发生机理（共8篇）
发生机理 篇1
组织液过多而引起的全身或身体的一部分肿胀的症状称为水肿 (edema) 。水肿发生的部位虽然各有差别, 但其发生机理是基本相同的。正常情况下, 组织液的量是相对恒定的。这种恒定的维持, 是有赖于体内外液体交换的平衡。水肿就是这种平衡被破坏所造成, 组织液的来源增多或者去路减少都会造成组织液过多而导致水肿。下面就从组织液的来源和去路两个角度分析水肿发生的机理。
由上图可知, 从组织液来源角度看, 组织液的来源主要是来自血浆, 导致这一来源增多的原因有多种: (1) 血浆胶体渗透压降低。血浆胶体渗透压是使组织液回流到毛细血管的一种力量, 因此, 当血浆胶体渗透压降低时, 组织液生成增多, 回流减少, 组织液积聚过多, 形成水肿。由于血浆胶体渗透压的高低取决于血浆蛋白含量, 所以当血浆蛋白总量低于正常时, 即可发生水肿, 例如:蛋白质摄入不足 (食用劣质奶粉) , 蛋白质吸收障碍 (消化道疾病) , 蛋白质过多的消耗 (肾病综合症时的丧失过多) , 蛋白质合成的障碍 (肝功能不全) 等, 都会引起水肿。 (2) 毛细血管通透性增加。正常毛细血管壁仅允许水分、Na+、葡萄糖等和少量蛋白通过。但在病理情况下例如过敏反应时, 血管通透性增加, 会使大量蛋白质漏出到组织液中。结果, 一方面血管内液体渗透压降低, 另一方面组织液胶体渗透压升高, 发生水肿。
从组织液的去路角度看, 去路有两个可能导致组织液去路减少的原因有: (1) 淋巴回流受阻。组织液除了大部分从毛细血管静脉端回流外, 少部分还从淋巴管回流入血。当淋巴管阻塞, 淋巴回流受阻时, 就可使含蛋白质的淋巴液在组织间隙中积聚而引起水肿, 称为淋巴水肿。 (2) 肾滤过功能障碍。组织液量增多可能的一个原因是钠-水摄入超过排出以致滞留。钠-水能自由扩散或滤过毛细血管, 故当钠-水滞留引起血管内液增多时, 必然引起血管外的组织液增多。增多的组织液不能及时移走, 积聚到一定程度就会出现水肿。
综上所述血浆蛋白含量减少, 毛细血管通透性增加, 淋巴回流受阻, 肾滤过功能障碍等原因都会导致组织水肿。所以我们必须针对不同类型水肿的特点, 进行具体分析和判断。
发生机理 篇2
【关键词】冲击地压；机理；防治措施；预报预测
前言
煤矿属高危行业，受水、火、瓦斯、煤尘、顶板五大自然灾害威胁十分严重，近年来，随着我国煤矿开采深度的不断增加，冲击地压的显现不断发生，这种自然灾害一旦发生，给人身安全造成极大威胁，威胁着职工人身安全和矿井安全生产的长治久安。为了掌握冲击地压发生机理与防治技术，保障矿井安全，在管理上、技术上、装备上采取针对性的措施，实现煤矿安全生产长治久安，提高经济效益有十分重要的意义。
一、冲击地压的概念、特征、类型
1、冲击地压的概念
冲击地压是采场周围的煤岩体，在其力学平衡状态破坏时，由于弹性变形能的瞬间释放而产生一种以突变、急剧、猛烈破坏为特征的动力现象，它具有极大的破坏性。冲击地压是一种特殊的矿山压力显现。
2、冲击地压的特征
（1）暴力性：直接将煤岩动力抛向巷道、工作面，引起强烈的震动，产生强烈的响声，造成煤岩体破断。
（2）突发性：无预兆，过程短暂，持续时间几秒到十几秒，难于预报发生的时间、地点和强度。
（3）破坏性：大量煤岩体抛出，堵塞巷道，破坏支架，造成惨重的人员伤亡和财产损失。
（4）震动性：像爆炸引起强烈震动，使重型设备发生位移，人员弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至十几公里，地面有地震的感觉。
3、冲击地压的类型
（1）压力（煤柱）型：煤柱在高压力作用下，由于采场周围煤岩体中的压力由亚稳态增加至极限值，其聚集的能量突然释放，造成煤岩体的冲击破坏。
（2）冲击型：由于煤层顶、底板岩石坚硬且较厚，岩层的突然破断或滑移造成采场周围煤岩体冲击破坏。
（3）复合（压力型和冲击型）型。
二、影响冲击地压发生的原因及因素
（1）自然地质因素：主要包括受采深、地质构造及煤岩结构和力学影响
一般在达到一定开采深度后才开始发生冲击地压，此深度称为冲击地压临界深度。临界深度值随条件不同而异，一般大于200m。总的趋势是随采深度增加，冲击危险性增加。这主要是由于随采深增加，原岩应力增大缘故。
地质构造如褶曲、断裂、煤层倾角及厚度突然变化等也影响冲击地压的发生。宽缓向斜轴部抑郁形成冲击地压；断裂犹如一个开采边界，若回采方向朝向断层面，则冲击危险增加；煤层倾角和厚度局部突然发生变化地带，实际是局部地质构造应力积聚地带，因而极易发生冲击地压。
关于煤岩结构及性能的影响。坚硬、厚层、整体性强的顶板（老顶），易形成冲击地压；直接顶厚度适中，与老顶组合性好，不易冒落，冲击危险较大；煤的强度高、弹性模量大、含水量低、变质程度高、暗煤比例大，一般冲击倾向较强。
（2）开采技术因素：开采多层煤时，任何造成应力集中的因素，如开采程序不合理、本层回采不干净、相邻两层开采错距不合适等，均对防治冲击地压不利。
从防治冲击地压的角度而言，壁式开采优于柱式开采，旱采优与水采；直线工作面优于曲线工作面，冒落法优于充填法。
煤柱和开采边界是最主要的应力集中因素，应尽量避免和减少这些因素的有害影响。
一般讲，随开采速度和开采强度增加，冲击危险性有加大的趋势。
三、冲击地压的发生机理
冲击地压发生的过程是煤岩的流变到突变的过程，产生的脆性破坏是载荷发生跳跃、应力总和超过极限，发生立即破坏，而延时破坏是正常载荷的作用下，经过一定时间的破坏，从流变到突变。煤岩体的损伤速度与岩体活动性及瞬间释放能量、变形速度成正比。顶板强度越大，冲击倾向性越强；顶板高度越高，冲击倾向性越强。
冲击地压机理是指形成冲击地压的内在规律，它不同于一般的外部影响因素或发生条件，也有别于诱导因素。
根据力学观点，也可将冲击地压简单的理解为煤岩体的突然破坏，据资料显示，也可用强度准则、能量准则和冲击倾向度准则加以概括。
强度准则：即矿山压力大于煤体—围岩力学系统的综合强度。
能量准则：即煤体—围岩力学系统所释放的能量大于其破坏所消耗的能量。
冲击倾向度准则：即煤体的冲击倾向度大于试验所确定的极限值。
强度准则是煤体破坏准则，能量准则和冲击倾向度准则是突然破坏准则。三个准则同时成立，才是产生冲击地压的充分和必要条件。
根据资料，冲击地压往往伴随着井下生产过程的某些工序的进行，如爆破、冒顶、采煤等而发生，这些因素称为诱导因素，诱导因素本身的能量可能很小，但其诱发冲击地压的放大作用是可观的，因而诱导因素也是发生冲击地压的一个不可忽视的因素。
四、冲击地压的防范及治理措施
（1）冲击地压矿井必须组建专职防冲队伍，并设一名专职技术人员，开展正常的防冲工作；健全责任制和管理制度；编制防冲实施细则和防冲工作规划。
（2）优化采区开拓布局，合理安排工作面开采顺序，避免相向回采和形成孤岛煤柱。
（3）在冲击地压煤层中，进行双向掘进的巷道，错距不得小于50米；相向掘进的巷道，相距30米时，必须停止一头掘进。
（4）采用走向长壁后退式开采方法，全部冒落法管理顶板，若顶板坚硬，出现大面积悬顶时，应进行强制放顶，同时应进行顶板来压预测预报，并制定顶板来压期间的防冲措施。
