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[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] 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] 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] 岳宗兴
机械电子工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:我国作为一个富煤、贫油、少气的国家,煤炭在一次能源中占据了主要地位,随着我国工业化的发展,煤炭需求量日益增加,但硬岩巷道掘进存在截割破岩困难、截齿磨损严重等问题,严重制约了煤炭的开采效率,因此,研究新的硬岩截割破碎方法,对煤炭开采有着重要的意义。论文针对硬岩截割破碎困难的问题,提出了一种锯片-截齿联合破岩的方法,利用数值模拟方法对岩板的截割破碎特性进行研究,为岩巷掘进中锯片-截齿联合破岩方法的应用提供技术支持。
  结合岩石损伤本构模型和侵彻失效,建立了截齿与岩石相互作用的有限元模型,通过数值模拟,获得不同截割深度、不同岩石性质下的截齿平均峰值作用力,对数值模拟得到的平均峰值作用力和理论、实验得到的平均峰值作用力进行了线性回归分析,并线性拟合得到了截齿平均峰值作用力的预测公式,结果表明,采用的数值模拟方法是可行的;分析截割深度、岩石性质对截齿破岩的影响,得出截齿平均峰值作用力随截割深度和岩石抗压强度的增加而增大。
  采用与截齿破岩相同的本构模型,建立截齿与岩板相互作用的有限元模型,通过数值模拟,分析截割深度、截割速度、截割角度、截齿距岩板中线距离和岩石性质对截齿破岩的影响,数值模拟结果表明,在论文研究范围内,截齿截割深度会影响岩板的破碎范围,当截割深度较小时,岩板仅在截齿周围局部破碎,破碎范围较小,截齿截割速度、截割角度、截齿距岩板中线距离和岩石性质对岩板破碎范围影响较小,岩板整体破碎;截齿峰值作用力随截割深度的增加而增大,但增大幅度先增加后降低,随截割速度的增加而增大,但增大幅度逐渐降低;截齿峰值作用力随截齿距岩板中线距离、岩石抗拉强度的增加而增大,且增大幅度逐渐增加;截齿峰值作用力随截割角度的增加先减小后增大。
  通过数值模拟,分析锯切深度、锯切厚度和锯片直径对截齿截割岩板的影响。数值模拟结果表明,在论文研究范围内,锯切厚度和锯片直径会影响岩板的破碎范围,锯切厚度较大或锯片直径较小时,岩板仅在截齿周围局部破碎,破碎范围较小,锯切深度对岩板的破碎范围影响较小,岩板整体破碎;截齿峰值作用力随锯切深度、锯片直径的的增加而减小,但减小幅度逐渐降低;截齿峰值作用力随锯切厚度的增加而增大。
  通过对比截齿破岩和截齿截割岩板,结果表明,截齿破岩,岩石仅在截齿周围局部破碎,但对于截齿截割岩板,当锯切厚度较小时,岩板整体破碎,截齿截割岩板的破碎范围大于截齿直线破岩,并且截齿峰值作用力也小于截齿直线破岩,证明锯片-截齿联合破岩方法对于提高硬岩巷道掘进效率、降低截齿作用力的可行性。
[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。
[博士论文] 逯振国
机械设计及理论 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:煤炭是我国主要的一次性消费能源,以地下开采为主,巷道是保证煤炭连续生产的主要运输通道。岩巷掘进中,主要采用增大截割功率的方法来提高掘进机的硬岩破碎能力,造成掘进机体积和重量的增加,并且由于截割刀具的制造工艺和强度没有改变,导致截割刀具磨损加剧,掘进成本提高,影响巷道掘进效率。研究新的巷道硬岩破碎方法,提高硬岩截割能力和效率,降低掘进机功率和重量,对巷道掘进中生产成本的降低具有重要意义。
