主办单位:bet28365体育科学研究总院出版传媒集团、中国bet28365体育学会学术期刊工作委员会
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  • 作者(Author):谢和平
    关键词(KeyWords):深部开采岩体力学原位岩石力学可视化多相多场

    摘要:随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”“强时效”的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:① 初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;② 系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③ 提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络(GMDH)算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚,能量耗散特性;④ 提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤ 建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥ 开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦ 概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧ 分析了深部bet28365体育安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了“高保低损”型深部bet28365体育安全绿色开采新模式;⑨ 建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。
  • 作者(Author):江权史应恩蔡美峰郭慧高钟山寇永渊乔兰李远
    关键词(KeyWords):深部巷道大变形支护破坏深部工程时效变形

    摘要:针对深部高应力下硐室和巷道时效大变形问题,重点开展了金川二矿深部巷道大变形破坏调查、多手段原位综合观察、大变形灾害安全管理标准等方面研究工作。首先针对不同围岩支护类型下大变形巷道破坏问题,从破坏表现形式的角度总结提炼了金川二矿巷道10种典型变形破坏模式并阐明其形成机制;进而依托1 150 m水平大巷的大变形试验研究段,采用巷道表面的三维激光扫描测量、岩体内部开裂的钻孔摄像观测、围岩不同深度变形的位移计自动量测相结合的方式,揭示了深部巷道表面变形的空间非对称性、围岩内部浅层与深层变形的非均匀性、时效变形增长的跳跃递进性等不同于浅部岩体变形特点和破坏方式的新特征,表明了金川二矿碎裂围岩时效大变形本质是高应力下巷道开挖诱发表层围岩开裂,并在重分布应力驱动下围岩开裂深度逐步向深部转移进而导致巷道围岩自身承载性能逐步劣化的机制,从而表现出持续的时效大变形;最后提出基于功能失效和结构失稳原则的深部巷道大变形安全管理标准,并在现场反馈分析与应用实践基础上总结出了控制二矿深部巷道变形灾害的“双层喷锚网+锚注”和“喷锚网注+单筋砼”复合支护技术,充分利用喷网混凝土的表面柔性支撑与围压效应、锚杆对围岩内部的抑制开裂效应、水泥浆的充填并粘合开裂缝效应、钢筋混凝土的强刚性抗压和恢复围压效应等组合功能,从而形成一种“由表及里、表里结合”改善围岩受力状态、重构围岩承载圈的支护理念。
  • 作者(Author):张建民李全生张勇曹志国王新中
    关键词(KeyWords):bet28365体育开采深部界定视临界深度趋浅效应西部矿区

    摘要:科学界定深部是深部开采理论发展与技术实践的重要问题,探讨适于我国bet28365体育现代开采实践的深部开采界定方法具有重要意义。为此,综合考虑我国煤矿矿区深部岩石、地下水环境和现代开采方式,将区域应力场与采动应力场分析相结合,基于我国地壳浅部、煤矿矿区深部准静水应力状态分析,进一步研究我国煤矿矿区的深部界定、基于不同矿区煤岩状态(岩性及组合、含水性等)差异的相对深部界定和开采时动态深部区确定方法。研究表明,原岩初始状态和开采方式共同决定了采动力学状态及变化规律和其他伴生状态变化。基于深部与浅部的力学状态差异,将深部开采界定为在高地应力环境且具有采动非线性力学响应的煤岩体空间实施的采矿活动;依据我国煤矿矿区应力场统计变化规律和准静水应力状态分析,采用平均侧压系数Kav(即:水平最大主应力和最小主应力的平均值与垂直应力之比)确定煤矿矿区深部临界深度,结合我国中东部深部开采实践确定的参考深部临界深度Hm≈850~900 m;基于不同矿区原岩差异性(岩性及组合、含水性等),建立了不同初始状态时实际深部临界深度Hs(简称为视临界深度)与Hm比较模型,分析发现采动煤层覆岩越软和含水性越强,其深部临界深度越浅(或“趋浅”),降低幅度可达30%~50%;基于开采“应力拱”现象构建了深部采动应力状态Kav模型和Hs计算方法,采动响应分析表明:开采工作面切眼外侧及采场前端局部Hs呈变浅→变深→正常的变化特征(或“端部效应”),工作面中部区域呈变浅趋势(或“趋浅”),采高越大其Hs“趋浅”效应越显著,而随工作面推进距离增加端部效应变小;东、中、西部典型矿区Hs与Hm比较表明:东部矿区Hs偏深,中部矿区深度相近,西部(陕、蒙等)地下水丰富的矿区偏浅,在500~600 m即可达到实际深部临界深度,采深400~500 m时大采高工作面两端外侧局部也可显现深部力学状态。研究基于我国深部岩石力学研究成果和开采条件及现代开采方式,探讨提出的深部界定方法和结果,与已有深部开采理论研究与实践成果比较证实,该方法具有理论合理性和结果可靠性。
  • 作者(Author):吕有厂何志强王英伟代志旭王玉杰
    关键词(KeyWords):深部开采支承压力采动裂隙锚杆应力钻孔应力