（5）煤层注水可以使煤的结构发生改变，降低煤体的强度；使得煤体积蓄弹性能的能力下降，以塑性变形能方式消耗弹性能的能力增加。通过现场矿压观测记录的数据可知：煤层注水后，工作面支承压力的峰值降低，应力集中系数明显降低，顶板下沉速度明显增加，煤层的普氏系数降低，塑性增加。煤层注水可有效防治和减弱冲击地压的危险性。
（6）进行卸压松动爆破，诱发能量释放，采用爆破的方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。卸压松动爆破属于内部爆破，主要作用是使煤层产生大量裂隙，使煤体的力学性质发生变化，弹性模量减小，强度降低，弹性能减少，降低煤体应力集中程度，局部解除冲击地压发生的强度条件和能量条件。
结语
煤矿冲击地压是矿井开采过程中的一种及其复杂而难以预测的一种矿山动力现象，导致其发生的不确定性因素很多，它使得采煤作业的安全风险提高。由于冲击地压具有突发性、瞬时震动性、剧烈破坏性和复杂性等诸多特点，导致其防治在全国乃至世界范围都是一个难题。本文主要从人才队伍建设、优化开拓布局、孤岛煤柱开采、巷道布置事项、具体防治措施等出发，比较全面的叙述了其防治措施，对于煤矿安全生产中冲击地压的防治具有一定的指导意义。
参考文献
[1]赵日峰.煤矿重大事故控制及冲击地压防治.中国文联出版社，2008年
酒精阳性奶发生机理及防治 篇3
1 产生酒精阳性乳的化学本质
牛奶是一种稳定的胶体系统, 其稳定性主要与其中的酪蛋白有关。因为牛奶中其他蛋白质 (乳清蛋白) 成对酸、碱、酶、温度等都不敏感, 稳定性很好。而酪蛋白则相当不稳定, 特别是α-酪蛋白极不稳定。酪蛋白在乳腺腺泡上皮细胞的核糖体合成后, 通过多肽链间相互作用形成由若干单体组成的亚胶粒, 在高尔基体中经磷酸化或碳酸化后, 结合上钙离子, 形成胶体磷酸钙, 即微胶粒;微胶粒的稳定性就决定了牛奶的稳定性。
2 酒精阳性乳的发生机理
在正常的鲜奶中, 酪蛋白很少以单体的形式存在, 而是以微胶粒的形式分散于乳清中。维持微胶粒稳定的因素主要是疏水交互作用力和静电交互作用力, 而酒精对蛋白质有脱水作用, 酒精分子进入蛋白质多肽链的空隙内破坏了酪蛋白的空间构型, 从而使蛋白变性, 其疏水作用力场平衡遭到破坏;同时由于阳性乳中钙镁离子被吸附到胶粒表面, 并与之结合, 从而中和了酪蛋白的电荷, 改变了微胶粒间的静电交互作用平衡。由于这两方面的因素, 造成微胶粒组成的胶体分散系统平衡遭到破坏, 失去电荷的酪蛋白在酒精的脱水作用下失去水化膜, 形成了胶体凝结, 出现颗粒状、丝状、絮状等大小不等的沉淀, 这就形成了酒精阳性乳。
3 生产中形成酒精阳性乳的因素
3.1 气温
在生产中, 随着气温的升高, 阳性乳的发生率也逐渐升高, 特别是7～8月份高温季节, 发生率达到最高。这是由于乳牛对热非常敏感, 高温对乳牛是一个很大的应激因子。在高温这种应激因子的作用下, 奶牛分泌ACTH增多, 导致PTH的升高, 后者直接提高血钙的浓度, 从而引起奶钙含量的提高, 并引起牛奶稳定性的降低, 出现酒精阳性乳。因此, 阳性率在高温季节明显升高。
3.2 泌乳月份
一般来说, 在第一个泌乳月和干乳前的两个月, 奶牛群中出现阳性乳的频率也明显升高, 这主要也是因为应激的缘故。分娩这个月, 奶牛的体质较差, 对应激更敏感;而干乳前这两个月内, 奶牛已经经历一个漫长的泌乳期, 机体体质变差, 再加上胎儿在体内逐渐增大, 乳牛负荷不断增加。在这段时间内, 奶牛受到的应激在加大, 并且对应激的敏感性也在增加。因此, 奶牛分泌的ACTH会增多。这样, 也可导致酒精阳性乳发生率的增加。
3.3 惊吓
奶牛受惊吓时, 刺激交感神经, 使管上腺素分泌量增多, 抑制垂体后叶分泌催乳素, 从而使乳汁分泌量减少, 乳汁贮留于乳腺组织中, 也易引起阳性乳的发生。
3.4 换料
饲料的急剧变化对奶牛是一个很大的应激因子, 奶牛需要调整消化系统来适应新的饲料而引起机体的应激反应, 进而导致酒精阳性乳的发生。
3.5 营养因素
日粮总量不足或过高;精饲料喂量过大, 饲料发霉、变质, 尤其是青贮饲料品质差, 导致奶牛食欲下降或引起腹泻等胃肠疾病;长期维生素、多种微量元素缺乏;长期饲喂低钠饲料。据报道, 阳性乳的钠离子浓度明显低于阴性乳;钙磷比例失调, 日粮中钙量过高。
3.6 加工贮运因素
冬季鲜奶受气候或运输的影响而冻结, 乳中一部分酪蛋白变性, 同时在处理时因温度和时间的影响, 酸度相应升高, 以至产生酒精阳性乳。
3.7 其他因素
奶牛患一些疾病后, 乳汁的合成机能紊乱, 加上环境条件、饲料条件的改变, 极易产生阳性乳。这些疾病主要有:隐性乳房炎、肝脏机能障碍、酮病、骨软症、钙磷代谢紊乱、繁殖疾病、胃肠疾病。
4 酒精阳性乳的预防
4.1 减缓应激
改善牛舍环境条件, 提高奶牛对气候变化时的适应能力。淡热的夏季, 做好奶牛舍防暑降温、通风换气工作。如加设电风扇, 在运动场加设遮荫凉棚。严寒冬季做好防寒保暖工作, 如多铺垫草, 增加防寒饲料;保持饲料的长期稳定, 更换饲料时要做到平稳过渡。在季节变换时, 要防止饲料突变, 在运动场设置防风墙等。减少对牛群的不良刺激, 如禁止机动车进入牛舍, 尤其是挤奶时, 禁止生人入内等, 力求将应激因子降到最低限度。
4.2 注重营养平衡
根据奶牛不同生理阶段的营养需要, 结合本地实际, 调配平衡日粮。营养需要 (能量、蛋白质) 不应过高或过低, 精粗比例合理, 确保高质量粗饲料充足供应, 并做到粗饲料品种的多样化 (优质干草、玉米秸、豆皮子等) , 避免长期饲喂单一低质粗饲料, 确保饲料中按标准添加多种维生素和多种微量元素。防止饲喂高钙或低钙日粮, 钙磷比例要保持平衡 (1.5∶1) , 纯骨粉或磷酸氢钙的给量约占精料的1.5%;严禁饲喂发霉变质的饲料, 特别是青贮饲料。
4.3 药物治疗
4.3.1 奶牛在发情期、妊娠后期、卵巢囊肿以及注射雌激素后引起内分泌失调而产生阳性乳者, 可采取肌注射绒毛膜促性腺激素1 000 U或黄体酮100 mg。
4.3.2 改善乳房内环境, 可用 (1) 0.1%柠檬酸钠50 mL, 挤乳后注入乳房中, 1～2次/d; (2) 1%小苏打液30 mL, 挤乳后注入乳房中, 1～2次/d。
4.3.3 改善乳腺功能, 内服碘化钾10～15 g, 加水灌服, 1次/d, 连用5 d。2%硫酸脲嘧啶20 mL, 1次肌肉注射。
4.3.4 恢复乳腺机能, 用甲硫基脲嘧啶20 mL配合维生素B1肌注。
4.3.5 调整机体代谢, 解毒保肝, 肌注维生素C, 用以调节乳腺毛细血管的通透性。
4.3.6 络合多余的钙离子, 用磷酸二氢钠40～70 g, 1次内服, 1次/d, 连服7～10 d。
4.3.710%氯化钠400 mL、5%碳酸氢钠400 mL、25%葡萄糖500 mL、20%葡萄糖酸钙250 mL静脉注射, 1次/d, 连用3～5 d。
4.3.8 柠檬酸钠50 g口服, 2次/d, 连用5～7 d。
4.3.9 丙酸钠140～160 g口服, 1次/d, 连用7～10 d。
