隔,侧面反映裂隙在煤体内部发育良好,煤层透气性明显改善。同时确定了爆破的松动范围为4.5m。
  最后,根据赤峪煤矿C1201工作面实时测量的数据可以看出,深孔预裂爆破后的瓦斯抽采浓度是之前的1.9~3.2倍,瓦斯抽采流量为之前的1.4~2.6倍,且有效松动半径为4.5m,表明深孔预裂爆破有效的改善了煤层透气性差、瓦斯抽采困难的局面,值得推广使用。
[硕士论文] 李汉坤
安全科学与工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:深孔预裂控制爆破技术可增加煤层裂隙、提高煤层透气性,是有效防止煤与瓦斯突出的技术措施之一。而装药结构是影响深孔预裂爆破效果的关键因素之一,现阶段大多数学者对于装药结构的研究内容,多集中于不耦合装药结构的裂隙形成机理、工程实践中爆破增透效果等方面。本文通过实验室试验和数值模拟,对不同耦合系数及孔间距对爆生裂隙扩展的影响进行了试验研究,得到了煤体爆破裂隙发育效果最佳的不耦合系数,并确定了在该系数条件下控制孔的设置范围,从而为深孔预裂爆破技术参数设计提供理论基础。
  本文首先对不同耦合装药条件下,爆炸对周围煤岩体介质的初始冲击压力、煤体介质的破坏区域进行了计算,分析了粉碎区和裂隙区的范围,建立了爆破作用下爆破孔与控制孔裂隙扩展力学模型,得到了控制孔和爆破孔裂隙扩展长度。而后进行了相似配比试验,并基于该试验配比结果设计了相似模型试验,通过分析爆破试件表面及内部形成的宏观裂隙及各试验测点处的应变,结合三维显示动力分析软件ANSYS/LS-DYNA对上述试验条件下各模型的计算结果,从试验与数值模拟两个方面分析了各个试验条件对穿层钻孔煤体爆破裂隙发育的影响。
  根据相似配比试验,通过合理地调整各组分的配比,利用水泥、砂子、石膏、煤粉以及水可获得预期强度的材料。顶、底板岩层(砂子、水泥、石膏、云母粉和水)及煤层(砂子、水泥、石膏、云母粉、煤粉和水)对应的配比为:顶板岩层(6.2∶1.2∶0.8∶0.06∶0.9)、底板岩层(6.8∶1.0∶0.5∶0.08∶0.9)及煤层(3.2∶0.4∶1.0∶0.05∶2.0∶0.7)。模型试验结果表明,在爆破作用下耦合装药时形成的爆破空腔与原孔径之比最大,爆破孔的扩大约为原来的10倍,爆破孔附近形成的裂隙较为密集,但裂隙形态较短。当不耦合系数为1.5时,爆破孔的直径扩大约为原来的6.5倍,裂隙发育形态较长。当不耦合系数为2.0时,爆破孔的直径扩大约为原来的2.5倍,裂隙在长度和数目上均有所降低,裂隙发育形态较差。三组试验中,在设置的四个控制孔方向上均有裂隙贯穿,说明存在控制孔时,裂隙优先发育。数值模拟的解算结果表明:在不耦合系数为1.5的条件下,煤层裂隙发育结果最好,同时得到了在该系数条件下,控制孔至爆破孔的布置间距范围应为2.7~3.3m。
[硕士论文] 张鑫
建筑与土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:自二十世纪八十年代以来,中国黄淮地区较多采用冻结法施工的煤矿立井井筒相继发生破坏,经研究发现,因地下含水层疏水沉降而作用于立井井壁上的负摩擦力(竖向附加力)是造成冻结井筒破坏的主要原因。为此,安徽理工大学及其合作单位研制了冻结井筒竖向可缩性井壁接头,设置于冻结井筒的内层井壁中,用来衰减竖向附加力和保障立井井筒的安全。
  冻结井可缩性井壁接头虽已成功应用于多个煤矿立井井筒,但其优化设计方法值得进一步探讨。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法,基于ANSYS有限元程序,分别以祁南矿北风井和杨村矿风井的可缩性井壁接头为研究对象,对冻结井可缩性井壁接头的力学性能和优化设计方法进行了研究。其主要研究内容和成果如下:
  (1)根据祁南矿北风井和杨村矿风井的井壁结构方案,采用简化设计理论,对祁南矿北风井和杨村矿风井的可缩性井壁接头参数进行了初步设计,祁南矿北风井的井壁接头采用双立板结构形式,设置于-258m和-303m层位;杨村矿风井的井壁接头采用三立板结构形式,设置于-440m和-550m层位。
