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考虑实际接触三维粗糙度退化的软岩节理剪胀规律预测模型

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岩土工程学报 2024年第5期46卷 1008-1017页

作者：班力壬杜伟升候宇航戚承志陶志刚北京建筑大学土木与交通工程学院北京100044 煤炭科学研究总院有限公司深地科学院北京100013 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

为预测岩石节理的剪胀变形行为,分析了恒法向荷载作用下实际接触微凸体三维粗糙度在剪切过程中的退化规律,提出了一个适用于软岩节理的剪胀曲线预测模型。在剪切荷载作用下节理法向位移的变化是节理在三角形微凸体侧面爬坡上升行为与爬... 详细信息

为预测岩石节理的剪胀变形行为,分析了恒法向荷载作用下实际接触微凸体三维粗糙度在剪切过程中的退化规律,提出了一个适用于软岩节理的剪胀曲线预测模型。在剪切荷载作用下节理法向位移的变化是节理在三角形微凸体侧面爬坡上升行为与爬越一些微凸体顶点后闭合行为的叠加,爬坡行为与闭合行为引起的位移都正比于节理最大可能剪胀角。最大可能剪胀角退化的实质是实际接触节理微凸体平均等效倾角的退化。通过分析初始剪切与残余应力阶段的节理形貌特征,提出了计算初始最大可能剪胀角与残余应力阶段剪胀角的模型。基于软岩节理不发生突然脆性破坏的假设,进一步通过研究剪切过程中节理微凸体退化规律,量化了最大可能剪胀角的变化规律。定量了节理爬坡行为、闭合行为与最大可能剪胀角之间的关系,进而提出了节理剪胀规律预测模型,通过试验验证了模型的有效性。模型可较准确预测软岩节理的剪胀规律,并可合理描述节理初始阶段剪切压密行为。

关键词：节理剪胀形貌退化微凸体三维粗糙度节理形貌

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非轴对称外荷载条件下深埋隧洞变形特征研究

中国矿业 2024年第S1期33卷 421-427页

作者：孟庄涵王玉涛田延哲赵一燕中煤科工生态环境科技有限公司北京100013 西安理工大学土木建筑工程学院陕西西安710048

为研究非轴对称外荷载条件的地下典型隧洞变形特征,基于圆形隧洞、非圆形隧洞的解析解,总结了洞壁应力、位移的影响因子;采用数值模拟,建立变侧压系数下三种非圆形隧洞离散元模型,得到隧洞岩体的应力、位移、破裂分布模式。研究结果表明... 详细信息

为研究非轴对称外荷载条件的地下典型隧洞变形特征,基于圆形隧洞、非圆形隧洞的解析解,总结了洞壁应力、位移的影响因子;采用数值模拟,建立变侧压系数下三种非圆形隧洞离散元模型,得到隧洞岩体的应力、位移、破裂分布模式。研究结果表明:对于圆形隧洞,洞壁上应力差最大,最易发生破坏;总应力集中系数变化特征为变量侧压系数的单调函数;径向位移对围岩稳定性起主导作用。对于非圆形隧洞,侧压系数的增大,围岩的主导位移由垂直位移转变为水平位移;侧压系数从0.5→1.0→2.0变化时,最大主应力由边墙转移至拱顶,最小主应力始终集中在边墙洞周;同外荷载、同侧压系数时,城门洞隧洞围岩破坏形式简单,塑性区半径小,矩形隧洞围岩破坏形式复杂,塑性区半径大,椭圆形隧洞在侧压系数小于1时边墙塑性区半径最大。

关键词：非轴对称外荷载圆形隧洞非圆形隧洞侧压系数离散元

榆神矿区中深煤层开采松散含水层地下连续墙侧向截水帷幕可行性分析

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煤炭学报 2024年

作者：赵春虎王世东姬中奎朱开鹏梁向阳中煤科工西安研究院(集团)有限公司煤矿灾害防控全国重点实验室陕西省煤矿水害防治技术重点实验室

榆神矿区是陕北煤炭基地的主力矿区，高强度煤炭资源开发过程中煤层顶板水害与地下水资源流失问题突出，随着黄河流域生态环境保护战略的全面推进，对矿井水防治与水资源保护提出了超前化、主动化、源头化的地质保障要求。文章针对陕北... 详细信息

