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真三轴实验下梁宝寺煤矿掘进工作面煤体应力—渗流关系研究及应用

更新时间:2009-03-28

随着矿井开采深度增加,一些低瓦斯矿井出现了瓦斯异常区,这类矿井达到或接近高瓦斯矿井的认定标准,单纯依靠风排瓦斯,不能有效解决矿井瓦斯超限问题,给矿井的安全生产带来严重威胁[1-5]。梁宝寺煤矿一号井采深达千米,地质构造复杂,是典型的深部矿井,现生产中的3434掘进工作面位于瓦斯异常区内,时常出现瓦斯浓度超限情况。生产作业时,工作面周围煤体受到开采应力扰动,煤层应力平衡状态被打破,应力重新分布,煤岩体的渗透性被改变[6-7],对瓦斯抽采及工作面瓦斯突出防治都产生重要的影响。为了更好地对掘进工作面瓦斯进行治理,笔者通过真三轴气—固耦合煤体渗流实验系统进行实验,判定应力分区,并对各分区内煤岩体应力变化及瓦斯赋存规律进行分析,制订有针对性的瓦斯治理技术方案。

1 矿井地质概况

梁宝寺井田是国家煤炭基地巨野矿区规划的主要井田之一,属巨野向斜东翼孤立含煤块段,由此构成本区的地堑构造。虽然梁宝寺煤矿历年鉴定等级为低瓦斯矿井,但其绝对瓦斯涌出量呈现出逐年上升的趋势。根据矿井地质情况分析瓦斯异常区的成因,其主控因素有煤层埋藏深度和围岩特性。

2 真三轴煤体应力渗流关系实验研究

煤层开采会造成周围煤体中的应力平衡状态改变,导致应力重新分布、煤体中孔隙裂隙扩展或闭合、煤体开裂及破碎,煤体的渗透性也会发生改变,有可能给工作面甚至整个矿井的正常作业带来灾害事故[8-10]。所以,从微观角度分析应力改变状态下的煤层瓦斯赋存规律显得尤为关键。鉴于梁宝寺煤层埋藏深度大、渗透性较差、地质情况复杂,掘进作业时瓦斯异常涌出的情况,设计真三轴实验,确定掘进过程中应力变化对煤体渗透性的影响,分析深部矿井掘进工作面瓦斯涌出特征;制订针对深部矿井掘进工作面的瓦斯治理技术措施,以保障深部矿井工作面乃至整个煤层的掘进工作正常进行。

2.1 实验系统

真三轴气—固耦合煤体渗流实验系统由数据采集及控制系统、液压伺服系统、真三轴压力室和充气系统等构成[11],如图1所示。

2.2 实验方案

在掘进过程中,根据煤体应力分区差异,模拟掘进工作面周围煤体的受力状况。将从3434掘进工作面取回的煤样打碎,制成标准试件。经考察,该区域原始煤层瓦斯压力为0.68 MPa,并根据掘进工作面实际情况设置三向应力初始值均为3.5 MPa。依据现场实际条件设计定性实验方案:

  

图1 真三轴气—固耦合煤体渗流实验系统

2) 采动影响下煤岩体的渗透性与应力分布有关。卸载围压实验中,随着压力的减小,煤体渗透率逐渐增大,在煤体失稳后,渗透率出现剧增现象,此时煤体裂隙增多,适宜瓦斯逸散;加载轴压实验中,弹性阶段煤体裂隙压缩,渗透率下降,弹—塑性阶段渗透率下降缓慢,在煤体破坏前的塑性阶段渗透率变化幅度极小,渗流通道基本稳定,瓦斯难以逸散。

1) 卸载围压实验方案:首先将3个方向的应力均加载至3.5 MPa;然后连续施加轴向压力(σ1),当到达煤岩屈服点后保持压力恒定;在保持轴压恒定情况下,卸载围压(σ2σ3),同时通入压力为0.68 MPa的瓦斯气体,进行渗流实验。

2) 加载轴压实验方案:首先将3个方向的应力均加载至3.5 MPa;然后通入压力为0.68 MPa的瓦斯气体,待吸附平衡后,模拟支承压力的变化情况,以0.3 mm/min的速度连续施加轴向压力(σ1)至试件破坏为止,观察实验变化情况。

