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[硕士论文] 马丁
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:煤矿安全阀是保证单体液压支柱装备支护安全的核心部件。目前单体液压支柱使用乳化液为工作介质,但是乳化液影响工作环境和工作人员的身体健康,且严重污染地下水资源。随着人们对可持续发展的经济、绿色环境的重视,全球各国迫切需要发展一种新型液压技术,保证其向着环保、节能和安全的方向发展。水具有安全性好、价格低廉、环境友好等一系列优点,成为当今液压技术研究新课题。本文以单体液压支柱中的安全阀为研究对象,设计一种以水为工作介质的水压安全阀。通过设计水压安全阀新结构,有效抑制气穴气蚀现象的发生;同时利用微造型可以产生动压润滑,将其应用到安全阀上,以降低摩擦副摩擦磨损问题。论文研究内容及结论如下:
  1.利用微造型形成流体动压润滑效应,将微造型技术引入到水压安全阀,以提高阀芯润滑性能,改善阀芯摩擦副的摩擦磨损问题。研究不同微造型形貌对水压安全阀阀芯润滑的影响,同时对水压安全阀微造型阀芯润滑性能正交试验分析。结果表明:(1)球冠形和圆柱形微造型均可以在阀芯表面产生压力。两种微造型的阀芯表面压力幅值随着面积率与深度的增加而增大,且圆柱形微造型的压力幅值比球冠形大。(2)通过正交试验设计与CFD数值模拟,对计算结果进行极差分析得到影响阀芯微造型承载力的因素由大到小依次是微造型深度hp,微造型半径rp,微造型形貌,摩擦副间隙ho,阀芯运动速度U,微造型深度对承载力的影响最大,是最主要因素。(3)由正交试验的结果得到优化方案,设计出的优选方案为A4B4C4D3E4,即微造型深度为8μm,微造型半径为40μm,摩擦副间隙为5μm,阀芯运动速度为4m/s,微造型形貌为圆台形。相比于正交试验方案中承载力最大的A4B4C1D3E2组合,优选方案的承载力提高了22%。
  2.通过对阀芯径向孔的结构进行优化,建立了水压安全阀阀腔CFD模型,研究了阀芯重要区域气蚀的削减,提高了水压安全阀的抗气蚀性能。结果表明:当安全阀阀芯径向孔的夹角α取45°、径向孔左下角采用直线结构时,使得径向孔内部气穴消失,能显著抑制气蚀破坏,气蚀破坏的区域由径向孔等关键位置转移到阀出口等对安全阀性能影响较小的位置,有效提高了安全阀抗气蚀性能。
  3.设计了新型水压安全阀的新结构,计算了具体尺寸,基于Matlab软件对水压安全阀进行动态分析。研究了等效阻尼、弹簧刚度以及阀芯质量三种参数对安全阀阀芯压力和位移动态性能的影响。结果表明:阀芯质量对安全阀的压力和位移特性影响较小,而等效阻尼、弹簧刚度的影响较大。增大等效阻尼可以减少阀芯调整时间,减弱阀芯振动,使安全阀更加稳定,但是会降低安全阀的灵敏度;随着弹簧刚度的增加压力超调量减小,压力达到稳定的调整时间也减少;而阀芯位移越小,阀芯位移超调量增加,达到稳定的时间越快。
[硕士论文] 张志远
动力工程及工程热物理 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:液压支架是综采中最重要的设备之一。液压支架的可靠和稳定支撑不仅关系到煤层的开采成本,而且关乎相关工作者的人身安全。传统液压支架的四连杆构型,虽然也能起到基本的支撑作用,但由于自身结构存在不合理之处,承载能力有限,且不能承受侧向压力,产生了诸多不良影响,造成了各种不同的损害。与此同时,并联机构以其高稳定性、高承载能力、高精度等优点逐渐进入机构研究者的视野。在这样的背景下,相关工作者创造性将并联机构运用于液压支架,开展了相关工作并取得了一定成果。并联液压支架更有利于实现电液控制,控制顶梁下沉速度,降低对支架造成的冲击力,充分利用岩层自身的承载能力,这些都有利于支架保持持久、稳定的工作性能,提高支架可靠性,延长支架使用寿命。因此,并联液压支架研究对于提高液压支架性能、提高煤炭一线工作者安全保障以及降低煤炭开采成本,具有重大理论意义和实际应用价值。
  本文在前期工作者的理论基础上,将两种新的并联机构应用于液压支架,提出两种新型构型的并联液压支架,并从理论和模拟两个角度研究了新机构的可行性和可靠性。为液压支架的发展提供了新的思路,使并联液压支架的研究又向前迈进了一步。
  第一,对3-SPS/PPS、3-SPS/PS并联机构的自由度分别进行了精确的推导,并得到两机构分别是五自由度三转动两移动的并联机构和四自由度三转动一移动的并联机构。后又对机构的消极运动副、驱动副等逐个进行了分析。构型确认无误后,将并联机构成功应用于液压支架的并联支撑机构,完成其在顶梁和底座位置布局。最后,确定了液压支架的总体三维模型并介绍其主要零部件和功能。
  第二,雅可比矩阵对于机构的位形研究具有相当重要的参考价值。从3-SPS/PS和3-SPS/PS构型出发,选择适用于它们机构自身的求解方法分别求解出各自的机构雅可比矩阵。再令各自的雅可比矩阵为零,求解出机构的奇异位形,为避免机构卡死提供了有效的参考。
