不同开采条件下采动力学行为研究
井下深部开采存在的问题及对策
井下深部开采存在的问题及对策目前我国煤矿开采的总局势浅度的储存量偏少，而在1000m以下的深度总储量占得比较多，据资料调查，深度的储藏量约占总量的70%多。
而且，在我国东部，煤矿深度以快速速度增长，预计在未来几十年，大部分的煤矿深度将延伸到1000m～1500m之间。
那么，随着开采深度的延伸，由于地表和岩层移动的问题相当复杂，随之新的地表沉陷预测和控制问题也出现了。
另外，在煤矿深部开采中，关于在河流下、建筑物下和铁路下遇到的问题以及矿压、保护煤柱留设、瓦斯、地热等多种技术难题也日趋渐多，严重影响着煤矿生产和矿井建设的发展。
1 我国煤矿深部开采的现状煤矿深部开采问题一直是世界各发展中国家关注的问题。
在世界主要采煤国家中，都领先进入深部开采，而且快速发展。
我国的主要国有煤矿中，采深大于800m的大约占总数的13%，它们主要分布在我国的北京、沈阳、徐州等东部地区，这些矿区的开采时间都比较长。
其中，在开采深度超过1000m以上的还有几个。
2 煤矿深部开采存在的问题2.1地表沉陷预测和控制问题在对矿区进行地表沉陷预测和控制设计所用的参数，我国大部分地区都采用深度小于300m的观测站资料，如果按照比较严格的要求，这些参数资料都只适合在开采深度小于300m的地表沉陷预测和控制。
那么，在《“三下采煤”和主要的井巷煤柱留设及压煤开采规程》中给予的移动角，一般都是达到深部开采条件下的实测值。
在同个矿区，给出的移动角值都是固定的。
但经过实践证明，在具备深度开采条件下，移动角值是否固定无法提供科学依据。
在当前有限的条件下，在深部开采适合条件下采用实测求取岩层移动角的这种方法并不简单。
另外，很多重复建立地表移动观测站实测求取岩石移动角的方法因为所需要的时间相当长，很多都中途而废，导致大量浪费人力财力物力。
2.2 矿井的生产维护费用高在煤矿深度开采中，岩体塑性大和原岩应力大导致矿压明显强烈。
随着采深程度的延伸，覆石自重压力会越加增大，构造压力也会越来越增强，导致围岩会严重变形，巷道和采场失去平衡，顶板管理起来有相当的难度。
分子动力学模拟化学反应中的增强采样方法研究
分子动力学模拟化学反应中的增强采样方法研究分子动力学模拟是一种非常重要的理论方法，被广泛应用于材料科学、能源储存和生命科学等领域。
通过模拟原子和分子的运动，可以预测材料性质、探索化学反应机理等问题。
然而，分子动力学模拟的精度非常依赖于采样的质量，因此开发高效的采样方法对于模拟的准确性和效率都至关重要。
因此，研究增强采样方法是当今分子模拟领域中的一个非常热门的研究方向。
增强采样方法的目的是消除概率坑、在可能状态中搜索更大的空间，从而更好地探索潜在的反应路径。
它们在分子动力学性质和反应-扩散过程方面非常有用，但是它们通常需要更复杂的理论和计算工具。
下面我们将具体介绍分子动力学模拟中常用的增强采样方法：1. 分子动力学模拟分子动力学模拟是最常用的分子模拟方法之一。
它使用牛顿力学方程来计算单个分子或原子的运动轨迹，通过实时记录坐标、速度和能量等信息来建立粒子的运动模型。
分子动力学模拟可以帮助我们了解分子之间的相互作用，通过分析分子轨迹才能对反应机理进行预测。
2. Monte Carlo模拟Monte Carlo模拟是模拟大量独立随机事件的一种计算模型。
在分子模拟中，这种方法用于模拟温度、压力等物理量的平衡状态及系统热力学性质。
它的核心思想是通过尝试所有可能状态来计算概率，并在概率最大的状态下生成模拟数据。
3. 反应路径采样反应路径采样是一种用于确定分子中反应路径的方法。
在反应路径采样中，模拟粒子表示了反应前后的定域势能面，所以我们可以通过分子动力学模拟来模拟反应行为并跟踪反应路径。
然而，对于复杂的系统和反应，反应路径采样往往需要大量计算资源，所以研究增强采样方法对于降低计算成本非常有用。
4. 广义蒙特卡罗方法广义蒙特卡罗方法是一种增强采样方法，旨在帮助精确计算高维度系统的概率分布。
它使用随机游走的方法遍历每个可能状态，从而反映整个系统的行为。
和传统的蒙特卡罗方法不同，他不能保证所有状态都被访问，但可以高效地找到概率最大的状态，从而降低计算成本。
螺杆泵采油抽油杆柱动力学研究
引言
螺杆泵 采油 系统 由于具有 结构 简单 、适用 范 围
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关键 词 ： 螺杆泵 ；采油 ；杆柱 ；动力 学 ；有 限差分
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金属矿山深部智能开采现状及其发展思路探索
金属矿山深部智能开采现状及其发展思路探索摘要：深部安全高效开采属于当前我国金属矿产资源开发所面临的重要问题，而“三高”也就是高温、高压、高地应力导致传统采矿方法困难。
世界各国都在开展深部智能开采研究。
本文系统分析了国内外智能采矿的发展现状，从多个矿山智能化建设案例总结出我国矿山在开采环境智能感知、提升运输自动运行、采掘遥控作业、辅助系统无人值守、生产计划和调度智能决策等方面的进展，剖析了我国金属矿深部智能开采存在的问题，并对我国金属矿深部智能开采发展策略提出了建议。
关键词：金属矿山；深部智能开采；现状；思路探析目前我国对于有色金属资源量的需求将大幅度增长，在资源的消耗度上也达到前所未有的高峰期。
以为有色金属的需求过大，浅部资源提供的原材料供给远远不能满足社会建设需求，深部矿产资源的开采利用势在必行。
相较于浅部而言，地质采矿条件发生了质的变化，深部资源开发面临着更为严重的安全生产挑战。
现阶段对于深部开采尚无明确定义及划分标准，但由于开采需求，各国专家学者也都给出了“深部”的定义。
一、目前深部开采上存在的问题在进行深部开采过程中，复杂地质力学条件使矿山采准工程受“三高一扰动”的影响，对于深部资源的开发利用有严重的限制。
以岩爆为主的深井地压灾害问题严重威胁着矿山高效生产及人员财产安全，严重恶化了矿山生产条件，降低了生产效率，高井深则使得矿山提升、通风、排水难度不断加大，增加了矿山的投入成本，采矿扰动则导致巷道所承受的围岩压力远远大于原岩应力，从而引起岩体错位和破坏，进一步增加了资源深部开发利用的难度。
因此，深部开采面临着地压不断增大，岩爆频繁发生，岩石不断软化，巷道越来越不稳定，巷道支护困难，地温逐渐升高，矿山提升、通风、排水难度不断加大等一系列问题[1]。
在这一系列问题中，解决高应力所带来的安全问题是深部资源开发利用的重要前提保证，对深部开采技术的发展尤为重要。
近些年来，国内外越来越多的专家学者加入了对深部高应力问题研究的行列，并且取得了一些重要研究成果，但是由于深部岩体工程环境的复杂性，高应力问题仍然是困扰深部资源开发利用的重大科学难题。
基于增强采样分子动力学模拟的蛋白质和小分子相互作用热力学和动力学研究
基于增强采样分子动力学模拟的蛋白质和小分子相互作用热力学和动力学研究摘要蛋白质和小分子相互作用的热力学（结合自由能ΔG bind和平衡解离常数K D）是表征一个药物小分子与其靶蛋白结合稳定性的重要依据，也是评价一个药物小分子与其靶蛋白亲和力大小的重要指标。
而近些年来逐渐受到重视的蛋白质和小分子之间的结合动力学（解离速率常数k off和滞留时间）与药物小分子的药效和毒性等药代动力学性质密切相关，所以在以靶蛋白和药物小分子的热力学性质为依据进行药物设计时应同时考虑它们的结合动力学性质。
基于蛋白质和小分子热力学和动力学的计算方法和预测热力学和动力学的重要性，本论文的研究内容主要有以下五个部分。
本论文第一章详述了蛋白质和小分子相互作用的重要性，从蛋白质和小分子相互作用理论模型开始，介绍了二者相互作用的物理化学基础以及二者结合的热力学和动力学性质。
接着总结了研究蛋白质和小分子相互作用的热力学和动力学的计算方法。
对于热力学性质来说，主要有基于分子对接的打分函数和基于分子动力学模拟的自由能计算方法，如我们熟知的MM/PB(GB)和自由能微扰计算方法。
而针对动力学性质的计算，目前比较成熟的有拉伸分子动力学模拟、自适应偏置力模拟以及meta动力学模拟等增强采样方法。
第二章通过常规分子动力学模拟和拉伸动力学模拟研究了B-RAF激酶的两个高效抑制剂PLX4720和TAK-632解离机制的差异以及解离机制与滞留时间的关系。
从两个抑制剂与B-RAF激酶复合物的晶体结构出发，我们首先对常规分子动力学模拟的平衡轨迹做了能量分解，发现B-RAF激酶结合两个抑制剂的关键氨基酸残基的能量贡献有明显的差异，尤其在变构结合位点处。
这说明变构位点处的疏水作用对于提高B-RAF激酶抑制剂的药效以及延长滞留时间有很重要的作用。
之后我们用随机加速分子动力学模拟对多条平衡轨迹选择不同的参数进行了统计，结果表明抑制剂PLX4720是从ATP通道解离，而抑制剂TAK-632则有1/3的几率从变构通道解离。
煤矿采矿工程中的采矿工艺与技术研究