    摘要:我国浅部bet28365体育资源逐渐耗竭,开采深度逐渐进入1 000~2 000 m水平,常常伴有大量的工程灾害,其根本原因是深部采动应力场的显现规律与响应规律不清楚。以平煤十二矿超千米深己15-31030工作面为研究基地,开展了不同开采速率下超千米煤层采动应力显现规律及响应特征研究,并集成“锚杆应力-钻孔应力-钻孔裂隙窥视”等研究手段进行现场原位测试。结果表明:随着采煤工作面的不断推进,超前支承压力峰值先是交替上升,回采距离超过80 m时,由于埋深较大导致支承压力峰值增长变缓并最终在85 MPa左右波动,应力集中系数达3.3,高于一般浅部工作面集中系数;同时上覆岩层在采动影响下形成垮落带、断裂带、弯曲下沉带的三带结构;其次,随着开采速度增大,超前支承压力峰值逐渐增大,峰值点距采煤工作面的距离相应减小,基本顶断裂形成的岩块长度也越长;工作面支架压力随着采煤工作面持续推进呈现出周期上升的趋势。在采动影响下,由于扰动后应力重分布及能量释放,锚杆应力呈现出先增长后降低的趋势,得出工作面采动影响范围大约为85 m,距采煤工作面75 m左右时进入采动影响范围,钻孔应力值开始上升,而后进入支承压力降低区,应力开始出现小幅度下降;随着采煤工作面不断推进,强烈的开采扰动导致裂隙不断发育,裂隙逐渐发育成纵横交错的破碎带,并向顶板上方发展。
  • 作者(Author):王凯王亮杜锋张翔娄振辛程鹏崔心源
    关键词(KeyWords):煤与瓦斯突出两相流冲击动力纹影系统

    摘要:为了进一步研究煤与瓦斯突出机理以及突出煤粉粒径对突出瓦斯-煤粉动力特征影响机制,研制了突出粉煤-瓦斯两相流模拟试验系统。设置的管内安装传感器可用于同时测量突出气体冲击力以及运动煤粉对传感器的打击。煤粉在试验巷道内的动态传播特征可由传感器受到的打击情况进行分析。另外,针对目前纹影仪无法观察圆形管道内流场的问题,从纹影效果失效的原理出发,设计了一种用于观察圆形管道内流场的纹影系统直接研究突出激波波阵面的传播。利用试验系统进行4种煤粉粒径的突出试验,重点观测了突出气流冲击力、激波波阵面传播、煤粉冲击等参数。研究结果表明:气流冲击波速度远大于煤粉运动速度,在试验巷道中的突出气流冲击波在时间上会先于煤粉到达试验巷道的任何位置,气流冲击波到达传感器之后压力会在极短的时间内达到最大值,峰值压力能够保持0.01 s左右。气体冲击力随着煤粉粒径目数的增加而增加,试验中4种粒径下气体冲击力平均依次增加10.9%,11.4%,7.6%。气体冲击力在巷道内传播先增强后衰减,粒径80-200目情况下,2.27,4.27,6.27和8.27 m处传感器冲击波强度依次增强13.6%、衰减13.4%、衰减20.6%。随着距离的增加煤粉对传感器的打击力呈明显的减弱趋势。煤粉运动速度随着煤粉粒径目数的增加而增加,试验中4种粒径下,试验巷道内煤粉平均速度分别为34.4,37.3,39.1,41.7 m/s。煤粉速度在巷道内先加速后减速,粒径80-200目情况下,4个巷道内煤粉平均速度依次增加31.4%、减小12.2%、减小13.1%。纹影系统可观测到突出激波波阵面,激波波阵面垂直于试验管道轴线向突出方向高速运动。纹影计算得到波阵面的传播速度与理论间接计算值具有很好的一致性。
  • 作者(Author):彭瑞东薛东杰孙华飞周宏伟
    关键词(KeyWords):岩石深部开采扰动能量损伤开挖扰动区

    摘要:深部岩体具有高地应力、高地温、高渗压的独特赋存环境,其采动影响远较浅部复杂。通过将深部岩体的赋存环境和深部开采的扰动特征两方面相结合,系统分析了深部岩体开采中的强扰动特性。首先对扰动激励的动静组合特点进行了分析。根据深部开采中的应力变化路径,给出了不同深度类型下原岩应力状态以及扰动应力状态的分布区域,揭示了深部开采中应力变化更加复杂的必然性,并初步给出了考虑赋存深度、开采工艺、岩体重度、残余应力以及采动速度影响的岩体卸荷速率计算公式。根据深部开采中的动力扰动类型和波动传播规律,分析指出了深部岩体中的流体压力传播特征,揭示了深部动力扰动时间延长和扰动范围扩大的特点。然后基于扰动状态概念(DSC)对扰动影响水平进行了分析。通过对深部岩体能量蓄积、能量耗散以及释放规律的分析,定义了基于能量特征的扰动函数,可以籍此构建基于DSC的深部岩体统一本构模型,并定量描述深部岩体扰动的大小。最后定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应变状态,将其划分为原岩弹性区、开挖损伤区(EDZ)以及开挖破碎区,其中开挖损伤区又可分为峰前损伤区、塑性流变区、外部损伤区。并初步给出了开挖损伤区大小的计算公式,讨论了各项参数的意义及影响因素。研究表明,深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦合环境使其在更大范围内受到扰动的影响,EDZ的范围将显著增大,并表现出复杂的时空演化特征。利用扰动状态概念(DSC)建立的扰动函数,以及基于能量分析建立的开挖损伤区(EDZ)大小计算公式,可以定量刻画深部扰动的程度,分别反映了深部扰动激励增大和扰动影响增大的特点。
  • 作者(Author):李春元张勇左建平唐世界刘世峰
    关键词(KeyWords):底板岩体破坏行为砌体梁失稳强扰动深部开采

