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Observation and research of deep underground multi-physical fields—Huainan–848 m deep experiment

Science China Earth Sciences 2023年第1期66卷 54-70页

作者： Yun WANG Yaxin YANG Heping SUN Chengliang XIE Qisheng ZHANG Xiaoming CUI Chang CHEN Yongsheng HE Qiangqiang MIAO chaomin mu Lianghui GUO Jiwen TENG School of Geophysics and Information Technology China University of GeosciencesBeijing 100083China School of Geophysics and Measurement-control Technology East China University of TechnologyNanchang 330013China Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology Chinese Academy of SciencesWuhan 430077China Institution of Engineering Protection IDEAMSPLALuoyang 471023China State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines Anhui University of Science and TechnologyHuainan 232001China Institute of Geochemistry Chinese Academy of SciencesGuiyang 550081China

Compared with the surface,the deep environment has the advantages of allowing“super-quiet and ultra-clean”-geophysical field observation with low vibration noise and little electromagnetic interference,which are conducive to the realization of long-term and high-precision observation of multi-physical fields,thus enabling the solution of a series of geoscience problems.In the Panyidong Coal Mine,where there are extensive underground tunnels at the depth of 848 m below sea level,we carried out the first deep-underground geophysical observations,including radioactivity,gravity,magnetic,magnetotelluric,background vibration and six-component seismic observations.We concluded from these measurements that(1)the background of deep subsurface gravity noise in the long-period frequency band less than 2 Hz is nearly two orders of magnitude weaker than that in the surface observation environment;(2)the underground electric field is obviously weaker than the surface electric field,and the relatively high frequency of the underground field,greater than 1 Hz,is more than two orders of magnitude weaker than that of the surface electric field;the east-west magnetic field underground is approximately the same as that at the surface;the relatively high-frequency north-south magnetic field underground,below 10 Hz,is at least one order of magnitude lower than that at the surface,showing that the underground has a clean electromagnetic environment;(3)in addition to the highfrequency and single-frequency noises introduced by underground human activities,the deep underground space has a significantly lower background vibration noise than the surface,which is very beneficial to the detection of weak earthquake and gravity signals;and(4)the underground roadway support system built with ferromagnetic material interferes the geomagnetic field.We also found that for deep observation in the“ultra-quiet and ultra-clean”environment,the existing geophysical equipment and observation technology have problems of poor adaptability and insufficient

关键词： multi-physical fields Radioactivity Gravity Geomagnetic Electromagnetic Earthquake Observations deep underground

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冻结温度对不同粒径冻土石混合体劈裂特性的影响

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煤矿安全 2024年第1期55卷 160-166页

作者：程虎李重情穆朝民安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

为研究冻结温度与尺寸效应耦合作用下的冻土石混合体巴西劈裂特性,分别对经过-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40℃冻结处理后的5~10、10~15、15~20、5~20 mm粒径冻土石混合体试件进行巴西劈裂实验;研究冻结温度和不同粒径块石对试件劈... 详细信息

为研究冻结温度与尺寸效应耦合作用下的冻土石混合体巴西劈裂特性,分别对经过-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40℃冻结处理后的5~10、10~15、15~20、5~20 mm粒径冻土石混合体试件进行巴西劈裂实验;研究冻结温度和不同粒径块石对试件劈裂抗拉强度的影响规律,并进一步通过数字图像相关技术(digital imagine correlation,DIC)再现了冻土石混合体在巴西劈裂实验过程中的应变场演化过程。实验结果表明:在劈裂拉应力作用下,试件从中心开裂并产生初始裂纹,沿着土石界面向两加载端贯穿试件,试件破裂面裂纹呈弯曲折线型,且块石粒径越大,裂纹越曲折;冻土石混合体在破坏时会经历线弹性变形阶段,并随着拉应力的增大和冻结温度的降低会经历塑性-脆性破坏阶段;试件劈裂抗拉强度具有强温度敏感性,会随着冻结温度的降低而近似线性增加;块石尺寸效应会导致试件强度的差异性,试件劈裂抗拉强度大小依次为5~10、5~20、10~15、15~20 mm粒径试件。

