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考虑渗流和剪胀的圆形巷道围岩广义SMP准则解

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煤田地质与勘探 2019年第5期47卷 32-39页

作者：潘继良任奋华北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学城市与地下空间工程北京市重点实验室北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

本文基于广义SMP准则,综合考虑中间主应力、孔隙水压力和围岩的剪胀特性,建立了巷道围岩的理想弹塑性模型。根据弹塑性理论,推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解。结合具体算例对SMP准则计算得到的围岩应力... 详细信息

本文基于广义SMP准则,综合考虑中间主应力、孔隙水压力和围岩的剪胀特性,建立了巷道围岩的理想弹塑性模型。根据弹塑性理论,推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解。结合具体算例对SMP准则计算得到的围岩应力分布和塑性区半径与Mohr-Coulomb(M-C)准则进行了对比,并对孔隙水压力和围岩剪胀角等影响因素进行了分析。研究结果表明:SMP准则计算得到的塑性区半径小于M-C准则,说明M-C准则相较于SMP准则更为保守;孔隙水压力对巷道围岩的位移场具有很大的影响,表现为孔隙水压力越大,巷道洞壁附近围岩位移量越大,且围岩塑性区半径和弹塑性交界面处的峰值切向应力与孔隙水压力成正比;采用相关联流动法则会低估围岩的强度,不考虑剪胀则会低估围岩的实际变形。

关键词：圆形巷道渗流剪胀性中间主应力弹塑性分析

破碎围岩条件下沿空掘巷围岩结构及变形机理研究

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破碎围岩条件下沿空掘巷围岩结构及变形机理研究

作者：潘继良安徽理工大学

学位级别：硕士

在煤炭深部开采中,受高地应力影响,当围岩自身岩性较差,且构造、节理裂隙极为发育时,会使得巷道围岩破碎,加大围岩控制难度。本文以任楼煤矿7259工作面回风巷道沿空掘巷为工程背景,考虑巷道周围煤岩体的软弱破碎特性,运用理论分析、数... 详细信息

在煤炭深部开采中,受高地应力影响,当围岩自身岩性较差,且构造、节理裂隙极为发育时,会使得巷道围岩破碎,加大围岩控制难度。本文以任楼煤矿7259工作面回风巷道沿空掘巷为工程背景,考虑巷道周围煤岩体的软弱破碎特性,运用理论分析、数值计算、现场实测三种研究方式,针对破碎围岩条件下沿空掘巷的围岩结构及变形机理进行了系统的研究。首先,从围岩稳定性机理为切入点,建立沿空掘巷覆岩结构模型,分析了不同时期采场的覆岩运移规律和围岩的应力演化规律,为沿空巷道的掘进位置进行了初步判断;其次,通过分析沿空巷道上覆岩层的破断规律,对弧形三角块的主要参数进行了详细的讨论,得出用基本顶悬顶长度判别基本顶断裂线位置的方法;然后,利用理论计算研究了沿空掘巷的最佳时间和窄煤柱的合理宽度,结合FLAC3D数值模拟软件进行分析,对模拟结果用Tecplot可视化数据分析软件进行处理,得到不同煤柱宽度、不同时期的围岩应力场及位移场等值线云图和塑性区分布图,确定了合理的窄煤柱宽度为5m;最后,通过现场观测,得到了沿空巷道掘进阶段的围岩表面位移及顶板、窄煤柱深基点位移。对数据结果进行分析处理,表明窄煤柱宽度选取得当,巷道整体变形符合安全生产要求,围岩稳定性得到了保证。

关键词：破碎围岩沿空掘巷老顶破断煤柱宽度围岩控制

渗流作用下深埋岩石巷道不同强度准则对比分析

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煤炭学报 2019年第11期44卷 3369-3378页

作者：潘继良郭奇峰任奋华蔡美峰北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学城市与地下空间工程北京市重点实验室北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)... 详细信息