  第三,在Solidworks中建立机构模型,利用与ADAMS软件的Exchange/Pro接口成功将模型导入ADAMS中,在赋予机构低副和驱动后进行仿真,得出机构的正反解运动曲线图。
  第四,将在Solidworks中建立好的模型导入到ANSYS中,分别对其进行模态分析、静力分析和预应力模态分析。分别得出机构自然状态下的固有频率、机构承载能力和承受载荷下的固有频率,为机构的实物设计提供了很好的理论支撑,避免了不必要的设计失误,大大减少了研发费用。
  总之,本文的研究是并联液压支架研究领域的新成果,设计的新型构型并联液压支架具有重要的实际应用价值。将有望应用到井下和相关领域的实际工作中去,为使用者提供便利。
[硕士论文] 丁守波
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着国家对煤炭能源不断增长的需求,煤矿采掘巷道越来越深,深度为一千米以上的巷道越来越常见,掘进巷道的安全问题越来越受到重视,而锚杆支护作为一种有效的煤矿巷道支护方式,越来越受到煤矿企业的欢迎。但是目前国内煤矿巷道的支护方式往往仅凭相似煤矿支护经验来设计,煤矿巷道顶板的岩层结构不能准确探明,支护参数不能随顶板岩层的变化而及时变更,顶板冒落事故时有发生。在数千米的煤矿巷道每平米至少需安装3~5根锚杆,但巷道掘进过程中地质条件复杂并伴随着地下水等问题,锚杆能否在煤矿巷道中得到永久有效支护值得深思。
  针对巷道支护存在的问题,为了巷道顶板岩层能够得到及时有效支护,考虑锚杆支护过程中对岩层位置实时分析地复杂性和困难程度,本文从研究锚杆钻机的液压系统出发,分析岩层受力情况,根据钻机工作时的基本参数,利用AMESim仿真软件来探究锚杆钻机在巷道顶板支护过程中进入不同岩层时钻机液压系统的流量与压力变化,从而推断出锚杆所在的岩层位置和岩层厚度,为锚杆支护的定量设计提供全新设计思路和方法依据。
  本论文研究的主要内容如下:
  (1)探究锚杆支护的意义,对现有煤矿中主要使用的三种不同类型的单体锚杆钻机进行简单概括,介绍现阶段锚杆钻机国内外研究现状以及发展趋势。
  (2)对煤矿围岩岩层进行研究分析,说明岩层坚固系数的意义,对钻机旋转破岩效果的影响因数进行分析。
  (3)对单体液压锚杆钻机的液压系统进行分析,计算出液压缸、液压泵、液压马达的流量和压力参数。
  (4)对AMESim系统进行简单介绍,利用AMESim系统对单体液压锚杆钻机进行液压仿真,通过对仿真数据进行分析得出的结果如下:巷道顶板岩层支护过程中,锚杆钻机液压系统的油量和压力会在岩层的分界面发生阶跃变化,在离层或软弱夹层处发生脉冲变化。
[硕士论文] 苏帅
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:如今,随着对地质条件较好煤层开发力度不断加大,浅层煤炭存储量正不断减少,一些地质条件不好的大倾角煤层开始日益受到人们的关注。与缓倾斜岩层相比,大倾角复合顶板煤层具有地质结构复杂,开发难度大的特点。目前,关于大倾角复合顶板煤层巷道的变形破坏机理,支护方式选择等相关理论尚不完备。因为巷道支护方式选择不合理而导致巷道变形过大破坏的事件时有发生,严重威胁煤矿的安全生产经营,造成人力物力的损失。本论文结合桃园矿大倾角复合顶板煤层巷道的支护实例,通过理论分析、数值模拟以及对巷道进行监测等手段,主要进行了以下方面的研究。
  首先进行理论分析,对大倾角复合顶板巷道的变形特征以及破坏机理进行研究。大倾角复合顶板巷道与缓倾斜煤层巷道相比有很大区别,前者呈非对称性变形,并伴有底鼓现象。这主要是因为大倾角煤层巷道的围岩应力存在非均匀性,顶板岩层的重力沿层理面存在分力,岩层间有相对错动的趋势。
  以大倾角复合顶板巷道开挖支护设计为背景,进行数值模拟分析,分析不同断面和支护方式对大倾角复合项板巷道支护效果的影响,再结合桃园矿大倾角复合顶板煤巷道支护实例,对支护方式进行优化设计。控制煤层巷道在不同的断面以及不同的支护方式下,分析巷道变形特征以及应力应变的变化。分别采用斜梯形断面和直墙半圆拱断面作为煤巷道的断面,发现直墙半圆拱断面在减小应力集中现象方面具有优势。而采用斜梯形断面时,加强对巷道关键部位的支护,对阻止大倾角复合顶板巷道的变形破坏有较好的效果。
  对桃园矿煤巷道支护方式进行优化设计,然后对桃园矿大倾角复合顶板巷道支护设计实例进行分析。并收集整理桃园矿煤层巷道矿压监测数据,分析支护后煤层巷道的变形情况,对比不同开挖断面和不同支护方式下巷道变形收敛的情况,说明采用合适的开挖断面,以及加强巷道关键部位的支护,对控制大倾角复合顶板煤层巷道的变形破坏有重要的意义,在本工程实例中的巷道支护较为成功,为大倾角复合顶板煤巷道支护提供了经验。
[硕士论文] 徐宝超