4.3.1 0 碘化钾7 g口服, 1次/d, 连用5 d。
发生机理 篇4
近年来, 随着煤矿采掘深度和强度的不断加大, 煤岩动力灾害愈发严重。据1999年统计, 在全国595处国有重点煤矿中, 冲击矿井120余处。据国家安全生产监督管理总局统计, 2011—2012年我国煤矿发生了1 201次事故, 死亡1 973人, 其中煤与瓦斯突出、冲击地压事故死亡人数高达28%。由于冲击地压灾害具有突发性、震动性和巨大破坏性等特征, 一般会造成巨大的人员伤亡和资源浪费。因此对于冲击地压机理的研究以及准确监测预报十分重要。
本论文研究冲击地压的发生机理及监测方法, 这对于防治冲击地压灾害的发生, 减少由于此类事故所造成的损失具有实践指导意义。
1 冲击地压发生机理分析
地下岩体处在复杂与强大的自重应力、构造应力和开采附加应力场中, 地下赋存的煤体与岩体, 在强大的应力作用下产生变形。当岩块处于弹性状态时, 且应力不能解除时, 外力做的功将会以能量的形式储存在岩体内, 获得变形弹性能。在进行地下采掘活动的过程中, 随着开采场所的不断变更, 原岩应力发生改变, 煤岩体原有的应力平衡状态遭到破坏后, 煤岩体寻求一种新的动力平衡状态, 当应力超过煤岩的强度极限时, 聚积在煤岩体中的能量就会突然释放, 动力平衡条件就会被破坏, 从而引发冲击地压灾害。
1.1 现有冲击地压机理
在对冲击地压发生机理进行探讨的历史过程中, 不同的学者有不同的认识, 形成了不同的观点和描述, 出现了不同的冲击地压发生理论。具有代表性的是强度理论、能量理论、冲击倾向性理论等。
1.1.1 强度理论
强度理论以“矿体—围岩”系统为研究对象, 考虑系统的极限平衡。认为冲击地压发生的应力条件是:
其中, σi———包括自重应力、构造应力、由于开采引起的附加应力、煤体与围岩交界处的应力、其他条处的应力和其他条件 (如瓦斯、水和温度等) 引起的应力;R———煤体与围岩系统强度。
建立冲击地压力学模型如图1所示。
具有代表性的是布霍依诺[1]提出夹持煤体理论, 如图2所示。这一理论认为, 坚硬的顶板可将煤体夹紧, 煤体夹紧阻碍了深部煤体自身或“煤岩—围岩”交接处的卸载变形。这种作用意味着, 由于侧向力阻碍了煤体的卸载移动, 使煤体更加密实, 承受更高的压力, 积蓄较多的弹性能, 夹持起了闭锁作用。据此在煤体夹持所产生的力学效应是:高压力孕育相当高的弹性能, 高压和弹性能聚集于煤壁附近, 一旦高压应力突然加大或系统阻力减小, 煤岩体将会发生破坏和运动, 抛向采掘空间, 形成冲击地压。
但强度理论没有充分的理论依据, 是从经验统计得到冲击地压与地应力及岩体强度之间的一个近似规律。将地应力与岩石强度之比作为依据, 忽视了其它因素的影响, 实践证明, 并不是所有的岩石都具有冲击倾向性。冲击地压是动态的能量释放过程。强度理论没有考虑能量储存, 也没考虑时间效应, 因此需要更进一步的完善。
1.1.2 能量理论
20世纪50年代末期前苏联学者c.T.阿维尔申以及20世纪60年代末期中期英国学者库克[2]等人提出“矿体—围岩”系统在其力学平衡状态遭到破坏时所释放的能量大于所消耗的能量时发生冲击地压。矿体与围岩的力学平衡状态破坏后, 释放的能量大于消耗的能量, 就会发生冲击地压。七十年代由布霍依诺、布格尔特和里波曼所提出的能量率理论[3]。较全面和完善地揭示了发生冲击地压时的能量过程, 用 (2) 式作为发生冲击地压的能量判据, (俄) И.М.佩图霍夫[4]对产生冲击地压时的能量结构做了类似分析, 提出一套力学计算方法, 对能量理论的研究做了进一步完善。
其中, UE———围岩系统储存的弹性能;US———煤体储存的弹性能;UP———消耗于克服煤体与围岩边界处和煤体破坏等阻力的能量;α、β———围岩系统、煤体内能量释放的有效系数。
这一观点从能量守恒出发阐明了矿体与围岩的能量转换关系, 但也没有考虑空间的因素, 在计算煤岩体所储存的能量时, 如何选取计算范围, 煤岩破坏释放的能量如何计算, 能量释放系数该怎么选取, 岩体急剧破坏形成的原因等这些问题都没有很好的解决, 因此该理论需要更进一步完善。
1.1.3 冲击倾向性理论
在相同的地质和开采条件下, 煤层发生冲击地压有很大差异, 波兰和前苏联学者提出了冲击倾向性理论[5]。提出用煤样的动态破坏时间 (Dt) 、弹性能指数 (WET) 以及冲击能量指数 (KE) 三项指标综合判别煤的冲击倾向的实验方法。根据测定的煤岩介质冲击倾向性和表1规定的极限值进行比较。
实践表明:当KE、WET和Dt三个冲击倾向指标大于规定的指标值时, 就会发生冲击地压, 这一理论即为冲击倾向性理论。冲击倾向性理论只是单方面从煤岩自身条件出发, 分析煤岩所具有的冲击倾向性, 只能作为判断冲击性的一个必要条件。对于空间范围的围岩体所产生的应力并没有详细分析, 以此理论来判断冲击地压发生与否是片面的。
1.2 现有理论的问题及解决方法
虽然人们很早就开始了对冲击地压机理的研究, 并分别从煤岩强度、能量及冲击倾向性等角度出发阐述其发生的机理, 但鉴于冲击地压发生的复杂性, 目前的各种机理假说尚不能完全解释其发生的机理及过程。
1.2.1 强度理论只是从经验角度出发, 提出了一个不全面的判别指标, 没有考虑煤岩本身的冲击倾向性、时间效应等。煤岩的强度是导致冲击地压发生的重要因素, 但不是唯一、绝对的因素, 因此, 强度理论应在充分考虑应力、煤岩强度的基础上, 根据不同条件下煤岩受力, 提出更合理、科学的判别指标。
1.2.2 能量理论从能量转换角度出发, 阐明了矿体围岩的能量关系, 煤岩体急剧破坏形式的原因等问题, 但没有考虑时间和空间的影响;能量理论只说明了冲击地压是在“矿体—围岩”系统的力学平衡状态破坏时, 释放的能量大于消耗的能量时发生, 并没有说明平衡状态的性质和破坏条件, 特别是围岩释放能量的条件, 所以能量理论应该考虑煤岩体自身的力学特性, 结合时间的非稳定性、空间的非均匀性来完善该理论。
1.2.3 冲击倾向性理论考虑煤岩自身物理力学性质, 认为煤岩体的冲击倾向性是煤岩体的固有属性, 是产生冲击地压的内在因素。通过三个冲击倾向性指标来确定冲击地压危险性, 但三个指标都是在实验室测定的, 具有很大的离散性, 需要大量的实验来确定。而且冲击地压的发生与采掘条件和地质环境有关, 实际的煤岩物理力学性质随着地质开采条件不同而有很大差异, 实验室的测定结果并不代表实际情况, 所以不仅要考虑煤岩性质, 也要考虑围岩体的力学性质, 而且要提高实验室测试的可靠性。
1.2.4 此外, 在总结强度理论、能量理论、冲击倾向性理论的基础上, 中国矿业大学的李玉生[3]提出了“三准则”理论, 提出了强度准则是煤岩体的破坏准则, 而能量准则和冲击倾向性准则是突然破坏准则, 只有三个准则同时满足时, 才能发生冲击地压;章梦涛[6]教授基于材料失稳破坏思想提出的失稳理论, 认为煤岩体受采动影响而在周围形成应力集中, 煤岩变为软化材料, 受扰动发生破坏;齐庆新[7]等人提出的“三因素”理论, 认为内在因素、力源因素、煤体结构因素是发生冲击地压的最主要因素;窦林名[8]提出的“强度弱化减冲机理”, 通过松散煤岩体降低煤岩体的强度和冲击倾向性, 弱化煤岩体应力集中程度, 采取减冲措施, 降低冲击地压强度。这些都对冲击地压理论研究做了进一步发展。