煤矿采矿工程中的采矿工艺与技术研究煤矿采矿工程是指在煤矿井下采矿过程中，为了达到最高产率和最低成本，对采矿工艺和技术的不断研究和改进。
煤矿采矿工程不仅涉及采矿机械设备、井下安全、节能环保等领域，而且还包括采矿工艺和技术方面的研究。
下面就分别阐述下煤矿采矿工程中的采矿工艺和技术研究。
一、采矿工艺研究1、机械化采煤机械化采煤指的是在矿井内利用各种现代化采矿机械进行采煤的技术。
机械化采煤相对于人工采煤有显著的优势，如能够提高采煤效率、降低生产成本、减少劳动强度等。
因此，目前机械化采煤在煤矿井下已经得到了广泛应用。
而机械化采煤采用的采煤工艺也是不断改进的，如矿山自主开采、综合工艺、全牌二级回采工艺等。
2、支架采煤支架采煤是指采用煤矿支架作为支护工具，采用维护巷道下进采场，在安全、高效、环保的前提下进行采煤。
支架采煤是目前国内大型煤矿的主要采煤工艺之一，其主要优势为采出率高、顶板稳定、煤质好等。
3、锚杆法采煤锚杆法采煤是在煤矿井下采用锚杆支护和机械化采煤设备进行采煤的方法，其主要特点是隐藏性好、安全性高、生产效率高、煤质好等。
锚杆法采煤是目前国内煤矿最常用的采煤方法之一。
4、顺层采煤顺层采煤是在煤层应力场合理设计的前提下，按照煤层的结构和性质选取不同采矿方式，实现煤层连续自然破碎和无间断地运送出矿的采煤方法。
其主要特点有产煤效率高、提高采取率、煤层稳定性好等。
目前已有许多大型煤矿采用这种采煤方法，取得了较好的社会和经济效益。
1、煤层透水性研究煤层透水性是指煤层内液体或气体的渗透能力。
在煤矿生产过程中，煤层透水性对煤层稳定性、采煤效率、煤损失、排水和安全等问题有着重要的影响。
因此，煤层透水性的研究对煤矿生产具有重要意义。
2、动力学研究动力学是研究物体运动以及运动物体由于受到的力、变形，能量守恒等问题。
在煤矿采矿过程中，采煤设备的运动及其受力情况对煤矿生产和采煤效果具有重要影响。
因此，动力学研究对煤矿生产和采煤设备改进具有重要意义。
深部煤体采动应力下双曲函数型渗透率模型
深部煤体采动应力下双曲函数型渗透率模型王路军;周宏伟;荣腾龙;任伟光【摘要】深部资源开采中,采动应力下煤体渗透率演化规律成为煤炭开采理论研究的热点之一.通过对煤体常规三轴渗流实验和采动应力路径下渗流实验对比分析,发现深部含瓦斯煤体在采动应力路径下其渗透率-体积应变异于常规三轴渗透实验.煤体常规三轴实验主要以三向应力加载为路径,而煤体在不断采出过程中其应力路径主要表现为特定方向加载其他方向卸荷的过程,可凝练为加轴压卸围压的应力路径,而应力-应变分析的起始点为静水压力状态,这必然引起煤体力学物理性质异于三向加载条件的行为.在采动应力条件下的渗透率-体应变空间内,以煤体体应变扩容点为界,当体应变达到扩容点后,随着体应变从压缩变形转换为膨胀变形,渗透率呈现出降低、稳态、增加的过程.为了定量地描述深部煤体渗透率在采动破坏或流变失稳过程中先减小后增大的行为,基于在体积应变空间内真实渗透网络是所有可能渗透网络中最优演化形式的假设,建立以渗透率、体积应变为变量的泛函关系,从而得出由体积应变表示的渗透率表达式.考虑深部煤体流变过程,将分数阶微积分理论推导的煤体体积蠕变方程代入渗透率函数中,得出以轴向应变为自变量的渗透率表达式.根据已有的实验数据对渗透率模型进行验证,结果表明:基于最优渗透网络得出的渗透率模型能很好地描述煤体渗透率在破坏过程中的演化规律,同时也可拟合流变过程中渗透率的变化趋势.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2019(044)003【总页数】8页(P941-948)【关键词】渗透率;双曲函数;深部煤体;采动应力;体积应变【作者】王路军;周宏伟;荣腾龙;任伟光【作者单位】中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD821随着煤炭资源开采深度的增加，深部煤岩体处于高地应力、高地温、高渗透压环境中，在开采扰动的条件下，岩爆、煤与瓦斯突出、巷道难以支护等现象发生概率随之增大。
天然气水合物藏降压开采流固耦合数值模拟研究
天然气水合物藏降压开采流固耦合数值模拟研究一、综述天然气水合物（NGH）作为具有巨大潜在能源价值的未来能源，其勘查与开发受到了全球范围内的广泛关注。
NGH的开采过程中面临着诸多技术挑战，如储层伤害、降水诱发滑坡等。
为了克服这些问题，实现安全高效的开发，本文首先对近年来NGH藏降压开采过程中的流固耦合现象进行了综述，在了解现有研究成果的基础上，分析了目前研究中存在的主要问题和不足，并提出了本论文的研究目的和意义。
1. 天然气水合物的形成与分布天然气水合物，作为一种重要的潜在替代能源，备受全球关注。
它是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。
这种物质在自然界中广泛分布在深海或陆域的永久冻土区，主要由甲烷、乙烷、丙烷等烃类气体与水分子组成。
关于天然气水合物的形成机理，目前已有多种理论：一是动力学机制，认为水合物的形成是天然气分子在特定温度和压力条件下，与水分子发生化学反应，通过动力学过程逐渐积累而形成；二是热力学机制，强调在高温高压条件下，天然气与水分子间的相互作用导致水合物的稳定存在。
尽管天然气水合物的形成机制尚不完全清楚，但大量研究表明，水合物的形成受到多种环境因素的影响，如温度、压力、气体成分、含盐度、杂质以及地质构造等。
在深海环境中，高压力、低温和充足的液态水为水合物的形成提供了有利条件。
天然气水合物的分布范围广泛，从浅海到深海，甚至北极和南极的冰层下，都有可能找到它的踪迹。
全球已知的最大的水合物矿床位于俄罗斯西伯利亚的维特洛克海盆，该地区的水合物储量估计超过1000万亿立方米。
我国南海神狐海域也发现了巨量的水合物资源，为我国天然气水合物的研究和开发提供了重要依据。
值得注意的是，水合物的分布并不均匀，它往往与地质构造和油气藏密切相关。
在油气藏发育区，由于地层中的油气和水合物具有相似的高压和低温条件，它们可以相互作用形成互层的天然气水合物和石油天然气混合储层。
水合物还可以与盐岩、砂岩等地质结构相互作用，形成富含盐岩气的水合物储层。
深海采矿开采系统运动状态和动态特性影响因素分析研究
素进行 分 析研究 ，相应 结论 可为探 海采 矿开采 系统 及其设 备 的设计 、布局 、运 行 和控 制提 供参考 。
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布 局合 理 、设 备安 全 、运 行 经 济 、控 制 简便 ， 是 深海 采矿 开采 系统研 究 开发 的主要 目标 ；系统 的 运动状 态和 动 态特性 则对上 述 目标产 生直接 的 、重 要 的影 响 。开 采系统 运动状 态 和动态特性 影 响因素 包括 ：ａ ．海 流 、波浪等 海洋 环境 参数 ；ｂ ．采矿 船
计、 布局 、 运行和控制。
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作业原理 是 ：按 设定路 线在 深海 海底行驶 的集 矿 机
采 集 半 埋 于 海 底 沉 积 物 表 面 的 多 金 属 结 核 ；采 集 到
的结核 在 集矿 机内经 清洗 和破 碎后 ，经 由软 管被 泵 送 到扬 矿 硬管下端 的水下 中间矿 仓 ；然 后 ，串接 于
凌 胜 ， 肖林 京 ， 申 焱华 ，张文 明
１０ ８ ） ００ ３ （ 京科技 大学土 木 与环境 工程 学院 ，北 京 北
（ 摘要 】 布局台理、设备安全 、 运行经济、ｇ￥ｆ便 ． ￣ｑ ｇ 是深悔采矿开采系统研究开发的主要 目标。开采系统
的运 动 状 态 和动 态 特 性 对 上述 Ｈ标 产 生 直 接 的 、重 要 的 影 响 。 文 章 根 据 现 有 研 究 成 果 ，对 开 采 系 统 运 动 状 态 和 动 态 特性 的 主要 影 响 目 素 进行 分 析 研 究 ．相 应 结 论 ａ为 系 统 及 其 设备 的设 计 、布 局 、运 行 和控 制 提 供 参 考 ｒ
化学药物非临床药代动力学的研究技术指导原则
指导原则编号：【H】G P T 5-1化学药物非临床药代动力学研究技术指导原则二○○五年三月目 录一、概述 (1)二、基本原则 (2)三、试验设计 (2)（一）总体要求 (2)（二）生物样本的药物测定方法 (3)（三）研究项目 (4)四、数据处理与分析 (9)五、结果与评价 (9)六、常见问题与处理思路 (10)七、参考文献 (13)八、附录（生物样品的分析方法） (15)九、著者 (21)化学药物非临床药代动力学研究技术指导原则一、概述非临床药代动力学研究是通过动物体内、外和人体外的研究方法，揭示药物在体内的动态变化规律，获得药物的基本药代动力学参数，阐明药物的吸收、分布、代谢和排泄的过程和特点。