地质资源与地质工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:煤炭资源开采过程中,会遇到各种地质灾害问题,其中采动条件下,断层活动引发的一系列矿井事故造成了巨大的经济损失和人员伤亡。这引起了矿山人们广泛的关注和高度的重视,正设法采用相关监测技术手段和方法来研究采场断层活动发育的规律。目前,对于采场断层活动规律的研究单一方法过多,定量化程度不高,探测精度难以保证。因此,综合利用相关监测技术和数值模拟手段对采动影响下的断层活动性进行有效的探测和分析,发现其变化规律和演变机理对于矿山煤层安全、高效生产具有重大的意义。
  本文首先介绍了孔间电阻率CT法和布里渊光纤应变测试法2中测试手段的工作原理、采集方式以及后期数据的处理与分析方法;接着结合淮南某矿区的地层条件,运用FLAC3D软件建立不同断层倾角、落差、采动方向的开采模型,研究模型开采过程中断层接触面位置相对位移和剪切应力的时空演化规律,揭示了不同影响因素下断层产生活化时的响应特征;最后分别构建孔间电阻率CT法和光纤应变测试法2种现场原位方法的测试系统,根据地电场和应变场的响应特征进行断层活化带区域围岩的裂隙发育及其演化规律研究。主要获得的结论如下:
  (1)基于FLAC3D数值模拟方法对不同倾角、不同落差、不同开采方向的正断层进行相对位移、剪应力变化规律的分析和研究表明:在单一影响因素改变时,低角度正断层附近岩体发生的相对位移和受到的剪应力较高角度正断层大,容易产生活化;正断层落差越大,在断层下盘煤层顶板一定高度处发生的相对位移和受到的剪应力越大,该位置越容易产生活化;对于正断层而言,从断层下盘开采时,采动对断层面的影响较断层上盘开采有更明显的相对位移、剪应力响应特征,在煤层底板断层带附近,可能受到采动的影响最容易产生活化。
  (2)孔间电阻率CT法和光纤应变测试法2种现场原位测试方法系统的构建,对采场顶底板断层活动性发育规律进行全方位、多角度的监测,其中视电阻率反演结果确定了淮南潘二矿11223工作面底板断层影响下煤层开采导致的破碎裂隙带深度范围为20m,且底板灰岩水并没有因为这一范围内的断层带裂隙而导通上移;光纤应变监测结果显示潘一东矿区1231(1)工作面顶板FS2断层面附近受采动的影响应力比较集中,沿着断层面位置容易产生剪切滑动,且根据由该断层应力分布特征和煤层开采之间的关系,提出保护煤柱的合理宽度应该大于60m。
  (3)孔间电阻率CT法作为一种传统的物探技术手段,可行性、实用性强;布里渊光纤应变测试法灵敏度强,精准度高。这2种方法无论从前期测试方案设计、现场的施工安装、后期的数据采集与处理,还是到最终的监测结果解析,整个过程清晰、准确、全面地揭示了利用这2种时下成熟、有效的监测方法掌握断层活化带区域围岩的变形分布及其演化特征对于深部煤层综放开采具有重大的意义。
[硕士论文] 汪泽洲
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:煤炭资源,对于整个国民经济发展都起着至关重要的作用,不仅关乎国家的电力安全还关乎到国防、科技等多个领域。井下支护安全直接影响煤矿井下的安全生产,液压支柱顶板承受的压力过大或者过小都会危及煤炭开采的安全。因此本文对单体液压支柱内压检测装置展开研究。
  论文针对煤矿井下对液压支柱的压力监测的实际需求,设计了—种基于无线传感器网络的单体液压支柱内压监测装置。该装置包括基于嵌入式技术的单片机系统部分和ZigBee无线传感网络部分,将单体液压支柱受到的压力值通过ZigBee无线传感网络传输到上级节点,并实现对液压支柱受到的压力数值进行实时监测。
  首先,论文分析多种压力传感器特点进行适用性选择,保证单体液压支柱内压检测系统采集压力信息的准确性,定制了—种PC10型压力传感器;其次对无敛传感网络进行了深入的学习与研究,介绍了ZigBee的技术特性、原理和网络协议栈规范,确定了基于ZigBee无线传感网络作为通信系统;然后,设计基于SH79F166的单片机系统电路,该系统可以实现对压力信号的放大滤波、报警显示、传输数据等功能,且设计了基于CC2530芯片的硬件电路来实现通信功能。通过实际电路,完成了人机交互、SH79F166单片机A/D转换模块、无线节点ZigBee接收和发送等软件设计;最后,在液压支柱生产车间搭建了临时测试环境,进行了设备的压力无线检测节点测量准确性测试、装置运行时运行功耗测试和液压支柱受压实时显示测试。测试结果表明,该装置能满足单体液压支柱数据采集的实时性和可靠性,能耗较低,可以降低事故发生率,并实际用于井下安全生产。
[硕士论文] 胡亚桥
采矿工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:本文主要根据口孜东煤矿121304工作面煤层赋存条件,通过数值模拟、理论分析、现场实践等方法研究了口孜东煤矿大采高超长工作面上覆岩层运动特征、矿压显现规律;并通过对液压支架的适应性分析,提出了来压期间围岩控制的措施。
