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中低应变率扰动荷载作用下砂岩动态拉伸力学响应特征研究

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岩石力学与工程学报 2022年第S1期41卷 2812-2822页

作者：文晓泽冯国瑞郭军王朋飞钱瑞鹏朱林俊郝晨良樊一江太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学山西省绿色采矿工程技术研究中心山西太原030024 山西焦煤集团有限责任公司博士后科研工作站山西太原030024

中低应变率扰动荷载诱发的张拉破坏失稳是引起深部煤炭资源和遗留煤炭资源开采动力灾害事故发生的主要原因之一,分析动力扰动作用下煤岩的拉伸力学响应特征对灾害的预测与防治具有重要意义。对此,开展中低应变率扰动荷载作用下的砂岩巴... 详细信息

中低应变率扰动荷载诱发的张拉破坏失稳是引起深部煤炭资源和遗留煤炭资源开采动力灾害事故发生的主要原因之一,分析动力扰动作用下煤岩的拉伸力学响应特征对灾害的预测与防治具有重要意义。对此,开展中低应变率扰动荷载作用下的砂岩巴西劈裂试验,分析不同预静载水平和扰动荷载幅值对砂岩动态拉伸力学响应特征的影响。结果表明:扰动荷载导致的损伤程度与预静载水平正相关,预静载由7 kN增大为20 kN,AE能量水平增大约11倍,宏观上表现为抗拉强度的降低,预静载为11和16 kN的扰动损伤砂岩的抗拉强度分别为12.4和11.5MPa,分别降低5.6%和12.7%;验证扰动荷载应力门槛值的存在,高应力状态砂岩在小幅动力扰动荷载作用过程中并不会发生破坏,拉应变呈对数型缓增;高应力状态砂岩在越过应力门槛值的扰动荷载作用过程中发生破坏,破坏前扰动荷载作用周期数随着扰动荷载幅值增加指数型递减;预静载和动载幅值的增加均促进岩样中心主张拉裂纹附近次级张拉裂纹扩展。岩样动态拉伸破坏前的应变突增前兆可以为动力灾害预警提供参考。

关键词：岩石力学动静载耦合作用动态响应巴西劈裂砂岩破坏形态

高静应力与低频扰动耦合作用下砂岩的力学响应特征

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岩土力学 2022年第12期43卷 3426-3436,3473页

作者：文晓泽冯国瑞王朋飞郭军钱瑞鹏白锦文樊一江朱林俊太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 太原理工大学矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室山西太原030024 山西浙大新材料与化工研究院山西太原030024 山西焦煤集团有限责任公司山西太原030024

低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的力学响应特性是残采区上行开采层间岩层稳定性的重要影响因素。基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展动静载耦合作用下高应力状态砂岩巴西劈裂试验,分析低频扰动荷载幅值对高静应力砂岩力学... 详细信息

低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的力学响应特性是残采区上行开采层间岩层稳定性的重要影响因素。基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展动静载耦合作用下高应力状态砂岩巴西劈裂试验,分析低频扰动荷载幅值对高静应力砂岩力学响应特征的影响。结果表明:(1)高应力状态砂岩不会在小幅扰动荷载作用过程中破坏,但扰动损伤会降低岩样抗拉强度,基于层间岩层静态力学特性的上行开采稳定性分析中应纳入合适的折减系数;(2)高静应力砂岩破坏前的扰动荷载循环次数随幅值升高而降低,幅值为5.0、7.5、10 kN组岩样破坏前的扰动荷载循环次数均值分别为157、70、3;(3)引入描述流体状态的“紊流”形象化表达扰动荷载作用过程中附加能量的快速输入与输出,呈“紊流”状态的附加能量弱化了砂岩裂纹扩展的有序性,诱使砂岩破坏瞬间发生大规模裂纹扩展。该研究成果可为残采区上行开采稳定性分析提供一定参考。