强度准则的选取是否得当,会直接影响到巷道围岩的稳定性评价与控制。为了研究强度准则效应对渗流环境下深埋圆形巷道围岩稳定性的影响规律,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论(UST)和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行了归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后针对受孔隙水压力作用的深埋圆形巷道建立理想弹塑性模型,综合考虑渗流体积力、中间主应力效应、围岩的剪胀特性以及不同的塑性区弹性应变处理方式,基于弹塑性理论推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解,并通过具体算例对新解的多方面影响因素进行了对比分析。研究结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配多种常用的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的MC准则和DP系列准则的计算结果相对保守;考虑中间主应力效应时,可优先选用外接圆DP准则和权系数为0.5的统一强度理论,谨慎选用权系数为1的统一强度理论;中间主应力对围岩强度具有区间效应,不考虑中间主应力效应的强度准则普遍偏于保守;岩土材料的剪胀特性不仅与围岩剪胀角有关,而且还与建立的塑性势函数有关;剪胀不会改变围岩的塑性区半径,但会影响塑性区的位移分布,若不考虑剪胀将会低估围岩的实际变形;不建议将塑性区的弹性应变视为常数,应当考虑塑性区应力重分布的影响,采用广义胡克定律进行分析。

关键词：圆形巷道强度准则效应中间主应力剪胀性塑性区弹性应变

基于稀疏型逆变器的永磁同步电机有限集模型预测控制研究

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基于稀疏型逆变器的永磁同步电机有限集模型预测控制研究

作者：潘继良华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

化学浸泡作用下热冲击花岗岩物理特性与导热性能演化机制

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工程科学学报 2022年第10期44卷 1755-1766页

作者：潘继良郭奇峰任奋华张英武旭北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 北京市市政工程研究院北京100037

为了研究化学浸泡作用下热冲击花岗岩物理特性与导热性能演化特征,对25~600℃范围内不同温度热冲击作用后的花岗岩试件开展了长期的酸性和中性溶液浸泡试验,结合超声检测、核磁共振测试、热常数分析和扫描电镜试验,定量表征了热化改性... 详细信息

为了研究化学浸泡作用下热冲击花岗岩物理特性与导热性能演化特征,对25~600℃范围内不同温度热冲击作用后的花岗岩试件开展了长期的酸性和中性溶液浸泡试验,结合超声检测、核磁共振测试、热常数分析和扫描电镜试验,定量表征了热化改性花岗岩试件物理参数随热冲击温度的演化规律,建立了各物理参数之间的内在关联性,揭示了物理性质变化的微观机制.研究结果表明:随着热冲击温度的升高,热化改性试件的体积逐渐增大,质量和密度逐渐降低,纵波波速呈线性下降,孔隙率呈幂函数递增,导热系数和热扩散系数分别呈指数下降和线性下降;相同热冲击温度下,热化改性试件的体积增长率、纵波波速和导热系数由大到小依次为未浸泡>水浸泡>酸浸泡,质量降低率和孔隙率从高到低依次为酸浸泡>水浸泡>未浸泡;孔隙率增大和导热性能劣化均伴有纵波波速的下降,可通过测量纵波波速对孔隙率和导热性能进行估测;热化改性试件的孔隙结构对150~450℃范围内的温度更为敏感,固体颗粒骨架对450℃以上温度更为敏感,颗粒骨架的劣化又将进一步引起孔隙结构的演化;热化改性作用引起的微观孔隙结构发育和物相转变是导致物理性质变化的本质原因,其中以高温热冲击起主导作用,研究发现300℃可作为产生强烈热冲击的温度阈值.