2 冲击地压的监测
防治冲击地压的前提是监测和预测预报冲击地压灾害的发生, 首先就要进行冲击地压的监测, 只有确定了可能发生灾害的区域和危险程度后才能采取适当的防治措施。
2.1 现有的监测方法
2.1.1 钻屑法
通过在煤层中打直径为42~50mm的钻孔, 根据排出的煤粉量以及变化规律和有关动力效应, 来鉴别冲击危险性。由于钻出的煤粉量与煤岩体应力状态具有定量的关系, 应力状态改变, 钻孔煤粉量也就不同, 常用钻出的煤粉量与正常排出的煤粉量之比, 作为衡量冲击危险的指标。除煤粉量之外, 打钻时发生的卡钻、震动等动力效应也可作为判别的直观指标。
2.1.2 采动应力场监测法
采动应力场是动态变化的, 如果能够分析清楚开采场所应力变化规律, 就能预测冲击地压。弄清煤岩体的采动应力场的分布状态, 控制高应力的产生, 基于采动应力对冲击地压的影响, 采用采动应力在线连续监测系统, 在工作面布置钻孔应立计, 通过井下分站, 以电话线为介质传递送到井上, 最终由计算机实时监测并进行分析处理, 监测工作面推进过程中采动应力变化, 为预测冲击地压提供依据。
2.1.3 顶板动态监测
顶板动态法主要是通过监测顶板的运动状态、支承压力显现范围及应力峰值位置来预测冲击危险。顶板的急速下沉或突然断裂会引起震动, 都有可能诱发冲地地压。因此, 坚硬顶板悬露的面积、断裂运动的时间是冲击地压预测的关键。
2.1.4 微震监测法
材料在外力的作用下, 内部将产生局部弹性, 当能量积聚到一定能量值时会引起微裂隙的产生与扩展, 伴随着弹性波与应力波的传播, 其后果就是产生声发射;冲击地压矿井存在着大量的地音和微震活动[9]。每一次冲击地压必然伴随有强烈的地音和微震活动。
通过记录采矿震动的地频率能量, 记录岩体破坏时产生的应力波, 通过计算机处理分析, 根据震动定位, 预测破坏发生的区域。在发生微震活动的矿体内布设传感器, 探测微震波所发射的地震波, 即发生地震波的位置, 活动性的强弱和频率判断潜在的矿山动力灾害活动规律, 进而进行预报灾害事故。
微震监测技术在波兰煤矿已被广泛的使用[10], 我国1984年引进了波兰研制的SAK和SYLOK冲击地压监测系统, 在门头沟矿、龙凤矿等矿井安装使用, 并起到一定的预测效果。
微震监测系统组成一般包括地面监测站、井下数据交换中心和接收感器阵列三大部分, 可进行全数字、多通道、自动化全天候实时监测。配置有可视化监控分析件。建立三维旋转立体模型, 分析系统操作方便。如图3所示。
2.1.5 地音法
煤岩体失稳或应力集中导致其破坏, 能量突然释放, 地音就是煤岩体破裂释放的能量以弹性波的形式向外传播所产生的声学效现象[11]。通过提供统计单位时间监测区域内地音事件的频度、能率、频率、延时等一系列地音参量, 找出地音活动规律, 以此来判断监测区域的煤岩体受力状态和破坏程度, 评价煤岩体的稳定性[12]。根据此原理, 采用煤岩体的地音监测方可以对冲击地压等动力灾害的危险性进行评价并对其进行预测预报。
2.1.6 电磁辐射法
20实际90年代中国矿业大学的何学秋[13]等人对煤体受载荷作用喜爱的电磁辐射特性及规律进入了深入的研究, 表明煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能的一种现象。电磁辐射的强度和脉冲数与载荷和煤岩变形破裂程度基本呈正相关, 对电磁辐射的频谱分析表明, 煤岩体变形破裂过程中的电磁辐射是频谱很宽的脉冲信号, 而且电磁辐射的频谱随着载荷及变形破裂强度的增加而增高。瓦斯流动对电磁辐射有影响, 瓦斯流动压力梯度越大, 流速越高, 电磁辐射越强[14]。上述研究为电磁辐射监测技术及预报方法提供了理论依据。
冲击地压是地应力和煤岩体共同作用的结果, 工作面前方煤岩体处于高应力状态, 煤岩体电磁辐射信号较强;或者是煤岩体处于逐渐增强的变形破裂过程中, 煤岩体电磁辐射信号逐渐增强。电磁辐射和煤岩体的应力状态有关, 应力越高, 煤岩体的变形破裂越强烈, 电磁辐射信号就越强, 电磁辐射脉冲数也越大。应力就越高, 冲击危险就越大。电磁辐射强度和脉冲数两个参数反映了煤体前方应力的集中程度和煤岩体动力灾害的危险程度, 因此可用电磁辐射监测技术进行冲击地压的危险预测。
2.2 现有监测方法存在的问题分析及发展趋势
现有的监测方法虽然已经多种多样, 但仍然不能满足冲击地压准确监测的需要。
2.2.1 钻屑法、采动应力场监测、顶板动态监测都是属于直接接触式的探测方式, 都是通过测定煤岩体的应力变化来间接预测冲击地压的危险性。接触式探测法可以直接了解煤岩体情况, 简单实用, 但由于要进行大量的钻孔工程, 人力物力成本较高, 且钻孔数量有限, 只能进行局部区域预测。可作为监测的补充手段进行直观的判别。
2.2.2 微震监测和低音监测都属于地球物理法, 二者区别在于接收的应力波的频率不同。通过在煤岩体中布置的监测探头, 可以进行实时、动态的数据收集, 并能长期布设在井下使用, 主要作为区域监测手段使用。由于理论研究较落后, 监测设备测技术还不能完全国产化, 监测探头的埋设没有一定的规律可寻, 容易受到采动影响而损坏;应力波容易受到机械电气设备的干扰, 且信号较弱, 难以准确监测, 环境噪音也易使仪器对声发射信号的判别失真;在对岩体声发射信息的利用方面, 还很不完善, 没有利用声发射的全部信息。因此, 在监测上不仅要考虑自设设备的精确度, 尽可能减少其他外在因素对应力波的影响。可借鉴南非、加拿大等国所建立的国家型矿山微震监测网。在后期的处理上应该完善处理软件, 对数据做出更可靠的分析。
2.2.3 电磁辐射属于非接触探测手段, 是一种便携的监测手段, 但由于煤岩体所产生的电磁辐射信号非常微弱, 极易受到外界干扰, 影响测试效果;至今还无法实现定位监测和定量预报;对电磁辐射产生的机理、传播的影响因素等还不清楚等。因此, 不仅要对电磁波的产生、传播机理做深入的研究, 找出影响因素, 而且要提高设备的灵敏性, 判断性、提高接收电磁波的效果。
3 结语
3.1 通过分析冲击地压发生的机理, 认为冲击地压发生的最根本的原因是在采掘活动中破坏了原岩应力平衡状态, 破坏了原岩体中的能量平衡;现有的理论都不足以全面地解释冲击矿压发生根本原因, 对机理的研究可以借助于现在大型计算机技术, 利用FLAC、ANSYS等数值模拟软件, 进行数值分析计算, 结合地下围岩体以及时间效应的关系, 从而寻求新的理论突破。
发生机理 篇5