    摘要:深部开采的强扰动附加属性导致底板煤岩破坏加剧,易沟通底板承压水导升带而诱发突水灾害,故研究砌体梁失稳扰动底板破坏的力学行为可为实现矿山岩层控制提供重要的理论基础。根据弹塑性力学理论分析了深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏的动载源特征,基于压力拱及损伤力学理论研究了砌体梁失稳扰动底板压剪破坏和卸荷破坏的力学行为,应用离散元软件计算分析了不同采深下砌体梁失稳扰动底板的应力变化及变形破坏行为,结合采动力学全过程应力-应变曲线获得了深部开采底板强扰动破坏的分区特征,并应用深部开采微震监测数据进行了验证。结果表明:砌体梁失稳后,梁端煤壁端部及触矸区域底板应力增高并形成了塑性屈服区和触矸破坏区,两者之间则形成了压力拱形式的卸荷破坏区;随采深增加,底板塑性屈服区和触矸破坏区的压应力增量及卸荷破坏区的卸荷反弹力不断增大,并使得底板岩体最大变形量在采深700 m以浅时近似线性增加,而采深700 m以深的深部开采却表现为非线性突变增长;深部开采高围压造成底板压应力峰值及卸荷反弹力非线性增加,促使了扰动岩体由浅部脆性向深部延性的转变,并导致其强扰动破坏的分区范围扩大,变形破坏深度增加,深部开采底板的非线性强扰动破坏行为在底板浅部最突出。
  • 作者(Author):蔡永博王凯袁亮徐超付强孔德磊
    关键词(KeyWords):保护层开采下伏煤岩体卸荷损伤移动变形

    摘要:为研究保护层开采过程中下伏煤岩体卸荷损伤变形演化特征,运用FLAC3D数值模拟方法及现场实验测量手段,以山西保德煤矿实际情况为研究背景,对保护层开采过程中下伏煤岩体应力、变形、塑性演化规律进行了研究及验证。研究表明:保护层开采过程中,被保护层应力呈增大-减小-增大的变化规律,下伏煤岩体应力在空间上呈现出明显的“O”形应力分布规律;受保护层采动影响,下伏煤层测点经过原岩应力、应力集中、采动卸压、应力恢复四个阶段;最大应力集中系数与最小卸荷比为固定值,且出现时间相同,工作面前方应力集中系数与工作面后方卸荷比均呈往复性变化,变化周期与工作面来压周期相关;本文实例中,最大应力集中系数约为1.32,此时测点受到的z向应力值达到最大;最小卸压比约为4.4%,此时测点受到的z向应力值达到最小,卸压效果最好;受应力变化影响,被保护层呈压缩-恢复-膨胀-回缩的基本变化规律,最终状态保持一定的膨胀变形,与应力分区相对应,根据不同变形特征可将下伏煤层分为原岩状态区、压缩变形区、卸压膨胀区、变形恢复区;本文实例中11号煤层最大膨胀变形量约为06%,此时测点裂隙最为发育,增透效果最好,有利于瓦斯卸压抽采;受应力变化影响,下伏煤岩体塑形区域范围在空间上呈先xyz三向增大-x轴方向单向增大y轴z轴两个方向稳定的变化规律;随着工作面的回采,被保护层煤体塑性区范围在x轴方向不断增加;通过实测保德煤矿81307工作面回采过程中下伏11号煤地应力、膨胀变形量,对深部煤岩体卸荷损伤变形演化特征数值模拟结果进行了验证,下伏11号煤地应力、膨胀变形量变化规律与数值模拟规律较为吻合。
  • 作者(Author):李杨杨张士川文志杰赵仁乐曹志国伦庆忠白景志
    关键词(KeyWords):煤矿动力灾害循环加卸载能量转化加载速率分形

