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Experimental and theoretical study on the dynamic effective stress of loaded gassy coal during gas release

International Journal of Mining Science and Technology 2023年第3期33卷 339-349页

作者： Bing Zhang Hanpeng Wang Peng Wang guofeng Yu shitan gu School of Qilu Transportation Shandong UniversityJinan 250061China Geotechnical and Structural Engineering Research Center Shandong UniversityJinan 250061China Coal Mining National Engineering Technology Research Institute Huainan 232001China State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-Founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology Shandong University of Science and TechnologyQingdao 266590China

In the process of mining coalbed methane(CBM),an unsteady state often arises due to the rapid extraction,release and pressure relief of *** this case,the effective stress of coal changes dynamically,affecting the stability of the gassy coal *** this paper,gas release tests of gassy coal under conventional triaxial compression were performed,and the dynamic effective stress(DES)during gas release was obtained indirectly based on a constitutive equation and deformation of *** results show that the maximum increases in DES caused by the release of free gas and adsorbed gas under the stress of 1.1 MPa were 0.811 and 5.418 MPa,respectively,which seriously affected the stress state of the *** the gas release,the free gas pressure and the adsorbed gas volume were the parameters that directly affected the DES and showed a positive linear relationship with the DES with an intercept of *** DES of the coal sample increased exponentially with time,which was determined by the contents of free and adsorbed *** on the experimental results and theoretical analysis,an effective stress model was obtained for loaded gassy coal during gas *** results of verification indicated accuracy greater than 99%.

关键词： Gassy coal Dynamic effective stress Gas release Gas-solid coupling Mathematical model

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周期性来压坚硬顶板裂纹萌生初始阶段的弯矩、剪力、挠度和应变能变化分析

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岩石力学与工程学报 2014年第6期33卷 1123-1134页

作者：潘岳顾士坦青岛理工大学土木工程学院山东青岛266520 山东科技大学资源与环境工程学院山东青岛266590

坚硬顶板断裂的理论解是矿山岩体力学中未获得较好解决的课题。为研究裂纹发生对坚硬顶板内力、挠度和应变能的影响,沿采场中轴线取单位宽度的岩层结构,将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,假定在裂纹萌生初始阶段顶板上方荷载不变,以... 详细信息

坚硬顶板断裂的理论解是矿山岩体力学中未获得较好解决的课题。为研究裂纹发生对坚硬顶板内力、挠度和应变能的影响,沿采场中轴线取单位宽度的岩层结构,将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,假定在裂纹萌生初始阶段顶板上方荷载不变,以最大拉应变强度条件为裂纹发生条件,对周期来压模型裂纹萌生初始阶段的坚硬顶板进行分析,得到满足裂纹面边界条件、自然边界条件和连续条件的裂纹萌生初始阶段弯矩、剪力和挠度表达式。根据表达式,采用Matlab软件的数值计算、绘图和放大功能给出算例。算例表明:(1)裂纹萌生截面在煤壁前方,其位置在见报道的顶板超前断裂位置范围内。裂纹截面后方及采空区的顶板下沉量随裂纹生长而明显地增大。在裂纹截面前方顶板挠度则发生"反弹",与现场检测到的顶板"反弹"特性一致;(2)煤壁后方顶板弯矩、剪力不变。煤壁前方因裂纹萌生顶板的弯矩、应变能全面减小。在裂纹前方剪力全面减小,在裂纹面附近剪力发生波动;(3)煤壁到前方15 m是裂纹发生坚硬顶板应变能释放的集中区。煤壁前方坚硬顶板内力和弹性应变能减小,使岩层系统往安全方向发展。所得研究结果对于采场顶板状况判断有一定的指导作用和参考价值。

关键词：采矿工程坚硬顶板弹性地基裂纹弯矩剪力挠度应变能

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初次来压前受超前增压荷载作用的坚硬顶板弯矩、挠度和剪力的解析解

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岩石力学与工程学报 2013年第8期32卷 1544-1553页