  (2)分别以祁南矿北风井-303m层位双立板井壁接头和杨村矿风井-550m层位三立板井壁接头为研究对象,采用ANSYS程序建立轴对称有限元模型,对井壁接头的力学性能进行了分析,双立板井壁接头的竖向、水平承载能力分别为22.4、28MPa;三立板井壁接头的竖向、水平承载能力分别为28、30.8MPa。
  (3)分别以祁南矿北风井-303m层位双立板井壁接头和杨村矿风井-550m层位三立板井壁接头为研究对象,采用ANSYS有限元程序,以接头的各立板厚度为设计变量,以竖向荷载作用下接头的最大Von Mises等效应力为状态变量,以接头的横截面面积为目标函数,对井壁接头进行了优化设计,从而将双立板井壁接头的外立板厚度减薄了10mm,将三立板井壁接头的外立板厚度也减薄了10mm。
[硕士论文] 李浩
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:深立井连接硐室群马头门是煤矿井筒的咽喉,处于井下的核心位置,具有设计断面大、服役年限长、受力状态复杂、巷硐布置密集、施工期间围岩反复扰动、稳定性差等一系列重要的特点。这个结构复杂的空间立体结构,相邻的硐室布置密集,在空间上存在交叉,分步开挖导致围岩应力重新分布,导致硐室群支护体系某些部位会出现应力数值过大的情况,在此处围岩的形变量也很大,影响正常的开采工作。并且由于岩石蠕变特性的存在,在开挖后围岩的变形在时间的推移过程中,围岩的变形缓慢增大,这一变形对支护系统的影响较大。因此研究深立井连接部位硐室群的结构变形以及施工过程中的反复扰动和岩石的蠕变变形具有重要研究意义。
  本文通过数值模拟泊江海子矿区副井连接硐室群围岩在分步开挖和岩石蠕变特性的基础上,基于硐室群开挖支护理论、岩石蠕变本构模型,分析其应力、变形和塑性区范围变化,发现:(1)管子道与马头门巷道先后开挖,应力释放区域出现重叠,使得管子道底板出现底臌现象,底板应力值达30.5MPa。(2)该硐室群巷道中间区域应力集中现象较为严重,在管子道和马头门中部和井筒外侧15m以及马头门顶板上部围岩17m处形成应力释放区。(3)揭示了硐室群分步施工过程中围岩变形规则、应力布局规则以及考虑岩石蠕变特性下围岩变形规律和应力、应变分布规则。并得出围岩因蠕变影响导致竖向位移由93.39mm增加至925mm,通过模型关键点的蠕变曲线得知围岩的位移变化趋势为逐渐减小,最后趋于稳定。
[硕士论文] 王东东
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:钻井法凿井是煤矿井筒穿越深厚冲积层的最有效工法之一。随着钻井井筒直径的加大,为抵御深厚冲积层强大的水土压力作用,必须要采用更高强度的井壁结构。但由于受到施工设备起吊能力的限制,这就限制了井壁厚度的增加,成为大直径钻井井筒的一大支护难题。为此,本论文以淮南某矿西进风井为工程背景,开展了大直径、厚度相对较薄的双层钢板高强混凝土复合井壁研究及应用工作。
  首先,在理论分析方面,假设钢板服从Mises准则、混凝土采用Coulomb-Mohr强度准则,理论分析得到该种井壁结构的极限承载力。然后,根据相似理论,推导得模型试验的相似准则,通过模型设计,对双层钢板高强混凝土复合井壁结构进行模型试验,得到该种井壁结构的应力、变形和强度特性,并根据试验结果、基于结构分析和极限平衡条件,建立了大直径、厚度相对较薄的双层钢板高强混凝土复合井壁结构的极限承载力公式。其次,基于ABAQUS有限元软件,建立了计算分析模型,并对该结构模型进行了数值分析,得到了双层钢板高强混凝土复合井壁承载力与各影响因素之间的关系,又根据计算所得结果,回归得到大直径钻井井筒钢板混凝土复合井壁承载力回归公式。最后,在井壁施工现场进行了内、外力监测,得到了侧向压力和混凝土的应力值,为大直径钻井井壁的设计和施工提供了依据。
[硕士论文] 周松柏