关键词：高静应力动静载耦合动态响应上行开采

特厚煤层综放工作面煤-架受力演化特征及其承载机理

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采矿与岩层控制工程学报 2023年第1期5卷 14-27页

作者：郭星辰郭军冯国瑞文晓泽戚庭野白锦文高瑞钱瑞鹏朱林俊太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 山西省绿色采矿工程技术研究中心山西太原030024 山西焦煤集团有限责任公司山西太原030024

为了研究特厚煤层综放工作面煤-架结构及其承载机理,以塔山矿8216工作面为背景,根据煤体与支架的位置关系将其分为架前顶煤、架上顶煤和承载煤体,采用FLAC3D数值模拟软件分析了煤-架结构应力演化特征及煤体失稳破坏规律。结果表明:工作... 详细信息

为了研究特厚煤层综放工作面煤-架结构及其承载机理,以塔山矿8216工作面为背景,根据煤体与支架的位置关系将其分为架前顶煤、架上顶煤和承载煤体,采用FLAC3D数值模拟软件分析了煤-架结构应力演化特征及煤体失稳破坏规律。结果表明:工作面超前支承压力峰值位于煤壁斜上方的架前顶煤中,顶煤破坏深度与超前支承压力峰值的超前距离基本相当,向控顶区侧呈“弧形”破坏形态。确定了煤-架结构对顶板来压承载能力的排序依次为架前顶煤>承载煤体>液压支架>架上顶煤。承载煤体在围岩应力拱和顶煤的保护下破坏深度始终保持在近煤壁侧3 m内,已破坏煤体应力基本不受推进距离与支架工作阻力变化的影响。架上顶煤在顶煤冒放前后承载特性不同,进而引起整个煤-架结构承载特性的改变。放煤前后煤壁破坏深度分别为3 m和2 m,顶煤破坏深度分别为7 m和12 m。架前顶煤的失稳是发生端面冒顶的主要原因,煤壁侧承载煤体的破坏是煤壁片帮的直接原因。在围岩应力拱的作用下,顶板以架前顶煤为轴做回转运动并伴随着顶板、支架及超前煤体应力的动态变化,但煤-架结构的承载特性不会改变。研究结果可为特厚煤层综放工作面矿压灾害防控提供有益参考。

关键词：综放开采支架-围岩支承压力数值模拟

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电脉冲循环冲击作用对花岗岩抗剪性能弱化研究

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第3期54卷 785-796页

作者：冯国瑞朱林俊郭军王朋飞高瑞文晓泽樊一江钱瑞鹏米鑫程太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 山西省煤基资源绿色高效开发工程中心山西太原030024 矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室山西太原030024 山西焦煤集团有限责任公司山西太原030024

为探究坚硬岩体在高压电脉冲循环冲击作用下的致裂效果,开展花岗岩高压电脉冲循环冲击后的直剪试验,研究冲击次数对抗剪强度和裂纹扩展的影响规律。研究结果表明:花岗岩试样内部损伤程度随冲击次数增加而逐步累积,5 kV电压条件下,前3次... 详细信息

为探究坚硬岩体在高压电脉冲循环冲击作用下的致裂效果,开展花岗岩高压电脉冲循环冲击后的直剪试验,研究冲击次数对抗剪强度和裂纹扩展的影响规律。研究结果表明:花岗岩试样内部损伤程度随冲击次数增加而逐步累积,5 kV电压条件下,前3次冲击作用在试样内部几乎无新裂纹产生,冲击4次后试样内部开始萌生微小裂纹,并最终扩展形成贯穿裂缝;冲击4,5和6次后,试样内部损伤面积占比依次增加至6.65%,66.72%和70.80%;抗剪强度随冲击次数增加不断弱化,与未受冲击试样相比,冲击6次后试样抗剪强度弱化71.59%,剪切过程中声发射振铃计数降低58.41%,累积能量降低82.85%;声发射(AE)累积能量呈现出明显的“平静期—缓慢增加期—急速增加期”阶段变化特征;当冲击无明显裂纹产生时,试样剪切载荷加载过程中平静期延长,缓慢增加期缩短;当产生明显裂纹后,平静期缩短,缓慢增加期延长;冲击后,试样均在急速增加期呈现出更活跃的声发射信号,可以将声发射信号的突变作为试样剪切破坏的前兆,声发射事件点空间演化分布呈现出“抗剪破坏所需外部能量更低且声发射信号提前”的特征。