作者：潘岳顾士坦戚云松青岛理工大学土木工程学院山东青岛266520 山东科技大学资源与环境工程学院山东青岛266590

坚硬顶板弯矩、挠度的理论解是矿山岩体力学中未曾获得较好解决的课题。初次来压坚硬顶板问题的超静定次数,比周期来压坚硬顶板问题的超静定次数要高1次。将煤层、直接顶按弹性地基处理,对初次来压前受均布荷载、荷载峰超前的增压荷载... 详细信息

坚硬顶板弯矩、挠度的理论解是矿山岩体力学中未曾获得较好解决的课题。初次来压坚硬顶板问题的超静定次数,比周期来压坚硬顶板问题的超静定次数要高1次。将煤层、直接顶按弹性地基处理,对初次来压前受均布荷载、荷载峰超前的增压荷载和支护阻力共同作用的,工作面中部煤壁前方和采空区单位宽坚硬顶板的挠度进行求解,采用潘岳等求解周期来压前坚硬顶板弯矩、挠度解中的部分结果,求得满足全部连续条件和自然边界条件的坚硬顶板的4段式挠度表达式中的所有系数。据所得表达式,采用Matlab软件计算和绘图得到的初次来压前坚硬顶板挠度、弯矩曲线在考察区间光滑连接,剪力曲线连续。对曲线进行分析可知:(1)荷载增减对顶板弯矩、挠度作用明显;(2)支护阻力可有效减小煤壁前方顶板和悬空顶板的弯矩、挠度及采空区顶板的剪力值;(3)单位宽顶板的特征长度由弹性地基系数、顶板抗弯刚度组成。在相同荷载下,只要特征长度相同,顶板弯矩分布完全相同,特征长度大者顶板弯矩大;(4)弹性地基系数小者,煤壁前方顶板挠度(下沉量)大。抗弯刚度小者,采空区顶板挠度(下沉量)大;(5)顶板弯矩峰位置在煤壁前方。顶板荷载大,支护阻力小,弹性地基系数大者,其弯矩峰与煤壁的距离近。在控顶区两端顶板剪力取最大值。所得硬顶板的关系式为理想坚硬顶板模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时坚硬顶板弯矩、挠度和剪力变化的规律性认识,对采场顶板状况变化作出合理的定性判断,亦可为坚硬顶板断裂过程和断裂引发顶板应变能释放、冲击矿压能量来源及初次来压步距的量化分析提供基础。

关键词：采矿工程坚硬顶板弹性地基超前增压荷载支护阻力弯矩挠度剪力

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周期来压前受超前隆起分布荷载作用的坚硬顶板弯矩和挠度的解析解

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岩石力学与工程学报 2012年第10期31卷 2053-2063页

作者：潘岳顾士坦戚云松青岛理工大学土木工程学院山东青岛266520 山东科技大学资源与环境工程学院山东青岛266590

将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,鉴于坚硬顶板的损伤、破裂从工作面中轴线的超前部位开始,在工作面煤壁中央取单位宽度的岩层结构研究,建立受均布荷载、超前隆起分布荷载和支护阻力共同作用的坚硬顶板超静定挠度微分方程组。在满... 详细信息

将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,鉴于坚硬顶板的损伤、破裂从工作面中轴线的超前部位开始,在工作面煤壁中央取单位宽度的岩层结构研究,建立受均布荷载、超前隆起分布荷载和支护阻力共同作用的坚硬顶板超静定挠度微分方程组。在满足所有自然边界条件和连续条件的基础上,导得周期来压前煤壁前方和采空区坚硬顶板的挠度、弯矩表达式。据所得表达式,用Matlab的算例和绘图,对顶板荷载、支护阻力、地层刚度、单位宽顶板抗弯刚度及悬顶步距变化时坚硬顶板的挠度、弯矩进行分析,所得到的4段式弯矩、挠度曲线在考察区间内光滑连接,弯矩峰值位置在煤壁前方,顶板下沉量计算值在现场经验范围内。所得坚硬顶板弯矩、挠度的关系式为理想模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时顶板弯矩、挠度变化的规律性认识,对实际采场顶板状况的变化作出由合理的定性判断,并可为坚硬顶板损伤断裂,为因断裂引发顶板应变能释放及冲击矿压能量来源的研究提供基础。