非临床药代动力学研究在新药研究开发的评价过程中起着重要作用。
在药效学和毒理学评价中，药物或活性代谢物浓度数据及其相关药代动力学参数是产生、决定或阐明药效或毒性大小的基础，可提供药物对靶器官效应（药效或毒性）的依据；在药物制剂学研究中，非临床药代动力学研究结果是评价药物制剂特性和质量的重要依据；在临床研究中，非临床药代动力学研究结果能为设计和优化临床研究给药方案提供有关参考信息。
本指导原则是供药物研究开发机构进行化学药品新药的非临床药代动力学研究的参考，而不是新药申报的条框要求。
研究者可根据不同药物的特点，参考本指导原则，科学合理地进行试验设计，并对试验结果进行综合评价。
本指导原则的主要内容包括进行非临床药代动力学研究的基本原则、试验设计的总体要求、生物样品的药物分析方法、研究项目（血药浓度-时间曲线、吸收、分布、排泄、血浆蛋白结合、生物转化、对药物代谢酶活性的影响）、数据处理与分析、结果与评价等，并对研究中的一些常见问题及处理思路进行了分析。
二、基本原则进行非临床药代动力学研究，要遵循以下基本原则：（一）试验目的明确（二）试验设计合理（三）分析方法可靠（四）所得参数全面，满足评价要求（五）对试验结果进行综合分析与评价（六）具体问题具体分析三、试验设计（一）总体要求1、受试物应提供受试物的名称、剂型、批号、来源、纯度、保存条件及配制方法。
深部开采模拟中岩体力学参数的取值研究
深部开采模拟中岩体力学参数的取值研究章节提纲：一、引言1. 研究背景和意义2. 国内外研究现状及不足3. 研究目的和意义二、相关理论1. 岩石力学基础知识2. 岩体力学参数及其意义3. 岩石力学行为分析方法三、实验与数据分析1. 实验设计2. 实验过程和数据采集3. 实验数据分析方法和结果展示四、数值模拟1. 模拟原理和方法2. 岩体力学参数取值及其影响因素3. 模拟结果分析五、结论与展望1. 结果总结2. 研究不足和今后工作展望3. 对深部开采的启示与建议注：以上提纲是一篇深部开采模拟中岩体力学参数的取值研究的论文提纲，仅供参考。
具体实施时应按照研究内容和方法来具体拟定章节内容。
第一章节：引言1. 研究背景和意义随着人类社会的发展，对能源、矿产资源的需求越来越大，深部开采已经成为了现今最重要的采矿方式之一，与此同时也带来了很多的岩石力学问题。
岩石力学是煤矿、金属矿、石油等领域中不可忽视的重要分支，它研究了岩石在不同应力环境下的变形和破坏特征，掌握岩石的物理特性、机械性质，可以有效地指导深部开采的方向和节约采矿资源的有效利用。
但是，现实情况中，岩体实际受到的载荷极其复杂，导致岩石力学参数的取值异常困难，给深部开采带来了巨大的挑战。
2. 国内外研究现状及不足近年来，国外已经开展了大量深部开采和岩石力学研究工作，通过对大量的现场测试数据和实验室测试数据进行整理和分析，研究出了较为合理的参数取值，能够一定程度上指导了深部开采的进行。
但是，国内在深部开采方面的研究相对较少，缺乏实际案例和数据的支撑，且普遍缺乏深入的理论分析。
3. 研究目的和意义基于以上的分析，本文将通过实验和数值模拟的方式，对深部开采模拟中岩体力学参数的取值研究进行分析，目的是找到一种合理的方式提取有价值的信息，为深部开采提供合理的指导和支持；同时，以数值模拟为工具，研究深部岩体状况，实现对岩体控制全过程的精确预测，并对未来深部开采研究工作提出一些可行性建议，为我国的深部开采和矿山安全生产提供一定参考价值。
不同开采条件下岩石的变形破坏特征及对比分析_左建平
第38卷第8期煤炭学报Vol．38No．82013年8月JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug．2013文章编号:0253－9993(2013)08－1319－06不同开采条件下岩石的变形破坏特征及对比分析左建平1，2，刘连峰1，周宏伟1，2，黄亚明1(1．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083)摘要:基于3种典型的煤层开采方式(无煤柱开采、放顶煤开采和保护层开采)，借助MTS －815电液伺服岩石实验系统对潞安李村煤矿灰岩进行了同时恒定降围压、变速率加轴压的三轴卸荷试验，由此研究了不同开采卸荷条件下的应力路径对围岩的力学行为影响。
实验获得了不同围压不同加载速率条件下灰岩的全应力－应变曲线及宏观破坏模式，认为灰岩的破坏模式与达到峰值时围压的大小有很大关系，而轴向加载应力路径影响较小;放顶煤开采条件下围岩的变形较保护层开采和无煤柱开采要大，特别是塑性变形较后两者也大。
另外围岩的脆性和延性特征的转变与轴向加载速率有很大关系，即与煤层开采方式有关，并且围压越大，塑性特征越明显。
关键词:开采方式;卸荷;破坏模式;塑性应变中图分类号:TD315文献标志码:A收稿日期:2012－08－02责任编辑:王婉洁基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB732002，2011CB201201);国家自然科学基金资助项目(11102225)作者简介:左建平(1978—)，男，江西高安人，教授，博士。
E －mail :zjp@cumtb．edu．cnDeformation failure mechanism and analysis of rockunder different mining conditionZUO Jian-ping 1，2，LIU Lian-feng 1，ZHOU Hong-wei 1，2，HUANG Ya-ming 1(1．School of Mechanics and Civil Engineering ，China University of Mining and Technology (Beijing )，Beijing 100083，China ;2．State Key Laboratory of Coal Ｒesources and Safe Mining ，China University of Mining and Technology (Beijing )，Beijing 100083，China )Abstract :Based on three typical mining models (non-pillar mining ，top-coal caving and protected coal seam mining )，a series of triaxial tests which keeping confining pressure at the same unloading rate and axial pressure in different loading rates were carried out on the limestone samples through MTS-815electrohydraulic servo Ｒock Test System．Based on experimental results ，the relationship between stress path and surrounding rock under different mining condi-tions was investigated in detail．The complete stress-strain curves and macro-damaged characteristics were studied and compared．The experimental results indicate that the failure mode is mainly related to the confining pressure near peak strength rather than the axial loading rate under unloading condition．The top-coal caving can lead to more bigger de-formation and plastic deformation than non-pillar mining and protected coal seam mining．The axial loading rate trans-form the rock property between brittle and ductile ，when the confining pressure is bigger ，the conversion of brittle-duc-tile property will be more obviously．Key words :mining layout ;unloading ;failure mode ;plastic strain 深部煤炭开采后，巷道和工作面附近的围岩处于卸荷状态［1］，即煤岩体经历了从原岩应力、轴向应力差(σ1－σ3)在升高而围压σ3在递减(即卸荷)到破坏卸荷的完整采动力学过程［2］。