卸载、加载实验原理如图2所示(ε1ε2ε3表示3个方向的应变)。

  

图2 加载、卸载实验原理示意图

2.3 实验结果

卸载围压和加载轴压实验过程中煤体应力—应变曲线如图3、图4所示。

  

图3 卸载围压阶段煤体σ2ε2σ3ε3关系曲线

  

图4 加载轴压阶段煤体σ1ε2(ε3)关系曲线

2.4 实验结果分析

塑性区长度为:

两年来,加拿大专家先后有3人次来泰心医院进行指导,每次为期两周,SPE组成员4人次到多伦多病童医院交流学习。国外的观念深深地影响和改变着SPE组成员。

实验过程中煤体的σ1、主应力差σu(=σ1-σc)与应变的关系曲线,以及渗透率与应变的关系曲线如图5、图6所示。为了便于描述实验现象,采用εV表示体积应变,εc表示侧向应变(εc=(ε2+ε3)/2),σc表示侧向应力(σc=σ2=σ3),k表示渗透率。

(3)缺少完善的法律法规。现阶段,我国对民营企业的相关立法相对较少,并且现有的立法中仍存在较大的漏洞,企业法律保障机制欠缺。这就导致一旦发生利益纠纷,民营企业无法维护自己的合法权益,严重影响了民营企业的可持续发展。

  

图5 卸载围压阶段煤体σ1σu与应变的关系曲线

  

图6 卸载围压阶段煤体渗透率与应变的关系曲线

在卸载围压实验中,同时降低围压和侧压。由图5、图6分析可知,随着应力差增大,煤体应变逐渐增大;在主应力差大幅下降时,煤体失稳破坏。随着实验的进行,围压减小,煤体应变减小,渗透率逐渐增大,煤体失稳后,渗透率出现剧增现象,煤体破坏裂隙增多,较适宜瓦斯逸散。

2.4.2 加载轴压实验结果分析

实验过程中煤体的应力—应变曲线、渗透率与应变的关系曲线如图7、图8所示。结合图7、图8分析可知,在弹性阶段,应力—应变呈近似线性关系,由于体积减小,微裂隙闭合,孔隙和裂隙也被压密,煤岩体内部的裂隙出现压缩甚至闭合的情况,渗透率也随着应变的增大呈现出逐渐降低的趋势;在弹—塑性阶段中存在一个体积应变增速由增到减的转折点。

  

图7 加载轴压阶段煤体应力—应变的关系曲线

  

图8 加载轴压阶段煤体渗透率与应变的关系曲线

随着实验的进行,煤样渗透率出现降低趋势,且速率逐渐变小;随着轴压持续增大,煤体内的孔隙进一步压缩,渗透率依然呈现降低的趋势,瓦斯难以逸散;在塑性阶段,渗透率趋于稳定,轴向应力接近煤体强度极限,变化幅度很小,渗流通道基本保持稳定,渗透率的变化较小。

3 基于煤体应力渗流关系的掘进工作面瓦斯治理技术

3.1 巷帮应力分区边界范围的确定

关于掘进巷道巷帮应力分区中弹塑性区域边界范围的确定问题,国内外学者做了大量研究工作,我国学者整理出了数学模型[12]。该模型将井下开采时遇到的力学问题作出假设参数如表1所示,并建立相对应的数学模型,见图9(图中A、B、C区分别为塑性区、弹性区和原岩应力区)。

 

表1 巷帮应力分区数学模型主要参数

  

模型参数代表符号煤厚2h水平应力λq(λ为测压系数)应力扰动区范围L支护阻力p0垂直应力q巷道宽度2b塑性区长度xp扰动应力O

  

图9 巷帮应力分区力学模型

我国学者姜福兴等提出了扰动分区及塑性区范围确定的经验公式[12],其中扰动分区长度为:

在中国传统医学方面,构音障碍被称为“风喑”。其病因为风、火、痰、瘀阻滞心肾之经络,上扰神明,阻闭舌窍,致舌强不语[3]。中医常以针刺治疗为主辅以中药治疗,达到醒脑开窍,灵活舌肌的目的。

 