关键词：采矿工程坚硬顶板周期来压弹性地基隆起荷载挠度弯矩

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SMW工法水泥土桩性能影响因素分析及质量控制

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四川建筑科学研究 2008年第1期34卷 106-108页

作者：顾士坦河海大学岩土工程研究所江苏南京210098

介绍了SMW工法复合围护结构中的水泥土桩的加固机理、强度影响因素。SMW工法中,水泥土桩与软土地基处理中的深层搅拌桩相比,有其自身工作特点和要求。分析了改善SMW工法中水泥土桩抗弯刚度和安全度的防护措施。

关键词： SMW工法水泥土桩影响因素质量控制

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多应变率动静叠加岩石力学试验系统研制及应用

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岩石力学与工程学报 2023年第7期42卷 1680-1694页

作者：王伟王汉鹏王粟张冰王鹏顾士坦山东大学齐鲁交通学院山东济南250061 山东大学岩土工程中心山东济南250061 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590

为研究多应变率动静叠加荷载作用下岩石的损伤破坏规律,自主研发了包括装配反力单元、动静叠加单元、蠕变加载单元、智能测控单元的多应变率动静叠加岩石力学试验系统。四大单元分别具有高刚度卯榫拼装、多应变率动静荷载叠加与弹性应... 详细信息

为研究多应变率动静叠加荷载作用下岩石的损伤破坏规律,自主研发了包括装配反力单元、动静叠加单元、蠕变加载单元、智能测控单元的多应变率动静叠加岩石力学试验系统。四大单元分别具有高刚度卯榫拼装、多应变率动静荷载叠加与弹性应变能释放模拟、自动平衡跟随式蠕变加载、多元信息采集融合及突变信息自动高频捕捉等特点,实现了岩石单一表面蠕变荷载(<10-4 s^(-1))+静载(10-4~10-2 s^(-1))、静载+脉冲荷载(10-2~100 s^(-1))、静载+冲击荷载(100~102 s^(-1))、静载+循环冲击荷载等多种类型不同应变率动静荷载叠加。利用该试验系统开展不同应变率动静叠加作用下大理石损伤破坏试验,并利用峰值强度及累积残余应变定量表征了试件损伤演化规律,试验结果表明:蠕变、静载+脉冲、静载+冲击三种加载方式均对岩石产生显著损伤作用,损伤效果由强到弱依次为:静载+脉冲、静载+冲击、蠕变;动静叠加瞬间,试件应变出现突增,当动载明显小于静载时,动载主要产生弹性应变;当动载相同时,试件损伤随静载的增大呈加速增长趋势;当静载相同时,试件损伤随动载应变率的增大呈减小趋势,具有显著应变率效应;静载+循环冲击过程中试件损伤呈现“快速增长→平缓发展→急速上升”的S型演化趋势。

关键词：岩石力学多应变率动静叠加试验系统研制动力灾害

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南京地铁中和村车站基坑监测分析

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工业建筑 2007年第z1期37卷 790-792页

作者：亓乐施建勇顾士坦河海大学岩土工程研究所南京210098

对南京地铁中和村站进行了施工监测,掌握了基坑变形、支撑轴力和地下水位的变化动态,取得了丰富的监测数据,并依据监测对施工进行信息反馈,确保基坑施工稳定,为类似的工程提供有价值的资料。

关键词：基坑监测水平位移支撑轴力

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基于能量原理的深埋隧洞TBM施工岩爆机理分析

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采矿与安全工程学报 2017年第6期34卷 1103-1109,1115页

作者：蒋邦友王连国顾士坦张晓东李文帅山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 中国矿业大学深部岩土与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

为揭示深埋隧洞TBM施工岩爆孕育机理,在分析TBM施工卸荷特征及围岩能量积聚方式的基础上,基于岩爆的能量原理,建立了TBM施工岩爆的能量判据,提出了围岩弹性应变能密度径向梯度的概念,分析认为服从TBM施工岩爆能量判据的围岩最可能发生... 详细信息