关键词：电脉冲循环冲击抗剪强度累计损伤声发射

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软薄基岩浅埋煤巷支护参数优化研究

中国煤炭 2017年第2期43卷 63-67页

作者：钱瑞鹏于海峰李猛太原理工大学现代科技学院山西省太原市030027 济宁矿业集团有限公司安居煤矿山东省济宁市272000

针对我国西部矿区埋藏浅、基岩薄的煤层巷道支护密度大、成本高、施工复杂等难题,以某矿2203工作面回采巷道支护优化为工程背景,提出2种顶底板支护方案,采用COMSOL数值模拟软件对2种支护条件下围岩变形及应力分布进行模拟和分析。结果表... 详细信息

针对我国西部矿区埋藏浅、基岩薄的煤层巷道支护密度大、成本高、施工复杂等难题,以某矿2203工作面回采巷道支护优化为工程背景,提出2种顶底板支护方案,采用COMSOL数值模拟软件对2种支护条件下围岩变形及应力分布进行模拟和分析。结果表明,在应力显现方面,方案A1B、A2B煤巷顶板的应力集中系数分别为2.8137和2.7146,两帮应力集中区范围集中在底板角;在塑性区方面,方案A2B煤巷顶板塑性区范围比方案A1B增加0.4 m,两帮破坏范围大致相同。通过应力及塑性区范围对比,综合支护成本、施工速度,选择方案A2B为最优支护方案。通过现场实践表明,优化后的支护方案能够满足巷道围岩控制要求,有利于该矿的安全高效生产。

关键词：软薄基岩浅埋煤层煤巷支护优化

含水率对煤样声发射特征和碎块分布特征影响的试验研究

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中南大学学报（自然科学版） 2021年第8期52卷 2910-2918页

作者：冯国瑞文晓泽郭军王朋飞钱瑞鹏闫勇敢郝晨良太原理工大学矿业工程学院山西太原030024 山西省绿色采矿工程技术研究中心山西太原030024

利用SHT4605电液伺服试验机和声发射检测系统,开展不同含水率煤样单轴压缩试验,辅以分形理论和声发射特征参数分析,定量化研究含水率对煤样力学特性及破坏特征的影响。研究结果表明:含水率的增大使煤样软化的同时削弱其脆性,破坏过程更... 详细信息

利用SHT4605电液伺服试验机和声发射检测系统,开展不同含水率煤样单轴压缩试验,辅以分形理论和声发射特征参数分析,定量化研究含水率对煤样力学特性及破坏特征的影响。研究结果表明:含水率的增大使煤样软化的同时削弱其脆性,破坏过程更加缓和,峰值应力由干燥时的23.91 MPa下降为饱水时的16.03 MPa,劣化超过30%;AE能率呈现明显的"平静—激增—衰减"阶段变化特征,AE能率平静期在线弹性阶段占比由干燥时的90%逐渐下降为饱水时的不足60%,干燥煤样的AE能率峰值是饱水煤样的10倍以上;煤样破坏后宏观裂纹数量随含水率增大而增多,煤样破坏形态趋于复杂,有剪切破坏向柱状张拉破坏转化的趋势;不同含水率煤样破碎块体在小于尺寸阈值50 mm的范围内自相似性良好,随煤样含水率增大,破碎块体分形维数D线性递减趋向于2,小颗粒煤屑质量占比下降,较大破碎块体(给定阈值以下)占比增加,块体向粒径均匀化发展。