  本文提出一种金刚石锯片-截齿联合破岩方案,利用金刚石锯片对岩石切缝形成板状岩体,在此基础上利用截齿对板状岩体进行截割破碎,以增强截割头截割能力,提高截割效率,从而全面提高巷道掘进速度。本文以截齿破碎板状岩体为研究对象,利用理论和数值模拟方法分析截齿破岩过程,搭建岩板截割试验台,研究板状岩体断裂结果和峰值截割力的影响因素,为金刚石锯片-截齿联合破岩方法在巷道掘进中的应用提供理论和试验依据。
  在研究岩石结构特点、物理性质和力学性质的基础上,分析了截齿破岩过程及截割力的影响因素。基于弹性薄板理论,建立了岩板在截齿作用下的力学模型,给出了边和角点在不同约束条件下的边界求解条件。基于金刚石锯片-截齿联合破岩方法,分析了巷道掘进中容易出现的板状岩体约束形式,通过不同边界条件对不同约束的板状岩体进行了弯曲求解,得出了最大挠度位置和最大弯矩位置,对板状岩体的断裂位置进行了预测。
  利用有限元软件建立了截齿破碎岩石的数值模拟模型,采用损伤本构模型和侵彻失效相结合的方法,实现了截齿作用下对岩石裂纹扩展和岩块分离过程的模拟。对测试点失效机理的研究表明,岩石破碎的主要原因是拉伸失效,这与理论分析相同。通过数值模拟方法分析了截齿截割速度、切削深度和岩石弹性模量对岩石破碎块度的影响,研究了岩石抗压强度和截割深度对截割力及截割比能耗的影响。
  搭建了岩板截割试验台,主要包括岩板截割组件、测试信号采集系统和液压动力系统。制定了截齿破碎岩板性能的单因素影响试验方案,主要研究岩石性质、岩板厚度、截齿截深、岩板宽度和高度等因素对岩板破碎结果和峰值截割力的影响。岩石性质由单轴抗压强度试验和巴西劈裂法测得。板状岩体破碎试验表明,对于三边约束岩板,峰值截割力随岩石抗压强度、岩板厚度和截齿截深的增大而呈指数增大,随岩板宽度和高度的增大呈指数降低;对于两邻边约束岩板,峰值截割力随岩石抗压强度的增大呈线性增大,随岩板厚度的增大和截深的增大呈指数增大,随岩板宽度和厚度的增大呈指数降低;对于一边约束岩板,峰值截割力随岩石抗压强度和截深的增大呈线性增大,随岩石厚度和岩板宽度的增加呈指数增加,随岩板高度的增加呈线性降低。
  建立了单截齿破碎岩板的数值模型,对截齿破碎岩板的过程进行了模拟,结果表明在岩板主裂纹产生时截割力达到最大值,通过单元失效模型得出,岩板断裂的原因同样是由于拉伸失效。数值模拟中对稳定峰值截割力进行了研究,岩石抗压强度越大,稳定峰值截割力越大,稳定峰值截割力对应岩板最小宽度和高度也越大。数值模拟同样对截割位置、截割角度和围压等对峰值截割力的影响进行了研究,结果表明,峰值截割力随截割角度和围压的增大先增大后减小,截齿截割位置越靠近固定边,截割力越大。对三种约束条件下的岩板破碎峰值截割力进行了对比,结果表明,固定边数量越多,同截割参数下的峰值截割力越大。
  本文通过搭建岩板截割试验台进行的岩板破碎试验,获得了截齿破碎板状岩体的截割力和岩体破碎结果,为金刚石锯片-截齿联合方法在巷道掘进中的应用提供了试验依据。通过试验与数值模拟结果的对比验证了数值模拟结果的正确性,为截齿破碎板状岩体的微观研究供了新的思路和方法。板状岩体破碎截割力与传统破岩截割力的对比表明,金刚石锯片-截齿联合破岩方法可以有效降低截齿截割力,提高巷道的掘进速度。
[博士论文] 刘国明
安全科学与工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:湿喷混凝土技术相比干喷或潮喷具有低粉尘、低回弹等优点,但由于湿喷物料属于稠密颗粒流,存在管输阻力大和管道堵塞等泵送难题。在井下复杂狭小的巷道空间内,矿用湿喷技术对喷浆物料的泵送及喷射性能、粉尘控制要求更为严格。本文通过理论分析、试验研究、数值模拟等方法,开展了矿用湿喷混凝土管道输送阻力及抑尘技术研究。
  首先分析了矿用湿喷混凝土对物料成份及工作性能的特殊要求。利用粒子追踪技术,分析了输送管道中混凝土物料的运动规律,结合力学分析,探讨了润滑层的形成规律及管道输送减阻机理,明确了管壁润滑层的形成对减少管道输送阻力的重要性。从湿式搅拌的源头抑尘技术分析了湿喷工艺中喷射粉尘减少的原因,从优化管尾补风结构提出二次捕获喷射粉尘的概念。