  口孜东煤矿121304工作面为“刀把式”设计,前期为250m长的普通工作面,工作面完成对接后,工作面变成长度为340m的超长工作面。本文通过数值模拟详细分析了口孜东煤矿121304“刀把式”工作面的采空区上方的覆岩破坏规律、顶板下沉量、最大垂直位移、应力变化等,揭示了大采高超长工作面的覆岩运动特征,得出了面长的变化对采空区上方覆岩运动的影响。
  利用“三带”理论详细分析了大采高超长工作面的“两带”的高度及影响因素,并利用关键层理论得到了口孜东煤矿121304工作面老顶的周期来压步距。
  通过现场实践发现,大采高超长工作面液压支架受到覆岩的作用力较大,部分支架一直处于较大的工作阻力状态,且随着工作面长度的增加,工作面来压步距变短,来压强度变大,支架工作阻力明显增大;大采高超长工作面的巷道变形速度较大,支撑压力的影响范围较大,且两帮受到支撑压力的影响范围更大,巷道两帮变形速度更快。
  根据121304工作面的上覆岩层具体状况,得到了液压支架的工作阻力;根据对采场支架围岩体系研究,得到了支架围岩体系的影响因素;根据大采高超长工作面下影响液压支架稳定性的因素对液压支架提出改进意见,并给出了来压期间围岩控制建议。
  本文研究成果可为千米深井大采高超长工作面安全开采、支架选型提供参考,并为口孜东煤矿超长工作面的安全开采提供技术指导。
[硕士论文] 王纪尧
采矿工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:与煤层倾角较小的近水平煤层不同,大倾角煤层由于其煤层与岩层赋存形态的特殊性,导致其在开采过程中矿压显现规律、采场围岩应力状态和围岩控制方法都与近水平煤层有显著的区别。
  本文以淮北矿业集团邹庄煤矿3101大倾角走向长壁开采工作面为研究背景,采用理论计算、数值模拟和现场观测等方法对3101工作面的围岩力学特征、采场矿压显现特征进行系统的分析与研究。
  理论分析方面,采用薄板理论分析计算了顶板岩层在有支撑和无支撑情况下的最大挠度,并对工作面前方煤体的支承压力和塑性区范围进行计算。
  数值模拟方面,运用FLAC3D建立了大倾角工作面开采数值计算模型,并建立了同一地质条件下不同倾角煤层开采的数值模型。得到了不同倾角对围岩应力分布的影响和煤层推进过程中应力和位移演化的规律。
  现场观测方面,通过对3101工作面液压支架的工作阻力监测和超前支承压力监测以及工作面巷道收缩量的监测,对大倾角中厚煤层工作面开采采场的矿压显现规律进行研究。
  针对3101工作面存在的片帮冒顶、支架稳定性低、工作面上下端头围岩变形大和飞矸等情况,设计了一系列围岩控制技术,保证了工作面的安全高效开采。
  研究结果对于大倾角中厚煤层采场围岩控制及安全高效开采具有良好的指导意义。
[硕士论文] 张宇通
地质资源与地质工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:浅部煤炭开采资源的逐渐枯竭使得深部开采的问题逐渐凸显,煤系地层中普遍存在的砂岩裂隙水是影响矿井正常生产的重要因素,而砂岩裂隙水的富水性与裂隙的发育与分布密不可分,开采过程中煤层顶板裂隙会发生演化,从而影响砂岩裂隙水对工作面的充水条件。研究深部开采条件下煤层顶板岩层裂隙的发育演化规律对煤系砂岩水害的预防与治理有着指导性作用。
  论文在收集潘谢矿区基础地质资料的基础上,通过矿区11-2煤层的煤层厚度情况、埋深分布情况、覆岩岩性组合特征和厚度统计及矿区现今地应力场特征等分析了11-2煤及其覆岩的赋存条件。选取矿区地应力场特征、覆岩岩石力学性质和矿井地温分布三个方面七项指标,根据这些指标在深、浅部位表现出来的差异,利用MATLAB聚类分析得到矿区深部临界深度为730m,结合矿区11-2煤层的埋深分布隋况得到平面上潘谢矿区以及顾桥矿的深部分布范围。
  选取顾桥矿南二采区作为具体的工程背景,分析11-2煤及其顶板的水文地质和工程地质条件,建立了深部开采地质概念模型和UDEC数值模型,通过模拟噪层采动过程中裂隙的形态和应力状态的变化过程,研究深部11-2煤层开采覆岩裂隙的发育规律。研究成果如下:
  (1)开采40m时发生初次来压,顶板垮落高度约为7.90m,周期来压步距为21m。
  (2)随着推进距离的增加,根据采动裂隙分维值、覆岩裂隙横向闭合范围和应力降低区最大发育高度的变化情况,将采动裂隙的发展过程划分为三个阶段:裂隙迅速发育期(应力剧烈变化期)、裂隙缓慢发育期(应力动态平衡期)和裂隙发育稳定期(应力变化稳定期),三个阶段分别对应推进步距为20~60m、60~120m及120~180m。
  (3)采动过程中裂隙闭合与顶板应力恢复的现象揭示了覆岩岩层具有一定的自愈能力,掌握深部煤层开采覆岩裂隙的发育规律,结合含水层富水性与水压等水文地质条件,可以预测采动过程中突水易发区域与易发阶段。
[硕士论文] 魏泽娣
