浙西荷塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征研究

付常青，朱炎銘，陳尚斌

摘要：目的：中國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程近年來迅猛發(fā)展，針對(duì)海相頁巖的研究集中在中上揚(yáng)子區(qū)，且主要為下寒武統(tǒng)筇竹寺組（荷塘組）、下志留統(tǒng)龍馬溪組以及上二疊統(tǒng)大隆組三套頁巖。地處下?lián)P子區(qū)的浙江西部下寒武統(tǒng)荷塘組頁巖因具有厚度大、TOC含量高的優(yōu)質(zhì)靜態(tài)指標(biāo)，可以作為下一步重點(diǎn)調(diào)查勘探區(qū)。因孔隙大小、體積、比表面積、形狀、空間分布以及連通性等孔隙結(jié)構(gòu)要素影響著頁巖氣的賦存特征，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的清晰認(rèn)識(shí)是明確頁巖氣富集規(guī)律的關(guān)鍵。鑒于此，本文對(duì)浙西荷塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征進(jìn)行了研究并揭示了孔隙結(jié)構(gòu)的影響因素，成果可為該區(qū)頁巖氣勘探與評(píng)價(jià)提供依據(jù)。方法：研究樣品為江山、常山及安吉地區(qū)人工開挖新鮮荷塘組粉砂質(zhì)泥巖及黑色泥頁巖，屬滯留盆地相沉積環(huán)境。頁巖孔隙分類參考國(guó)際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)方案，即大孔孔徑大于50 nm，介孔孔徑2～50 nm，微孔孔徑小于 2 nm。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)應(yīng)用Micrometrics AutoPore Ⅳ 9510；低溫N2及CO2等溫吸附實(shí)驗(yàn)采用Quantachrome Autosorb-1物理吸附儀；礦物成分測(cè)試運(yùn)用Ultima Ⅳ并參照SY/T 5163-2010標(biāo)準(zhǔn)；FE-SEM觀測(cè)運(yùn)用氬離子剖光技術(shù)和場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 200F）并配合EDAX能譜儀，所拍攝得圖片利用圖像軟件Image J進(jìn)行處理。對(duì)孔徑分布研究中數(shù)據(jù)處理方案為：大于 50 nm的大孔及 20～50 nm介孔運(yùn)用高壓壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，2～25 nm介孔運(yùn)用低溫N2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，小于2 nm的微孔運(yùn)用低溫CO2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果：（1）FE-SEM 觀測(cè)結(jié)果表明，頁巖中巖石基質(zhì)孔隙與裂縫均有發(fā)育，且以巖石基質(zhì)孔隙占主導(dǎo)。引入以圖片像素點(diǎn)灰度為識(shí)別基礎(chǔ)的Image J軟件對(duì)孔隙形態(tài)、規(guī)模及面孔率表征。荷塘組頁巖礦物基質(zhì)孔為微米至亞微米級(jí)，裂縫孔隙為微米級(jí)，有機(jī)質(zhì)孔為亞微米至納米級(jí)。荷塘組頁巖各類孔隙形態(tài)均具備分形特征，有機(jī)質(zhì)孔分維值最大，裂縫孔隙次之，礦物基質(zhì)孔最小，分別為 1.4376，1.3794和 1.0810。