  建立了矿用湿喷混凝土管道输送及喷射试验平台。分别对泵送前、泵送后(喷射前)、喷射后的湿喷物料进行流变、坍落度、含气量等性能测试,分析了不同物料成份及湿喷行为对新拌混凝土流变性能及工作性能的影响规律。湿喷物料成份对新拌混凝土性能的影响主要由“滚珠效应”及“自由浆体效应”产生。湿喷行为对掺入引气剂的混凝土影响最显著,影响显著性范围最广的是屈服剪切应力。屈服剪切应力与混凝土可泵性及可喷性能关系最为密切,塑性黏度相关性较差。采用屈服剪切应力及塑性黏度系数预测的可泵区间呈多边形,流变参数越低,可泵性的概率越大。采用多元线性回归分析,获得了新拌混凝土可泵性及可喷性的定量预测模型。
  以无患子皂粉为主要发泡材料,辅以增泡剂、稳泡剂和开关剂,研制了湿喷混凝土减阻型开关引气剂。发泡组份A:1.5%无患子皂粉、0.5%十二烷基三甲基氯化铵和0.3%聚丙烯酰胺;消泡组份B:0.5%十二烷基硫酸钠和0.7%硅油。开关引气剂在湿喷中的应用不仅保证了混凝土的可喷性,而且提高了混凝土的流动性,降低了管道输送阻力。
  基于混凝土双柱塞泵的工作原理,分析了泵送初期及中期管道堵塞的原因。提出了预先泵送水泥浆体的计算方法,预先泵送水泥浆体由润滑管壁及缓冲大颗粒的惯性集聚两部分浆体组成。通过模拟分析及试验验证,确定了补风口距离喷嘴为10m时为最优补风距离,实现了因搅拌不均导致干性粉尘的二次捕获。最后进行了现场应用。
[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] 纪玉国
桥梁与隧道工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着浅部煤炭资源的不断枯竭,许多国有重点煤矿矿井的开采深度都超过了800m,而在开采需求持续增大的情况下,煤矿的开采深度将会超过1000m,甚至达到1500m。而现有的煤炭开采方式仍然是通过钻爆法完成的井工开采,这就意味着要在复杂的地应力条件下进行井巷爆破掘进作业。因此爆破破岩过程将会受到爆炸载荷和初始地应力场的协同作用,这一过程相对复杂,与现有的不需要考虑初始应力场的爆破破岩过程有所不同。
  针对此条件下的爆破破岩问题,本文借用大型显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对不同围压应力条件下单排三炮孔爆破破岩过程进行了数值模拟研究,探讨了围压值、侧压系数对岩石爆破的影响,以及研究了分别使用布置空孔、使用延时起爆技术,改变炮孔布置倾斜角度等爆破技术对围压应力条件下岩石爆破作用效果的影响规律。主要工作如下:
  (1)从理论上分析了爆破破岩机理、应力波的传播特性和衰减规律及影响破岩过程与效果的主要参数进行了分析。
  (2)分别使用LS-DYNA软件中的Plastic Kinematic(PK)本构方程、Johnson Holmquist Concrete(HJC)本构方程、和RHT本构方程来表征岩石本构关系,进行了理论分析和数值模拟研究。结果表明,通过RHT本构方程来表征岩石本构关系时,可以通过损伤演化来表征岩石压缩破坏和拉伸断裂过程,更适用于表征岩石爆破破岩过程。
  (3)进行了双向等围压应力条件和不同侧压系数条件下的单排三炮孔爆破破岩数值模拟研究,分析了不同围压值和侧压系数对模型中各炮孔的损伤过程,炮孔间的损伤贯穿过程以及爆破破岩过程中有代表性的岩石单元的应力变化过程的影响。研究结果表明,围压对炮孔间的损伤贯穿产生了抑制作用,侧压系数的变化会引起损伤演化方向的变化。
  (4)分析了围压应力条件下布置空孔、延时起爆技术和炮孔排向倾斜布置方式对单排三炮孔爆破破岩过程的影响。结果表明,使用以上爆破技术可以改变围压应力条件下的爆破损伤演化方向、损伤演化速度和损伤演化范围。
[硕士论文] 李硕
矿业工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:沿空留巷技术已在中国部分地区得到应用,但主要集中在薄及中厚煤层,对于厚煤层综放工作面进行的工程实践活动相对较少。本文以青岗坪煤矿42106工作面实际地质条件为依据,运用理论分析、数值模拟分析、实验室研究和现场试验等多种研究方法,对综放沿空留巷围岩控制技术进行了系统的研究,取得以下研究成果:
