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
[1]
李博涛1,2,3,谭宇轩1,林海飞4,5*,魏建平1,2,3,张宏图1,2,3,李树刚4,5,魏宗勇4,5,王 裴4,罗荣卫4,刘彦伟1,2,3. 液氮冻结不同温度煤体力学特性及细观损伤演化规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1757-1772.
[2]
贾 冲1,2,来兴平1,2*,崔 峰1,2,3,4,吴学明5,姬松涛1,2,何 哲1,2,王 昊1,宗 程1,张 博1,薛益飞1. 坚硬顶板破断步距影响下煤体采动力学响应及压裂防冲分段长度优化 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1806-1826.
[3]
康红普1,2,3*,高富强1,2,3,王晓卿1,2,3,原贵阳1,2,3,杨 磊1,2,3,娄金福1,2,3. 超大尺寸巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1599-1614.
[4]
毛玉铤1,2,何满潮1,2,刘方洲3,白 星4,杨晓杰1,2,陶志刚1,2*. 大比尺隧道物理模型蠕变试验系统研制与应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1627-1638.
[5]
褚 峰1*,罗 旭1,张宏刚2,杨 涛1,王雪艳1,李 者1. 不同路径下有机质对露天煤矿排土场边坡土体干缩开裂演化特征影响研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1554-1570.
[6]
汤天阔1,王方田1,2*,王文林1,3,刘国磊4,郝文华1,刘 超1,吴 渝1,王 旭1. 深井坚硬顶板下充填开采吸能减冲机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1445-1460.
[7]
栾恒杰1,2,杨玉晴1,刘建康1*,郝清旺2,蒋宇静1,2,郭 尧3,张孙豪1. 基于AttRes-UNet模型的煤岩裂隙识别技术研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1183-1198.
[8]
胡文硕1,朱德福1,2,3*,贾勇杰1,徐泽坤1,霍昱名1,王仲伦1,张纯旺4,付腾飞5. 水–岩作用下煤系一水硬铝石型铝土矿劈裂特性的试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1128-1147.
[9]
董续凯1,白俊杰2,张俊文3*,刘金海1,赵善坤4,许 蒙5. 复合坚硬顶板工作面末采顶板爆破防冲调控技术 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 764-776.
[10]
周琳力1,2,3*,韦米香1,韩 军2,贾宝新1,4,卜 继1,崔博源1. 基于时窗信号能量和时频特征的微震信号时间定位拾取方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 875-891.
[11]
刘才华1,2*,范 凯1,2,孙朝燚1,2,张 伟1,2,袁家好1,2. 岩质边坡倾倒变形的地质特征、灾变机制与稳定性分析方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 639-667.
[12]
甘德清1,2,3,4,于泽皞1,2,3,4,刘志义1,2,3,4,孙海宽1,2,3,4. 不同冲击比能下磁铁矿石的动态力学特性及能耗特性 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 43-57.
[13]
陈 晨1,谢谟文1,杜 岩2,张晓勇3. 基于微机电系统传感技术的倾倒式危岩崩塌监测方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 32-42.
[14]
程 蓬1,2,李中伟1,3,王振伟4,何 源4,郑 允5. 围岩–预应力锚杆支护组合承载作用力学分析与支护参数优化 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 134-142.
[15]
张天军1,2,孟 伟1,庞明坤1,2,张 航1,田嘉伟1,潘红宇1,2. 含不同裂隙倾角瓦斯预抽钻孔破坏临界角度的确定 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 58-69.