（2）低溫 N2與CO2吸附并結(jié)合高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，三者配合共同對(duì)樣品進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)的綜合表征。荷塘組頁巖階段孔容具有明顯差異，孔隙結(jié)構(gòu)大致可分為3類，除個(gè)別樣品外，100～10000 nm孔隙均不發(fā)育，因此缺失此階段孔隙。（3）針對(duì)頁巖中不同大小孔隙，分別引入相應(yīng)分形理論對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。荷塘組頁巖各階段孔隙均具有分形規(guī)律。孔徑大于25 nm孔隙平均分形維數(shù)為2.9860，孔徑介于4～25 nm孔隙平均分形維數(shù)為2.6339，孔徑介于2～4 nm孔隙平均分形維數(shù)為2.5854。（4）荷塘組頁巖的TOC、黏土礦物及脆性礦物含量均對(duì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。當(dāng)孔徑大于25 nm時(shí)，由于有機(jī)質(zhì)孔在較大孔徑階段孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)造成隨著TOC含量的增大，分維值增加，黏土礦物主要以礦物顆粒之間的粒間孔隙為主，隨著黏土礦物含量的增大，孔隙的分維值將逐漸減小，脆性礦物中石英、長(zhǎng)石以及黃鐵礦等礦物因會(huì)形成多種孔隙類型，使得脆性礦物含量與分維值呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)孔徑小于25 nm后，有機(jī)質(zhì)孔形態(tài)逐漸從復(fù)雜網(wǎng)狀過渡至蜂窩狀、珠狀等形態(tài)，且隨著孔徑的進(jìn)一步減小，形態(tài)更為簡(jiǎn)單，黏土礦物以層間孔隙為主，形態(tài)相對(duì)固定，兩者分形維數(shù)與含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而脆性礦物仍然因多種孔隙類型和形態(tài)，造成分形維數(shù)與其含量呈正相關(guān)關(guān)系。結(jié)論：（1）浙西荷塘組頁巖礦物基質(zhì)孔及裂縫孔屬滲流孔，有機(jī)質(zhì)孔屬吸附孔，因有機(jī)質(zhì)孔面孔率高，而礦物基質(zhì)孔及裂縫孔面孔率低，使其利于吸附氣的富集而欠缺游離氣存儲(chǔ)空間以及氣體的滲流通道；（2）由于與頁巖氣滲流密切相關(guān)的100～10000 nm孔隙基本不發(fā)育，造成荷塘組頁巖運(yùn)移連通性與滲流條件明顯較差；（3）荷塘組頁巖孔徑大于25 nm的孔隙最具多樣性，孔隙結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，4～25 nm次之，2～4 nm最簡(jiǎn)單；（4）當(dāng)孔徑大于25 nm時(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)孔徑小于25 nm時(shí)，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，此外，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與黏土礦物含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與脆性礦物含量均呈正相關(guān)關(guān)系。