矿业工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:处于高瓦斯赋存状态下的煤体在采掘动力扰动作用下发生的剧烈损伤破坏是矿井煤与瓦斯动力灾害的本质描述。由于地下煤炭资源开采深度的增加以致大埋深煤层煤岩体内瓦斯富含状态日益严重,瓦斯的存在使含瓦斯煤岩动态力学特性与无瓦斯赋存状态下截然不同,因此通过冲击动力学实验科学认识含瓦斯煤岩动态力学特性对指导矿井安全生产具有重要意义,也是当前煤岩力学领域亟待开展的工作。本文选取淮南矿区谢桥矿11426工作面原煤煤样为例,采用含瓦斯煤动态力学特性实验与断裂力学理论分析相结合,开展瓦斯赋存对煤体动态力学特性影响的研究。论文的研究内容和成果有如下几个方面:
  (1)利用含瓦斯煤动力扰动SHPB装置开展不同瓦斯压力下(0MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa)含瓦斯煤SHPB冲击实验。实验结果表明:随着气压的增大,透射波逐渐减小,反射波逐渐增大;随着气压的增大,煤样平均动态强度、割线模量、能量利用率降低,动态应力增长因子提高,小尺寸碎片百分比重增加。
  (2)由断裂力学理论和有效应力叠加原理建立了考虑瓦斯压力的应力强度因子数学模型,通过给定常量的算例分析得出:张开型裂纹Ⅰ型应力强度因子随瓦斯压力、瓦斯解吸率的增大而增大,裂纹倾角的增大而减小;张开型裂纹Ⅱ型应力强度因子与瓦斯解吸系数和瓦斯赋存压力无关;随瓦斯压力的增加,裂纹起裂角、起裂强度减小。
  含瓦斯煤断裂力学理论分析验证了实验结果的正确性,理论分析为认识瓦斯赋存如何改变煤体动态力学特性提供了基本理论依据,为深部含瓦斯煤层快速推采及灾害防治提供一定理论基础。
[硕士论文] 刘祥
采矿工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:论文以皖北矿区回采巷道为工程背景,通过现场调研和查阅文献的方式,评价了皖北矿区回采巷道支护存在的问题。分析了皖北矿区差异化支护现状以及差异化支护经济效益,总结出回采巷道差异化支护设计应综合考虑的因素包括:服务年限、巷道类型、区域类型、围岩整体分类、围岩次分类等,提出了皖北矿区回采巷道差异化支护设计思路及技术路径。论文评估了皖北矿区回采巷道围岩稳定性的主要影响因素,将回采巷道划分为顶板、底板和两帮3个部分,并对巷道每个部分进行稳定性分类,综合巷道顶板、底板、煤帮和护巷煤柱的稳定性分类指标,作为围岩综合评价指标,进行巷道围岩整体稳定性分类,并将巷道围岩分为5大类。利用数值模拟计算出随围岩条件动态变化的分类指标权值,结合基本顶来压当量和围岩塑性率函数的斜率变化关系,对巷道围岩进行次分类,并针对每种类型巷道都提出了差异化支护方案。利用Access构建了包含巷道类型、区域类型、围岩力学参数、支护参数、支护效果评价等信息的回采巷道样本数据库,并对样本巷道进行围岩稳定性分类。原数据库共收集了皖北矿区5个典型矿井的56条回采巷道的基本信息,在原数据库的基础上,实地调研了多个矿区的回采巷道支护现状,对数据库中的“巷道支护参数记录表”做了进一步扩充,使数据库更加完善。利用Visual Basic语言进行编程,结合数据库,成功编辑出一套“皖北矿区回采巷道支护智能决策支持系统”。该支护智能决策系统以朱集西矿11501机巷为背景,对系统进行了现场应用与工程验证,结果表明,系统具有很高的可靠性。最后运用FLAC3D数值模拟的方法,进一步验证了朱集西矿11501机巷差异化支护参数的可靠性,研究结果表明差异化支护设计在深部矿井中同样能够满足不同岩性条件下的回采巷道支护要求。
[硕士论文] 张阳
采矿工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:为进一步揭示锚杆与围岩相互作用机理,完善锚杆支护技术理论和支护参数设计方法,提高现有锚杆支护参数设计的可靠性、科学性和实用性。本文以顾桥矿中央区、南区、东区二水平井底车场段-1050m轨道大巷为研究对象,运用理论分析、数值模拟、现场实测三种研究方式,探讨巷道锚杆支护后,其围岩内部形成的支护结构的形式、强度、应力状态及其与锚杆支护参数、岩性之间的关系,据此确定科学合理的锚杆支护参数。
  首先,通过建立锚固承载结构体力学模型并基于Mohr-Coulomb屈服准则,推导出锚固承载结构体等效强度参数公式;在等效强度参数确定的基础上,根据承载结构体受力特点,在垂直方向上应用静力平衡方程,得出锚固承载结构体强度公式,并进行强度影响因素分析。其次,以顾桥矿三区地质条件为工程背景,开展了同一深度条件下不同锚杆支护密度的巷道支护效果数值模拟研究。通过横向比较同一岩性中不同支护密度的支护效果,确定不同岩性巷道的合理支护密度;纵向比较同一支护参数下,不同岩性的支护效果,确定岩性对支护效果的影响。研究结果表明,锚杆支护对围岩的强化作用和锚固体的承载能力随着支护密度的增大而逐渐增强,垂直应力峰值点的位置由深部逐渐往浅部转移,巷道变形量降低且围岩两帮塑性区范围逐渐变小,围岩趋于稳定;确定了砂岩巷道合理支护密度为800~1000mm,砂质泥岩巷道合理支护密度为800mm,泥岩巷道合理锚杆支护密度为600mm;同一支护参数、不同岩性条件下巷道的垂直应力云图、塑性区有明显变化,承载结构体的承载能力和锚杆对围岩的强化作用随着巷道岩性减弱逐渐增强。最后,通过分析东区、南区-1050m轨道大巷在设计支护密度条件下的现场监测数据和巷道围岩、位移分布、应力分布特征,得出巷道围岩的变形和破坏在设计支护密度条件下得到了有效控制。
