井底煤仓内仓壁变形破坏机理与稳定性控制研究
刘明银1,2,3
(1. 西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054;2. 煤炭工业太原设计研究院集团有限公司,山西 太原 030001;
3. 新疆工程学院 安全科学与工程学院,新疆 乌鲁木齐 830023)
Study on deformation failure mechanism and stability control of the inner wall of shaft coal pockets
LIU Mingyin1,2,3
(1. School of Energy Engineering,Xi?an University of Science and Technology,Xi?an,Shaanxi 710054,China;2. Coal Industry Taiyuan Design Research Institute Group Co.,Ltd,Taiyuan,Shanxi 030001,China;3. School of Safety Science and Engineering,Xinjiang Institute of Engineering,Urumqi,Xinjiang 830023,China)
摘要 井底煤仓是煤矿运输系统的重要环节,主要负责井下煤炭的贮存与转运,一旦发生变形与失稳将直接制约整个矿井的生产。在装煤、卸煤过程中,煤仓内壁受动压(散体块煤流动与冲击)、静压(满仓、空仓)反复作用,容易出现疲劳损伤,且内壁在频繁的加载、卸载工况下发生的微破裂监测难度大,导致微裂纹演化成为大裂隙,甚至产生大变形垮落失稳。因此,开展煤仓内仓壁变形破坏机理及稳定性控制研究对矿井安全生产具有重要的理论与现实意义。
论文采用理论分析、数值模拟、物理相似模拟、工业试验等相结合的研究方法,分析井底煤仓损伤破坏特征及影响因素,揭示井底煤仓内仓壁受载、变形及破坏机理,提出稳定性控制对策。主要研究成果如下:
(1) 确定井底煤仓内仓壁稳定性的主要影响因素。分别为内仓壁自身强度及材料特性、围岩性质和仓内散体贮料内部承载结构及工作状态。划分了五种仓壁破坏类型,分别为剪切破坏、拉伸破坏、拉剪组合破坏、冲击破坏和长期磨损破坏。
(2) 给出内仓壁的变形规律和仓内的散体承载结构。建立井底煤仓内仓壁结构力学模型,基于厚壁圆筒埋设在无限大弹性体等相关理论,给出不同工作状态下仓壁及围岩的应力和位移表达式。揭示仓内的散体颗粒存在“三维锥壳”承载结构。该结构的形成和失稳是仓壁产生卸载超压的根本原因,不同的结拱位置对仓壁应力–应变分布有影响,结拱位置越高,相应的仓壁的应力越低,随着结拱位置的升高,相应的仓壁应变也逐渐减小。给出仓内散体颗粒流动规律分区,在纵向可划分为“三区”(结构下方自然流动区、结构上覆压实区和顶部整体流动区)、在水平方向可划分为“两圈”(中心部畅流圈和仓壁侧的缓流圈)。
(3) 揭示内仓壁变形破坏机理。在散体贮料装、卸煤(矸)过程中,仓壁变形随着循环加载次数的增加而增加,而仓壁强度则衰减,随后出现损伤–裂纹发育–破坏失稳。仓壁变形呈现出先增加、后稳定、再减小的趋势,确定内仓壁失稳判定条件。煤仓内仓壁经历弹性变形、塑性变形、仓壁破坏和承载结构失稳4个阶段。当仓壁主要受内部散体颗粒载荷作用时,主要发生剪切破坏;当主要受外侧薄弱岩层作用时,主要发生拉伸破坏;二者共同作用时,则为拉剪复合破坏。
(4) 给出井底煤仓内仓壁稳定性控制途径和方法。提出煤仓内仓壁稳定性的设计、施工、运营3个阶段协同控制技术,指导现场工程实践,取得良好的效果。
关键词 :
采矿工程 ,
井底煤仓 ,
内仓壁 ,
稳定性 ,
散体结构 ,
破坏机理
引用本文:
刘明银1,2,3. 井底煤仓内仓壁变形破坏机理与稳定性控制研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(2): 519-519.
LIU Mingyin1,2,3. Study on deformation failure mechanism and stability control of the inner wall of shaft coal pockets. , 2025, 44(2): 519-519.
链接本文:
https://rockmech.whrsm.ac.cn/CN/Y2025/V44/I2/519
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