    摘要:煤矿开采中煤体常处于反复加卸载过程,研究煤体在不同加载速率重复载荷作用下的能量转化与破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。利用MTS81503伺服实验系统,通过单轴循环加卸载试验,结合能量和分形理论,获得了不同加载速率下煤样变形破坏各阶段能量积聚、耗散和释放的转化机制及其与煤样碎块块度分布规律的内在关系,为开展重复载荷作用下煤岩破裂响应及破坏机制的研究提供依据。试验结果表明:煤样能量转化具有明显的阶段性特征,可分为能量初始积累阶段、能量加速积累阶段和能量快速耗散阶段。煤样破坏前耗散能所占比例经历了高—低—高的过程,而弹性能则相反,加载后期弹性能比例下降或耗散能比例的升高,预示着煤样进入加速破坏阶段;能量集聚和释放与加载速率密切相关,随着加载速率的增大,峰值前弹性能所占比例逐渐增加,煤样破坏前更多的能量以弹性能形式储存在煤样体内,岩石破坏后,更多的能量被释放出来,煤样破坏越剧烈,其宏观破坏形态由剪切张拉和劈裂破坏向弹射破坏过渡;循环加卸载下煤样碎块分形特征具有明显的分段性,在小于尺寸阈值范围内具有较好的自相似性特征,不同加载速率下碎块分形维数为2~3,且随加载速率的增加成线性增长;加载速率越大碎块分形维数越大,煤样破碎程度越高,大块碎块所占比例越小,煤样碎块越破碎且单块碎块质量越小,煤样发生动力灾害的危险性越大。
  • 作者(Author):陈静江权冯夏庭胡嫣然
    关键词(KeyWords):高地应力蠕变参数智能反分析位移增量深部开采

    摘要:深部高地应力下硐室围岩蠕变力学参数不准已成为制约岩体工程理论分析和数值计算发展的“瓶颈”问题,因而确定可靠的岩体蠕变参数服务于工程实际成为重点关注的课题,为此提出基于位移增量敏感性分析的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析方法。该方法基于描述深部高地应力条件下围岩蠕变随时间破坏特征的分数阶微积分的蠕变本构模型,取较为典型的主硐室顶拱位移、拱肩位移和边墙位移作为表征围岩的特性指标,从参数敏感性分析着手,确定模型中对位移较为敏感的5个蠕变参数(瞬时剪切模量、黏性系数、黏弹性剪切模量、黏弹性系数、分数阶系数β),并遵循“大值原则”和“敏感性原则”提取位移增量数据,输入主厂房和主变室等不同位置的现场位移增量监测信息建立多数据融合的适应度函数,采用均匀设计方法构造各参数不同水平组合的学习样本和训练样本,通过遗传算法与神经网络相结合的智能优化算法在解的全局空间进行搜索,确定反演蠕变参数值,最终通过灰色关联度和后验差法联合校核位移增量实测值与计算值。实例分析结果不仅表明智能优化算法获得的硐室围岩蠕变参数可靠性高,也验证了该法的有效性和合理性,同时为深部高地应力大型硐室长期稳定性评价时参数确定提供一个新手段。
  • 作者(Author):李响怀震李夕兵宫凤强
    关键词(KeyWords):深部开挖围岩诱导致裂亚临界裂纹扩展翼型裂纹

    摘要:根据岩体的非均匀性和存在初始裂纹的特征,在二维有限差分程序中建立了非均质体二维模型,并在模型中考虑初始裂纹的影响,利用程序中的自带编译语言,实现了服从不同分布的初始裂纹的长度和角度的赋值。在模型中,利用亚临界裂纹扩展理论描述与时间相关的裂纹亚临界扩展过程,计算过程可体现裂纹扩展的时间效应,从而实现对所模拟结构的寿命预测。模型中裂纹的扩展方式假定为形成翼型裂纹的形式,利用翼型裂纹的简化模型对裂纹的扩展尺寸,应力强度因子等参数进行计算。在每一计算步中,每个单元中的裂纹扩展方向与该时刻单元所受应力情况相关,应力强度因子与该单元所受应力大小及翼型裂纹简化长度相关。利用该模型对高地应力条件下孔洞开挖卸荷导致围岩破坏的过程进行模拟,分析了深部岩体开挖导致的围岩破坏规律,对不同的孔洞形状和初始裂纹的分布情况分别进行了分析,计算结果显示了非连续破裂的形成与初始裂纹角度分布的关系:分区破裂的表现形态与初始裂纹和最大压应力的夹角相关,并且不同初始裂纹角度均值也会导致围岩破裂时间不同。通过建立的多种孔洞形状开挖模型,对不同孔洞形状围岩破裂形态及破坏时间的规律进行总结,发现相同计算步数内方形孔洞周边围岩处破坏单元数量最多,圆形孔洞周边围岩破坏单元数量最少。研究结果证实了裂纹的分布对孔洞周边围岩破坏形态的影响,对裂纹扩展的时间效应的分析可实现对围岩破坏程度和范围的预测,可为深部高地应力条件下诱导致裂非爆连续开采的实施时间和方式提供指导。
  • 作者(Author):刘洋李远乔兰范大卫
    关键词(KeyWords):干耦合空心包体数字化采集动态参量