[硕士论文] 江彬华
采矿工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:本文以淮北矿业(集团)有限责任公司孙疃矿82煤上行开采为研究对象,在综合分析下部10煤联合布置的基础上,从下面几个方面分析上行开采上部煤层回采巷道变形特征及控制技术:从理论方面,研究了上行开采覆岩运移规律和下部采空区形成的应力范围;根据8221回采巷道掘进面距下部采空区的不同距离,运用FLAC3D数值模拟软件研究巷道围岩变形、垂直和水平应力的变化情况,优化了上部8221回采巷道的位置,并揭示了上部8221回采巷道掘进过程中不同区域围岩的变形特征;设计了六组不同的支护方案,从位移、应力和塑性区角度分别对六组方案的支护效果进行分析比较,得出不同方案支护效果排序,并根据矿井实际情况及本着经济合理原则,拟定现场采用锚带网索、U型钢棚联合分段个性化支护方案;将方案实际运用,实测的支护效果表明,巷道的围岩变形能得到稳定的控制,保证了生产安全,可供以后有类似开采情况的矿区借鉴。
[硕士论文] 宋泽方
采矿工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:最近十年以来,我国中东部浅层煤炭储量日益减少,多数矿井逐渐转向深部开采,也就必然面临“三高”的影响,因此深部回采巷道支护越来越成为当下煤矿安全生产的难题。为此本文先对取自工程现场的煤岩试样进行单轴压缩,确定煤岩单轴抗压强度等物理力学参数,继而在实验室通过配比制取相似标准试件,在结构上和力学特性与原岩保持相似,常温条件下力学特性曲线与原岩保持相似,研究不同温度下煤岩单轴压缩力学特性的影响;同时为了深入研究树脂锚杆锚固特性,本文在实验室通过配比与原巷道等强度的围岩作为围岩介质,通过分析锚固界面力学性能变化以及围岩破坏特征,确定锚杆锚固破坏机理,主要研究成果如下:
  (1)通过研究不同温度下砂岩和煤的力学特性曲线,全过程应力应变曲线都经历4个阶段:压密阶段、弹性阶段、屈服阶段、破坏阶段。温度不同,每条曲线所表现出来的特点也不相同。相同的温度条件下,每组实验的3个试件的力学特性曲线也存在差异。
  (2)随着温度的升高砂岩的峰值应力逐渐降低,40℃以前砂岩峰值应力降低速度较快,40℃以后峰值应力下降程度较小,峰值应变逐渐降低,弹性模量逐渐降低,体积模量逐渐增大;煤试件的峰值应力随温度的升高而变大,峰值应变随温度的升高而逐渐变小,弹性模量随温度增加逐渐变小,体积模量随温度升高逐渐变小。
  (3)基于实验过程中得到的砂岩与煤的峰值应力、峰值应变、弹性模量,根据weibull分布的假设、岩石应力应变强度理论与损伤力学理论,计算考虑温度效应的岩石热损伤本构方程。
  (4)基于岩石的单轴实验确定的配比,制作围岩介质为砂岩和围岩介质为煤的水泥砂浆锚固试件,测量不同温度对两种围岩介质锚固性能的影响,表明:随着温度的升高,围岩介质为砂岩和煤的树脂锚固剂锚固性能逐渐降低;通过两种围岩介质的对比,同一温度条件下,围岩强度对树脂锚固剂的锚固性能也会有较大。在锚杆自由端附近轴力最大,沿着锚杆长度逐渐降低。从锚固试件的破坏形式来看,锚杆的脱落形式主要表现为锚杆锚固层与围岩之间发生相对滑动;当拉拔荷载超过锚固层与围岩之间的粘结力时,锚固层整体被拔出。
[硕士论文] 许军策
矿业工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:针对深埋破碎围岩巷道难以有效支护的问题,本文在前人大量工程实践及研究分析的基础上,以海孜矿千米埋深破碎围岩大巷为具体工程背景,综合运用了实验室试验、理论分析、数值模拟与工程实践等手段,对巷道围岩破碎的因素进行了系统全面的分析,并基于数值模拟的结果提出了以锚注为核心的联合支护方式,对类似深埋巷道的支护提供了一定借鉴意义。本文主要研究工作如下:
  1)巷道围岩体的强度受制于岩石强度及各种构造面数量及分布的影响等,因此以围岩岩石性状为着手点,进行了岩石力学相关试验及现场钻孔窥视试验,试验表明巷道围岩裂隙发育破碎严重,为典型软岩破碎巷道
  2)通过对巷道破碎围岩变形失稳因素的分析,即地质因素和工程技术因素,可知在多种因素的影响下,占据主导因素的为巷道围岩原始应力状态、岩体物理性状和各种地质构造。
  3)进行了不同支护方案的数值模拟,分析表明:一定程度上提高支护强度能够维持巷道的稳定性,但采用以锚注为核心的支护方式更能显著提高支护效率,当采用锚杆+喷浆+锚索支护时支护效率为38.1%,采用锚喷、索注、底板注浆时支护效率达到了90.9%,可见巷道围岩的整体性对巷道稳定性控制起着关键作用。