基于三维离散元管线模型的深海采矿1000m海试系统整体联动动力学研究
基于三维离散元管线模型的深海采矿1000m海试系统整体联动动力学研究随着世界人口的不断增长、经济和科学技术的飞速发展,世界各国对矿产资源的需求量与日剧增,以至于陆地资源日渐短缺,人类不得不探寻新的资源基地。
而大洋底部却蕴藏着丰富的矿产资源,开发大洋矿产资源已经成为世界各国发展的战略目标。
相比其他国家,我国的资源状况更加严峻,深海多金属结核开采技术的研究是一个关系到国家战略的重大课题。
本文作者以中国深海采矿1000m海试系统为研究对象,针对采矿系统扬矿管线工作过程中大位移、小变形的几何非线性特性以及系统联动过程动力学性能实时快速分析的需求,提出多刚体离散元法建立管线空间离散模型,基于多刚体动力学的理论,利用大型商业动力学仿真分析软件ADAMS建立1000m海试整体系统虚拟样机,成功进行了采矿系统整体联动动力学仿真和性能分析,为系统的研制和开采作业提供理论依据和技术参考。
研究形成了计算精度与有限元方法相当、计算速度提高近8倍的深海采矿系统整体联动动力学性能分析方法,为深海采矿系统海试和采矿作业过程的动力学性能实时分析和监测开辟了一条可行的途径。
主要研究成果如下:1.考虑到深海采矿系统长期设置于开敞海面从事作业,承受着来自海洋环境的风、波、流等复杂环境载荷,针对深海采矿系统的特点,以长达千米的水下扬矿管线的环境载荷计算为研究重点,详细研究了深海采矿系统所受海洋环境载荷的处理分析方法。
2.针对采矿系统扬矿管线工作过程中大位移、小变形的几何非线性特性以及系统联动过程动力学性能实时快速分析的需求,采用多刚体离散元方法研究长达千米的扬矿管线系统的建模,形成了基于三维离散元模型的管线系统动力学分析方法,首次实现了扬矿管线系统的三维快速动力学分析。
并通过若干典型算例进行了考证,算例证明采用三维离散元模型对管线系统进行计算分析是行之有效的。
3.根据深海采矿系统边界载荷条件和基于离散元的扬矿管线建模方法,以1000m海试为工程研究对象,利用大型商业动力学仿真分析软件ADAMS,成功建立了1000m海试整体系统虚拟样机。
浅析缓倾斜极薄小矿体的采矿方法
浅析缓倾斜极薄小矿体的采矿方法1. 引言1.1 研究背景矿业资源的开发利用一直是人类社会发展的重要支柱之一，而随着传统矿床逐渐枯竭，对于浅埋且倾斜角度较小的极薄小矿体的开采工作变得愈发重要。
这类矿体通常位于矿体顶板与地表之间，矿层倾角很小，矿床厚度极薄，传统的采矿方法在这种情况下已经难以适用。
研究缓倾斜极薄小矿体的采矿方法具有重要的现实意义。
在当前矿业技术的背景下，如何有效地对缓倾斜极薄小矿体进行开采已经成为矿业工作者面临的一项重要挑战。
只有深入了解这类矿体的特点，并结合合适的采矿方法，才能实现对矿产资源的最大化利用，同时确保采矿过程的安全高效进行。
本文旨在浅析缓倾斜极薄小矿体的特点，并探讨适用于这类矿体的不同采矿方法，以期为相关矿业工作者提供参考和借鉴。
通过系统研究缓倾斜极薄小矿体的采矿方法，有望为矿业资源的开发利用提供新思路和新方法。
1.2 研究意义缓倾斜极薄小矿体是指薄层矿体在低倾角地段中的分布，其开采难度大、安全风险高。
对于这一类矿体，矿山企业往往面临诸多困难和挑战。
研究缓倾斜极薄小矿体的采矿方法具有重要的意义。
通过深入研究和探索，可以为矿山企业提供有效的采矿方案，降低开采成本，提高矿石开采率，从而增加企业收益和竞争力。
研究缓倾斜极薄小矿体的采矿方法，有助于提高矿山开采效率，减少资源浪费，保护环境和生态，推动绿色矿山建设。
这一研究领域的深入探索还有助于促进采矿技术的进步和创新，推动矿业行业的可持续发展。
研究缓倾斜极薄小矿体的采矿方法具有重要的理论和实践意义，对提高矿山企业的经济效益、社会效益和环境效益具有重要的推动作用。
1.3 研究目的研究目的是为了探讨如何有效地开采缓倾斜极薄小矿体，提高矿产资源的开采利用率。
针对这种特殊类型的矿体，传统的采矿方法并不适用，因此需要进一步研究和探索新的采矿方法。
通过研究，我们希望找到一种适合该类型矿体的高效、安全、具有可持续性的采矿方法，以满足矿产资源的需求，并减少对环境的影响。
深部开采的定量界定与分析
深部开采的定量界定与分析谢和平;高峰;鞠杨;高明忠;张茹;高亚楠;刘建峰;谢凌志【摘要】随着我国煤炭开采深度不断增加,“深部开采”将成为常态,但是什么是“深部”,如何定义“深部”,始终没有科学的、定量化的表达.提出了亚临界深度、临界深度、超临界深度等概念和定义,用于表征不同程度的深部开采.经研究“深部”不是深度,而是一种力学状态,是由地应力水平、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态,可以通过力学分析给出定量化表征.研究表明,随着采深增大,原岩应力趋于静水应力状态是深部的1个典型和共同的特征,同时煤岩体也经历了弹性变形破坏、脆塑性转变和大范围屈服等阶段.深部开采中极高的地应力水平和三向等压应力状态将导致深部围岩大范围塑性破坏并伴随大量级、大规模的强烈动力失稳,现有的煤炭开采理论与技术已难以适用,需要对深部岩体力学、采矿科学理论进行新探索.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)001【总页数】10页(P1-10)【关键词】深部开采;临界深度;地应力;采动应力;塑形破坏【作者】谢和平;高峰;鞠杨;高明忠;张茹;高亚楠;刘建峰;谢凌志【作者单位】四川大学,四川成都610065;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;四川大学,四川成都610065;四川大学,四川成都610065;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;四川大学,四川成都610065;四川大学,四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】TD311;TD803责任编辑:常琛谢和平,高峰,鞠杨,等.深部开采的定量界定与分析[J].煤炭学报,2015,40(1):1-10. doi:10. 13225/j. cnki. jccs. 2014. 1690Xie Heping,Gao Feng,Ju Yang,et al. Quantitative definition and investigation of deep mining[J]. Journal of China Coal Society,2015,40 (1):1-10. doi:10. 13225/j. cnki. jccs. 2014. 1690随着浅部煤炭资源的日益枯竭,我国的煤炭开采深度不断加大,深部开采将成为煤炭资源开发中的常态。
井下管柱力学分析及优化设计
井下管柱力学分析及优化设计一、本文概述随着石油工业的发展，井下管柱作为石油开采过程中的关键组成部分，其力学性能及优化设计日益受到业界的广泛关注。
本文旨在全面探讨井下管柱的力学特性，以及针对其在实际工作环境中的受力情况进行详细分析，从而提出有效的优化设计策略。
通过对井下管柱的力学分析，可以深入理解其在石油开采过程中的行为规律，预测潜在的安全风险，并为提高管柱的承载能力和延长使用寿命提供理论支持。
优化设计的提出将有助于降低开采成本，提高石油开采效率，为石油工业的可持续发展做出贡献。
本文的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有广泛的应用前景。
二、井下管柱力学基础在石油、天然气等地下资源开采过程中，井下管柱作为重要的设备之一，其力学特性对于确保开采过程的安全和效率具有决定性的影响。
因此，深入理解和掌握井下管柱的力学基础，是优化设计井下管柱结构、提高开采效果的前提。
井下管柱的力学行为主要受到轴向力、弯曲力、剪切力以及压力等多种力的影响。
这些力主要来源于地层应力、流体压力、温度变化、管柱自身的重量以及操作过程中的外力。
其中，轴向力主要由管柱自身的重量和地层应力引起，弯曲力则是由地层弯曲和管柱自身的挠曲造成，剪切力则可能由流体流动、温度变化等因素产生。
在力学分析中，我们通常采用弹性力学、塑性力学以及断裂力学等理论工具，对井下管柱在各种力作用下的行为进行深入的研究。
例如，通过弹性力学，我们可以分析管柱在弹性范围内的应力、应变分布，以及管柱的变形情况；而塑性力学则可以帮助我们理解管柱在塑性变形阶段的力学行为，以及管柱的承载能力；断裂力学则可以揭示管柱在断裂过程中的力学规律，为预防管柱断裂提供理论依据。
井下管柱的力学行为还受到流体压力的影响。