來源出版物：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 45(1): 77-86

入選年份：2016

煤礦高壓噴霧霧化粒度的降塵性能研究

程衛(wèi)民，聶文，周剛，等

摘要：目的：在國(guó)內(nèi)煤礦現(xiàn)有的防塵措施中，噴霧降塵具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、實(shí)用和效果好等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于礦井噴霧降塵，它不僅要涉及噴嘴霧化的性能，還要研究霧滴與塵粒的相互作用。因此，為了提高煤礦噴霧降塵效果，從理論、實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)3個(gè)方面研究了噴霧霧化粒度的分布、霧化粒度與粉塵作用的機(jī)理、噴霧壓力與霧化粒徑之間的關(guān)系等。方法：對(duì)高壓噴霧降塵機(jī)理進(jìn)行了理論分析，采用測(cè)試范圍為5～2000 μm的Winner313激光粒度測(cè)定儀對(duì)霧化粒度進(jìn)行測(cè)定，該儀器是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測(cè)試粒度分布的。實(shí)驗(yàn)以礦井水為工質(zhì)，加壓設(shè)備將水加壓到設(shè)定的壓力后輸送到噴嘴形成噴霧，選用礦井常用的2.0，1.8，1.5，1.3，1.0 mm共5類直徑的壓力噴嘴；實(shí)驗(yàn)壓力為4，6，8，10 MPa，在不同噴霧壓力下對(duì)5類噴霧霧場(chǎng)的霧滴粒徑分散度進(jìn)行測(cè)定。噴嘴1為2.0 mm、噴嘴2為1.8 mm、噴嘴3為1.0 mm、噴嘴4為1.3 mm、噴嘴5為1.5 mm。由于噴嘴是霧化錐形體，為能描述噴嘴不同噴出斷面的粒徑，本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)采煤面噴嘴實(shí)際應(yīng)用的位置情況共選取了15個(gè)測(cè)量斷面，得到了噴嘴霧場(chǎng)不同位置的D10，D50，D90，D[3，2]，D[4，3]，Dav平均粒徑分布和680 μm以下的粒徑分布。最后通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，并指導(dǎo)礦井綜放、綜采面支架和煤機(jī)外噴霧壓力的優(yōu)選。結(jié)果：提出并驗(yàn)證了霧化粒度D50的計(jì)算式和霧化粒度捕捉最小粉塵粒度的相互關(guān)系式，分析了5種噴嘴4～10 MPa壓力下的霧化粒徑變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）5種噴嘴所成霧場(chǎng)霧化粒度的D10，D50，D90，D[3，2]，D[4，3]和Dav值均隨壓力增加而減小，壓力非常顯著地影響霧化粒度，要想獲得較好的霧化效果，須提高霧化壓力，實(shí)現(xiàn)高壓噴霧；這也就是對(duì)煤機(jī)、支架和綜掘噴霧必須加大霧化壓力的原因。（2）在相同壓力下，噴嘴孔徑越小，所形成霧場(chǎng)的霧化粒度越??；噴霧壓力在8和10 MPa壓力時(shí)，噴嘴3、噴嘴4和噴嘴5的粒徑分布曲線明顯小于噴嘴1和噴嘴2；噴嘴3、噴嘴4和噴嘴5的D50均已接近50 μm，并與理論分析得出的數(shù)學(xué)關(guān)系式較為一致。根據(jù)理論、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和綜放工作面煤塵實(shí)際測(cè)定的粒徑分布，確定了該面的噴霧降塵壓力和噴嘴型號(hào)，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，煤機(jī)外噴霧和支架噴霧壓力從2 MPa提高到8 MPa后，移架工序的全塵由 536.2 mg/m3降到 97 mg/m3。結(jié)論：（1）從理論、實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 3個(gè)方面給出高壓噴霧霧化粒度能有效降塵，提出了霧化粒度D50的計(jì)算式和霧化粒度捕捉最小粉塵粒度的相互關(guān)系式，指出噴霧霧化粒度隨壓力增加而變小的規(guī)律。（2）對(duì)于礦井噴霧降塵，它不僅要涉及到噴嘴霧化的性能，還要研究霧化液滴與塵粒的相互作用，比單純霧化更復(fù)雜。霧化粒度直接影響了噴霧降塵性能，因此，霧化粒度可作為噴霧降塵用噴嘴與壓力優(yōu)選的重要指標(biāo)，本文的研究結(jié)論可為該指標(biāo)的如何使用提供了依據(jù)。（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定了8 MPa為較優(yōu)的高壓噴霧壓力，提高了噴霧降塵效果，降低了粉塵濃度。

來源出版物：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 40(2): 185-189

入選年份：2016

掘進(jìn)面噴霧霧化粒度受風(fēng)流擾動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)研究