  4)研究了破碎围岩巷道的控制技术,提出了以注浆锚索为核心的联合支护方式,普通段巷道的支护采用了锚杆、锚网、喷浆和注浆锚索联合支护方案;对过断层等地质构造的异常段巷道,在普通段支护的基础上提出了底板注浆支护方案。
  5)进行了为期3个月的现场观测,与原来支护方案对比可知,巷道两帮的相对位移由原来的190mm下降至102mm,顶底板的相对位移由221mm下降至118mm,巷道变形、围岩的破碎、顶板离层及底板起臌均得到了良好的控制效果。
[硕士论文] 张亮亮
建筑与土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:泊江海子煤矿位于我国内蒙古自治区内的鄂尔多斯市境内的泊江海子镇。由于这种大型煤矿的服务期限较长,因此为了保证其结构的安全性和长期稳定性,有必要对其围岩的流变特性进行理论研究和试验研究。
  试验的岩样取自于泊江海子煤矿浅部的白垩系中砂岩和深部的侏罗系砂质泥岩,首先对这两种岩样进行了常规单轴压缩试验和常规三轴压缩试验,试验结果不仅得到了两种岩样的基本力学参数和变形参数,而且其抗压强度也为后续压缩蠕变试验中应力分级提供参考。同时,针对岩石常规三轴压缩试验,首先将全应力应变曲线分为初始压密、近似线弹性、塑性硬化、塑性软化和残余流动五个阶段,然后采用四线段模型对试验曲线进行表征,结果表明该模型对全应力应变曲线的描述较吻合,其中,砂质泥岩在塑性硬化和塑性软化阶段的拟合效果明显优于中砂岩。其次,采用能量转化原理对三轴压缩试验过程中的能量转换进行了分析,结果表明动能密度和耗散能密度随着轴向应变的增加而增加,而弹性应变能密度随着轴向应变的增加而增加,当达到峰值应变时,弹性应变能密度达到最大值,然后随着应变的增加而出现减小趋势。
  蠕变试验是研究围岩蠕变特性最常用也是最有效的途径之一,因此有必要对中砂岩和砂质泥岩进行单轴压缩蠕变试验和三轴压缩蠕变试验。随后,根据砂质泥岩的单轴蠕变试验数据和中砂岩的三轴蠕变数据建立非定常西原蠕变模型和基于损伤理论的西原损伤蠕变模型。对于非定常西原蠕变模型而言,建立了西原模型四个模型参数与时间或应力的关系,然后将这四个变参数代替传统西原模型的定常参数,提出非定常西原蠕变模型,最后根据试验数据对模型进行辨识,辨识结果表明该模型是合理可行的。对于西原损伤蠕变模型而言,首先推导了西原模型在三维应力状态下的蠕变方程,然后基于损伤理论推导了损伤变量随岩石不同蠕变阶段的演化方程,最后将损伤变量引入西原模型从而建立了西原损伤蠕变模型,通过和传统西原模型对中砂岩三轴蠕变试验曲线的拟合对比分析,结果表明西原损伤模型较传统模型对加速阶段的描述更优。
[硕士论文] 陈凯
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:由于我国经济技术的快速发展,煤矿开采的规模以及深度在不断增加,这就需要更加经济有效的支护体对巷道进行支护,以保证煤矿开采的安全运营。世界各国学者经研究发现,锚杆及锚索相互结合的支护方式对大断面巷道来说有着很好的支护效果。
  本文以潘二矿11223上顺槽巷道为研究背景,针对其采用的锚杆锚索联合支护原始方案为研究对象,运用理论分析、ABAQUS计算以及工业支护试验相联合的方式,佐证了原有实施方案的有效性。研究了工作面岩体的稳固性与其所在深度及其侧向压力系数的关系,并针对巷道的原支护方案提出了三种优化方案,经过对这几种设计方法的论述比较,确立了最佳的支护设计。综合以上结果,得出的主要结论如下:(1)两帮的最大相对位移值和顶底板的最大相对位移值随着巷道埋深的增加,随之增加,且其近似呈线性增长。不论是水平应力还是垂直应力,在巷道的深度增长时,其值都整体表现为增大的趋势。(2)侧压系数的加大对上下板部和帮部的最大相对位移值有着相似的效果,都是随着压力系数的增长,相对移动值逐渐增长。但因为侧压系数的加大,竖向应力在帮部的最大峰值逐渐减弱,水平应力整体值紧跟压力系数的加大慢慢上升。(3)通过模拟巷道的原始支护方案并对比无支护条件下巷道的状态,得出原支护方案的有效性。并针对原支护方案提出三种优化方案,最后经过综合对比,确定优化方案三为最优支护方案。(4)通过对潘二矿11223上顺槽巷道两个监测断面的围岩表面收敛、顶板离层以及锚索锚固力的监测数据进行研究,发现表面巷道变形、围岩压力和顶板离层变化在允许变化范围内,说明工作面上顺槽巷道的支护方案比较合理。
[硕士论文] 严旺
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:21世纪以来,中国对能源的需求量激增,中国能源的主要供应方式——煤炭开采量大大增加。煤炭开采深度逐渐由表层向深部转移,而在深部煤矿的软岩巷道支护过程中出现了一大批急需解决的问题,如深井部位的高压地应力、巷道周边的岩石发生较大变形、深部岩体有节理性以及巷道周边岩石破碎、松散等问题。因此深部软岩巷道在高地应力情况下的变形控制技术问题成为了煤矿开采过程中的重要且急迫的难题。研究深部软岩巷道周边岩石随时间变化的特点、围岩在局部支护条件下的变形情况以及针对围岩的变形规律提出巷道的变形控制技术方式具有重大的研究和实用价值。