关键词：含水率破坏特征煤 AE能率分形维数

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基于正交试验的多维主动支护系统优化设计

煤炭技术 2017年第7期36卷 97-99页

作者：钱瑞鹏杜东周孔令根太原理工大学现代科技学院山西孝义032300 西南科技大学环境与资源工程学院四川绵阳621010 山东能源临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿山东菏泽274700

由桁架锚索支护顶板和锚索-槽钢桁架支护巷帮的多维主动支护系统适用于围岩变形剧烈的深井煤巷,但要想达到理想的围岩控制效果,需要对支护系统中的各参数进行合理选择。建立数值模型结合正交试验原理对支护系统的关键参数进行模拟研究,... 详细信息

由桁架锚索支护顶板和锚索-槽钢桁架支护巷帮的多维主动支护系统适用于围岩变形剧烈的深井煤巷,但要想达到理想的围岩控制效果,需要对支护系统中的各参数进行合理选择。建立数值模型结合正交试验原理对支护系统的关键参数进行模拟研究,通过极差分析和综合平衡,从而得出各参数的优化组合。通过现场矿压观测证明,优化设计方案有效解决了邢东矿2223运输巷支护难题,为改善深井煤巷支护状况进行了有价值的探索。

关键词：多维主动支护正交试验极差分析优化设计

厚煤层综放沿空留巷巷旁充填体应力分布及变形特征研究

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采矿与安全工程学报 2019年第6期36卷 1109-1119页

作者：冯国瑞任玉琦王朋飞郭军钱瑞鹏李松玉孙强郝晨良太原理工大学矿业工程学院山西省绿色采矿工程技术研究中心

基于现场3307厚煤层综放工作面沿空留巷的工程实际,运用理论分析和FLAC3D数值模拟的方法,对3307综放工作面回采期间沿空巷道巷旁充填体的应力分布和变形特征进行了研究,结果表明:1)经叠加连续层板模型计算得到巷旁充填体的支护阻力P=11.... 详细信息

基于现场3307厚煤层综放工作面沿空留巷的工程实际,运用理论分析和FLAC3D数值模拟的方法,对3307综放工作面回采期间沿空巷道巷旁充填体的应力分布和变形特征进行了研究,结果表明:1)经叠加连续层板模型计算得到巷旁充填体的支护阻力P=11.23MPa;2)随综放工作面推进,巷旁充填体受到的垂直应力、水平应力和剪切应力均呈现先增大后稳定的规律,且在巷道侧到采空区侧的分布范围内,垂直应力、水平应力和剪切应力均呈现出非对称的分布特点;3)随综放工作面推进,巷旁充填体垂直变形和水平变形也均呈现出先增大后稳定的规律,巷旁充填体垂直变形呈现出沿空巷道侧垂直变形小、采空区侧垂直变形大的非均匀下沉特点,而两侧的水平变形则均呈现出上部变形严重、下部变形缓和的非均匀变形特点;4)巷旁充填体的应力分布、变形特征与厚煤层综放工作面顶板的初次破断和周期破断存在一定关系。本研究可为类似条件矿井的沿空留巷工程应用提供一定的借鉴意义。

关键词：综放开采沿空留巷巷旁充填体应力分布变形特征

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赵楼煤矿防治水研究

内蒙古煤炭经济 2013年第12期 96-97页

作者：张旗杜东周钱瑞鹏中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

对赵楼煤矿开采过程中防治水经验技术进行总结,通过对矿井充水水源、矿井充水通道等的分析得出矿井的防治水的难易程度,并提出了相应的防治水措施和建议,有效地解决了水害威胁,为安全生产创造了良好条件,为同类条件下矿井防治水提供了... 详细信息

对赵楼煤矿开采过程中防治水经验技术进行总结,通过对矿井充水水源、矿井充水通道等的分析得出矿井的防治水的难易程度,并提出了相应的防治水措施和建议,有效地解决了水害威胁,为安全生产创造了良好条件,为同类条件下矿井防治水提供了宝贵经验。

关键词：防治水矿井充水水源矿井充水通道