为揭示深埋隧洞TBM施工岩爆孕育机理,在分析TBM施工卸荷特征及围岩能量积聚方式的基础上,基于岩爆的能量原理,建立了TBM施工岩爆的能量判据,提出了围岩弹性应变能密度径向梯度的概念,分析认为服从TBM施工岩爆能量判据的围岩最可能发生岩爆的位置为围岩弹性应变密度径向梯度最大处。以山西某输水工程为背景,应用FLAC3D软件模拟研究了TBM施工卸荷过程中围岩能量分布演化规律,揭示了TBM施工岩爆机理,结果表明:TBM施工过程中围岩弹性应变能分布呈先降低后升高趋势,TBM施工具有2个危险期并对应2种岩爆类型,即开挖瞬间发生的即时型岩爆和围岩弹性应变能再次积聚后的时滞型岩爆,且后期围岩积聚的弹性能主要源自深部围岩做功产生的能量输入。基于此,提出了以阻断围岩间能量传递为关键的岩爆控制建议,具有重要的参考价值。

关键词：能量原理深埋隧洞 TBM 岩爆机理弹性应变能

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基于Mogi-Coulomb准则的弹塑性损伤本构模型及其数值实现

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中国矿业大学学报 2019年第4期48卷 784-792页

作者：蒋邦友谭云亮王连国顾士坦戴华宾山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地山东青岛266590 中国矿业大学深部岩土与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

Mogi-Coulomb准则能够较好的描述真三轴条件下岩石的破坏强度特征,基于Mogi-Coulomb准则,同时考虑岩石材料的塑性及损伤共同作用,建立了岩石弹塑性损伤本构模型,并基于塑性增量理论,构建了模型的本构关系,实现了模型在FLAC3D软件中的二... 详细信息

Mogi-Coulomb准则能够较好的描述真三轴条件下岩石的破坏强度特征,基于Mogi-Coulomb准则,同时考虑岩石材料的塑性及损伤共同作用,建立了岩石弹塑性损伤本构模型,并基于塑性增量理论,构建了模型的本构关系,实现了模型在FLAC3D软件中的二次开发.对比分析不同岩性试样在真三轴压缩路径下室内试验与数值计算结果.结果表明:本文模型计算结果与试验结果吻合度较高,误差较小,对大理岩、红砂岩和水泥砂浆3种试样极限八面体剪应力和应力极限点ε1的最大计算误差仅为1.60%和3.56%,验证了模型的合理性和优越性.与Mohr-Coulomb模型相比,本文模型能更准确的描述岩石材料在真三轴应力状态下的破坏条件及变形特征,更适合深部三维应力状态下地下工程分析.

关键词：弹塑性损伤本构模型 Mogi-Coulomb准则真三轴试验 FLAC3D 二次开发

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阳城矿深部复合型软岩大巷破坏机制与支护设计

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采矿与安全工程学报 2016年第3期33卷 452-459页

作者：蒋邦友王连国顾士坦张继华王荣超中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590 淮阴工学院建筑工程学院江苏淮安223001

针对阳城煤矿南翼软岩大巷严重底鼓和断面收缩等非线性流变大变形控制难题,综合采用力学试验、现场测试和理论分析等方法,分析了南翼大巷围岩的地质力学特性和破坏特征;通过建立受二向均布载荷作用下的巷道力学模型,研究揭示了阳城煤矿... 详细信息

针对阳城煤矿南翼软岩大巷严重底鼓和断面收缩等非线性流变大变形控制难题,综合采用力学试验、现场测试和理论分析等方法,分析了南翼大巷围岩的地质力学特性和破坏特征;通过建立受二向均布载荷作用下的巷道力学模型,研究揭示了阳城煤矿南翼软岩大巷变形破坏力学机制。结果表明:地应力环境对大巷产生了极为不利的影响;大巷围岩属HJS复合型软岩,节理裂隙发育、松动破坏严重,使得可承载的完整岩层厚度较小是大巷破坏严重的关键因素。基于大巷复杂的破坏机制,提出了以锚注为主体的锚网索喷注联合支护方式,并设计使用了新型的注浆锚索,注浆管+注浆锚索深、浅耦合注浆,取得了良好的现场应用效果,实现了软岩大巷变形的有效控制,为类似巷道工程提供了参考。

关键词：深部复合型软岩巷道变形破坏机制锚注支护注浆锚索

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