    摘要:岩体非线性特征随深度增加不断凸显,其力学参量现场实时精确测量及长期监测,为地应力解除过程中岩体变化特征及应力监测提供了必要的基础。然而目前岩石力学参量测定多基于室内力学试验,时效性及拟合方法都会对测试结果带来误差。传统耦合超声波发射、接收探头对接触面平整性要求高,无法实现布置于现场钻孔内的长效监测。基于干耦合点接触声波探头测速技术,通过对声波发射、接收探头设计,电路板稳定性及去噪算法研究,研发出具有瞬时采集、无线传输功能的数字化波速采集系统。通过对同一区域取自现场加工的50 mm×100 mm花岗岩岩样及地应力解除岩芯,分别进行室内力学试验及波速测定,以计算获取相应静态、动态弹性模量。结果表明:首先,自研发基于干耦合点接触声波测速采集系统,对不同工作接触面适应性较好,数据误差在规范允许范围内。其次,对于同一区域相同岩性不同尺度、形态的岩样,其动态、静态弹性模量关系彼此间具有适用性。这就为现场基于干耦合点接触声波测速计算获得的岩体动态弹性模量,推算其静态弹性模量提供了依据。进一步的,基于干耦合点接触声波测速数字化采集系统,岩体动、静态力学参数在现场地应力岩芯解除过程及岩体长期监测过程中的实时采集及分析研究,具有一定的可行性。
  • 作者(Author):吴姗杨小聪郭利杰
    关键词(KeyWords):高应力整体规划战略与战术岩爆采矿顺序

    摘要:我国现有的矿山开采规划主要是基于浅部矿床开采实践所形成的,通常只考虑经济与工程因素。在采矿全生命周期开展开采规划,优先获取高品位的矿石,从而获得最大经济效益。深部开采处于“三高一扰动”引起的复杂地质力学环境,高地应力的影响是深部矿山开采规划重要因素。本文开展了对深部高应力环境下金属矿整体规划领域的文献调研和问题探讨。首先,以实现矿山资源开发投资价值为目标,从战略规划与战术规划两个维度分层次讨论了深井矿山从整体到局部设计的过程,适用于一般深部矿山开采的全生命周期规划,并重点分析了岩石强度时效性对于开展深井矿山整体规划具有重要的现实意义。其次,阐述了当前国内外深井矿山在高应力条件下的设计与布局,正“V”型及倒“V”型采矿顺序应用于深部均未能兼顾“改善应力状态”与“获取最大净现值”,理想的四周型开采顺序不失为一种兼顾的采矿布局,但在实际开采应用过程中,工程布置及采场应力状态还需进一步探讨。最后,指出了整体规划模型中的应力预测与校准对于预测高危险区域及指导深部开采规划的重要意义。在深部矿山开采规划中充分考虑高应力环境的工程影响,如何将高应力环境及其随开采过程的演变规律完全融入到开采规划中,还需开展进一步研究工作。
  • 作者(Author):钟江城王子辉王路军赵家巍任伟光周宏伟
    关键词(KeyWords):深部煤体损伤演化损伤变量CT实时实验单轴压缩三轴压缩

    摘要:为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟的网格划分、几何模型建立、材料参数和本构模型的选取以及应力应变的计算方法等方面做出了优化,取得了较好的数值模拟效果,能够消除实验样品差异性带来的影响,且能够直观准确地定性描述单轴和三轴压缩过程中的损伤演化规律。
  • 作者(Author):李地元刘濛韩震宇周子龙
    关键词(KeyWords):岩石动力学分离式霍普金森压杆层状砂岩层理倾角动态强度裂纹扩展破坏模式

    摘要:隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。本文针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0.008 1~0.012 37范围变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°~45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°~90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在为88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。
  • 作者(Author):彭啸鹏杨小聪郭利杰
    关键词(KeyWords):矿山充填干扰沉降尾砂浓密充填料浆充填采矿

    摘要:充填采矿法目前已被国内外众多矿山采用。尾砂浓密作为充填料浆制备的关键工序也因此成为研究热点,并已经取得了包括尾砂仓浓密机理,絮凝剂选择方法在内的多种实践性研究成果。但该工序中所涉及的充填尾砂颗粒“干扰沉降”过程的机理研究却相对滞后,缺乏相应的经验或理论计算模型,已经成为制约不同级配尾砂高效浓缩、稳态造浆与精准过程控制的技术瓶颈。因此,为弥补上述研究的不足,探索尾砂颗粒“干扰沉降”过程的特征,本项研究在总结与综述国内外具有代表性的干扰沉降相关理论基础上,利用某矿山经分级处理后的分级尾砂与溢流细砂为原料,开展了多种配比尾砂浆的干扰沉降实验,并依据Kynch理论,对实验数据进行拟合处理,在此基础上分析论证了Richardson-Zaki均匀干扰沉降与Selim非均匀干扰沉降理论在研究充填尾砂颗粒沉降过程时的适用性。研究结果表明:基于Richardson-Zaki理论计算的尾砂颗粒均匀干扰沉降速率值与实验实测结果相吻合,两者的相关性可决系数达0.87,且残差值无明显规律,验证了其对尾砂颗粒均匀干扰沉降速率计算的适用性。基于Selim理论所得计算结果较均匀干扰沉降理论计算值更接近实验中尾砂浆非均匀干扰沉降的实测值,从而证明该理论能够反映尾砂颗粒非均匀干扰沉降中因不同粒径颗粒相互作用而降低了各自的沉降速率的特性,能够为尾砂浓密工程实践提供参考。同时,通过分析,为进一步阐明尾砂颗粒干扰沉降机理,将继续对尾砂级配对干扰沉降的影响及其定量化表征以及粗细颗粒相互作用的机理等问题进行深入研究。
  • 作者(Author):李飞周家兴王金安
    关键词(KeyWords):地质体GMDH神经网络算法小样本数据地应力场反演