在开采过程中，地层流体（如石油、天然气、水等）的压力会对管柱产生压力作用，从而影响管柱的力学行为。
因此，在力学分析中，我们还需要考虑流体压力对管柱的影响，以及管柱与流体的相互作用。
采煤机滚筒截割破煤理论及截割动力学研究
采煤机滚筒截割破煤理论及截割动力学研究滚筒式采煤机是机械化采煤作业的主要机械设备,在煤矿开采中占有重要地位。
研究截齿与煤壁的相互作用规律,有助于进一步研究滚筒的截割性能,继而改善采煤机的工作效率、稳定性与寿命。
有鉴于此,研究不同参数下截齿对煤壁的破坏作用与截割性能,对于螺旋滚筒的优化设计具有重要的意义。
本课题对截齿与滚筒截割过程进行研究,主要包括以下内容。
首先,基于对煤壁物理力学性质的了解,借助PFC3D软件建立了离散元煤壁模型,进行单轴抗压与巴西劈裂模拟试验,测出了模拟煤壁的力学性质,使之与真实煤壁相匹配;随后,利用UG软件建立镐型截齿模型并导入PFC3D,在不同切削厚度下对该模拟煤壁进行直线截割仿真,并利用回归分析的方法验证了煤壁模型的可靠性。
其次,在切削厚度为5 mm、10 mm、15 mm的条件下,分别分析了截割角为40°、45°、50°和55°以及截割线速度为2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s 十六种情况下煤壁微破坏、截齿载荷以及截割比能耗。
再次,建立了双齿截割模型,研究了相关截割模式与非相关截割模式下镐型截齿截割机理与截割性能。
此外,探讨了切削厚度为5 mm、10 mm、15 mm和20 mm 的条件下及截线距为10 mm、20 mm、30 mm、40mm、50 mm、60 mm、70 mm和80 mm三十二种情况下镐型截齿对煤壁的微破坏、载荷以及截割比能耗。
最后,建立了单齿旋转截割模型与滚筒截割模型,分别分析了截齿(滚筒)转速为40 r/min、50 r/min、60 r/min和70 r/min以及牵引速度为2 m/min、3 m/min、4 m/min和5 m/min十六种情况下截齿与滚筒的截割性能。
通过上述研究内容,得出以下结论:利用回归分析法验证了仿真结果的正确性与模拟煤壁的可靠性;截割线速度越大,截齿对煤体的剪切错动作用越强,随着截割线速度与截割角的增大,截齿载荷与截割比能耗均呈先增大后减小的趋势,综合考虑,截割线速度应取3~4 m/s,截割角取45~50°为宜;截线距越大,截齿间的相互程度作用越弱,截齿对煤壁的剪切错动作用越强,截齿载荷越大,截线距与切削厚度之比为3.5~4之间时,截割比能耗最小;滚筒载荷随牵引速度的增大而增大,而随着滚筒转速的增大,滚筒载荷为先减小后增大,当截齿转速为60 r/min,牵引速度为2m/min时,滚筒载荷达到最小值,与单齿旋转截割仿真结果一致;滚筒截割比能耗随牵引速度的增大而减小,而当牵引速度恒定时,随着滚筒转速的增大,截割比能耗则为先减小后增大,当滚筒转速为50 r/min,牵引速度为5 m/min时,截割比能耗达到最小值,截割效率最高。
科学实验探索动力学实验与数据分析
科学实验探索动力学实验与数据分析动力学实验是科学研究中的重要组成部分，通过对物质在不同条件下变化和运动规律的研究，我们可以了解事物的本质和特性。
本文将探讨科学实验中的动力学实验和数据分析，以及如何正确地设计和解读实验结果。
一、实验准备在进行动力学实验之前，我们需要准备实验器材和实验样品。
例如，在研究化学反应的动力学过程时，必须准确称量反应物，配置适量的试剂溶液，并准备好反应容器和适当的温度控制装置。
二、实验步骤动力学实验的步骤通常分为以下几个方面：1. 初始化实验条件：根据研究需要，设置实验的初始条件，例如控制温度、浓度、压力等。
2. 开始实验：将反应物加入反应容器，并控制实验条件的稳定。
3. 数据采集：实验过程中，我们需要定时记录实验结果，例如记录反应速率随时间的变化。
这些数据将用于后续的数据分析。
4. 实验结束：实验完成后，对实验结果进行总结和分析。
三、数据分析数据分析是动力学实验的重要环节，它能帮助我们推断出反应过程中的动力学规律。
以下是常用的数据分析方法：1. 绘制曲线：将采集到的数据绘制成曲线图可以直观地观察到反应过程的变化趋势。
例如，在研究化学反应速率时，可以将反应物浓度随时间变化的数据绘制成浓度-时间曲线。
2. 拟合曲线：实验数据通常不是完全理想的，因此我们需要对实验数据进行数据曲线拟合，以得到与实验曲线最接近的理论曲线。
拟合曲线可以帮助我们估计反应物的反应级数、速率常数等重要参数。
3. 数据处理：根据实验曲线和拟合曲线，可以进行数据处理和计算。
例如，可以通过拟合曲线的斜率得到反应速率的大小，或者通过拟合曲线的截距得到反应起始时刻的浓度。
四、实验注意事项1. 安全第一：在进行任何实验时，安全是最重要的。
确保实验操作符合实验室的安全规范，采取必要的安全措施。
2. 精确度和重复性：动力学实验需要尽量保持实验的精确度和重复性。
尽可能减小实验误差，采用合适的实验方法和仪器。
3. 变量控制：在动力学实验中，我们需要控制变量来研究因果关系。
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第36卷第7期煤 炭 学 报Vol.36 No.7 2011年7月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJuly 2011 文章编号:0253-9993(2011)07-1067-08不同开采条件下采动力学行为研究谢和平1,周宏伟2,刘建锋1,高 峰2,张 茹1,薛东杰2,张 勇2(1.四川大学水利水电学院,四川成都 610065;2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)摘 要:通过分析3种典型开采条件下(放顶煤开采㊁无煤柱开采与保护层开采)工作面支承压力分布规律,揭示了采动影响下工作面前方煤体支承压力峰值大小及位置的采动力学特征,获得工作面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件,据此进一步开展了不同开采条件下煤体采动力学行为的实验研究㊂通过升高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟长壁工作面前方垂直应力和水平应力,获得了3种典型开采条件下煤体破坏全过程的采动力学行为和应力集中系数,以及不同开采条件下煤体破坏时的支承压力㊁水平应力㊁变形等的差异,同时揭示了工作面前方煤体的采动力学行为与开采条件的关系㊂关键词:开采条件;采动力学;放顶煤开采;无煤柱开采;保护层开采中图分类号:TD325 文献标志码:A收稿日期:2011-06-20 责任编辑:王婉洁 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201201);国家科技支撑计划资助项目(2008BAB36B07);国家自然科学基金资助项目(50674092) 作者简介:谢和平(1956 ),男,湖南双峰县人,中国工程院院士㊂E-mail:xiehp@Mining⁃induced mechanical behavior in coal seamsunder different mining layoutsXIE He⁃ping 1,ZHOU Hong⁃wei 2,LIU Jian⁃feng 1,GAO Feng 2,ZHANG Ru 1,XUE Dong⁃jie 2,ZHANG Yong 2(1.College of Hydraulic and Hydroelectric Engineering ,Sichuan Univeristy ,Chengdu 610065,China ;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining ,China University of Mining and Technology (Beijing ),Beijing 100083,China )Abstract :By summing up a property of the abutment pressure at long⁃wall coal face under three typical mining lay⁃outs,i.e.,top⁃coal caving,non⁃pillar mining and protected coal seam mining,some general mining⁃induced mechani⁃cal characteristics such as magnitude and location of peak stress of abutment pressure were proposed.Furthermore,a stress state