关键词：冻土石混合体粒径劈裂抗拉强度破坏形态数字图像相关技术

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地面与地下深部地震背景噪声对比分析

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地球物理学报 2024年第2期67卷 793-808页

作者：万文涛陈畅王赟穆朝民贺永胜汪超中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院"多波多分量"地震研究组北京100083 中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室北京100083 安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232001 军事科学院国防工程研究院工程防护研究所河南洛阳471000 中国科学院地球化学研究所贵阳550081

深部地下空间具有低于地面的噪声环境,为开展高精度多物理场观测提供了绝佳平台.通过淮南潘一东矿区海拔-848 m的井下巷道和地面的地震联测,我们分析了深部地下与地面的地振动背景噪声特征.对比结果显示,大于1.0 Hz的高频段,地面噪声功... 详细信息

深部地下空间具有低于地面的噪声环境,为开展高精度多物理场观测提供了绝佳平台.通过淮南潘一东矿区海拔-848 m的井下巷道和地面的地震联测,我们分析了深部地下与地面的地振动背景噪声特征.对比结果显示,大于1.0 Hz的高频段,地面噪声功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)值高出地下20~40 dB,并呈现随人类活动变化的昼夜模式;而井下观测不存在这一时变规律,地下巷道上覆870 m厚的沉积层有效衰减了浅层或地表的人文噪声.0.1~1.0 Hz频段二者差异相对减小,地面PSD值平均高出地下10 dB.小于0.1 Hz的低频噪声差异较小,或与井下气流干扰和仪器本底噪声有关.在第二地脉动谱的对比中,可发现明显的场地放大效应和地脉动峰的分裂现象.此外,深部地下低噪声环境突显了若干高频非时变信号,根据频域极化分析可厘定这些稳定噪声为井下的固定振动源.上述结果说明深部地下可以为高精度地震观测和震源定位提供优良环境,同时也给深地实验室的后续建设以及相关深地研究提供重要参考.

关键词：地下深部地震观测背景噪声时变偏振分析

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含结构面岩体岩爆特征真三轴试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 120-132页

作者：李育宗袁亮张庆贺王圣涛穆朝民章新生安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中铁四局集团有限公司安徽合肥230023

工程实践表明,含结构面岩体岩爆发生范围更广,频率更高,工程安全风险更大。对含结构面岩体岩爆机制及破坏特征的深入研究对于深埋地下工程岩爆灾害的防控和治理具有重要意义。基于深埋高应力隧洞含结构面岩体岩爆的典型破坏模式,开展室... 详细信息

工程实践表明,含结构面岩体岩爆发生范围更广,频率更高,工程安全风险更大。对含结构面岩体岩爆机制及破坏特征的深入研究对于深埋地下工程岩爆灾害的防控和治理具有重要意义。基于深埋高应力隧洞含结构面岩体岩爆的典型破坏模式,开展室内含结构面花岗岩、灰岩和砂岩试样的真三轴试验,通过荷载‐位移、声发射、围岩体加速度和高速摄影等多种监测手段,研究不同结构面倾角及不同岩性影响下含结构面岩体岩爆特征及破坏机制。研究结果表明,结构面倾角(结构面与最大主应力平面的夹角)、结构面参数(内摩擦角和黏聚力)对含结构面岩体的破坏模式起控制性作用。当结构面倾角较小时,含结构面围岩发生应变型劈裂破坏;当结构面倾角较大时,岩体呈沿结构面剪切滑移破坏特征。当含结构面岩体发生应变型劈裂破坏时,结构面两侧岩体产生与临空面近似平行的张拉裂缝或裂隙,并伴随剧烈岩爆,岩爆坑边界是结构面及劈裂缝围成的空间区域,岩爆弹射体的最大加速度可达13.56 g。而当含结构面岩体发生剪切滑移破坏时,岩体破坏能量大大弱化,几乎无动力破坏现象产生。研究成果可为深埋高应力地下工程灾害防控与治理提供重要参考。

关键词：岩石力学岩爆结构面倾角真三轴试验声发射

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颗粒混凝土冲击压缩动态力学特性试验研究

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哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2024年第1期40卷 85-92页