    摘要:地应力测量昂贵的成本限制了测点数量,稀少样本实测数据难以对区域地应力场进行全面的描述与表达。如何依据稀少样本地应力实测数据准确地构建地质体内部地应力场分布状态,一直是岩土工程关心的重点问题,尤其随着深部工程的建设,掌握地应力场的分布规律是进行工程安全设计和防灾工作的基础。提出的GMDH(批数据处理)神经网络算法,结合地应力场分布随埋深的非线性特征及局部地质构造处地应力场的非连续性特点,构建出形成复杂地质体地应力场的边界条件模式,并基于现场的稀少样本测点数据进行复杂边界条件的生成,拟合出边界载荷非线性表达式。通过Matlab编程构建GMDH神经网络算法平台,该平台具有结构最优性和全局性等优势,克服了传统神经网络方法假设过多(网络结构假设)和网络结构过于简单等缺点,实现复杂地质体边界载荷表达式与实测点应力值的非线性映射,从而获取了较为合理的地应力场分布。为了验证算法的有效性,构建二维急倾斜地层地质区域模型,分别选取15个、12 个、9 个及6个测点数据进行地应力场反演。结果表明:随测点数量的减少,GMDH神经网络算法反演精度均大于83%,特别是6个测点稀少样本数据中,GMDH神经网络算法反演精度为84%,BP神经网络算法反演精度为76%,说明GMDH神经网络算法在稀少样本测点数据下具有较高的反演精度。另外,对稀少样本测点数据下的杏山铁矿地应力场进行反演和重构,结果显示,GMDH神经网络算法反演精度达到84%,绝大多数测点应力分量反演误差小于10%。因此,GMDH神经网络算法在稀少样本测点数据的反演计算中,具有良好的泛化性和非线性数据预测性,可为今后日益复杂的工程设计和施工提供有效的理论依据。
  • 作者(Author):刘晓辉郝齐钧吴世勇张茹余洁
    关键词(KeyWords):煤岩准静态应变率力学特征非线性本构方程

    摘要:为研究开挖扰动下煤岩的非线性力学特征,利用MTS815伺服刚性试验机对芙蓉白皎煤矿煤岩进行10-5~10-2 s-1准静态应变率下的单轴压缩试验,分析准静态应变率下煤岩的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学特性的变化规律,基于煤岩显著的非线性力学特征,修正并验证黏弹性损伤本构模型的合理性。研究表明:① 煤岩单轴压缩荷载作用下具有明显的压密、线弹性、塑性屈服、峰后破坏4个阶段;煤岩力学特性应变率相关性突出,随着应变率的增加,压密阶段缩短,线弹性阶段增长,屈服阶段应力强化特征及峰后破坏阶段应力软化特征趋于明显。② 由于原生裂隙的闭合和扩展,煤岩受载作用下,各阶段均呈现显著的非线性力学特征,随着应变率的增加,压密阶段和线弹性阶段表现出的明显非线性特征呈减弱趋势。③ 准静态应变率10-5 s-1~10-2 s-1范围内,抗压强度随应变率增加由8.83 MPa增加至12.57 MPa,增长率42.35%;弹性模量随应变率增加总体呈现先增加后减小的变化趋势,在10-5~10-4 s-1应变率区间,弹性模量由1 644 MPa增加至1 825 MPa,随后在10-4~10-2 s-1应变率区间内减小,变化趋势发生明显转折;泊松比在准静态应变率下随应变率增加而呈现逐渐减小的变化趋势,从1.53下降到0.71,减小53.59%;整个准静态应变率范畴下,煤岩的力学特征参数(抗压强度、弹性模量、泊松比)均表现出显著的非线性变化趋势,均在临界应变率10-3 s-1附近发生转折。④ 利用一个损伤体和一个Maxwell模型并联方式,综合考虑准静态应变率下煤岩的非线性变化特征后,引入材料常数a对胡克定律进行修正,推导得出准静态应变率下煤岩的非线性损伤演化本构方程,并结合煤岩单轴压缩试验对其合理性进行验证。
  • 作者(Author):赵阳周宏伟任伟光钟江城刘迪
    关键词(KeyWords):循环加卸载渗透率声发射CT扫描

    摘要:随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1 050 m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象,采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析,总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用两种机制,应力水平较低时主要起压密作用,应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低,在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下,岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小,再由压裂作用而增大的演化规律,并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用,且随着围压的增大,渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小,岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向两种形式,产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率,而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合五个岩样的渗透率演化情况,得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大,在压裂及损伤作用下增大;在应力达到岩样抗压强度发生破坏时因破裂面的产生骤增;破坏后因大幅下降的应力的压密作用再次降低。
  • 作者(Author):乔兰张亦海孔令鹏李远
    关键词(KeyWords):岩石非线性空心包体地应力测量计算方法