of coal in the front of mining face was suggested to determine the loading and unloading parameters for a la⁃boratory study subjected to different mining layouts.The vertical stress(i.e.,an abutment pressure)and the horizontal stress of coal in the front of long⁃wall mining face were simulated by increasing the axial stress and decreasing the con⁃fining pressure simultaneously in a conventional triaxial compression test.As a result,a mining⁃induced mechanical be⁃havior such as stress⁃strain curves and peak stresses as well as the differences of vertical stress,horizontal stress anddeformation of coal samples among three typical mining layouts are obtained.Additionally,a relation between the min⁃ing⁃induce mechanical behavior of coal in the front of coal mining face and typical mining layouts is suggested.Key words :mining layout;mining⁃induced mechanics;top⁃coal caving;non⁃pillar mining;protected coal seam mining 采动力学常指由于采动引起上覆岩层大范围移动和应力重分布,特别是工作面前方煤岩体的承载应力变化㊂长期以来,采煤工作面周围尤其是工作面前方支承压力分布规律的研究一直是采矿工程学科研究的核心内容,也是工作面顶板控制和顶板管理的基础㊂事实上,在不同开采方式下,工作面前方煤岩体经历了从原岩应力㊁轴向应力(σ1-σ3)升高而围压(σ3)递减(卸载)到破坏卸荷的完整采动力学过程㊂支承压力(strata pressure)的概念提供了开采过程中煤岩体所处的采动力学环境条件,对工作面与巷道支护阻力选择㊁防止顶板冒落等发挥了重要作用㊂但如何将支承压力概念用于对应分析工作面前方煤岩单煤 炭 学 报2011年第36卷元体的真正采动引起的受力状态㊁并进一步进行针对性的理论分析和实验研究,国内外学术界尚未涉及㊂目前有关煤岩体力学的基本理论均是根据岩石力学假三轴实验(CTC Test:Conventional Triaxial Compres⁃sion Test)获得的全应力应变曲线,来分析和描述煤岩体的基本力学行为和损伤破坏过程,这仅属于煤岩体材料层面的本征力学行为,并不能代表煤岩体在采动过程中的力学行为,即采动力学行为㊂因此要研究深部开采下的煤岩体变形破坏规律和力学行为,则必须探索深部开采导致的应力状态下煤岩体单元的受力环境和条件,以便针对性地开展煤岩体的采动力学实验,使得煤岩体的实验结果能真正对应不同开采方式条件下的采动力学行为㊂因此,在煤岩假三轴实验过程中模拟和再现工作面前方煤岩体所经历的完整支承压力变化过程,不仅可更好地揭示在开采引起的采动力学条件下煤岩体的变形破坏规律,而且可以考虑不同开采条件下工作面前方煤岩体的变形破坏引起的差异和特征,并可以使实验过程更具针对性㊁实验结果更有借鉴意义和参考价值㊂在此前提下,如何根据支承压力的共性特征,在三轴实验中模拟峰值点应力大小㊁轴向和横向应力比例,就成了必须面对的关键问题㊂本文正是在这一思路下,根据深部开采所处的应力环境,提炼出无煤柱开采㊁放顶煤开采与保护层开采3种典型开采布置条件下矿山压力的个性特征,以确定三轴实验中煤岩体的峰值应力大小㊁轴向-横向应力比例等关键参数,从而在三向等压条件下,通过升高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟铅垂应力和水平应力的变化,进一步针对性地实现3种典型开采条件下工作面前方煤岩体的采动力学行为研究㊂1 不同开采条件下支承压力规律分析长壁工作面开采将引起上覆岩层大范围移动和岩层应力重分布㊂采动过程中上覆岩层大范围移动在有限空间制约下,形成了不同形式的结构模式,产生了各种假说,其中比较著名的假说如悬臂梁假说㊁铰接岩块假说㊁预生裂隙假说等等,无疑对认识工作面矿压显现规律起到了十分重要的作用㊂钱鸣高等[1-2]提出的砌体梁模型以及关键层理论,在国内外产生了重要影响,不仅使我国的采场矿压研究在国际上占有了重要地位,而且对20世纪80年代我国全面推广综合机械化开采产生了积极而深远的影响㊂工作面周围支承压力是上覆岩层结构及动态演化过程的综合体现,与上覆岩层的分层力学性质和几何特性有关,国内外一些学者深入探讨了某些具体条件下煤层上压力的分布规律,揭示了煤层厚度㊁强度㊁及开采深度等因素对支承压力大小及分布的影响[3-7]㊂尽管支承压力分布规律各不相同,尤其是峰值大小㊁峰值点位置随开采条件的不同而变化明显,但其共性特征也十分显著,即随着工作面开采范围的增加,作用在煤壁前方的支承压力从原始应力状态开始增大,当峰值应力超过煤体强度极限后,煤体中的支承压力逐渐减小至残余应力(图1),形成了一个完整的时空演化过程㊂更大范围内,支承压力峰值大小㊁峰值位置及其时空演化过程与工作面布置㊁开采方法密切相关㊂本文从煤炭资源安全高效绿色开采角度选取了3种工作面布置或工作面回采方式,即以无煤柱开采为代表的采煤工作面采动应力叠加状态㊁以放顶煤开采为代表的单一采煤工作面采动应力状态㊁以保护层开采为代表的卸压开采采动应力状态,以此作为高效开采㊁绿色开采和安全开采模式的典型代表,来分析其支承压力分布的共性特征㊂图1 长壁工作面周围支承压力分布Fig.1 Abutment pressure distributionaround long⁃wall coal mining face1.1 无煤柱开采支承压力分布规律无煤柱开采是在开采中取消隔离采空区煤柱或在巷道与采空区之间留设小煤柱的一种采区布置方式[8-9]㊂实施无煤柱开采,使得工作面与工作面之间由于取消了煤柱,则相邻采空区的支承压力将转移到工作面前方煤岩体上(图2),产生走向支承压力与倾向支承压力的叠加,导致支承压力峰值有所增加(表1,其中f为硬度系数,全文同)㊂1.2 放顶煤开采支承压力分布规律放顶煤是厚煤层高产高效开采的最有效方式之一[13-14]㊂放顶煤开采主要采取沿煤层的底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采煤工作面,利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法,使顶煤破碎成散体8601第7期谢和平等:不同开采条件下采动力学行为研究后,由支架后方或上方的 放煤窗口”放出(图3a)㊂与厚煤层分层开采相比,放顶煤开采对工作面采场围岩的扰动范围大,超前支承压力峰值位置前移,且应力集中系数较高(表2)㊂图2 无煤柱开采布置及支承压力分布规律Fig.2 Layout of non⁃pillar mining and its typical abutment pressure表1 无煤柱开采支承压力参数Table 1 Abutment pressure parameters for non⁃pillar mining煤矿工作面煤层赋存条件煤层厚度/m埋深/m 倾角/(°)f 支承压力特征K 值L 1/m L 2/m山西无煤柱7.0<5004~52~32.5~3.58~10王庄矿[10]分层综采安微新集二矿[11]E18043.45005~80.8~1.22.5济宁三号煤矿[12]13016.64503~51~22.2~2.830图3 放顶煤开采布置及支承压力分布特征Fig.3 Layout of top⁃coal caving and its typical abutment pressure表2 放顶煤开采支承压力参数Table 2 Abutment pressure parameters for top⁃coal caving煤矿工作面煤层赋存条件煤层厚度/m埋深/m 倾角/(°)f支承压力特征K 值L 1/mL 