榆神矿区是陕北煤炭基地的主力矿区，高强度煤炭资源开发过程中煤层顶板水害与地下水资源流失问题突出，随着黄河流域生态环境保护战略的全面推进，对矿井水防治与水资源保护提出了超前化、主动化、源头化的地质保障要求。文章针对陕北榆神矿区井工煤矿煤层开采影响下近地表富水松散含水层涌（失）水问题，借鉴露天大水矿区地下连续墙的帷幕减渗成功经验，从稳定的补给水源、相对集中补给通道，以及防绕流托底三个方面总结了煤矿区开展地下水连续墙截水帷幕的基本条件；通过建立井工煤矿开采与松散富水含水层帷幕条件下矿井涌水量理论计算模型，得出截水帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大，以及距离采掘范围越近是减少煤层顶板近地表松散含水层涌（失）水的基本原理。以榆神矿区某矿工作面集中涌水问题对研究对象，依据井工煤矿地下水连续墙帷幕减渗基本原理，分析得出工作面集中涌水区段主要水源以近地表松散含水层地下水为主，且具备稳定可观的动态补给，煤层开采形成的导水裂隙突破顶板隔水土层揭露松散层内条带状古河道（古河道内隔水土层变薄、松散层增厚），形成了相对集中的涌水通道，以及在“上含下隔”（上为富水松散含水层，下为相对隔水土层）的防绕流托底组合结构下，认为该区段具有建造侧向截水帷幕墙的可行性。并建立了案例矿井正常开采与侧向帷幕墙建设条件下地下水系统数值模型，模拟结果显示，在工作面外围局部侧向帷幕工况下（侧向帷幕墙体长度600m），帷幕墙体内外松散含水层地下水水位梯度显著加剧，但由于松散含水层良好的渗透性，以及井田地面东高西低地形地貌控水条件，帷幕墙体外围近地表松散层地下水水位整体未发生明显抬升，原来通过薄基岩区、松散层增厚带进入工作面采空区的地下水径流量沿帷幕墙体外围导流至下游，600m长侧向截水帷幕整体减水效率28.43%。文章研究成果为榆神矿区井工煤矿开展基于侧向截水帷幕的顶板水害防治与地下水资源保护可行性分析提供了科学依据。

关键词：顶板水害导水裂隙充水条件截水帷幕保水开采

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蒙陕接壤区煤层顶板涌水水源智能判别方法

煤田地质与勘探 2024年第4期52卷 76-88页

作者：王皓孙钧青曾一凡尚宏波王甜甜乔伟煤炭科学研究总院北京100013 中煤科工西安研究院(集团)有限公司陕西西安710077 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077 中国矿业大学(北京)国家煤矿水害防治工程技术研究中心北京100083

蒙陕接壤区煤炭高强度开采诱发的煤层顶板水害问题日益凸显,高效智能地判别煤层顶板涌水水源是顶板水害防治的关键。以蒙陕接壤区3个典型矿井为研究对象,将无机指标K^(+)+Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)、... 详细信息

蒙陕接壤区煤炭高强度开采诱发的煤层顶板水害问题日益凸显,高效智能地判别煤层顶板涌水水源是顶板水害防治的关键。以蒙陕接壤区3个典型矿井为研究对象,将无机指标K^(+)+Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)、HCO_(3)^(-)、TDS和有机指标UV_(254)、TOC、溶解性有机质(DOM)的荧光光谱作为判别指标,利用主成分分析法(PCA)对80组地下水水样数据进行主成分提取,提出一种人工鱼群算法(AFSA)改进随机森林(RF)的PCA-AFSA-RF顶板涌水水源智能判别方法。首先,建立PCA-RF判别模型,其准确率(A_(c))、精确率(P_(r))、召回率(R_(c))和F-measure指数(f_(1))分别达到了83.00%、83.17%、80.42%和79.57%;其次,通过AFSA对PCA-RF判别模型中决策树数目、树深和内部节点分裂所需的最小样本数进行寻优,在AFSA中引入遗传机制以避免陷入局部最优,建立基于PCA-AFSA-RF的煤层顶板涌水水源智能判别模型,该模型A_(c)、P_(r)、R_(c)、f_(1)分别达到92.18%、91.11%、87.58%和88.82%,较PCA-RF分别提高9.18%、7.94%、7.16%和9.25%,回代准确率达到97.50%;最后,利用该模型对12个矿井水水样进行判别,结果与现场实际相一致,表明AFSA改进后的PCA-RF模型具有更好的准确性和泛化能力。研究结果可为煤层顶板涌水水源的准确判别提供新方法。