    摘要:随着浅部资源的日益枯竭,地下开采的深度不断增大,千米级乃至更深的矿产资源开采已成为常态。因此弄清深部岩体原岩应力的赋存环境是至关重要的,目前CSIRO地应力测量作为国际岩石力学学会建议直接测量方法,在世界各地广泛使用。在浅部岩体空心包体应变计地应力测量解析式中,弹性模量和泊松比都是通过室内双轴加载数据拟合获得的常数。进入深部岩体表现出高度的非线性,在对解除岩芯进行高压双轴加卸载试验中发现围压与应变的关系非线性,并且随着围压不断增大非线性关系尤为突出。传统的双轴加载试验设备最大围压加载值试验室内测得20 MPa,不能满足深部岩体解除岩芯的高压双轴试验模拟解除岩石在深部所受的应力环境。因此对传统的设备进行改造,研发了一套高压双轴加载试验装置,所承受的理论最大径向压力为200 MPa以上,目前试验测试的最大围压为100 MPa。对三山岛金矿埋深800 m的解除岩芯进行了高压双轴加卸载试验,分析应力与应变的关系提出一种平均应力与体积模量和剪切模量之间的非线性双曲线模型,明确了模型中3个拟合参数的物理意义,推导出平均应力与应变之间的非线性关系特征公式。基于弹性力学理论原岩应力分量计算在不考虑解除路径时,应用最小二乘法进行计算后获得最大主应力大小为53.11 MPa方向为312,倾角为7°。本文提出的考虑解除路径的优化算法,将整个解除过程分成多个阶段,每个阶段的变形模量计算参数与解除岩芯所受应力状态有关,且符合推导的应力与应变的非线性关系公式,各个阶段叠加计算的最大主应力大小为47.78 MPa,方向为311,倾角为5°。
  • 作者(Author):郑益武乔兰王茜李远
    关键词(KeyWords):破坏模式转化岩石强度准则压剪屈服BPMC模型

    摘要:进入深部后,受高应力、强扰动影响,岩石岩体中拉断、剪切及压密屈服等破坏模式共生的现象凸显,深部岩石表现出明显地非线性行为,岩石破坏在多种破坏机制中转化。深部岩体强度理论需考虑中主应力的影响,本文基于Paul-Mohr-Coulomb(PMC)准则,考虑多孔岩石破坏模式间的转化和高围压下裂隙坍塌的特征,提出了在高围压应力情况下,表征压剪屈服的Back-Paul-Mohr-Coulomb(BPMC)模型;推导了BPMC模型摩擦角包络线的表示方法,根据分段线性原则,在p-q平面中获得12边形BPMC 线性破坏准则;基于应力不变量在p-q平面的转换关系,利用最小二乘法拟合获得了模型的特征参数。为了验证PMC & BPMC准则及对应破坏模式转化理论的合理性,本文拟合了PMC & BPMC模型,将拟合破坏面与试验数据进行对比;选用四川黄砂岩和金川大理岩,进行多组室内三轴压缩试验,研究不同围压下岩石破坏特征和强度特征,实验采用自主研发的便携式自密封岩石三轴试验高压舱加压系统。对试验数据进行拟合,获得的破坏包络线与实验数据拟合度较好;四川黄砂岩在围压达到90 MPa后出现剪应力峰值拐点,产生了孔隙坍塌型破坏,为压屈服破坏。结果表明:PMC & BPMC模型能预测孔隙岩石的帽子屈服面,拟合岩石破坏模式从剪切破坏到压剪破坏的过渡,可预测不同围压下的破坏强度及对应破坏模式。
  • 作者(Author):刘光生杨小聪郭利杰
    关键词(KeyWords):阶段空场嗣后充填法充填体应力充填体强度需求三维解析模型FLAC3D

    摘要:在地下厚大金属矿体的两步骤阶段空场嗣后充填采矿法中,合理平衡一步骤矿房采场胶结充填体的揭露稳定性及其强度需求对安全经济充填采矿影响重大。为获取该采矿法中胶结充填体强度需求的三维解析模型与方法,解决类似矿山确定充填体强度需求主要采用经验类比、缺乏科学合理计算方法的问题,本文借鉴土力学应力拱理论,分析了两步骤采充时序过程中的相邻采场充填体空间接触关系,分别研究了二步骤采场非胶结充填体、一步骤采场胶结充填体(揭露后)的应力分布模式,基于Marston拱应力二维模型,拓展建立了各采场充填体的三维拱应力解析模型,得出了非胶结充填体-胶结充填体-采场围岩之间的应力传递规律及接触力学边界解析方法,并通过FLAC3D模拟的拱应力分布结果进行了三维拱应力解析模型的对比验证。进一步将提出的拱应力解析方法应用至Mitchell强度需求解析模型中,考虑了三维成拱作用下非胶结充填体对胶结充填体的侧向推力作用、采场上下盘围岩对胶结充填体的接触摩擦作用,以底部滑动面方向角、滑动体与围岩接触面摩擦力方向角的不同取值情况,定量表征了揭露后胶结充填体的潜在破坏模式,并据此提出了4种胶结充填体安全系数和强度需求的三维解析模型与方法。再利用FLAC3D开展了不同采场尺寸(长度、宽度、高度)、不同充填体参数(容重、内摩擦角)等条件下的充填体强度需求数值解搜索计算,与4种解析方法计算的强度需求结果进行了对比验证,得出了当胶结充填体底部滑动面方向角α=45°+φc/2且滑动体与围岩接触面摩擦力方向角β=45°-φc/2时,胶结充填体强度需求的三维解析解和三维数值解吻合度最佳,最终获取了最优的一步骤采场胶结充填体强度需求三维解析模型与方法。
  • 作者(Author):许多吴世勇张茹张泽天周济芳邓建辉任利吴斐
    关键词(KeyWords):深部大理岩蠕变长期强度分数阶导数