2.4.1 卸载围压实验结果分析

1) 基于掘进工作面采动应力与煤岩渗透性的耦合作用,利用真三轴气—固耦合煤体渗流实验系统,研究了煤岩体采动应力与其渗透性、瓦斯赋存状况的耦合关系。

xp=

 

式中:φ0为界面摩擦角;C0为界面黏聚力;μ为煤体泊松比;αk为与煤体的内摩擦角φ和黏聚力C有关的常数,

将梁宝寺煤矿一号井3434掘进工作面的实际参数代入上述两式计算可得:L=5.1 m,xp=2.2 m。由此可得到塑性区、弹性区,以及没有受到开采应力影响的原岩应力区范围,即以巷帮为0 m的参考点,塑性区范围为0 < xp ≤2.2 m,弹性区范围为2.2 < xq ≤5.1 m,原岩应力区范围为xr > 5.1 m。

3.2 钻孔布置

由真三轴实验结果分析可知,受应力变化的影响,煤岩体内受力平衡状态被破坏,煤体渗透率发生变化,导致煤体内瓦斯赋存状况发生改变,对瓦斯抽采钻孔的封孔深度影响较大。如果钻孔封孔深度较浅,瓦斯会从煤岩体内形成的裂隙中泄漏,同时工作面中的空气会从裂隙进入钻孔内,影响瓦斯抽采效果;如果钻孔封孔深度过长,煤层内部的瓦斯难以抽出,不仅浪费资源,还对瓦斯抽采效果造成影响[13-15]。因此,在钻孔参数设计时,封孔深度极其重要,根据梁宝寺煤矿一号井3434掘进工作面应力分区范围,设计了如下瓦斯抽采方案。

水利事业单位部门预算与决算结合的实务探索…………………………………………… 盖志杰,聂 勇(12.35)

3.2.1 钻场抽采钻孔布置

在塑性区域,以巷道边界为参考点2.2 m以内,应力达到煤体强度极限,煤体破坏产生新裂隙,为瓦斯渗流提供通道,此处煤体渗透率增大,瓦斯赋存程度较差;在弹性区域,即范围为2.2~5.1 m内,应力未达到煤体强度极限,应力增大,其内部孔隙压缩或者闭合,瓦斯难以逸散。钻场抽采钻孔设计如图10所示,每掘进40 m施工1个超前抽采钻场,钻场设于巷道两帮,每个钻场施工2个钻孔,控制巷道两侧6 m范围,终孔位置超前工作面60 m,钻孔重叠范围20 m。

  

图10 掘进工作面钻场抽采钻孔布置示意图

3.2.2 掘进工作面抽采钻孔布置

现代认知心理学家说过:一幅形象的画面,一组动听的音乐,一段动态的场景都可以诱发认知内驱力,使人对自己的认知对象产生强烈的热情。而交互式电子白板做到了,它通过画面、音乐等场景,大大激发了学生的学习热情。它不单单是颠覆了传统教学模式,还给我们的语文课堂注入了一泓活水,让我们的课堂不再枯燥,不再呆板,而让我们的课堂变得生动活力而有趣。这里除了极大地解放了教师,同时也给学生带来了很多学习的乐趣。当然,万事过犹不及,凡事总要把握个度才好。所以作为新教师,我们不能太过于依赖电子白板,要充分运用,好好引入电子白板这一泓活水,而不至于过度地利用,这样才能让我们的教育更富现代化,更具魅力。

在煤层掘进过程中,受采动应力的扰动影响,工作面前方煤体根据支承压力的不同可以分为:应力降低区、应力增高区和原岩应力区。由实验结果可知,应力降低区即卸压区内煤体内部裂隙发育充分,适宜瓦斯逸散;应力增高区内裂隙被压缩甚至闭合,瓦斯难以释放。掘进工作面抽采钻孔布置如图11所示,在巷道掘进端头方向中间布置第1个抽采钻孔,在工作面中心施工,以其为中心,在周围施工4个钻孔,孔径108 mm,孔深60 m;钻孔控制范围包括掘进工作面前方、左右、上下煤体。

  

