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正交-响应面法在PBM细观参数标定中的应用

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水资源与水工程学报 2024年第2期35卷 183-191页

作者：张慧梅马志敏陈世官王赋宇西安科技大学理学院陕西西安710054 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

数值模拟作为研究岩石力学特性、再现细观裂纹演化的主要途径,已受到大量关注。现有的数值模拟参数标定方法主要为试错法及正交试验法,但二者都未能充分考虑细观参数交互作用的影响,模拟精度欠佳且宏观破坏形态与室内试验存在较大差异... 详细信息

数值模拟作为研究岩石力学特性、再现细观裂纹演化的主要途径,已受到大量关注。现有的数值模拟参数标定方法主要为试错法及正交试验法,但二者都未能充分考虑细观参数交互作用的影响,模拟精度欠佳且宏观破坏形态与室内试验存在较大差异。因此,采用正交-响应面法相结合的数值分析方法,首先通过正交试验筛选出具有显著影响的平行黏结模型(PBM)细观参数,其次应用响应面法(RSM)研究其交互作用对模型试样宏观参量的影响规律,最后结合岩石宏观破坏形态提出一套PBM参数标定流程。结果表明:有效模量E*与刚度比k n/k s对弹性模量E影响显著;k n/k s、接触摩擦系数μ、最小颗粒半径R_(min)对泊松比ν影响显著;黏聚力c与法向黏结强度σc及其交互作用对单轴抗压强度UCS影响显著,应用响应面法计算分析得出的细观参数的模拟值与试验值误差绝对值小于7%,且二者应力应变曲线力学特征相似,宏观破坏形态相同,证明所提出的PBM细观参数标定流程具备科学性和可靠性。

关键词：细观参数标定正交-响应面法平行黏结模型二维颗粒流程序(PFC^(2D))

深埋巷道拉裂-剪切式片帮力学机理及支护技术

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煤炭科学技术 2021年第12期49卷 49-57页

作者：于远祥王京滨王根元王赋宇陈宝平西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 陕西长武亭南煤业有限责任公司陕西咸阳713603

针对深埋巷道开挖后煤帮发生的拉裂-剪切式片帮,根据摩尔-库伦准则和片帮体极限平衡方程,建立了深埋巷道片帮体在支承压力、自重应力、后缘拉力及剪切面上滑移力共同作用下的受力模型,并基于片帮体的极限平衡条件推导了片帮体的前缘高... 详细信息

针对深埋巷道开挖后煤帮发生的拉裂-剪切式片帮,根据摩尔-库伦准则和片帮体极限平衡方程,建立了深埋巷道片帮体在支承压力、自重应力、后缘拉力及剪切面上滑移力共同作用下的受力模型,并基于片帮体的极限平衡条件推导了片帮体的前缘高度、后缘拉裂深度及水平坍塌宽度等关键参数的理论计算公式,讨论了帮部岩体的黏聚力、内摩擦角、抗拉强度和水平坍塌宽度对片帮体后缘拉裂深度的影响。结果表明:巷道帮部发生拉裂-剪切式片帮时的后缘拉裂深度与帮部煤体的黏聚力和内摩擦角呈正相关关系,与巷道帮部煤体的抗拉强度和片帮体的水平坍塌宽度呈负相关关系;当巷道帮部煤体黏聚力、内摩擦角及抗拉强度达到一定量值时,煤帮的拉裂-剪切式片帮将发展为单斜面剪切片帮。在确定片帮体破坏参数的基础上,提出了针对片帮区域煤体的锚杆和锚索联合支护方法。当锚杆最佳安装角控制在为30°~90°时,可以与锚索形成有效兜护结构,优化后的支护方式可以有效防止煤帮发生拉裂-剪切式破坏。最后,以某矿401工作面运输巷130~225 m段为工程实例,运用上述成果从理论上分析了片帮煤体的前缘高度、水平坍塌宽度及后缘拉裂高度等关键参数,并优化了该段巷道帮部的初期锚杆支护方案,取得了良好的支护效果。

关键词：深埋巷道拉裂-剪切片帮参数非均称支护巷道片帮围岩控制

基于弹性理论的煤帮极限平衡区宽度确定方法探讨

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煤炭学报 2019年第11期44卷 3340-3348页

作者：于远祥柯达王京滨王赋宇陈宝平西安科技大学建筑与土木工程学院

回采巷道开挖后,其围岩应力重新分布,两侧煤体在上方集中应力的作用下产生变形后形成极限平衡区,其理论宽度是合理确定巷道煤帮支护方案及其参数的重要依据,目前,计算煤帮极限平衡区的主要方法有:利用松散介质平衡理论建立煤帮应力平衡... 详细信息