2/m邹城东滩煤矿[15]43036.03700近水平1.50~2.00济宁兴隆庄矿[16]53068.00397.2~479.81~102.31.77~2.0416.5~33.348.9~80.1大同忻州窑矿[17〛8914/89167.90~8.29215~396>3.51.87~2.695.7~7.114.3~32.31.3 保护层开采支承压力分布规律保护层开采(也称解放层开采)是区域性瓦斯治理最有效的手段[18],涉及保护层与被保护层两类煤层,为消除邻近煤层的突出危险而先开采的煤层或岩层称为保护层,位于突出危险煤层上方的保护层称为上保护层,位于下方的称为下保护层,而需要保护的邻近突出煤层称为被保护层(图4)㊂煤层群开采中,作为首采层的保护层开采后上覆9601煤 炭 学 报2011年第36卷煤岩经历了一个大范围变形㊁移动㊁破坏过程,因此当开采被保护层尤其是位于保护层上部的被保护层时,工作面前方的支承压力峰值明显降低,保护层开采支承压力参数见表3㊂ 图4 保护层开采布置及支承压力分布规律Fig.4 Layout of protected coal seam mining and its typical abutment pressures表3 保护层开采支承压力参数Table 3 Abutment pressure parameters for protected coal seam mining煤矿工作面煤层赋存条件煤层厚度/m 埋深/m 倾角/(°)f 支承压力特征K 值L 1/m L 2/m 新峰01010梁北矿[19](放顶煤)3.8~6.4613.1~693.111.5~12.50.168~0.2401.44~1.8012~1440.35~47.60平煤24110十矿[20](放顶煤)3.0880~103915~200.24~0.371.4~2.4新汶880华丰矿[21](长壁垮落)1.1880301.57~1.892 不同开采条件下工作面前方煤岩体应力环境初探 总结不同开采条件下沿走向支承压力分布规律发现,在采动影响下,工作面前方煤岩体经历了从原岩应力㊁轴向应力升高而围压递减(卸载)到卸载破坏的完整过程,而这才是煤岩体真正承受的采动力学应力环境和条件㊂在深部高地应力条件下,原岩处于准静水压力状态[22],因此深部工作面前方煤岩体的应力环境改变起始于准静水压力状态,随工作面的推进,煤层中的支承压力(即垂向应力)由三向等压的静水压力状态逐渐升高至峰值应力,而后伴随煤体的破坏而进入卸压状态,垂向应力逐渐降低直至煤壁处的单压残余强度状态;另一方面,水平应力则由三向等压的静水压力状态逐渐减低至0(即卸压)(图5~7)㊂目前的矿压研究大多集中在支承压力(即垂向应力)的讨论,尤其是获得了大量有关支承压力峰值点位置和大小的研究结论,对水平方向的应力探讨则相对缺乏,因此本文以近似线性的方式确定水平应力的变化规律㊂考虑到放顶煤开采对顶板扰动范围较大,相对保图5 无煤柱开采条件下工作面前方煤体应力环境Fig.5 Stress state of coal in the front of workingface for non⁃pillar mining护层开采而言,在顶板及煤层物理力学性质相似的情况下,放顶煤开采引起的支承压力分布范围大㊁峰值点位置前移,且峰值有所增加㊂而无煤柱开采由于减少了煤柱对顶板的有效支撑,导致其支承压力有所增加,其应力集中系数较放顶煤与保护层开采明显偏大㊂因此,在煤层㊁顶板属性㊁采深等条件相似的情况下,根据表1~3,将无煤柱开采的应力集中系数概化为2.5~3.0,而放顶煤布置为2.0~2.5,保护层开采为1.5~2.0,作为这3种典型开采方式导致的应力集中,即轴向应力升高的主要特征㊂图5~7分别给出了这3种开采方式下的采动力学荷载曲线㊂701第7期谢和平等:不同开采条件下采动力学行为研究图6 放顶煤开采条件下工作面前方煤体应力环境Fig.6 Stress state of coal in the front of workingface for top⁃coalcaving图7 保护层开采条件下工作面前方煤体应力环境Fig.7 Stress state of coal in the front of workingface for protected coal seam mining工作面前方煤岩体采动前为σ1=σ2=σ3=γH 的静水压力状态,假定α代表不同开采方式引起的应力集中系数,并且工作面前方煤岩体在破坏过程中的轴向应力和水平应力分别对应图5~7中括号内系数范围的最大值和最小值,从图5~7可以得到工作面前方煤岩体在破坏卸载前承受的采动力学荷载σ1=αγH(1)其中,无煤柱开采㊁放顶煤开采和保护层开采α分别取3.0㊁2.5㊁2.0;γ为容重,kN /m 3;H 为开采深度,m㊂而伴随σ1从γH 升高到αγH 的同时,σ2=σ3将对应图5~7中①点和②点采动卸荷的采动力学的水平应力可表示为①点:σ2=σ3=25σ1②点:σ2=σ3=σ15α (α=2.0,2.5,3.0ìîíïïïï)(2) 式(1)㊁(2)表征了工作面前方煤岩体承载的采动力学应力状态,既考虑了开采方式对煤岩体发生采动力学的影响,同时也考虑开采深度对煤岩体发生的采动力学影响㊂3 不同开采条件下采动力学行为实验研究3.1 煤岩体采动力学行为的实验方案为真正模拟不同开采条件下的煤岩体采动力学行为,本实验采用假三轴(CTC 实验)加卸载方案,轴向压力模拟支承压力,而围压变化模拟水平应力,即通过升高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟工作面煤壁前方垂直应力升高和水平应力卸载的变化㊂具体加卸载方案是根据轴向应力和围压的比值进行㊂需要说明的是,本实验仅考虑了轴压和围压的相对比值变化,并不考虑该相对比值与工作面位置的空间关系㊂根据3种典型开采条件下工作面前方煤岩体应力环境特征得到的工作面前方煤岩体破坏卸载的采动力学荷载表达式(1)㊁(2),针对3种典型不同开采方式的实验模拟过程均可分为静水压力阶段㊁第一卸载阶段和第二卸载阶段3个阶段(图8)㊂图8 CTC 实验加卸载方案示意Fig.8 Schematic view of CTC loading and unloading tests首先,假定3种典型开采方式对应煤层埋深均为1000m,以轴压和围压的相对比值为1的加载方式,模拟深部煤岩体未开采扰动前的静水压力特征,即3种不同开采方式均对应相同原岩应力状态㊂其次,针对3种不同开采方式,以轴压和围压的相对比值相同且均大于1的加载方式升高轴压和降低围压,模拟深部煤岩体受开采扰动的影响使水平应力由准静水压力状态逐渐卸载至式(2)中的①点应力值,同时开采扰动导致轴向应力升高至原岩应力的1.5倍㊂最后,针对3种不同开采方式,以轴压和围压的相对比值不同且均大于1的加载方式升高轴压和降低围压,模拟深部煤岩体受开采扰动破坏卸载的采动力学行为,当煤岩体破坏时3种不同开采方式的轴向应力和水平应力分别对应式(1)和式(2)中②点不同α对应的应力值㊂针对1000m 埋深煤岩体的上述3种典型开采方式的采动力学变化过程,图8中对应具体模拟实验步骤如下:①静水压力阶段:以3MPa /min 的加载速率施加围压压力至25MPa,即图8中OA 段;②第一卸载阶段:3种典型开采条件下,煤岩体受采动应力影响均由静水压力状态逐渐变化至轴向应力集中系数等于1.5,轴向应力(σ1-σ3)增加和横向应力(σ3)卸载之比均为2.25∶1,即图8中AB 段;③第二卸载阶段:对应应力集中系数由1.5到煤岩发生卸1701煤 炭 学 报2011年第36卷载破坏,煤岩体在无煤柱开采㊁放顶煤开采㊁保护层开采3种典型开采条件下破坏时α分别等于3.0㊁2.5㊁2.0,轴向应力(σ1-σ3)增加和横向应力(σ3)卸载之比为分别为4.75∶1㊁3.5∶1㊁2.25∶1,分别对应图8中BE段㊁BD段㊁BC段㊂3.2 煤样准备煤样取自大同煤业集团塔山矿8105工作面(煤层平均厚度18m)㊂在8105工作面煤壁处选取块度较大㊁完整性较好的煤块,煤块尺寸要求长>300mm,宽㊁高>200mm,煤块用塑料膜包裹,运输至实验室,然后加工成标准试件(ϕ50mm×100mm)㊂3.3 实验设备实验设备采用MTS815Flex Test GT岩石力学实验㊂该设备最大轴向荷载4600kN,最大围压和渗透压均为140MPa,最大孔隙压差为30MPa,温度为室温到200℃,动态振动频率达5Hz以上㊂可进行常温常压与高温高压㊁静力学与动力学㊁单轴压缩与三轴压缩全过程㊁孔隙水压与渗透水压㊁间接拉伸与直接拉伸全过程㊁纵波波速与横波波速㊁声发射测试与定位㊁三点弯曲等试验测试,是目前国际国内功能最齐备㊁技术水平最高的岩石力学试验设备之一㊂3.4 