作者：韩国庆穆朝民陆显峰王阔时本军安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室南京210007

颗粒混凝土材料在建筑结构中应用比较常见,但其冲击下的动力学性能研究欠缺.为得到颗粒混凝土的动力学特性,借助MTS实验机得出其静力学强度,其后使用直径为75 mm SHPB系统对颗粒混凝土试样做了多种加载速度下的冲击试验.结果表明,颗粒... 详细信息

颗粒混凝土材料在建筑结构中应用比较常见,但其冲击下的动力学性能研究欠缺.为得到颗粒混凝土的动力学特性,借助MTS实验机得出其静力学强度,其后使用直径为75 mm SHPB系统对颗粒混凝土试样做了多种加载速度下的冲击试验.结果表明,颗粒混凝土试样的毁坏模式是非脆性碎裂,呈现出延性特点;随着冲击速度的增大,破坏后的形状由试样被压扁(形态基本完整,表现出明显的可压缩性)过渡到絮状.应变率在103.88~464.71 s^(-1)时,试样的峰值应力随着应变率的变大而增大,表现出明显的应变率效应.根据实验现象和实验数据进行分析,推导建立了颗粒混凝土峰值应力前和峰值应力后应力-应变的等效本构方程,将实验数据与拟合数据进行对比,具有较为明显的一致性,验证了本构方程的准确性.

关键词： SHPB 颗粒混凝土动力学峰值应力应变率本构方程

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煤体在冲击荷载作用下的损伤机制

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煤炭学报 2017年第8期42卷 2011-2018页

作者：穆朝民宫能平安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001 安徽理工大学应用力学研究所安徽淮南232001

以静力学、冲击动力为实验手段,得出煤在不同应变率荷载下的应力-应变关系。根据实验结果及煤体动态力学特征,通过改进朱-王-唐本构模型建立了体现煤体应变率效应、损伤特征的本构方程。将建立的方程嵌入有限元程序中对煤体在不同峰值... 详细信息

以静力学、冲击动力为实验手段,得出煤在不同应变率荷载下的应力-应变关系。根据实验结果及煤体动态力学特征,通过改进朱-王-唐本构模型建立了体现煤体应变率效应、损伤特征的本构方程。将建立的方程嵌入有限元程序中对煤体在不同峰值冲击荷载作用下的损伤机理进行研究,研究结果表明:煤体在冲击荷载下出现层状间隔劈裂结构,煤体的劈裂损伤主要有2种形式:①由较大拉剪应力形成的"快速跃升式"损伤;②拉剪-压剪交替作用累积形成的"慢速阶梯式"损伤。

关键词：冲击荷载损伤应变率数值模拟本构方程

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冲击载荷下珊瑚砂混凝土的能量耗散与分形维数的研究

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江西建材 2023年第10期 8-13页

作者：柯健平穆朝民安徽理工大学安全科学与工程学院安徽淮南232001 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001

为了研究冲击气压和礁灰岩粒径在冲击载荷下对珊瑚砂混凝土动态劈裂强度、能量耗散和分形维数等参数的影响,文中以不同粒径礁灰岩为粗骨料制作出珊瑚砂混凝土,利用分离式霍普金森压杆系统,并以不同的冲击气压对粒径不同的珊瑚砂混凝土... 详细信息

为了研究冲击气压和礁灰岩粒径在冲击载荷下对珊瑚砂混凝土动态劈裂强度、能量耗散和分形维数等参数的影响,文中以不同粒径礁灰岩为粗骨料制作出珊瑚砂混凝土,利用分离式霍普金森压杆系统,并以不同的冲击气压对粒径不同的珊瑚砂混凝土试件进行高应变率动态劈裂力学试验。研究结果表明,珊瑚砂混凝土的动态劈裂强度随着冲击气压的增加而增加,礁灰岩粒径为16~20 mm时,试件劈裂强度最大;当礁灰岩粒径为5~10 mm时,不同冲击气压下的耗散能均为最小值,珊瑚砂混凝土抗冲击性能好;各实验组的破碎分形维数在2.2~2.6,小于普通混凝土,说明珊瑚砂混凝土较普通混凝土韧性和阻裂性能均有所提高,这对南海岛礁建设工程具有实际指导意义。