聶文，程衛(wèi)民，周剛，等

摘要：目的：噴霧霧化粒度的大小對(duì)捕集、沉降粉塵起著至關(guān)重要的作用。噴霧霧化粒度的大小受多種因素的影響，其中，風(fēng)流直接影響了噴嘴的霧化、降塵效果，掘進(jìn)面均為有風(fēng)作業(yè)，為此進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，以確定掘進(jìn)面風(fēng)流擾動(dòng)前后噴霧霧化粒度的變化規(guī)律。方法：設(shè)計(jì)了可仿真煤礦掘進(jìn)面風(fēng)流、噴霧等狀況的噴霧霧化粒度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基于Mie散射理論以及匯聚光傅立葉變換技術(shù)的Winner312工業(yè)噴霧激光粒度分析儀、實(shí)驗(yàn)箱、風(fēng)機(jī)、噴霧增壓泵等構(gòu)成。選用目前煤礦掘進(jìn)面常用、霧化效果較好的2種含X形導(dǎo)流芯混合壓力式噴嘴作為實(shí)驗(yàn)噴嘴，1#噴嘴為廣角旋口，孔徑1.6 mm，霧流形狀為實(shí)心圓錐；2#噴嘴為平口，孔徑1.5 mm，霧流形狀為實(shí)心圓錐。通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和噴霧泵，設(shè)定實(shí)驗(yàn)箱平穩(wěn)段內(nèi)的風(fēng)速分別為0和掘進(jìn)面的一般風(fēng)速0.4 m/s，噴霧壓力為2～8 MPa。在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部空間共設(shè)置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，以測(cè)得霧場(chǎng)的粒徑分布情況。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，（1）風(fēng)速為0時(shí)，隨著水壓的增加，1#和2#噴嘴在6個(gè)位置處的霧滴粒徑均不斷減小，說明水壓增大致使噴嘴噴射液滴的破碎程度增大，霧滴粒度隨壓力的增大而減小。在4種壓力下，2種噴嘴所成霧場(chǎng)的霧滴粒度隨與噴嘴軸向距離的減小而減小。在噴嘴所成圓錐型霧場(chǎng)的軸向橫截面上，霧滴粒度由中心向兩側(cè)不斷減小。隨著距噴嘴軸向距離、軸向橫截面中心的增大和噴霧壓力的減小，相對(duì)尺寸范圍△s呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這說明霧滴體積分布易在較大顆粒的范圍內(nèi)趨于均勻。（2）受速度為0.4 m/s的風(fēng)流擾動(dòng)影響后，霧滴粒度總體有所增大，霧滴的體積更加趨于均勻，霧滴粒度總體有所增大，相對(duì)尺寸范圍△s平均值減小了 0.06，但是，D10平均值減小了1.12%，粒徑在23 μm以下的霧滴有所增加，霧場(chǎng)軸向橫截面中心處的霧滴粒度減小了 6.38%～8.51%。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是風(fēng)流擾動(dòng)增大了霧滴發(fā)生第2次霧化的強(qiáng)度，霧滴破碎程度增大，致使霧滴粒度相對(duì)于風(fēng)速為0時(shí)有所減小，但是，風(fēng)流擾動(dòng)又增加了霧滴之間相互碰撞的概率，使霧滴相互碰撞、凝結(jié)成更大霧滴的可能性增大，這又導(dǎo)致霧滴粒度總體有所增大。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)掘進(jìn)機(jī)外噴霧系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)措施Ⅰ：采用增壓泵將水壓由2 MPa增至8 MPa，16個(gè)1#噴嘴距截割頭的距離由1.55 m移至1 m；改進(jìn)措施Ⅱ：在改進(jìn)措施Ⅰ的基礎(chǔ)上調(diào)整噴嘴的角度，使霧場(chǎng)軸向橫截面中心正對(duì)著截割頭與煤的結(jié)合部。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用以上2種措施后，相對(duì)于改進(jìn)前，全塵、呼塵的平均降塵率分別為49.4%，47.2%和60.5%，62.8%。結(jié)論：（1）風(fēng)流影響了掘進(jìn)面噴嘴的霧化、降塵效果，依據(jù)可仿真煤礦掘進(jìn)面的噴霧霧化粒度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，確定了掘進(jìn)面風(fēng)流擾動(dòng)前后噴霧霧化粒度的變化規(guī)律。（2）揭示了受掘進(jìn)面風(fēng)流擾動(dòng)后噴霧霧場(chǎng)不同壓力、位置處的霧滴粒度變化狀況，在掘進(jìn)面噴霧降塵采取對(duì)掘進(jìn)機(jī)外噴霧噴嘴參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，噴霧降塵效率相對(duì)于改進(jìn)前提高了60%以上。