随着我国国民经济的快速发展和采掘技术的进步,国内的隧道工程建设得到了突飞猛进的发展,主要表现在隧道长度的不断增加和埋深的不断增大[1,2,3,4]。高地应力工程或者深部工程的高应力作用给地下工程设计和施工提出了新的挑战,但同时也给岩石力学的发展带来了机遇。近年来在实施西部大开发和西电东送的战略背景下,正在兴建或待建的包括小湾、溪洛渡、瀑布沟、拉西瓦、锦屏等一大批大型水电站工程均涉及高应力条件下的地下隧道或洞室群的岩石爆破开挖[5]。毫无疑问,21世纪必然出现大量隧道工程,必然带来长大隧道的增多[6]。一般来说,山岭隧道地质条件较复杂,围岩极有可能发生岩爆并诱发动力灾害,为了控制和节约工程投资、优化设计、保证安全施工,对隧道围岩稳定性及岩爆问题进行研究是十分必要的。
岩爆是影响公路隧道安全施工的重要灾害之一,岩爆发生机理与治理技术研究是影响隧道施工安全的关键技术问题之一。本文的研究对隧道工程的安全施工具有十分重要的工程实践意义。
1 岩爆诱发条件
引起岩爆的原因很多,影响因素非常复杂,与地应力状况、地层岩性、埋深、岩体结构、地下水与开挖断面的大小、形状、开挖方法等诸多因素有关。
在众多因素中,地应力条件和地层岩性是产生岩爆的决定性因素,只有具备这两个条件才有可能发生岩爆。另外应力集中是主导岩爆发生的主要因素,即地应力影响程度最大,但同时不可忽略其他因素的影响,特别是地下水的作用。
2 研究背景
针对某山岭隧道施工过程中的岩爆现象进行了取样,在室内进行了MTS电液三轴伺服试验研究。
2.1 工程概况
该特长山岭隧道穿越我国黄河、长江两大分水系分水岭的北秦岭中山区,北邻渭河盆地南缘残塬区,南连南秦岭中低山河谷区。北秦岭大致呈东西向展布,南北宽约24 km,主峰位于牛背梁,高程约2 802 m。特长隧道进、出口与主峰相对高差约1 700 m～1 900 m。隧道穿越区山峦重叠,沟壑纵横,地势险要,交通十分不便。
根据地质构造资料,该山岭隧道所处构造单元属于礼县柞水华力西褶皱带,北以唐藏商南大断裂为界,与北秦岭加里东褶皱带相邻,南以风镇山阳断裂与南秦岭印支褶皱带紧邻,区内实为一东西走向的巨型断裂带,褶皱构造极为复杂、强烈,不同期次的岩浆活动强烈,再加上变质作用,多期构造运动变形迭加,使次级断裂构造发育,区内岩浆岩广泛出露,约占全区面积的90%,岩性主要为灰白色中细粒(局部似斑状)黑云母二长花岗岩及浅肉红色中粗粒二长花岗岩两种。该地域褶皱、断层较为发育,是构成岩爆发生的主要地质构造。从褶皱方面考虑,由于高地应力的影响,洞室开挖后,垂直洞壁方向初始地应力的增高使水平应力比垂直应力大许多,在洞室拱顶围岩形成高应力集中,易于发生岩爆。
2.2 现场试样采集
取样后为了避免受外界条件影响,及时用塑料袋进行密封保存。同时为了保证试样性质的相对一致性,每一组试样尽量从一块大的岩块上以密集套钻的方法来获取,获取过程中尽量避免对试样的损坏。本试验的材料选择完整性和均匀性相对较好的混合片麻岩,根据岩石的常规力学性能测试要求制作标准试件,对试件的钻取采用TY-100/50-4型全自动钻石机,试样为Φ50 mm×100 mm的圆柱体试件,并对试件的两端及侧面进行了仔细研磨,不平行度和不垂直度均小于0.02 mm,达到国际标准的技术要求。试件表面光滑,没有明显缺陷,呈灰白色。
2.3 试验仪器
本试验采用MTS815电液三轴伺服试验系统(Electro-hydraulic Tri-axial Servo Mechanics System)进行研究。该系统是采用静音和成套电动机作为驱动和全数字控制的岩石类和混凝土力学特性实验系统,系统包括6大部件:动力油源(Hydraulic Power Supply)、轴向加载框架(MTS Model 1 315.04 Load Frame)、孔压渗透实验系统(Pore Pressure System)、动态围压控制系统(Dynamic Confining Pressure System)、全数字控制系统(Flex Test GT Control System)和声发射测试系统装置以及配套应用软件。该系统能够完成地下工程岩石材料和混凝土的单轴加载、三轴压缩、高温高压岩石力学破坏试验和孔隙渗流试验等基本特性试验,系统对试验过程的实时监测以及多通道数据的采集和处理,能够满足数字岩石力学试验的要求。
3 试验过程
3.1 单向压缩下试样破坏特征
图1是在MTS电液伺服压力机用环向应变控制加载测得的混合片麻岩在单向受压下的应力—应变全过程曲线。
根据应力—应变全过程曲线的特征,把混合片麻岩的受压变形破坏过程划分为五个阶段,即裂隙闭合阶段、弹性变形阶段、裂隙稳定扩展阶段、强度破坏阶段和残余变形阶段。
无端面约束时,试件几乎全部沿加载方向发生张性破裂,破裂面比较平直,贯穿试件上下端面。破裂面以新鲜面为主,局部为原生微裂隙面,说明破裂面是在原生微裂隙面的基础上沿加载方向扩展形成。有端面约束时,由于限制了试件端部的横向自由膨胀,试件呈顶锥形式的破坏,中部破裂面为张性破裂,两端破裂面上的明显擦痕表明它为剪切破坏。由此可见,有端面约束时,试件呈现张剪复合破坏。
3.2 三轴加压卸压下试样破坏特征
岩体中任何一点都处于三向受压状态,隧道开挖的过程,实际是对洞壁附近岩体卸除一个方向的应力的过程。在这个过程中,洞壁附近的岩体应力状态发生变化,从原来的三向应力状态转化为二向应力状态,而且应力的大小也发生了根本性的变化,岩爆往往就是在这个卸压转化过程中形成和发生的。为了分析这个过程,作者利用岩爆点的岩样在室内进行了三轴加压卸压试验。
试验时,先对试件施加围压σ3到预定值,然后采用位移控制对试件施加轴向压力σ1到设定值,保持位移不变,逐渐卸除围压。这个试验实际上是在人为地恢复试件原来的三向应力状态i,再卸除一个方向上的应力,目的是模拟隧道开挖过程中洞壁后附近岩体应力状态的变化过程。
如图2所示,在围压卸除过程中,试件的受力状态由三向转化为单向,应力发生重分布。轴向应力随着围压的减小而逐渐增大,环向变形缓慢增长。当围压降到很低(接近0时),轴向应力达到最大,试件开始破裂,环向变形开始迅速增大。由于试件发生破坏时仍有一定的围压,试件呈张剪复合型破坏。
4 结语
本文通过对某山岭隧道岩爆点采集试样进行室内试验研究,主要有以下结论:
1)用荷载或轴向变形控制加载,在达到极限强度以前,应力一应变关系与用环向变形控制时完全一样。当应力达到岩石极限强度时,由于作用在试件上的荷载仍在增加或保持不变,而试件中的裂隙在继续发展,使得试件的抗力逐渐降低,聚集在试验机中的弹性应变能同时释放,并作用在试件上,试件呈现非稳定的、突然的、猛烈的爆炸性破坏,整个试件破裂成碎块(片状、小棱块状等),并猛烈地向外弹射,同时发出响亮清脆的爆炸声,试验机也发生强烈的振动。这一控制方式下的试件变形破坏过程,就是在实验室里模拟出的岩爆现象。
2)在岩爆的形成发生过程中既有张性劈裂破坏,也有剪切破坏,是以劈裂破坏为主的张剪复合型破坏机理。
摘要：以某山岭隧道工程为依托,以岩爆问题为研究主线,开展了山岭隧道岩爆机理等试验研究,并针对试验结果进行了分析,得出了一些有现实指导意义的结论,以确保隧道工程的安全施工。
关键词：岩爆,灾害,隧道,机理
参考文献
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[5]严鹏,卢文波.高地应力下隧洞开挖动态卸荷的破坏机理[J].爆炸与冲击,2007(3):283-288.