关键词：珊瑚砂混凝土动态劈裂试验 SHPB 分形维数

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高温后钢纤维自密实混凝土动、静态力学性能研究

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硅酸盐通报 2023年第11期42卷 3895-3905页

作者：朱明宫能平穆朝民蔡天宇章雨安徽理工大学土木建筑学院淮南232001 安徽理工大学力学与光电物理学院淮南232001 安徽理工大学安全科学与工程学院淮南232001

为探索高温对钢纤维自密实混凝土(SFRSCC)的动、静态力学性能的影响,对常温(25℃)和不同温度(200、400、600、800℃)热处理后的SFRSCC进行动、静态力学性能试验,结合LS-DYNA软件与HJC本构模型进行数值模拟分析。结果表明:随着温度等级... 详细信息

为探索高温对钢纤维自密实混凝土(SFRSCC)的动、静态力学性能的影响,对常温(25℃)和不同温度(200、400、600、800℃)热处理后的SFRSCC进行动、静态力学性能试验,结合LS-DYNA软件与HJC本构模型进行数值模拟分析。结果表明:随着温度等级的提高SFRSCC的静态抗压强度先增大后减小,在200℃时达最大值66.9 MPa;在同等级冲击荷载作用下,随着温度等级的提高,SFRSCC的动态抗压强度先增大后减小,并在200℃时达到最大;SFRSCC的动态抗压强度随冲击荷载等级的增加而增大,动态强度增长因子随应变率的增加而增大;模拟与试验的破坏形态具有一致性。

关键词：钢纤维自密实混凝土高温动态力学性能静态力学性能数值模拟

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冲击载荷作用下煤岩破碎与耗能规律实验研究

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采矿与安全工程学报 2016年第2期33卷 375-380页

作者：张文清石必明穆朝民安徽理工大学能源与安全学院煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随... 详细信息

为了探索煤岩在冲击过程中的破坏特征和能量耗散规律,利用Φ75 mm霍普金森压杆(SHPB)实验装置,对煤岩试件进行不同应变率条件下的冲击压缩实验,分析了冲击加载速率对煤岩破碎耗能和块度分布的影响。实验结果表明:在实验应变率范围内,随着子弹速度的提高,应变率和应力波携带的能量均呈线性增长,而煤岩破碎耗散能则呈指数上升。通过对实验碎块进行块度分维,发现随着应变率的提高,试件的耗散能密度快速增大,煤岩碎块的分形维数就越大,块度越细,破坏的程度越剧烈。分形维数与应变率及耗散能密度之间呈对数增长的关系,即分形维数增大的趋势变缓。

关键词：煤岩分离式霍普金森压杆动态冲击能量耗散分维

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变埋深条件下混凝土中爆炸应力传播规律的研究

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振动与冲击 2017年第6期36卷 140-145页

作者：李重情穆朝民石必明安徽理工大学能源与安全学院安徽淮南232001 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001

为了研究爆炸冲击应力在变埋深混凝土中的深传播规律,通过自由场实验和量纲分析,研究得出了混凝土中不同埋深爆破冲击应力传播规律,并利用等效当量埋深系数推导出C30混凝土不同埋深爆炸冲击应力预估公式。研究结果表明:对于C30混凝土,... 详细信息

为了研究爆炸冲击应力在变埋深混凝土中的深传播规律,通过自由场实验和量纲分析,研究得出了混凝土中不同埋深爆破冲击应力传播规律,并利用等效当量埋深系数推导出C30混凝土不同埋深爆炸冲击应力预估公式。研究结果表明:对于C30混凝土,装药比例埋深在-0.25~1.0 m/kg^(1/3)范围内时,爆炸冲击应力峰值随装药比例埋深增加而增大,但其衰减规律基本一致;对于不同强度的混凝土触地爆(h=0 m/kg^(1/3)),爆炸冲击应力峰值随混凝土强度增加而增大,应力衰减规律基本一致;给出了较精确的C30混凝土不同埋深爆炸冲击应力预估公式。

关键词：爆炸力学混凝土量纲分析应力波等效当量埋深系数

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