來源出版物：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 41(3): 378-383

入選年份：2016

松軟突出煤層新型鉆進(jìn)技術(shù)研究

王永龍，孫玉寧，翟新獻(xiàn)，等

摘要：目的：瓦斯抽采是防治瓦斯災(zāi)害、保證煤礦安全開采的根本舉措。松軟突出煤層瓦斯治理主要依靠井下抽采，井下抽采以鉆孔施工最為關(guān)鍵。松突出煤層深孔鉆進(jìn)是井下瓦斯抽采公認(rèn)難題，松軟煤層鉆進(jìn)存在著“鉆孔淺、效率低、事故多”的技術(shù)難題，嚴(yán)重影響瓦斯抽采效率，制約煤礦安全高效開采。本文提出具有雙動(dòng)力排渣特性的低螺旋鉆桿，并應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)鉆桿表面凸棱結(jié)構(gòu)及鉆桿強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化分析，以期獲得排渣效率高、強(qiáng)度可靠的鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而有效提高軟煤層鉆進(jìn)深度和鉆進(jìn)效率，保障松軟突出煤層安全高效開采。方法：針對(duì)鉆桿具體應(yīng)用情況，建立低螺旋鉆桿排渣模型，分析了低螺旋鉆桿螺旋凸棱的寬度和螺距的變化對(duì)排渣效果的影響情況；結(jié)合鉆桿在實(shí)際應(yīng)用中配套鉆機(jī)的動(dòng)力參數(shù)，對(duì)低螺旋鉆桿進(jìn)行強(qiáng)度分析。結(jié)果：建立螺距為s＝75，80，85，90，95，100 mm 6種鉆桿排渣型，通過對(duì)比不同螺距鉆桿排渣速度云圖，當(dāng)螺距s＝80 mm時(shí)，核心速度值達(dá)到0.41 m/s，排渣速度最高，螺距s＝80 mm為最優(yōu)參數(shù)；建立螺旋凸棱寬度為l＝10，12，14，16 mm鉆桿排渣模型，通過對(duì)比不同螺旋凸棱寬度觀測(cè)線長(zhǎng)度-速度關(guān)系圖，當(dāng)螺旋凸棱寬度l＝14 mm時(shí)，排渣速度值的整體分布較高，螺旋凸棱寬度l＝14 mm為最優(yōu)參數(shù)；考慮鉆桿承受拉力和扭力兩種交變應(yīng)力作用，建立鉆桿強(qiáng)度分析模型，基于鉆桿接觸面螺旋線最大主應(yīng)力分布圖，螺旋線上最大主應(yīng)力在1.6 e8 N/m2與2.6 e8 N/m2之間波動(dòng)，未超出材料的屈服強(qiáng)度值，基于鉆桿接觸面螺旋線安全系數(shù)分布圖，鉆桿強(qiáng)度的最小安全系數(shù)為1.87，鉆桿加工參數(shù)設(shè)計(jì)合理。結(jié)論：研究表明，低螺旋鉆桿表面螺旋凸棱的寬度和螺距的變化對(duì)排渣效果具有一定的影響，建立不同螺旋凸棱參數(shù)鉆桿排模型，采用數(shù)值分析的方法，獲得螺旋凸棱的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，有利于充分發(fā)揮低螺旋鉆桿流體與機(jī)械排渣的最佳性能。結(jié)合河南大峪溝煤業(yè)集團(tuán)華泰煤礦掘進(jìn)工作面鉆孔施工困難問題，提出應(yīng)用低螺旋鉆桿、提高鉆機(jī)動(dòng)力相結(jié)合的技術(shù)方案，工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，掘進(jìn)工作面鉆進(jìn)深度、鉆進(jìn)效率有了大幅度的提高。