关键词：高温花岗岩热冲击化学腐蚀纵波波速孔隙率导热系数

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地下工程锚固结构腐蚀耐久性研究进展

哈尔滨工业大学学报 2019年第9期51卷 1-13页

作者：潘继良李鹏席迅郭奇峰蔡美峰北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学城市与地下空间工程北京市重点实验室北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 思克莱德大学土木与环境工程系格拉斯哥G11XJ

为深入了解地下工程锚固结构的腐蚀影响因素及其作用机制,提高地下空间永久支护结构的耐久性和长期稳定性,通过梳理国内外文献,系统总结和分析了当前国内外在地下工程锚固结构腐蚀耐久性方面的研究进展和成果.指出了地下锚固结构腐蚀耐... 详细信息

为深入了解地下工程锚固结构的腐蚀影响因素及其作用机制,提高地下空间永久支护结构的耐久性和长期稳定性,通过梳理国内外文献,系统总结和分析了当前国内外在地下工程锚固结构腐蚀耐久性方面的研究进展和成果.指出了地下锚固结构腐蚀耐久性研究的必要性和紧迫性,简述了锚固结构应力腐蚀开裂机理及应力腐蚀评价方法,归纳总结了地下锚固结构腐蚀影响因素,论述了各影响因素的研究现状与作用机制,介绍了时效性分析和可靠性评估在锚固结构耐久性研究方面的应用.最后基于以上分析,对地下锚固结构腐蚀耐久性问题的发展趋势进行了多方面的展望,指出静态分析向动态分析转变、定性研究与定量研究相结合、单因素分析向多因素分析发展、宏观研究向微观研究深入、确定性分析向概率和随机性分析进化,是推动地下工程锚固结构腐蚀耐久性发展的重要研究方向.

关键词：锚固结构锚杆腐蚀地下工程耐久性可靠性评估

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预制裂隙花岗岩的裂纹起裂机理试验研究

煤炭学报 2019年第S02期44卷 476-483页

作者：郭奇峰武旭蔡美峰任奋华潘继良北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 北京市市政工程研究院北京100037

为了探究含裂隙花岗岩材料的裂纹起裂机理,以取自三山岛金矿的花岗岩为研究对象,利用金刚石砂线切割机对试件预制不同倾角的裂隙。采用声发射与表面应变监测等手段,并基于最大畸变能理论对单轴压缩条件下裂隙花岗岩的裂纹起裂强度、起... 详细信息

为了探究含裂隙花岗岩材料的裂纹起裂机理,以取自三山岛金矿的花岗岩为研究对象,利用金刚石砂线切割机对试件预制不同倾角的裂隙。采用声发射与表面应变监测等手段,并基于最大畸变能理论对单轴压缩条件下裂隙花岗岩的裂纹起裂强度、起裂角以及裂纹扩展路径进行试验与计算。试验结果表明,岩石强度随裂隙倾角的增加呈非线性变化规律,裂隙倾角与加载方向一致时,试件峰值强度最大。裂纹起裂均位于预制裂隙尖端,裂纹起裂角随预制裂隙倾角的增加而单调增加;裂纹起裂强度的变化特征与岩石峰值强度相似,均呈现先降低后增加的规律。当0°<β<90°时,裂隙尖端产生翼型裂纹,随着外荷载增加,反翼型裂纹产生并导致试件失稳破坏;β=0°时,起裂裂纹与裂隙近似平行但未持续扩展,试件呈显著地压剪破坏;β=90°时,裂隙端部受张拉应力作用生成与裂隙近似垂直的张拉裂纹。通过声发射振铃计数突变特征与应力-时间曲线判断,当裂隙倾角β为45°时,起裂强度最小,仅为峰值应力的40%,此类岩石在较低荷载作用下发生破裂,岩石破裂为渐进式,裂纹扩展速度相对较慢;相比之下,裂隙倾角β为0°和90°时,起裂强度较高,岩石的破裂过程较为迅速,裂纹在较高应力作用下起裂并快速扩展导致岩石破坏,呈现出明显的脆性破坏特征,岩石破裂的预判难度较大。以最大畸变能理论为依据的计算结果表明,复合型裂隙的起裂角与裂隙倾角呈单调增加的关系,与最大周向拉应力准则相比,理论计算与试验值吻合程度更高。最大畸变能理论可用于判断单轴加载条件下单裂隙岩石的起裂特征。