回采巷道开挖后,其围岩应力重新分布,两侧煤体在上方集中应力的作用下产生变形后形成极限平衡区,其理论宽度是合理确定巷道煤帮支护方案及其参数的重要依据,目前,计算煤帮极限平衡区的主要方法有:利用松散介质平衡理论建立煤帮应力平衡微分方程来求解极限平衡区宽度;或考虑工程扰动程度和煤体地质强度,运用非线性摩尔-库伦准则建立极限平衡区宽度方程。本文在总结现有研究成果的基础上,建立了回采巷道煤帮在高支承压力作用下体的力学计算模型,运用弹性力学理论分析了帮部任一点煤体的应力应变分量。基于弹塑性界面煤体在峰值支承压力发生片帮的柱条模型,确定该界面上发生最大水平拉应变的单元煤体位于距离底板0.65倍巷道高度处,进而提出了该单元煤体极限拉应变与煤帮极限平衡区及其破裂区宽度的理论计算公式。分析表明,煤帮极限平衡区宽度不仅取决于煤体的极限拉应变、泊松比及弹性模量,而且与原岩应力大小及巷道开挖后发生重分布的最大支承压力及煤帮弹性区宽度密切相关。具体表现为煤帮极限平衡区宽度随巷道埋深增大而不断增加,但随煤体弹性模量及其极限拉应变的增加却快速减小。在此基础上,利用所提出的理论公式计算了百良矿14501工作面运输巷350~400 m区段的煤帮极限平衡区和破裂区宽度,进而优化了巷道帮部锚杆支护参数,取得了良好的支护效果。结果表明,上述研究成果能够较好地进行深埋煤层巷道煤帮极限平衡区的预测分析。

关键词：巷道开挖帮部煤体弹性理论柱条模型极限平衡区

杆岩耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性主控因素及支护优化研究

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现代隧道技术 2021年第1期58卷 19-26页

作者：于远祥姚尧王京滨王赋宇柯达西安科技大学建筑与土木工程学院西安710054

由于深埋隧洞围岩显著的流变特点,其变形范围及洞壁位移通常在施作初期支护一段时间后才趋于稳定,因此研究锚杆支护后隧洞围岩变形范围及其洞壁位移量将为支护参数优化及预留开挖量提供重要的理论依据。文章通过建立预应力锚杆与隧洞围... 详细信息

由于深埋隧洞围岩显著的流变特点,其变形范围及洞壁位移通常在施作初期支护一段时间后才趋于稳定,因此研究锚杆支护后隧洞围岩变形范围及其洞壁位移量将为支护参数优化及预留开挖量提供重要的理论依据。文章通过建立预应力锚杆与隧洞围岩的相互作用力学模型,分析了杆体与围岩相对位移为零的中性点位置及其最大轴力值。基于锚杆中性点理论,推导了工程扰动、锚杆预应力和孔隙水压耦合作用下隧洞围岩变形范围以及洞壁位移的计算公式。结果表明:多因素耦合作用下隧洞围岩变形范围及洞壁位移随工程扰动和孔隙水压的增大而逐步增加,随锚杆预应力的增大而减小。最后,以秦岭某引水隧洞为工程背景,利用所提出的理论公式计算了该隧洞极不稳定区段围岩变形范围及洞壁位移量,进而对原开挖及支护方案进行了优化。

关键词：深埋隧洞多因素耦合变形范围洞壁位移支护优化

基于锚杆受力分析的深埋洞室围岩分区破裂演化规律研究

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岩石力学与工程学报 2018年第7期37卷 1629-1640页

作者：于远祥陈宝平王赋宇王京滨柯达西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

合理确定深埋洞室围岩破裂区厚度及数量可以为洞室开挖及支护提供重要的理论依据。根据围岩分区破裂条件下锚杆拉-压交替分布的受力变形特点,提出一种通过锚杆受力规律反演分析围岩分区破裂的新方法:基于杆体与围岩的协调变形原理,建立... 详细信息