來源出版物：采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2012, 29(2): 289-294

入選年份：2016

礦用U型約束混凝土拱架軸壓短柱試驗(yàn)研究及應(yīng)用

李為騰，王琦，王德超，等

摘要：目的：礦用 U型鋼支架在深部/軟巖巷道支護(hù)中得到大量應(yīng)用，然而特殊的截面形式?jīng)Q定了U型鋼與圍巖近似線接觸而造成顯著應(yīng)力集中，截面極易因?qū)拸堊冃螌?dǎo)致抗彎剛度衰減，進(jìn)而使拱架整體喪失承載作用。受鋼管混凝土結(jié)構(gòu)“力的共生”效應(yīng)啟發(fā)，將礦用U型鋼的開口側(cè)進(jìn)行封閉并充填混凝土，形成U型約束混凝土（簡(jiǎn)稱 UCC）拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)，為難支護(hù)巷道提供了一種新型可選支護(hù)形式。本文旨在通過開展U型約束混凝土短柱軸壓試驗(yàn)，掌握新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特性，并基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。方法：（1）設(shè)計(jì)了2大類軸壓短柱試驗(yàn)方案：U型鋼（U25，U29和 U36）短柱軸壓試驗(yàn)和 U型鋼約束混凝土（UCC25、UCC29和UCC36）短柱軸壓試驗(yàn)。UCC短柱試件封板厚度為10 mm，充填混凝土標(biāo)號(hào)為C40。試驗(yàn)在1000 t壓力機(jī)上進(jìn)行，采用分級(jí)加載制，至試件最終破壞；試驗(yàn)過程中，除了監(jiān)測(cè)試件的受力、軸向變形、鋼管局部應(yīng)變外，還通過聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)部混凝土的破裂演化情況。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從變形破壞形態(tài)、N-ε（荷載—應(yīng)變）曲線、極限承載力及聲發(fā)射響應(yīng)特征等方面，對(duì)比分析U型鋼約束混凝土短柱的軸壓力學(xué)特性。（2）選取趙樓煤礦第二集中軌道下山（埋深1000 m）大斷面巷道開展U型約束混凝土拱架的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，與常規(guī)U型鋼支護(hù)段巷道圍巖變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，論證新型支護(hù)方案圍巖控制效果。結(jié)果：（1）試件變形破壞形態(tài)：U型鋼短柱在軸向荷載作用下整體出現(xiàn)明顯的彎曲失穩(wěn)，且截面耳部變形最為嚴(yán)重；UCC短柱呈現(xiàn)出剪切滑移和多折腰鼓形的破壞形態(tài)，均為整體的塑性失穩(wěn)破壞。（2）試件軸向荷載—應(yīng)變曲線：U型鋼短柱的N-ε曲線呈由上升到最終平緩下降的3階段形式，有下降段；UCC短柱的N-ε曲線呈由上升到最終平緩上升的4階段形式，無下降段。（3）試件承載力：3種UCC短柱的極限承載力相對(duì) U型鋼短柱提高值分別達(dá)到127%，196%和142%，UCC25截面用鋼量與U36基本相同，但軸壓承載力是U36短柱的1.6倍。（4）核心混凝土聲發(fā)射響應(yīng)規(guī)律：聲發(fā)射活動(dòng)先后經(jīng)歷了孕育期→活躍期→趨穩(wěn)期→消寂期4個(gè)階段，極限荷載的68%～79%階段為聲發(fā)射活動(dòng)的活躍期。（5）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)：40 d時(shí)UCC拱架支護(hù)巷道頂板沉降量?jī)H為U型鋼拱架支護(hù)巷道的 21.8%，兩幫收斂量為后者的 18.9%，且 U型鋼拱架支護(hù)巷道仍未穩(wěn)定，變形還在持續(xù)；此時(shí)已有部分U型鋼拱架出現(xiàn)局部屈曲狀態(tài)，而UCC拱架尚未見到上述現(xiàn)象和跡象。結(jié)論：（1）試驗(yàn)現(xiàn)象和N-ε曲線表明，UCC短柱呈現(xiàn)整體的塑性失穩(wěn)，避免了常規(guī) U型鋼短柱的彎曲失穩(wěn)破壞，具有較好的延性和后期承載能力。（2）UCC短柱軸壓承載能力是對(duì)應(yīng) U型鋼短柱的 2～3倍，承載力和經(jīng)濟(jì)性均得到顯著提高。（3）聲發(fā)射活動(dòng)與 4階段變形破壞過程（N-ε曲線）表現(xiàn)出一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以將N-ε曲線B點(diǎn)作為判斷核心混凝土整體破壞的標(biāo)志點(diǎn)，為核心混凝土破裂機(jī)理及其與約束鋼管的耦合性能優(yōu)化等研究提供有效手段。（4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果直觀表明，UCC拱架對(duì)圍巖變形的控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)U型鋼拱架，為深部、軟巖等難支護(hù)巷道提供了一種新型有效的支護(hù)形式。亮點(diǎn)：（1）針對(duì)常規(guī)U型鋼拱架的不足，借鑒約束混凝土原理，提出了U型約束混凝土拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)。（2）開展了短柱軸壓對(duì)比試驗(yàn)，掌握了U型約束混凝土結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)特性，其承載力是常規(guī)U型鋼試件的2～3倍。（3）在千米深井巷道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)對(duì)比試驗(yàn)，U型約束混凝土拱架支護(hù)的有效性得到證實(shí)。