  (1)分析了综放沿空留巷覆岩运动特征,对沿空留巷围岩稳定控制进行了力学解析,初步确定了巷旁充填体的宽度和强度。
  (2)通过对建立的综放沿空留巷巷旁支撑系统力学模型分析可知,随顶煤刚度的增加,巷旁支撑系统刚度增大,顶煤传递能力增大;采用数值模拟计算,研究了顶煤厚度与直接顶厚度、顶煤弹性模量与直接顶弹性模量对综放沿空留巷充填区顶煤稳定性的影响;提出了高强度锚索支护、构筑巷旁充填体支撑顶煤等充填区顶煤控制方案。
  (3)通过数值模拟分析可知,充填体宽度超过2.5m、强度大于7MPa时,顶板下沉量减小的不明显,且充填成本增加;留巷宽度为3m时,虽然围岩变形量最小,但无法满足正常的生产需要;端头不放煤长度超过6m围岩控制效果不再明显,还会造成煤炭资源的浪费。结合工作面的实际情况,确定留巷方案为巷旁充填体宽度2.5m,充填体强度7MPa,留巷宽度4m,端头不放煤长度6m。
  (4)通过对不同配比的巷旁充填材料进行坍落度测试和力学性能试验,确定了不同龄期膏体试件强度变化的主要影响因素,并根据42106工作面的实际地质条件,确定了巷旁充填材料的最优配比为水泥∶粉煤灰∶矸石骨料=1∶2∶5,料浆质量浓度为78%,早强剂添加量为整体质量的1.6%。
  (5)结合青岗坪煤矿地质及生产技术条件,将本文的研究成果应用于42106综放面沿空留巷,对工作面采动影响期间沿空留巷围岩控制效果进行了监测和分析,监测结果显示巷道围岩变形量、充填体变形量均在合理范围内,留巷效果较好,验证了研究成果的正确性和可靠性。
[硕士论文] 苏金娣
测试计量技术及仪器 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:基于地下矿山爆破开采活动实时监测系统震源定位技术的需要,本文对弹性介质波动理论、粘弹性介质理论及卷积盲源分离理论进行深入研究,结合实际震动波传播特性,建立了爆破震动波的传播特性模型,用基于功率谱密度矩阵联合对角化的频域卷积盲源分离算法对实际爆破震动波进行震相提取研究,实现了纵横波分离,并初步研究了盲源分离算法中分离滤波器矩阵W(z)与混合滤波器矩阵A(z)的关系,为下一步的震源定位反演奠定技术基础,具有很高的实用价值和理论意义。
  本文依据爆破震动波的传播特性:振幅衰减和频率衰减吸收特性,振幅衰减是由波前扩散和传播介质的吸收共同作用的结果,震动波传播介质更接近于粘弹性介质。结合地震波理论的知识中应变与位移的关系、均匀细长杆介质中单位小体积元正应力产生的运动平衡方程以及粘弹性介质模型的本构方程,分别以Maxwell、Kelvin-Voigt和标准线性粘弹性为震动波传播介质,建立了三种完整的爆破震动波传播特性的模型。
  设计了实验方案,利用现有的地下爆破震动信号采集与数据处理平台采集现场数据,通过计算三种模型预测波形与实测波形的相似系数,对三种传播模型效果进行分析,得出三种传播模型都可以来描述爆破震动波的传播特性。其中,Kelvin-Voigt粘弹性介质传播模型对传播特性具有最好的描述效果。
  根据传感器采集爆破震动信号的实际情况,建立了两通道单个爆破震动信号卷积混合模型。采用基于功率谱密度矩阵联合对角化的频域卷积盲源分离算法对模拟的两通道单个爆破震动信号卷积混合信号进行了纵横波的分离,用分离信号的信号干扰比和波形相似系数对分离效果进行了验证,首次利用上述算法对两通道单个实际震动信号实现了纵横波分离。就功率谱密度矩阵联合对角化的频域卷积盲源分离算法,验证了其分离滤波器矩阵W(z)与混合滤波器矩阵A(z)满足“理想的逆关系”。
[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] 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] 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] 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。
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