合理确定深埋洞室围岩破裂区厚度及数量可以为洞室开挖及支护提供重要的理论依据。根据围岩分区破裂条件下锚杆拉-压交替分布的受力变形特点,提出一种通过锚杆受力规律反演分析围岩分区破裂的新方法:基于杆体与围岩的协调变形原理,建立全长锚固锚杆与围岩相互作用的力学模型,推导锚杆中性点沿杆体分布位置及其最大轴力的理论公式,分析各分区范围内围岩的破裂区与非破裂区厚度;基于格里菲斯强度理论,提出围岩应力重分布后弹塑性界面岩体发生拉裂的力学判据,进而确定围岩的破裂区数量。结果表明:洞室开挖后围岩应力发生重分布,当弹塑性界面上的岩体在最大切向支撑压力下所产生的拉伸应力超过其极限抗拉强度时,岩体将产生径向拉裂并出现多个破裂区和非破裂区交替分布现象;破裂区和非破裂区内岩体位移速率的差异将导致锚杆沿长度方向出现多个中性点;基于各中性点半径反演分析得到的围岩破裂区厚度大致呈依次递减的趋势,直至围岩破裂停止。最后,运用实例计算结果对上述认识进行验证,研究成果对深埋洞室开挖及围岩支护具有重要参考价值。

关键词：岩石力学深埋洞室全长锚固分区破裂反演分析演化规律

不同浸润时间和应力水平下煤(岩)蠕变损伤模型研究

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采矿与安全工程学报 2023年第2期40卷 399-407页

作者：张慧梅王赋宇李焕容杨更社申艳军刘慧路亚妮西安科技大学理学院陕西西安710054 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054 湖北工程学院土木工程学院湖北孝感432000

以煤(岩)为研究对象,开展水体浸润试验、电镜扫描试验、含水率试验、单轴压缩试验及分别加载蠕变试验,系统研究了应力水平和浸润时间对煤(岩)蠕变特性的影响;定义了基于宏观基准量的浸润损伤变量、基于蠕变时效性的应力损伤变量及耦合... 详细信息

以煤(岩)为研究对象,开展水体浸润试验、电镜扫描试验、含水率试验、单轴压缩试验及分别加载蠕变试验,系统研究了应力水平和浸润时间对煤(岩)蠕变特性的影响;定义了基于宏观基准量的浸润损伤变量、基于蠕变时效性的应力损伤变量及耦合作用下的总损伤变量,表述了浸润-应力耦合效应对总损伤变量的影响规律;将总损伤变量引入流变基本元件中,将虎克体、凯尔文体、牛顿体及带有开关元件的损伤体串联描述煤(岩)蠕变全过程,建立了考虑浸润-应力耦合作用下煤(岩)非线性蠕变损伤本构模型,分析了浸润时间和应力水平对煤(岩)蠕变参数的影响规律。结果表明:煤(岩)总损伤演化途径反映了细观力学响应与宏观变形破坏特征的一致性,刻画出浸润与应力2种作用因素对煤(岩)总损伤扩展的非线性影响特征,为揭示浸水煤柱失稳破坏机制提供理论依据。

关键词：煤(岩)蠕变浸润时间应力水平损伤变量试验研究

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基于黏度时变性的裂隙动水注浆扩散规律分析

煤矿安全 2023年第4期54卷 119-125页

作者：张嘉凡黄思聪刘洋覃祥瑞王赋宇张慧梅西安科技大学力学系陕西西安710054 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710054 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

为探究动水环境下黏度时变性浆液扩散规律,以NF水泥基浆液为研究对象,开展浆液黏度时变性试验,确定了黏度时变函数;基于水平集方法,通过在数值模型中自定义黏度时变性函数,实现了考虑浆液黏度时变性的动水注浆数值模拟,得到了考虑和未... 详细信息

为探究动水环境下黏度时变性浆液扩散规律,以NF水泥基浆液为研究对象,开展浆液黏度时变性试验,确定了黏度时变函数;基于水平集方法,通过在数值模型中自定义黏度时变性函数,实现了考虑浆液黏度时变性的动水注浆数值模拟,得到了考虑和未考虑黏度时变性的浆液扩散形态和扩散距离。结果表明:水灰比为0.6~1.0的NF水泥基浆液属于宾汉流体,其黏度随着时间的推移呈指数增长;浆液扩散过程中,流场中浆液黏度变化表现出稳定区和下降区2个阶段;其扩散形态由初始阶段圆形变化为椭圆形至最后稳定为U型;浆液扩散距离与时间呈正相关,并随水灰比的减小而减小;未考虑浆液黏度时变性所得扩散距离始终大于考虑浆液时变性所得扩散距离,且随着注浆时间的增加,浆液黏度时变特性对扩散距离的影响越显著。