发生机理 篇6
关键词：土石坝,水力劈裂,劈裂灌浆,水力坡降
0 引言
从20世纪末开始, 我国进入了水利水电建设的黄金时期, 一大批处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下的高坝、深埋隧洞相继开工建设, 在水坝工程中土石坝的建设数量一直居于首位。对于水头不高的中型和小型土石坝, 实际工程过程中积累了丰富的经验, 设计理论发展也较快。但对于大型的高水头土石坝, 由于问题的复杂性, 很多关键技术并没有得到很好地解决, 工程经验缺乏理论支持, 其中水力劈裂就是亟待解决的问题之一。
1 水力劈裂发生的机理及影响因素
(1) 水力劈裂的发生机理
有前面分析可知, 土石坝水力劈裂发生需具备两个条件, 一是心墙存在初始裂隙, 二是水压力的急剧升高。
心墙的初始裂隙是客观存在的, 因为无论是施工过程还是施工完成使用过程, 都会对心墙产生各种作用, 而这些作用会促使裂隙的存在。由于心墙高度较大, 施工中必须使用分成碾压的方式, 各个碾压层之间以及同一碾压层的不同施工段都会由于共工作成而形成裂隙;土石坝在施工完成以后, 由于温度湿度的作用, 也促使心墙产生裂隙, 同时由于心墙材料属于弹塑性材料, 在施工完成后, 土石坝中各种材料, 由于固结、蠕变、松弛等等引起应力重分布, 应力重分布也会促使裂隙的产生;土石坝中坝壳料与心墙采用的是不同材料, 坝壳料通常采用透水性较强的碎石料, 心墙主要作用是防渗, 通常会采用渗透系数较低的粘土, 而碎石土和粘性土的模量差别较大, 在土石坝使用期间, 心墙的变形将会大于坝壳料的变形, 也即坝壳料会对心墙有一个向上的拉力, 而这个拉力也将使心墙产生裂隙, 这种坝壳料与心墙的相互作用成为"拱效应", 土石坝坝体越高, "拱效应"就越明显, 就越容易发生水力劈裂。有上述分析可知, 心墙中的裂隙是由于各种原因的作用是无法避免的, 是一种客观存在的现象。
水位的快速上升, 心墙表面水压力急剧增加是水力劈裂发生的另一个条件。如果水位上升速度缓慢, 水压力增长较慢, 心墙裂隙处的水力坡降也就不大, 此时即使心墙表面存在裂隙, 较低的水力坡降不足以是裂隙进一步扩展, 也就很难发生水力劈裂, 但是当水位上升较快, 在心墙裂隙处将形成较大的水力坡降, 此时对于心墙表面的裂隙而言, 较大的水力坡降将是裂纹扩展, 如果该过程持续时间较长, 严重时将使心墙发生断裂, 从而引起土石坝的破坏。
心墙的初始裂隙和水位的快速升高是水力劈裂的发生条件, 通常只有同时具备两个条件才会发生水力劈裂。
(2) 水力劈裂发生的影响因素
有前面的分析可知, 土石坝的"拱效应"会使心墙产生裂隙, 土石坝高度越大, "拱效应"将越明显。"拱效应"产生的原因是坝壳料与心墙材料属性不同引起的。所以可以分析得到, 水力劈裂发生的影响因素主要有心墙和坝壳料的模量、泊松比和密度等等。
由于土石坝水力劈裂过程是一个非稳定渗流的过程, 同时也是一个土力学和断裂力学问题, 同时该问题影响因素较多, 分析该问题应该考虑各种影响因素的作用。
如何考虑水力劈裂各种因素的作用, 可利用目前比较流行的有限元法, 有限元法具有操作简单, 能够考虑各种材料之间的接触以及复杂材料属性和适应多种边界条件等优势。有限单元法在处理高土石坝等方面已发挥越来越重要的作用。
2 水力劈裂的处理措施
水力劈裂其中一个发生条件是心墙具有初始裂隙, 当遇到水位急剧上升时, 如果能够控制裂隙的发展, 将对水力劈裂的发生起到抑制作用。目前控制裂隙发展的方法主要就是劈裂灌浆。
在土石坝坝轴线方向布置注浆孔, 通过压力注浆, 使坝体沿轴线产生劈裂, 注入的浆体将充满劈裂裂隙, 当浆体形成强度的时候, 将形成防渗帷幕。防渗帷幕对抑制裂隙发展可以起到积极的作用。
3 结语
土石坝水力劈裂发生需具备两个条件, 一是心墙存在初始裂隙, 二是水压力的急剧升高。水位的急剧上升将在心墙表面裂隙形成较高的水力坡降, 促使裂隙的发展, 形成水力劈裂。控制裂隙在高水力坡降作用下的扩展是防止水力劈裂的有效措施;劈裂灌浆在心墙轴线形成防渗帷幕, 可有效控制裂隙的发展。
水力劈裂是土石坝设计中的一个重要课题, 其破坏力强, 一旦发生造成的危害非常严重, 所以关于水力劈裂问题的理论研究以及处理措施仍需做进一步研究。
参考文献
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[2]王学武, 党发宁.土石坝坝体灌浆劈裂与水力劈裂的机理研究[J].中国水能及电气化, 2011.9.