  论文考虑到岩石的蠕变和剪胀效应的同时,对深部软岩巷道进行了均布支护下的围岩蠕变理论分析,分析了围岩的位移随时间的变化,获得了围岩在均布支护条件下支护力不同而产生的位移、围岩的周边应力场分布、围岩的蠕变变化速率及不同的剪胀效应对围岩位移产生的影响,研究表明了均布支护力对围岩的位移有明显的约束作用,增大支护力与提前支护能对围岩的变形控制有重要作用。
  论文以局部弱支护条件下的圆形巷道截面为模型,利用弹性力学、塑性力学等理论知识,结合弹塑性半径、应力三维度和主应力旋转角度等概念,对围岩的应力路径进行分析,得到了深部条件下软岩巷道围岩在局部弱支护条件下的应力变化情况。研究表明在局部弱支护条件下对于围岩产生破坏作用的主要因素除了地应力与支护应力以外,围岩的应力路径也占有重要的比重,围岩的剥落、底鼓等破坏形式均与此有关。
  依据以上围岩变形控制的理论,将半刚型网壳锚喷结构应用于山西某煤巷道,对于巷道中破碎带区域内,采用半刚性网壳锚喷支护结构新技术设计方案。工程应用表明,半刚性网壳锚喷支护结构对于深部软岩巷道有明显的支护效。
[硕士论文] 柏杨
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:处于复杂受力环境的深部岩体本身结构力学性能难以用经验来评估,加上其经常受到施工岩石破碎和采动影响,岩石承受的是冲击荷载作用,在此动载荷作用下岩石的变形和破坏都和时间相关,此问题成为深部岩石工程的一大难题,吸引了许多研究学者对岩石动态力学性能进行的研究。深井煤矿开采就是很好的工程实例,为了更有效地进行煤矿岩石巷道爆破掘进和围岩支护,研究岩石在冲击载荷下的动态性能就很有必要。
  利用直径50mm分离式Hopkinson试验装置进行煤矿井下常见的泥岩和砂岩冲击加载试验,通过变化加载速率测试岩石试样的动态力学性能,重点研究该冲击试验条件下两种岩石的应变应力、破裂破碎特性以及能量耗散性能。试样取自淮南矿区某煤矿井下巷道。试验结果分析比较表明:在试验的应变率范围内,随着子弹冲击速度的增大,所携带的冲击动能越大,两种岩石试件的破碎块度越小;随着应变率的增加,泥岩和砂岩的动态屈服强度都有明显的增加,砂岩的动弹性模量保持恒定、而泥岩动弹性模量则逐渐增加;两种岩石的动态单轴抗压强度都随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;两种岩石的耗散能都与应变率呈正线性关系,破碎尺寸则与应变率呈负线性关系;需要值得注意的是一般裂隙都是先出现在靠近入射杆的一端,随之再延伸扩展至竖向的贯彻裂缝,泥岩还会随之出现明显的横向裂缝。
[硕士论文] 周建
土木工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着交通基础设施的不断发展,各大城市的地铁、轻轨、公路和铁路隧道等工程建设不断涌现,极大地为人类出行提供了便利,另外,煤炭、石油等资源的利用,极大地带动了地区经济发展。现在,虽然岩石硐室已经大量开挖,其开挖和支护实践已经非常丰富,然而理论研究却相对滞后。现阶段地下硐室围岩理论研究主要基于开挖后,然而在高地应力、软岩硐室开挖过程中,开挖可能尚未完成就出现局部位移过大、岩石从硐壁脱落甚至硐室坍塌的状况。造成这种情况的原因在于,一方面,施工设计对策出现问题,对开挖过程的围岩位移估计不足;另一方面,很多硐室提供支护阻力不足,凭现场经验进行支护,然而缺乏理论支撑,部分区域可能地应力较大或围岩较软弱,造成支护结构局部变形以及经济损失。
  基于此,本文在前人研究的基础之上,针对硐室开挖过程中围岩峰后的变形破坏特征,借鉴前人开挖后的围岩支护理论,基于Mohr-Coulomb屈服准则,考虑了软岩剪胀、软化的特性以及空间、锚固效应,得到了围岩从开挖到支护整个过程中弹塑性理论,并对围岩支护结构锚杆和衬砌的结构内力进行理论探讨,评估支护结构的安全性。通过数值软件ABAQUS对围岩开挖和支护过程数值模拟,首先,考察围岩在开挖前,开挖过程中及开挖后的围岩应力、位移和塑性区范围变化情况;然后在开挖过程中添加锚杆、衬砌进行支护,比较两种情况下围岩应力、位移和塑性区范围,最后,对锚杆、衬砌支护结构进行模拟,得到模拟情况下的结构内力情况,进一步验证本文二、三章理论的正确性。
  本文以芦岭煤矿Ⅲ—采区石门巷道开挖为例,分析其在开挖-支护过程中的弹塑性理论解,并与该实例的数值模拟结果和现场实测情况进行对比,验证本文地下硐室围岩开挖-支护过程中理论的适用性;另外,对原方案进行改进,缩短开挖面与支护面的距离,并从理论角度预测了采用改进方案后的应力和位移,进一步保障了该巷道开挖与支护过程中的安全,为地下硐室开挖-支护设计提供了一定的理论依据。
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