建筑与土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:煤矿井筒是矿山开采地面与井下运输的“咽喉”,对矿井安全生产至关重要。1987年以来,我国黄淮和东北地区已有200多个立井井筒相继发生破损,严重威胁矿井生产安全,造成重大经济损失。本文针对山东巨野矿区郭屯矿厚表土薄基岩地层井筒出现一种表土段井筒偏斜与竖向压缩变形共存的新破损形态,在工业广场内对在役主、副、风3个井筒进行地面地层注浆治理时,存在高压注浆对邻近在役井筒安全威胁的重大技术难题,以郭屯矿为工程背景,研究其在役井筒实际受力状态和安全预警值设定方法,为科学选定注浆孔布置、注浆压力等设计参数,实时监控井筒受力状态,确保地面注浆过程中的矿井生产安全具有重要的意义。
  本文采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法,首先,系统分析了郭屯矿井筒工程地质与水文地质条件,以及主、副、风3个井筒偏斜破损状况,探究了导致井筒偏斜破损的致因;其次,根据井筒偏斜实测结果,建立相关计算模型,对井筒实际受力状态进行了分析;再次,根据地面注浆特点,分多种井筒地面注浆受力工况,对注浆过程中井筒受力状态进行了数值模拟;最后,基于现行相关规范(程),结合井筒监测,给出了井筒运行状态预警值。从而,为该矿井筒地面注浆治理实时监测监控提供了安全保障。
[硕士论文] 张天经
建筑与土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:煤炭是中国最主要的能源之一,低透性煤层瓦斯的瓦斯抽采效率低、施工周期长严重制约着安全生产,通过深孔预裂爆破增透技术可以提高瓦斯的抽采效率,提高生产效率、保障生产安全。
  论文基于爆破破岩机理,通过采用理论分析、ANSYS有限元软件模拟分析和现场工业试验相结合的研究手段,对某矿低透气性煤层深孔预裂控制爆破方案和参数进行研究,得到不同耦合系数、有无空孔、不同封孔长度和炮孔间距等参数时炮孔周围裂纹扩展情况,并通过现场试验予以验证。主要研究结论如下:
  1)在相同的炮孔直径时,随不耦合系数的减小裂隙长度逐渐增大,不耦合系数由2.1减小至1.2,增长趋势越来越缓慢。炮孔直径75mm、药卷直径63mm时,炮孔周围裂隙发育程度最佳。
  (2)炮孔间的空孔(控制孔)的存在可以诱导爆生裂隙向空孔位置扩展,进而增大裂隙扩展范围,随着爆破药量的增加作用越明显。对于炮孔直径75mm、药卷直径63mm的爆破,爆破孔与空孔最佳间距为3.5m,孔间距过小会造成塌孔现象,孔间距过大不利于生成贯穿控制孔的主裂纹,不利于整体煤层裂隙的相互连通。
  (3)双孔爆破同时起爆相对于单孔爆破,破碎区裂隙密度增大70%,有利于提高煤层内部的通透性,保证抽采效果。
  (4)现场应用结果表明,实施深孔预裂爆破后14天内比爆破前14天的百米钻孔瓦斯流量提高了6倍多,相同百米抽采孔在工程试验后抽采瓦斯极限值比试验前的极限值提高了5.65倍,应用取得了良好的效果。
[硕士论文] 吴启仁
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:自从进入二十一世纪以来,我国经济的发展随着时间的推进而发生着越来越大的改变与进步,而经济发展的前提离不开能源物质的支撑。煤炭,作为一项基础能源,仍然是工业发展的主要能源。但是最近年来,围绕着能源的问题的愈加的紧张,从而高产、高效以及安全的开采要求对煤炭这一行业领域的发展提出了较为苛刻的条件,因此,地层深部的煤层开采越来越受到煤炭企业的青睐。在地下深部煤炭的开采的过程当中,煤层的厚硬顶板的安全有效的冒落,是科研人员亟待解决的研究问题。
  为了解决地下深部煤层开采过程中,厚硬顶板随着工作面开采推进时,出现的大面积悬顶等一系列问题,本文选取林华煤矿2098工作面为研究背景,以工作面巨厚砂岩顶板为研究的对象,在科研人员多次实地的勘察调研的前提下,采用了理论分析,以及现场试验相结合的研究方法,详细地对工作面巨厚砂岩顶板的弱化方案进行系统的研究,经过试验研究,分析得出2098工作面巨硬砂岩顶板在深孔预裂爆破前后工作面顶板矿压显现的特征规律。