    摘要:为保障锦屏地下实验室(CJPL)硐室群的长期稳定性,开展2 400 m深埋大理岩蠕变特性的研究,在常规三轴压缩试验的基础上进行分级加载蠕变试验,系统分析了大理岩蠕变过程中的轴向与环向变形规律及不同围压(5 MPa和64 MPa)下大理岩蠕变特征差异,采用等时应力-应变曲线法确定了大理岩的长期强度,并基于分数阶导数改进了大理岩蠕变模型。研究表明:13,27 MPa围压下,大理岩轴向应力应变曲线达到峰值应力后快速跌落,40,53,64 MPa围压下,峰值应力附近的应变曲线呈现明显的平台段,表明CJPL深部大理岩变形行为随着围压的增加具有由脆性向延性转化的趋势;无论是低围压还是高围压,相比于低应力水平,高应力水平下大理岩更容易发生蠕变变形且环向蠕变现象更加显著,蠕变过程中的扩容现象也更加明显,试样破坏时64 MPa围压条件下的体积蠕变变形为5 MPa围压下的16.3倍;在蠕变加载过程中,大理岩变形模量均为先增加后减小。变形模量增加阶段,高围压下增加幅度较低围压小,64 MPa围压下试样变形模量增加的幅值为1.8 GPa,小于5 MPa围压下的3.6 GPa,表明试样受高围压作用已经部分压密。随着应力水平的增大,变形模量减小,高围压下减小幅度较低围压更大,围压64 MPa下试样变形模量减小幅值为9.4 GPa,约为峰值变形模量的22%,围压5 MPa下试样减小幅值仅为1.8 GPa,约为峰值变形模量的4%,表明高围压试样在破坏前裂纹的产生和扩展更为剧烈,岩石劣化程度更大;相同偏应力条件下,围压越大的试样蠕变速率越小,但破坏时变形更大且扩容现象显著,表明相同外荷载条件下,深部围岩赋存环境应力水平较高,变形难以收敛,易发生时效大变形破坏;围压为5,64 MPa时,采用等时应力-应变曲线法确定大理岩长期强度分别为170,290 MPa,为相应围压三轴压缩强度的82%,73%;基于分数阶导数,改进了大理岩黏弹塑性损伤蠕变模型,该模型具有形式简单同时能够很好的描述大理岩蠕变过程中的非线性加速特征的特点。
  • 作者(Author):任伟光周宏伟薛东杰王路军荣腾龙刘建锋
    关键词(KeyWords):保护层开采低渗透高瓦斯近距离煤层采动耦合应力路径扰动应力渗透率

    摘要:
  • 作者(Author):廖瑶瑶任怀伟张德生廉自生
    关键词(KeyWords):换向阀液动力流场动态特性液压支架

    摘要:液动力计算模型是液压阀建模和特性分析的基础和前提,液压支架用换向阀流道复杂,其液动力的分析计算与常规液压阀不同,且这种复杂流道下的液动力大小不易通过试验测试得到,计算模型也无法得到较好的验证。为解决这个问题,建立了液压支架用换向阀的复杂流道模型,利用2个控制体将流道划分为两部分,采用理论计算与流场仿真的方法分别研究阀口处和阀芯折弯流道处的液动力,并根据流场分布特征对传统液动力计算公式进行修正,得到了相应的修正系数;而在液动力的验证方法上,不采用传统的直接测试法,而是分别将修正前和修正后的液动力计算公式应用到液压支架用1 000 L/min的换向阀数学建模中,通过对比2种情况下换向阀动态特性的仿真结果与试验结果,间接验证液动力修正模型的准确性,避免了直接测试法在应对复杂流道问题时的不足。2种情况下的动态特性仿真与试验结果对比显示,采用修正后的模型进行仿真得到的动态特性与试验所得数据非常接近,而用未经修正的传统计算模型得到的仿真结果与试验结果存在较大的误差,此结果说明了液动力修正模型的准确性,同时验证了复杂流道液压阀的液动力计算方法与试验方法的合理性。本文在液动力的理论分析与试验验证两方面均与有不同,并结合工程实际对所用方法进行了验证,提供了面对复杂流道液动力的解决办法。

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