发生机理 篇7
煤矿工人的生命安全是现代煤矿开采中最重要的注意事项, 对于煤矿冲击地压的防治工作, 是一个亟待解决的问题。现在关于煤矿冲击地压主要是按照刚度理论、强度理论、能量理论来分析其特性的, 煤矿开采中, 煤层的冲击地压的突发性、瞬时震动性、破坏性等特征是多种多样的, 灾害程度也是不尽相同的, 发生的各种条件也是因地质因素的差异和采掘作业操作进程密切相关的。本文根据现场实际, 主要从人才队伍建设、冲击倾向性鉴定、煤场煤柱开采、巷道合理优化布置、采煤工作事项等出发, 浅析其防治措施, 对煤矿冲击地压防治具有一定的指导意义。
1 煤矿冲击地压形成机理分析
对于煤矿开采, 随着煤矿开采强度不断增加, 开采深度不断加大, 地层内的应力分布较浅部开采有着很大的不同。煤岩体中积聚能量的不断释放, 造成煤层的不稳定, 时常发生不同种类的矿震。当煤岩体中积聚的弹性能突然释放时, 就会造成煤岩体的破坏, 发生冲击地压。能量释放理论在煤矿开采中分析其冲击地压形成机理时经常用到, 其主要是能量的释放, 造成应力的不均衡分布, 使得煤矿开采中的煤层应力结构发生改变, 导致断层、结构面的冒滑现象的发生。
煤炭开采中冲击地压主要分成上述三类, 在井巷或采掘工作面, 当应力分布发生改变时, 时常诱发剧烈的振动, 导致煤矿冲击地压的发生, 成为煤矿开采过程中的主要威胁之一, 其安全防治成为煤矿开采中的重要任务。从中可以看出, 三类形成机理的危害程度不同, 应该引起矿井相关部门重视, 针对不同的类别作出合理的防治方案, 确保实施过程的安全性, 从而有效并有序的开展煤矿冲击灾害防治。
2 煤矿冲击地压防治措施
煤矿冲击地压主要是井巷或采掘工作面的应力集中, 导致了煤岩体承受的矿压超过其强度极限, 引发冲击地压的形成。对于其冲击地压防治的具体方案, 根据各煤矿地质条件、巷道布置、采掘方案的不同, 而采用不同的防治措施。本文主要是从人才队伍建设、冲击倾向性鉴定、煤场煤柱开采、巷道布置事项、采煤工作事项等出发, 全面而系统的叙述其防治措施的共通点。人才队伍建设是煤矿冲击地压防治的基础, 合理的煤场煤柱开采方案对于煤矿冲击地压的防治起到关键性作用, 合理的巷道优化布局能够有效避免应力集中的产生, 高压注水、钻孔卸压以及深孔爆破等措施都旨在释放煤岩体内积聚的弹性能量。煤矿冲击地压的防治措施, 应从上述各方面共同出发, 达到防治的目的。
3 冲击地压的防治措施
为了避免产生应力集中区是采取冲击地压防治措施的主要目的。根据施工技术、现场工作和施工观测记录, 煤矿针对冲击地压有效的治理措施包括以下几个方面:
3.1 煤层注水
煤层注水后煤的结构发生变化, 致使煤的强度以及煤体弹性能的能力下降, 冲击倾向性也随着减弱, 有时会完全没有冲击能力。煤层注水采用的是长钻孔交叉的注水方法。顺着巷道走向的煤壁每10 m留1个钻孔, 并且孔长为60 m, 孔宽是65 mm, 利用封孔器进行封孔。在动压注水30h之后, 动压注水换为静压注水, 到巷帮湿润结束。在注水的过程中, 如果遇到煤层比较坚硬, 密度较大, 那么在注水孔的工作完成之后, 要在孔内装药进行爆破, 好扩展孔壁的裂缝数量, 以增大注水浸润的面积。
3.2 煤层顶板爆破卸压
煤层较厚、顶板坚固难冒是造成冲击地压的主要原因之一, 它容易积蓄大量的弹性能, 在顶板破断之时, 大量的弹性能瞬间释放, 就会产生强烈的震动。大面积的悬空顶板会发生突然垮落, 强烈冲击采场后部。采用顶板深孔爆破的方法, 是为了在顶板中形成裂缝, 并使原生的裂隙变大, 破坏顶板结构, 使顶板中积聚的大量弹性能量得到释放, 冒落采空区的顶板, 使顶板来压时的强度和冲击性减小, 减小冲击地压带来的危害。
3.3 大直径钻孔卸压
是在煤岩体的应力集中区域或着是应力集中可能发生区域, 布置直径大于95mm的钻孔, 利用钻孔周围破坏区煤体变形或者钻孔冲击带来的大量煤粉, 不断扩大钻孔周围煤体破坏区, 以起到预卸压的作用。大直径钻孔每2m布置一组, 回风巷和运输巷都要布置在煤壁侧的巷底或巷帮。
3.4 煤体爆破卸压
煤体卸压爆破主要是为了破坏煤体强度、减少煤体的冲击倾向性、降低煤体的振动释放能量, 以此形成冲击地压的煤体阻隔带, 以便于高应力向煤体深部转移。当深部发生地压冲击时, 这个松散带就会产生吸收缓冲的作用, 以此降低冲击波对巷道的破坏力, 煤体爆破卸压钻孔5m就需要布置一组, 并且钻孔直径为65mm, 孔深达到20m, 采用双导爆索引导爆破。
结束语
煤矿冲击地压是矿井开采过程中的一种及其复杂而难以预测的一种矿山动力学现象, 导致其发生的不确定性因素很多, 它使得采煤作业的安全等风险提高。由于冲击地压具有突发性、瞬时震动性、剧烈破坏性和复杂性等诸多特点, 导致其防治在全国乃至世界范围都是一个难题。本文主要从人才队伍建设、冲击倾向性鉴定、煤场煤柱开采、巷道布置事项、具体防治措施等出发, 比较全面的叙述了其防治措施, 对于煤矿安全生产中冲击地压的防治具有一定的指导意义。
摘要：在煤矿的开采进程中往往伴随着结构的问题发生, 如得不到及时的合理的处理就会导致矿道的坍塌, 甚至是整个矿井的坍塌问题, 冲击地压是一个矿坑深度开采后所遇到的地质原因引发问题。从以前的开采经验中不难看出煤矿开采的深度越大冲击压对于工程开采的影响和破坏力也就越大, 因此本文介绍了这一现象的产生原因和防治手段。
关键词：冲击地压事故原因,发生机理,防护举措
参考文献
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发生机理 篇8
在碰撞或冲击试验中,无论是按预先给定的还是任意的加速度曲线对运动负载实施缓冲制动,都需要通过缓冲装置来逐渐消耗动能。缓冲装置中的气液缓冲器在大位移缓冲制动场合应用较多[1,2,3]。 在汽车碰撞试验、 跌落试验、 运载工具制动等场合,缓冲或制动需要按预先设定的加速度曲线完成,以符合规范或设计要求。通过改变缓冲器的流体通流面积,使通流面积按一定规律减小并切换,可实现制动加速度波形的有级调节[4]。在冲击试验设备中,为了实现缓冲加速度波形的任意调节,通流面积随时间的变化过程需要进行强制调节。对于冲击脉宽较大而流量要求较小的冲击,可以利用高速伺服阀进行阻尼控制,实现冲击波形的任意调节[5]。然而在一些特殊的冲击试验(如模拟水下爆炸冲击环境的冲击试验)中,冲击脉冲发生器[6]需要在非常短的时间消耗试件的动能。针对此情况,文献[7]采用一种成型阀口阻尼器实现了冲击波形的调节。目前还没有一种伺服阀能够实现这种大流量、高速制动过程的控制。
本文提出了一种锥形间隙液压脉冲发生器,该脉冲发生器与传统的只用于制动而不考虑制动加速度波形的液压缓冲器不同,可实现大流量的缓冲制动,而且能够对制动脉冲的峰值与脉宽进行大范围调节。
1 液压脉冲发生器的机理分析
1.1 工作机理
图1所示的液压脉冲发生器主要由活塞杆、锥形活塞、节流环、调节器、油腔和回油通道构成。节流环和锥形活塞是两个重要的部件,它们之间的径向间隙对阻尼特性影响很大。脉冲发生器通过间隙和小孔组合节流产生油液阻尼力对运动负载实施紧急制动,吸收和消耗运动负载的动能,从而使运动负载获得一个制动加速度脉冲。该结构的特点是负载运动速度越高,脉冲发生器吸收消耗负载动能的能力越强。脉冲发生器可以很方便地通过调节器调节波形器的阻尼特性,实现对制动波形的调节。
冲击脉冲发生器的动作过程如下:运动负载以一定的速度推动活塞杆和活塞来挤压阻尼腔的油液;活塞进入节流环之前,阻尼腔的油液主要通过图2a所示的锐缘阀口和可调节流口排出;活塞进入节流环后,图2a中的锐缘阀口消失,阻尼腔中的油液由锥形间隙和可调节流口同时排出(图2b);活塞锥形段完全进入节流阀后(图2c),阻尼腔中的油液由锥形间隙-环形间隙组成的通道和可调节流口排出。活塞在节流环中运动的过程中,油液通流面积的改变使运动负载在阻尼腔高压油液的制动下获得一个冲击脉冲。由于阻尼力大小可以通过阻尼腔油液的等效通流面积来调节,所以冲击脉冲的幅值和脉宽调节可以通过控制可调节流口的通流面积来实现。