  经现场试验研究结果表明,本次爆破设计较为合理地对巨厚砂岩顶板实现了预裂破断,使得厚硬顶板的冒落性得以改善,让工作面上层原本难以冒落的顶板,成功的转化为可冒顶板。同时,实测效果表明,本次深孔预裂爆破显著减少了采空区上方的悬顶面积,削弱了顶板的来压强度,完成了对工作面上宏观矿压显现的有效控制,论证了本弱化方案对工作面巨厚顶板的控制性放顶的可行性。
  本文所研究的超前深孔预裂爆破方面的设计,其技术和方法,可以为类似地质条件下的其他地区的工程项目提供一定的参考和借鉴作用。
[硕士论文] 陈成
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:在实际的地下工程中,矩形巷道作为矿井下常见的一种巷道,由于其具有掘进施工相对简单、成巷速度快、有利于采煤工作面端头支护和回采工作面的快速推进等优点,在我国煤矿井下广泛使用。目前,关于圆形巷道变形破坏特征的研究已经形成了比较完整的理论分析体系,而对矩形巷道围岩受力与变形破坏的理论研究相对较少。因此,对矩形巷道围岩受力与变形破坏机理进行系统深入的研究具有十分重要的理论意义和工程意义。本文通过理论分析与数值模拟的方法,研究了矩形巷道围岩应力分布规律及塑性区宽度与形态的问题,得出了以下主要成果:
  (1)基于复变函数理论,运用保角变换的方法,得出了矩形巷道外围岩到复平面单位圆上的映射函数,推导出矩形巷道围岩应力的表达式,进一步的分析了宽高比、侧压系数及巷道埋深改变时矩形巷道围岩的应力的变化规律。
  (2)通过FLAC3D软件模拟了宽高比和侧压系数不同的情况下矩形巷道围岩应力分布、巷道项底板及两帮位移变形,系统的分析了矩形巷道围岩的变形破坏受侧压系数和巷道宽高比的影响变化规律。
  (3)基于极限平衡理论和应力平衡原理,推导出了Zienkiewicz-Pande准则下矩形巷道围岩塑性区宽度的解析解;通过算例分析,进一步的分析巷道宽度、原始地应力、岩体的内聚力与内摩擦角等参量改变时巷道围岩塑性区宽度的变化规律。通过将本文的Zienkiewicz-Pande准则解与Drucker-Prager准则解和Mohr-Coulomb准则解进行了比较,验证了Zienkiewicz-Pande准则解的正确性,得出了当运用不同屈服准则对矩形巷道塑性区宽度进行计算时结果会在量值有一定差异。通过FLAC3D软件对矩形巷道进行了模拟,进一步分析了宽高比和侧压系数变化时对巷道围岩塑性区分布形态的影响规律。
[硕士论文] 徐海洋
地质工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:深厚表土层中煤矿井筒的变形破坏是黄淮地区普遍存在的一种矿山工程地质灾害,而井筒作为煤矿中最重要的井巷工程,肩负着煤矿整个生产系统的安全保障,其对煤矿的重要性不言而喻。近年来皖北矿区已有多个煤矿出现过非采动条件下不同程度的井筒变形或破坏现象,在给煤矿造成巨大经济损失的同时也给煤矿安全生产带来严重威胁。因而针对井筒的变形破坏这一工程问题开展相应的研究不仅具有理论价值,更具有重要的实际应用意义。
  临涣矿区任楼煤矿副井井壁自发生变形破坏后已严重干扰煤矿的正常生产。为弄清该矿副井井壁变形破坏机理,并在此基础上给出适当的治理措施,本文先从任楼矿副井变形破坏的特征入手,通过现场实测、理论分析与数值模拟等方法,开展相关研究,取得主要成果如下:
  (1)基于任楼矿副井周边松散层地质及水文地质条件的研究,分析了工业广场地面水源井取水及地下开采等活动造成的松散含水层水位及工业广场与副井四周地面沉降的变化情况,研究了松散含水层失水与地面沉降二者之间的内在联系,给出了副井井壁变形破坏机理的理论分析;
  (2)构建了任楼矿副井变形破坏的工程地质模型,借助数值模拟计算的结果,分析了松散层失水与井壁最大竖直附加应力的相关性,并得到了具体的拟合公式。而且数值模拟的研究结果也验证了副井变形破坏机理的理论分析结果;
  (3)根据井筒变形破坏的已有的治理方法、技术及经验,结合任楼矿副井变形破坏的实际情况,对副井实施了槽钢井圈加固和注浆加固等工程修复的治理措施,有效缓解了井壁竖直附加应力的增大,取得了良好的治理效果。此外,还从矿区水源井的取水区域、取水层位及矿井水资源的利用等角度,提出了防止地层疏水沉降的治本建议。