图11 掘进工作面抽采钻孔布置示意图

3.3 瓦斯治理效果检验

经过正规手术及合理的治疗后,儿童及青少年甲状腺癌预后良好,治疗后长期生存率很高,分化型甲状腺癌长期生存率超过90%;甲状腺髓样癌的5年和15年生存率均超过85%。但与成人相比,其复发比例仍较高,可达10%~35%[28-29],故定期的随访很重要,包括超声以及检测血清Tg水平,超声随访方案为初次手术后至少6个月内需进行颈部超声检查,之后每6~12个月复查1次[5]。

  

图12 3434掘进工作面瓦斯浓度变化情况

从图12可以看出,在实施瓦斯治理措施之前,工作面瓦斯浓度(甲烷体积分数)最低为0.53%,最高为0.76%,而且不稳定,波动性较大。在实施瓦斯治理措施之后,工作面瓦斯浓度大幅降低,第6天以后瓦斯浓度维持在0.35%以下,未再发生大的波动,保证了掘进工作面的安全生产。

4 结语

职业教育主要培养面向企业一线具有较强实践性和职业性的技能型人才,要求教师不仅具备专业理论知识,还需要有一定的实践能力。近年来,随着我国社会经济发展,产业结构调整等新情况的出现,职业教育师资队伍总量不足、培养机制不完善等,因此,有必要分析职院校“双师型”教师队伍建设存在的问题以及提出解决路径。

全直肠系膜切除术(Total mesorectal excision,TME)目前已成为直肠癌切除术的经典原则,遵循这一原则经腹直肠癌根治术在降低术后局部复发和延长患者生存期方面取得显著效果[1]。但其术后并发症日益引起临床重视,尤其是低位直肠癌,术中可能损伤盆腔自主神经和盆底肌群,影响术后胃肠功能和性功能的恢复[2]。近年来有学者提出,对于仅侵及黏膜下层的T1N0期低位直肠癌可采用局部切除术[3],但目前有关两种术式的效果尚有争议[4],本研究回顾性分析两种术式的效果,并分析局部切除术预后的影响因素,为临床提供参考,现报道如下。

3) 根据梁宝寺煤矿3434 掘进工作面应力分区特点和实验结果,制订出瓦斯治理方案并进行工程应用,结果显示:进行超前钻孔抽采后,掘进工作面瓦斯浓度由原来的0.53%~0.76%降至0.35%以下,波动性降低,煤层瓦斯治理有效,证明了应力—渗流关系研究结果的正确性。

有一点是肯定的,对于我们当代人,百分之九十以上是知道太多,热闹太多,个人时间太少,回到过去太少,阅读经典太少——挨近各种垃圾太多,时时有被这些掩埋的危险。

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根据梁宝寺煤矿3434 掘进工作面的实际情况,制订了不同的瓦斯治理方案并实施,在掘进期间进行了瓦斯浓度观测,结果如图12所示。

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当前,新一代信息技术与制造业深度融合,正在引发制造模式、生产组织方式和产业形态的深刻变革,数字化、网络化、智能化、服务化与绿色化成为制造业发展新趋势[1]。

颜晓晨粗粗扫了一眼,是即将到学校宣传招聘的公司信息,公司名字、时间、宣传会地点都整理得一清二楚。这些信息,学校会在网上公告,各个院校也会通知毕业生,可都是零零散散,绝不会这么齐全,还很容易就被其他信息淹没忽略。

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经济越发展,会计越重要。在制造业努力抢占未来竞争制高点的过程中,财务工作的转型升级或将成为非常重要的突破口之一。如果说打造中国经济“升级版”的关键在于推动经济转型,那么,打造中国财务工作“升级版”的重点就在于全面推进管理会计体系建设和深化管理会计应用。

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这一时期,奥地利建筑师卡米洛·西特提出遵循艺术原则进行城市建设的理念引领了西方城市规划的潮流.他强调城市设计应崇尚自然、师法自然,重视人的尺度[2].批判笔直漫长的街道,倡导在街道设计中增加曲线、折线道路,强化人、空间、建筑间的视觉联系,创造“连续对景”.由于奥地利与德国同属德国文化区,因此,西特的理念无可避免地渗透到青岛城市建设中来[3].

 
郭阳阳,孙路路,王鹏飞,冯如训
《矿业安全与环保》 2018年第02期
《矿业安全与环保》2018年第02期文献

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