來源出版物：采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2014, 31(1): 1-9

入選年份：2016

充填回收房式煤柱采場(chǎng)煤柱穩(wěn)定性分析

安百富，張吉雄，李猛，等

摘要：受制于該地區(qū)落后的地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及技術(shù)裝備水平，神東礦區(qū)過去長(zhǎng)期采用房式采煤法開采，遺留了大量煤柱于井下，形成呆滯煤量。這不僅造成了國(guó)家煤炭資源巨大的資源浪費(fèi)，而且容易引發(fā)礦井火災(zāi)、礦震等災(zāi)害。如何安全高效回收房式煤柱已成亟待解決的重大科學(xué)與工程技術(shù)難題。日趨成熟、可有效控制巖層移動(dòng)、減少地表沉陷的機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)為該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了一條安全有效的技術(shù)途徑。充填回收房式煤柱，充填體作為主要支撐體參與了覆巖移動(dòng)控制過程，承載和分擔(dān)部分覆巖壓力，從而減少回采過程中煤柱失穩(wěn)的可能性。采用充填物料置換房式遺留煤柱時(shí)采場(chǎng)前方為不連續(xù)煤柱、采空區(qū)內(nèi)為充填體，其圍巖應(yīng)力分布規(guī)律將不同于現(xiàn)有的垮落法或長(zhǎng)壁充填開采，已有理論無法直接采用，其采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布及煤柱變形特征亟待研究。為了提供充填回收房式煤柱采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性分析的理論依據(jù)，在系統(tǒng)分析固體充填回收房式煤柱的技術(shù)原理和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文采用理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)的綜合研究方法對(duì)采空區(qū)充填體—房式煤柱共同支撐下的頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究中取工作面推進(jìn)方向中部位置的充填體、煤柱及頂板作為研究對(duì)象，通過將覆巖作用簡(jiǎn)化為均布載荷，房式煤柱和充填體簡(jiǎn)化為彈性地基，頂板視為兩端固支梁，從而建立起了充填體-煤柱-頂板相互作用的彈性地梁模型，并推導(dǎo)出了頂板變形和采場(chǎng)應(yīng)力分布的通解，給出任意位置煤柱受力的計(jì)算公式。在分析工作面前方煤柱和煤房區(qū)域應(yīng)力分布特征的基礎(chǔ)上，確立了該區(qū)域的彈性地基系數(shù)的計(jì)算方法；根據(jù)頂板下沉與充填體之間的耦合關(guān)系，得到了充填體彈性地基系數(shù)與采空區(qū)充實(shí)率的關(guān)系式，進(jìn)而建立了充實(shí)率、煤房支護(hù)強(qiáng)度與煤柱穩(wěn)定性之間的關(guān)系式。研究發(fā)現(xiàn)：煤柱區(qū)域彈性地基系數(shù)、采空區(qū)充實(shí)率、頂板抗彎剛度、覆巖載荷是影響煤柱穩(wěn)定性的主要因素。其中煤柱和煤房區(qū)域彈性地基系數(shù)、充實(shí)率為可控制因素，且二者與煤柱的穩(wěn)定性成正相關(guān)，可通過注漿加固煤柱、增加煤房支護(hù)強(qiáng)度、提高充實(shí)率的方法確保煤柱穩(wěn)定。結(jié)合工程實(shí)際，應(yīng)用本文的力學(xué)模型繪制了榆林板定梁煤礦CT305風(fēng)積沙充填回收房式煤柱工作面回采全過程的采場(chǎng)支撐應(yīng)力演化圖，發(fā)現(xiàn)：最大支承應(yīng)力隨工作面推進(jìn)呈先升高后降低的趨勢(shì)，并校驗(yàn)了選取的風(fēng)積沙充填物料和工作面前方煤房支護(hù)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度條件下采場(chǎng)煤柱的穩(wěn)定性，給出了固體充填回收房式煤柱采場(chǎng)煤柱的穩(wěn)定性計(jì)算方程組和工程設(shè)計(jì)指標(biāo)的校驗(yàn)方法，該研究成果不僅有助于保證回收房式煤柱期間的作業(yè)安全，同時(shí)總結(jié)出了充填回收非連續(xù)分布的煤體這一新情況下圍巖應(yīng)力分布特征的體系方法，對(duì)充填采煤技術(shù)圍巖控制技術(shù)發(fā)展及其理論體系的完善具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

來源出版物：采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2016, 33(2): 238-243

入選年份：2016