1.2 脉冲发生器力学模型
液压脉冲发生器的数学模型是基于以下假设建立的:①试件的制动持续时间大于10ms(这符合实际使用情况);②缸体、活塞杆、活塞和节流环为刚体;③油液的黏性系数为常数;④流体的沿程压力损失相对于局部压力很小,故只考虑流体的局部压力损失。
锥形活塞的结构如图3所示,活塞与节流环之间的缝隙将油腔分为两部分,阀芯锥体母线y(xt)和半径差h(xt)分别为
c≤xt≤H+c
式中,H为圆锥高度;xt为活塞位移;d2为节流环直径;c为锥形活塞到节流环的初始距离;h1为活塞大端与节流环的径向间隙;h2为活塞小端与节流环的径向间隙。
在进行冲击试验之前,先调整好锥形阀芯与节流环的初始距离c及可调节流口的通流面积;在冲击试验过程中,运动负载推动活塞向节流环中运动,锥形活塞和节流环之间相对位置的不断变化引起流体通流面积的变化,从而导致节流阻尼力不断变化。脉冲发生器整个节流制动过程分可分为3个阶段进行分析,如图2所示。
(1)第一阶段。
当锥形活塞小端距离节流环c-xt,即锥形活塞未进入节流环时,流体由锐缘阀口和可调节流口排到回油腔,如图2a所示。流体惯性引起的阻尼力与其他力比较起来很小,可以忽略不计。则锐缘阀口的流量:
式中,ρ为流体密度;C1为锐缘节流口的流量系数;p1为阻尼腔的压力;p2为回油腔的压力,等于当地大气压。
可调节流口的流量:
Ad=π d2d/4
式中,Cd为可调节流口的流量系数;n为可调节流口的个数;dd为可调节流口的直径。
此阶段系统总流量:
(2)第二阶段。
当活塞的锥形段进入节流环长度为xt-c时,如图2b所示,流体经过通道I和锥形缝隙,环形间隙减缩引起局部压力损失:
式中,q2为该阶段系统总流量;d1为活塞直径。
通流截面突缩引起的局部压力损失:
通道Ⅰ引起的流体总的压力损失为
ΔpL=Δp1+Δp2=p1-p2 (8)
由式(4)～式(8)得到此阶段通道Ⅰ的流量:
式中,ζ1为局部压力损失系数;μ为流体动力黏度。
此阶段系统总流量为
(3)第三阶段。
当锥形活塞进入节流环中的长度为xt-H-c,即活塞的圆柱面进入节流环(图2c)时,流体由通道Ⅰ和通道Ⅱ排到回油腔。通流截面突缩引起的局部压力损失为
圆锥间隙渐缩的局部压力损失为
圆柱缝隙的节流局部压力损失为
通道Ⅰ引起的流体总压力损失为
ΔpL=p1-p2=Δp1+Δp2+Δp3 (14)
由式(14)得到此阶段通道Ⅰ的流量:
此阶段系统的总流量为
综上所述,脉冲发生器阻尼腔和回油腔之间流量平衡方程为
式中,Δq为流体的压缩流量;βe为流体体积弹性模量;f为活塞与阻尼孔底部的距离。
活塞的运动方程为
式中,βc为脉冲发生器的阻尼系数;d3为活塞杆直径;mt为折算到活塞杆上的等效质量;ζ为液压缸阻尼系数比;Ff为液压缸摩擦阻力,与其他的力相比很小,可以忽略不计。
联立式(1)～式(19)得到的数学方程组完整地描述了脉冲发生器的工作机理,可以依据设计参数进行波形器设计。这些非线性微分方程包含复杂的边界条件,要获得解析解是非常困难甚至是不可能的,本文借助4阶Runge-Kutta数值计算方法获得其数值解,探讨脉冲发生器机械特性。
2 脉冲发生器机械特性分析
上述数学模型可以准确地描述波形器的动态特性,其中,负载的速度、流体的黏度、可调节流口的直径、锥形活塞与节流环之间的间隙是影响波形器性能的几组关键参数,为了考察波形发生器各物理参数对性能的影响,确定合理的结构参数,在Simulink环境中采用4阶Runge-Kutta数值算法对上述数学模型进行计算。主要的参数如下:d2=0.20m,f=0.30m,mt=2500kg,μ=0.1Pa·s,βe=700MPa,ζ=0.05,C1=0.61,Cd=0.61。
2.1 脉冲发生器对外载的自适应特性
图4所示为运动负载以不同的速度vt撞击脉冲发生器活塞杆产生的加速度脉冲曲线。可以看出,运动负载的撞击速度越大,冲击脉冲的幅值就越大,冲击脉冲的脉宽越小。运动负载的速度分别为3.3m/s、4.0m/s和5.0m/s时,对应的脉冲峰值分别约为-28g、-38g和-54g,对应的脉宽分别为22ms、20ms和18ms。
图5表明,节流阻尼力阻碍运动负载运动,使得运动负载在约25ms的时间内由最高速度减速并趋近于零。在整个制动过程中,运动负载的位移约为50～70mm。结果表明,脉冲发生器各物理参数设定后,冲击试验的冲击强度水平取决于试件的动量变化率。此外,由于脉冲发生器的锥形活塞开始未进入节流环,油液阻尼力很小,因此发生器对运动负载的制动力很小,导致运动负载的加速度也很小,如图4所示的初始水平段的加速度曲线。图5中,速度曲线在低速区有很长的“尾巴”,这表明脉冲发生器在运动负载的高速区具有很好的耗能制动效果,而在运动负载的低速区制动性能较差,与之相对应的位移比高速区位移大,如图6所示。
2.2 脉冲波形调节特性
图7～图11给出的运动负载的加速度脉冲曲线表明,通过改变可调节流口直径dd、活塞的大端直径间隙h1、活塞的小端直径间隙h2、活塞锥形段的长度H、活塞与节流环的初始距离c的值可以达到调节脉冲波形的目的。
图7所示为可调节流口不同的直径dd所对应的运动负载加速度脉冲,可以看出,阻尼孔通流面积的变化对冲击波形影响非常显著,可调节流口的直径dd减小10mm,脉冲的幅值就会增加10g,同时脉冲宽度就会减小2～3ms。
图8表明,负载脉冲的幅值和脉宽对径向间隙h1的变化非常敏感,后者有微小变化,波形变化就非常大,h1改变0.1mm,运动负载加速度脉冲幅值和脉宽就会分别变化10g和5ms。
由图9可知,改变参数h2会影响加速度峰值在时间轴上的位置,其值增大,加速度峰值出现的时间右移,但对脉冲的脉宽影响不大。
图10表明,锥形段的高度H对脉冲波形的影响很大,增大H的值就会导致运动负载加速度脉冲的峰值减小,脉宽增大。
图11说明,冲击脉冲在时间轴上的位置可通过调节参数c来调整,c增大,脉冲峰值在时间轴上就会出现时间延迟。
由上述分析结果可知,虽然改变上述参数可以达到调整脉冲波形的目的,但对于几何和物理结构已定的脉冲发生器,通过更换锥形活塞来调节运动负载的脉冲无论在加工工艺还是调节手段方面都非常不方便。此外,冲击脉冲的频率很高,阻尼器瞬间流量大,采用常规的基于反馈控制的伺服阀频响速度太慢,无法满足波形的调节要求。所以为了克服上述困难,在实际操作中通过改变可调节流口的通流面积来调节脉冲发生器的阻尼特性,从而调节冲击脉冲的脉冲波形是行之有效的措施。
3 结论
(1)本文中的液压脉冲发生器对高速重载运动负载的缓冲制动效果好;通过对运动负载动能的吸收和消耗,它能使高速运动负载在30ms内迅速降速,特别适用于动量变化率大、无法用主动方式或反馈控制阻尼特性的工程场合;该结构对低速运动物体的缓冲效果较差,不适合对制动位移有严格要求的场合。
(2)阻尼特性与结构环形间隙的通流面积、锥形结构尺寸及可调阻尼孔的尺寸有关,冲击波形的幅值和脉宽的调节可以通过改变可调阻尼孔的通流面积来实现。
摘要：提出了一种具有非线性刚度特性的液压冲击脉冲发生器,该发生器采用缝隙和小孔组合节流产生的阻尼来吸收消耗高速运动负载的动能,以获得设定的脉冲波形;建立了脉冲发生器工作机理的力学模型,并对其机械特性进行了数值仿真分析预测。分析结果表明脉冲发生器具有如下特性:负载自适应性好,瞬间耗能和缓冲制动效果显著;冲击脉冲的脉宽和幅值调节方便;适用于重载高速紧急制动并对制动过程有控制要求的场合。
关键词：碰撞试验,冲击脉冲发生器,冲击脉冲,缓冲器
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