关键词：预制裂隙花岗岩单轴压缩数字散斑畸变能起裂角起裂强度

不同倾角裂隙混凝土试件动态力学破坏特性试验研究

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振动与冲击 2024年第4期43卷 142-149,189页

作者：武旭方慧潘继良席迅孙景来张英才北京市市政工程研究院北京100037 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京住总基础设施建设集团有限责任公司北京101200

为了探讨含不同倾角裂隙的混凝土试件在冲击荷载作用下的力学特性及破坏规律,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对含有5种不同倾角裂隙的混凝土试件进行了冲击试验,借助高速摄像系统实时捕捉了裂纹扩展和动... 详细信息

为了探讨含不同倾角裂隙的混凝土试件在冲击荷载作用下的力学特性及破坏规律,采用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对含有5种不同倾角裂隙的混凝土试件进行了冲击试验,借助高速摄像系统实时捕捉了裂纹扩展和动态破坏过程。结果表明:倾角为30°的裂隙试件的反射波波幅相对最大,倾角为0°的裂隙试件的反射波波幅相对较小。当预制裂隙倾角为0°时,冲击波耗散较少,透射波波幅较大;当预制裂隙倾角为60°时,冲击波耗散较多,即当应力波传播方向与预制裂隙夹角为60°时试件最容易发生破坏。冲击荷载下新形成的裂纹整体上均沿着预制裂隙尖端起裂、扩展和贯通,破坏模式主要为压应力作用下的张拉破坏;在相同预制裂隙宽度下,长度为20 mm预制裂隙的破坏形式比10 mm长度预制裂隙试件更加简单,形成新裂纹的数量相对较少,且更容易沿预制裂纹尖端方向向外起裂;巴西圆盘试件在冲击荷载的破坏形式与预制裂隙长度密切相关,与裂隙宽度关联性较弱。

关键词：预制裂隙冲击试验裂隙扩展破裂模式分离式霍普金森压杆

高温花岗岩热冲击后力学特性及损伤演化规律研究

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工程科学学报 2022年第10期44卷 1746-1754页

作者：郭奇峰钱志海潘继良席迅蔡美峰北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

在干热型地热资源开发过程中,高温岩石面临遇水冷却引起的热冲击损伤问题.为了研究高温花岗岩在热冲击作用后的力学特性和损伤演化规律,开展了25~600℃范围内不同温度热冲击作用下花岗岩试件的单轴压缩试验,获得了热冲击花岗岩试件的应... 详细信息

在干热型地热资源开发过程中,高温岩石面临遇水冷却引起的热冲击损伤问题.为了研究高温花岗岩在热冲击作用后的力学特性和损伤演化规律,开展了25~600℃范围内不同温度热冲击作用下花岗岩试件的单轴压缩试验,获得了热冲击花岗岩试件的应力-应变关系;提出了一种考虑初始热冲击损伤与加载期间试件微元破裂损伤相结合的热-力耦合损伤本构模型,并对统计损伤本构模型的相关参数进行了理论求解;考虑热冲击损伤引起的孔隙结构劣化效应,引入压密系数对热冲击花岗岩的本构关系进行了修正;通过试验应力-应变曲线对模型的有效性进行了对比和验证,讨论了温度水平对热冲击花岗岩单轴压缩损伤演化规律的影响.研究结果表明,随着热冲击温度的升高,花岗岩试件的初始热损伤不断增大,应力-应变曲线具有明显的非线性压密阶段;引入压密系数修正的统计损伤本构模型能够更加准确地表征热冲击花岗岩在初始加载阶段的非线性压密特征;在热冲击温度较低时,损伤变量演化曲线上升较为陡峭,随着热冲击温度的升高,曲线上升速率逐渐变缓并由非线性向线性转变.

关键词：地热热冲击花岗岩损伤演化本构模型