[硕士论文] 卢祁
地质资源与地质工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:为了研究煤与瓦斯突出过程,把构造煤作为煤与瓦斯突出的物性基础,建立煤与瓦斯一维持续渗透失稳破坏的数学模型。基于已建立的一维渗透失稳判别式,假定煤壁背景气压以指数规律衰减,结合理想气体状态方程、气体运动方程(达西定律)和连续性方程建立含瓦斯煤体一维持续渗透失稳数学模型。
  采用有限差分法对所建立含瓦斯煤体一维持续渗透失稳数学模型进行求解,分析煤层初次失稳和持续分层失稳过程。计算结果表明:煤层渗透率越大、背景气压消散越慢,则失稳分层厚度越大,分层失稳间隔时间越大;煤壁背景气压消散速率越快,突出强度越大。
  为了研究煤壁背景气压消散速率对突出强度的影响,采用自制实验装备进行密闭门揭煤实验、砂砾石反滤层揭煤实验、金属栅栏揭煤实验和巷道无障碍揭煤实验。四种揭煤实验均采用经15MPa压力压实的煤样,煤样总质量为35kg,突出后的松散煤样质量分别为0.30kg、1.80kg、5.36kg和23.88kg,突出后的松散煤样质量占总质量比分别为0.85%、5.10%、15.3%和68.4%。实验结果表明:密闭门揭煤实验、反滤层揭煤实验、金属栅栏揭煤实验和巷道无障碍揭煤实验的突出强度依次升高。
[硕士论文] 李锐阳
土木工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:结合人工地层冻结技术在矿井建设中的杰出应用,两淮地区新建矿井穿越表土层的厚度不断增加。本文通过冻土的理论分析、人工冻土水热迁移的试验探究以及结合工程实例的双圈管冻结模型的数值模拟三种方式,对深厚地层土壤水热迁移规律进行系统的研究。结果对于掌握深厚地层土体的水热迁移规律以及深部矿井建设具有一定指导的意义。
  通过自行研制的一套能够进行大体积土样试验的冻胀试验装置,针对深厚冲积层黏土的含水率和冷端温度两个因素进行了补水条件下的单向冻结试验,通过试验得到了土壤冻结过程中不同高度处各土层温度场、水分场以及位移场的发展变化规律。对于深厚冲积层含水率相同的土体,冻结温度越低,温度场达到稳定的时间越快;冻结温度相同时,土体的含水率越大,温度场稳定所需要的时间越长;在同一冻结温度下,含水率越大的土体冻结锋面移动越慢;土体含水率相同时,冻结温度越低,冻结锋面移动速率越快;在对土体单向冻结过程中,靠近冷源的土体,基本发生的是原位冻结,水分迁移量很小,随着冻结锋面的向上推进,水分不断地向冻结锋面处迁移,冻结完成后,土体中仍有未冻水的存在;测试土体冻后含水率,可以发现,在相同冻结温度下,初始含水率大的,水分迁移量大,初始含水率相同时,冻结温度越高,水分迁移量越大,含水率最大值位置都在冻结锋面附近;在一定含水率范围内,冻结温度相同时,冻胀率随着土体含水率的增加,呈线性分布,含水率越大冻胀率越大;在一定冻结温度范围内,土体初始含水率相同时,土体冻胀率随着冷端温度的升高,呈线性分布,冷端温度越高冻胀率越小。
  利用COMSOL Multiphysics模拟了两种模式下的双圈管冻结工程,并与现场实测值进行了对比分析,通过比较可以发现,冻结管偏斜对温度场以及冻结壁的发展具有较大影响,冻结管无偏斜时,冻结交圈较有偏斜时较早;模拟的温度场与冻结壁的发展规律与实测规律大致趋势基本相同,计算数据非常接近。结果表明利用COMSOL Multiphysics模拟双圈管冻结过程中温度场的发展是可靠的,对深部矿井建设具有一定的指导意义。
[硕士论文] 沈泽宏
建筑与土木工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:钻井技术在煤矿行业的不断进步下也不断地创新和发展,其中井壁结构的稳定性一直是科研人员探讨的热门话题。为了研究井壁结构与土层及地下水之间相互作用的力学性能,需要借助三轴高强井壁实验加载装置来进行模拟实验。三轴高强井壁实验加载装置是通过模拟地下井壁受力变化时的各种力学性能,借助计算机程序对其进行数据统计。