实验结果与分析根据式(1)㊁(2),按不同开采方式下的采动力学荷载对煤岩体进行加载,真正实现了对煤岩体3种典型开采方式采动力学行为的实验模拟,得到不同开采方式下工作面前方煤岩体的采动力学行为(图9)与传统的(未考虑开采方式)煤岩体力学行为(图10)截然不同㊂3种典型开采方式下(图9),轴向变形㊁横向变形和体积变形均在峰值应力附近现出了较大变形平台,对应体积变形不仅出现了相对初始状态的体积压缩,还出现了破坏阶段的体积膨胀㊂然而,此前研究均未能考虑开采方式的影响,更不可能按不同开采方式下的采动力学荷载对煤岩体进行加载,因而得到的煤岩体破坏力学行为(图10)的轴向变形㊁横向变形和体积变形均在峰值应力时突然下跌,对应体积变形相对初始状态始终为体积压缩,整个破坏过程未出现体积膨胀㊂考虑开采方式影响,并按不同开采方式下的采动力学荷载对煤岩体进行加载,实现并得到3种典型开采方式煤岩体的采动力学行为之间也存在较大差异㊂无煤柱开采对应的采动支承压力状态高于放顶煤开采对应的采动支承压力状态,保护层开采对应支承压力最低,无煤柱开采㊁放顶煤开采㊁保护层开采对应煤岩体卸荷破坏时采动力学行为的水平压力㊁纵向与横向变形均依次递减(图9和表4);然而,其体积膨胀图9 不同开采方式下工作面前方煤体的采动力学行为(变形)特征曲线Fig.9 Mining⁃induced stress⁃strain curves of coal samples in the front of working face under three typical mininglayouts图10 传统的(未考虑采动影响,更无法考虑开采方式的影响)煤体的力学行为(变形)特征曲线Fig.10 Usual stress⁃strain curves of coal samples(not taking into account of mining⁃induced effects as wellas effects of mining layouts)变形则相反,保护层开采对应的体积膨胀变形量最大,无煤柱开采对应的结果最小(图9和表4)㊂无煤柱开采破坏时对应的支承压力㊁水平压力㊁纵向应变㊁横向应变分别较放顶煤开采提高了13.41%㊁13.20%㊁29.66%㊁18.94%;放顶煤开采破坏时对应的支撑㊁水平压力㊁纵向应变㊁横向应变分别较保护层开采提高了22.76%㊁41.29%㊁32.39%㊁7.14%;保护层开采破坏时对应的体积膨胀变形量则分别较放顶煤开采和无煤柱开采提高了136.92%和631.14%㊂按不同开采方式下的采动力学荷载对煤岩体进行试验加载,得到3种典型开采方式下煤岩体卸荷破坏时对应α值分别为2.8288㊁2.4944和2.0320,与式(1)中α值及图5~7中3种开采条件下支承压力集中系数取值(无煤柱开采㊁放顶煤开采㊁保护层开采分别为2.5~3.0㊁2.0~2.5㊁1.5~ 2.0)一致,按式(1)㊁(2)实现的煤岩体采动力学行为的实验研究,可以很好地模拟煤炭工程地下开采中的无煤柱开采㊁放顶煤开采和保护层开采3种开采条件对应的煤岩体破坏全过程的采动力学行为㊂按不同开采方式下的采动力学荷载对煤岩体进行加载,得到3种不同开采方式采动力学载荷条件下2701第7期谢和平等:不同开采条件下采动力学行为研究表4 不同开采方式对应应力㊁变形量和α值列表Table 4 Stress ,deformation and α⁃value for different mining layouts试件编号开采方式加载速率/(MPa㊃min -1)峰值应力σ1/MPa 峰值应力时σ3/MPa 轴向应变量/10-2横向应变量/10-2体积应变量/10-2实验对应α值1无煤柱4.7570.766.431.580.820.052.82882放顶煤3.5062.355.681.220.690.152.49443保护层2.2550.804.010.920.640.362.0320煤体的宏观破坏特征相似(图11)㊂无煤柱开采和放顶煤开采主要表现为压剪破坏特征,而保护层开采则表现为张剪破坏特征㊂图11 3种不同开采方式采动力学载荷条件下煤体破坏前后照片Fig.11 Situation of coal samples before and after tests for tree typical mining layouts考虑开采方式的影响,并按不同开采方式下的采动力学荷载对煤岩体进行加载,得到煤岩体采动力学行为与开采方式具有相关性(图12)㊂无煤柱开采㊁放顶煤开采㊁保护层开采3种不同开采方式对应的煤岩体发生破坏时的支撑应力递减,并均可用3种开采方式分别替代对应支承压力(σ1),即基于不同开采方式下的采动力学荷载实现的对煤岩体采动力学行为的实验研究,得到煤岩体破坏时对应的水平压力㊁纵向应变量㊁横向应变量及体积变形量均可由3种开采方式线性表示,对应拟合表达式的相关系数均在0.93以上(表5)㊂即:F (ε1,ε2,εV ,σ3)=kσ1+C(3)式中,ε1,ε2,εV ,σ3分别与σ1的拟合得到k ㊁C 及相关系数见表5㊂图12 3种不同开采方式采动力学荷载下煤岩体的纵横向应变㊁体积应变及围压压力与峰值应力关系Fig.12 Relations of vertical and horizontal strain,volume strain and confining pressure with peak stress of coalsamples under three typical mining layouts表5 k ㊁C 及相关性系数列表Table 5 k ,C and relativity coefficients参数k C R ε10.0327-0.76390.9891ε20.00850.19160.9352εV -0.01571.14720.9949σ30.1224-2.12430.99264 结 论(1)考虑不同开采方式下采动力学荷载的影响,3种开采条件下煤岩体的采动力学行为试验结果总体变化特征相似,但均与未考虑开采方式得到的结果截然不同㊂(2)得到3种开采方式下,煤岩体采动力学行为的差异㊂无煤柱开采㊁放顶煤开采与保护层开采对应的煤岩破坏时的支承压力依次递减;无煤柱开采对应支承压力㊁水平压力㊁纵向应变量㊁横向应变量分别较放顶煤开采提高了13.41%㊁13.20%㊁29.66%㊁18.94%,放顶煤开采则分别较保护层开采提高了22.76%㊁41.29%㊁32.39%㊁7.14%;保护层开采对应的体积膨胀变形则分别较放顶煤开采和无煤柱开采3701煤 炭 学 报2011年第36卷提高了136.92%和631.14%㊂(3)得到煤岩体采动力学行为与开采方式的关联性㊂无煤柱开采㊁放顶煤开采与保护层开采3种典型开采方式破坏时的水平压力㊁纵向应变㊁横向应变和体积应变,均可用3种开采方式线性表达,即可表示为3种开采方式对应支承压力的线性函数㊂参考文献:[1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.[2] 钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报,1996,21(3):225-230.Qian Minggao,Miao Xiexing,Xu Jialin.Theoretical study of key stra⁃tum in ground control[J].Journal of China Coal Society,1996,21(3):225-230.[3] 宋振骐,刘义学,陈孟伯,等.岩梁裂断前后的支承压力显现及其应用的探讨[J].山东矿业学院学报,1984(1):27-39.Song Zhenqi,Liu Yixue,Chen Mengbo,et al.Discussion on the man⁃ifestation of abutment pressure before and after rock beam fracture and its application[J].Shandong Mining Institute Journal,1984(1):27-39.[4] 宋振骐.实用矿山压力理论[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.[5] Korpach P.Stress changes near the face of underground excavations[A].Proceedings of the International Symposium on Rock Stressand Rock Ress Measurements[C].1986:635-645.[6] Lemon A M,Jones N L.Building solid models from boreholes anduser⁃defined cross⁃sections[J].Computers&Geosciences,2003,29(5):547-555.[7] 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