关键词： NF水泥基浆液黏度时变性动水注浆数值模拟水平集方法

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深埋隧道拉裂-滑移式片帮力学机理研究

公路交通科技 2019年第12期36卷 94-103,126页

作者：于远祥王京滨柯达王赋宇陈宝平西安科技大学建筑与土木工程学院

针对深埋隧道开挖引起的侧墙片帮问题,以深埋隧道侧墙拉裂-滑移式片帮为研究对象,根据摩尔-库伦准则和片帮体极限平衡方程,建立了片帮体在支承压力、自重应力及剪切面上滑移力共同作用下的受力模型,推导了片帮岩体的前缘高度、水平坍塌... 详细信息

针对深埋隧道开挖引起的侧墙片帮问题,以深埋隧道侧墙拉裂-滑移式片帮为研究对象,根据摩尔-库伦准则和片帮体极限平衡方程,建立了片帮体在支承压力、自重应力及剪切面上滑移力共同作用下的受力模型,推导了片帮岩体的前缘高度、水平坍塌宽度、后缘张拉裂隙深度及其上下限值的理论公式。分析了岩体重度、黏聚力和内摩擦角对隧道侧墙前缘高度、水平坍塌宽度及后缘张拉裂隙深度的影响。结果表明,隧道侧墙发生拉裂-滑移式片帮时的水平坍塌宽度与侧墙岩体黏聚力和内摩擦角成负相关关系,与岩体重度和侧墙高度成正相关关系;而片帮体后缘张拉裂隙深度却与侧墙岩体黏聚力和内摩擦角成正相关关系,与岩体重度和侧墙高度成负相关关系。当岩体重度和侧墙高度一定时,可通过增加岩体的黏聚力和内摩擦角来控制侧墙的拉裂-滑移式片帮。侧墙单斜面剪切破坏是拉裂-滑移片帮的一种极限情况,当侧墙岩体的力学指标满足一定条件时,侧墙岩体由拉裂-滑移发展为单斜面剪切片帮。在此基础上分析了某隧道区间侧墙片帮岩体的前缘高度、水平坍塌宽度及后缘张拉裂隙深度等关键参数,为深埋隧道侧墙岩体片帮的有效控制提供了可以参考的计算分析方法,为合理确定该隧道围岩支护方案提供了科学依据。

关键词：隧道工程片帮体参数受力模型拉裂-滑移式片帮力学机理

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考虑托板作用的深埋岩体分区破裂时空效应

煤炭学报 2020年第2期45卷 598-612页

作者：于远祥王赋宇任建喜李鑫王树明邵红旗西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 陕西机电职业技术学院建筑工程系陕西宝鸡721001 陕西彬长文家坡矿业有限公司陕西咸阳713500 中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

分区破裂是深部岩体在众多敏感因素综合作用下发生的复杂时空演化过程。以深埋硐室围岩初期支护后的预应力全长锚固锚杆为研究对象,考虑不同大小托板反力作用对硐室围岩强度参数的影响,基于分区破裂条件下锚杆所呈现的拉-压交替受力特征... 详细信息

分区破裂是深部岩体在众多敏感因素综合作用下发生的复杂时空演化过程。以深埋硐室围岩初期支护后的预应力全长锚固锚杆为研究对象,考虑不同大小托板反力作用对硐室围岩强度参数的影响,基于分区破裂条件下锚杆所呈现的拉-压交替受力特征,建立了杆体与围岩协调变形的力学分析模型,推导了围岩分区破裂后锚杆中性点位置的计算公式,进而对不同托板反力作用下的围岩分区厚度、破裂范围及数量进行了反演分析;根据围岩弹塑性界面上岩体的非线性流变模型及其在切向与径向所受的最大偏应力,提出了弹塑性界面岩体破裂发生时刻的理论公式。结果表明:①在分区破裂条件下,深埋硐室围岩与预应力锚杆产生协调变形,沿杆体长度方向存在多个处于拉-压受力平衡的中性点,在各中性点附近的弹塑性界面上岩体具有显著的流变特性。当该界面岩体所受最大偏应力超过其长期强度时即发生脆性拉裂;②预应力全长锚固锚杆对围岩强度参数具有重要影响,预应力的增加能够有效改善围岩的承载特性,围岩分区厚度、破裂区宽度与数量以及弹塑性界面上岩体破裂发生时刻随锚杆预应力的变化而变化;③在锚杆预应力作用下围岩强度的提高对硐壁岩体破裂具有一定的抑制作用。随着锚杆预应力的逐渐增大,靠近硐壁处的第1个锚杆中性点逐步向硐壁表面移动,硐壁岩体破裂区厚度也逐渐减小直至不再破裂;④通过算例分析对上述认识的合理性进行了验证。

关键词：深埋岩体分区破裂托板作用时空效应影响规律