  本文通过分析本校实验室原有三轴实验加载装置存在的缺陷—承载力(40MPa)的不足,提出研发承载力为60MPa的新型三轴高强井壁实验加载装置。通过对井壁模型试验加载的原理,结合原有加载装置的构成,设计出了新型三轴高强井壁实验加载装置。该装置能模拟井壁与地下土壤的接触受力情况,因此新型三轴高强井壁实验加载装置的研发为煤矿工程井壁结构力学模型实验的加载方法开拓了一种新的思维。
  本文研究主要从以下三个方面进行:
  首先介绍了《材料力学》中厚壁圆筒的弹性理论分析,利用推导出的公式对加载装置的厚壁圆筒壁厚进行了计算;而上下圆端盖厚度是通过《过程设备设计》中周边固支的圆平板理论计算的;螺钉型号数量则是参考《机械设计手册》进行计算验证的。
  其次就理论计算得出的圆筒尺寸利用ANSYS有限元软件对其选用Solid45单元进行建模分析,在60MPa压力下厚壁圆筒能满足承载力的要求但是圆筒中部出现应力集中现象,为了改善此现象对厚壁圆筒中部进行加肋处理并得出加肋的高度和厚度。
  最后从加载装置的铸造工艺方面进行了相关阐述。
  通过本次研究发现壁厚为72mm、上下平端盖85mm的厚度和12.9级M30的加固螺钉能满足预期60MPa的承载能力,另外通过数值模拟发现厚壁圆筒中部增加厚度38mm,高度100mm的肋能有效的改善简体中部应力集中的现象。
[硕士论文] 戴琛
土木工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:在深厚表土层中新建立井井筒,冻结法是有效凿井方法之一。在冻结法凿井过程中,外层井壁的受力变形特性关系到井筒施工安全,为此,进行了特厚表土层冻结井筒外壁力学特性分析研究。
  论文以淮南某矿回风井为工程背景,通过理论分析,模型试验,数值模拟相结合的方法对冻结井筒外壁在均匀荷载和不均匀荷载作用下的应力变形特性进行了研究。首先,通过理论分析得到了外层井壁在均匀冻结压力作用下和不均匀冻结压力作用下的力学特性;然后,通过相似模型试验,对外层井壁进行了均匀荷载,不均匀荷载系数为1.2和1.5情况下的加载试验,得到了外层井壁的应变和应力值,深入研究了外壁的力学特性,并得到在不均匀荷载系数为1.2情况下外层井壁的极限承载力;最后,通过对外层井壁的数值模拟,得到了外层井壁在均匀荷载和不均匀荷载系数为1.1、1.2、1.5情况下的应力值,获得了外壁的应力分布特性及其极限承载力,并与实验结果进行了对比分析。
[硕士论文] 王申杰
建筑与土木工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:在煤矿深立井冻结法施工中,冻结管偏斜的现象较为普遍,冻结管偏斜对冻结壁的形成过程会造成一定影响,同时会影响立井井壁冻结压力的分布。为此,本论文以朱集矿风井井筒冻结法施工为工程背景,取该井筒的320m层位,依据该层位的冻结管偏斜实测数据,对比冻结管实际偏斜和无偏斜两种情况,采用有限元程序ABAQUS,对该层位冻结壁温度场和冻结压力的分布规律进行了研究。主要得到以下结论:
  (1)冻结管偏斜在很大程度上会延长冻结壁的交圈时间;冻结管偏斜对井帮温度和冻结壁厚度具有很大的影响,在不考虑冻结管偏斜情况下,井帮温度和冻结壁厚度呈现出均匀分布,在考虑冻结管偏斜情况下,井帮温度和冻结壁厚度呈现出明显的不均匀分布;
  (2)冻结管偏斜在很大程度上影响着井壁的冻结压力分布,在不考虑冻结管偏斜的情况下,井壁冻结压力为1.106MPa;在考虑冻结管偏斜的情况下,井壁冻结压力为1.085~1.851MPa。
  (3)通过井壁冻结压力的数值模拟和现场实测结果对比分析,表明冻结管偏斜对冻结压力的非均匀分布具有一定的影响。冻结压力实测值与数值模拟值具有一定差异,是因为影响冻结压力的因素很多,比如深度、土体性质、土体含水量、施工工艺、井筒开挖荒径的不均匀性等,因此,在冻结法凿井施工中,应严格控制冻结管的偏斜。
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