关键词：蒙陕接壤区顶板涌水无机-有机指标机器学习智能判别

深部原生煤岩组合体三轴压缩破裂特征与失稳模式

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煤田地质与勘探 2024年第8期52卷 111-123页

作者：李春元煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院北京100013 天地科技股份有限公司北京技术研究分公司北京100013

【目的】深部含煤地层原生分界面及其层状组合结构发育,在开采扰动作用下,层状煤岩体的原生组合结构破裂失稳是诱发突水等灾害的主要原因之一。【方法】为研究深部开采原生煤岩组合结构对层状岩体稳定性的影响,室内开展三轴压缩破裂试验... 详细信息

【目的】深部含煤地层原生分界面及其层状组合结构发育,在开采扰动作用下,层状煤岩体的原生组合结构破裂失稳是诱发突水等灾害的主要原因之一。【方法】为研究深部开采原生煤岩组合结构对层状岩体稳定性的影响,室内开展三轴压缩破裂试验及CT扫描重构,获得深部原生煤岩组合体与煤、岩单体破裂的差异,分析深部原生煤岩组合体分界面及其胶结区域的强度变化规律,划分其三轴压缩失稳的主导模式为低强度煤、原生胶结面及高强度岩石失稳3种,揭示各主导模式形成的力学机制,明确煤岩组合体失稳强度介于低强度煤与高强度岩石之间的力学机理。【结果和结论】结果表明:深部原生煤−岩及煤−岩−煤组合体的失稳强度介于煤、岩单体之间,前两者大小与其岩石含量及界面结构相关;原生界面区域煤的抗压强度变化速率对泊松比、黏聚力与内摩擦角等参数变化敏感,并远高于岩石;低强度煤的主破裂可穿越原生分界面,促使硬岩产生类似于含单裂隙结构面岩石的破裂机制,并导致组合体的失稳强度低于岩石单体。研究成果提升了对深部开采层状岩体失稳致灾机理的认识。

关键词：深部开采原生煤岩组合体三轴压缩破裂失稳模式煤岩分界面

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坚硬顶板破断规律及弱化治理技术研究

煤炭技术 2024年第4期43卷 43-47页

作者：赵凯李准吴海波王继超黄子康国能集团宁夏煤业有限责任公司银川750411 煤炭科学技术研究院有限公司北京100013

针对枣泉煤矿130205工作面坚硬顶板难以垮落的问题,建立一端固支一端简支的岩梁力学模型,分析了顶板破断力学特征,确定了1030205工作面顶板坚硬岩层关键层位,理论计算了基本顶初次破断步距。提出了常规钻孔与长水平定向钻孔相结合的水... 详细信息

针对枣泉煤矿130205工作面坚硬顶板难以垮落的问题,建立一端固支一端简支的岩梁力学模型,分析了顶板破断力学特征,确定了1030205工作面顶板坚硬岩层关键层位,理论计算了基本顶初次破断步距。提出了常规钻孔与长水平定向钻孔相结合的水力压裂弱化治理坚硬顶板方案,并对工作面初采阶段采动影响规律进行分析,验证了水力压裂弱化治理坚硬顶板的有效性,指出了后续工作面开采重点弱化治理区域,为相似条件工作面坚硬顶板弱化治理提供了可借鉴的方法。

关键词：坚硬顶板水力压裂采动影响规律弱化治理

基于FLAC^(3D)和概率积分法的公路下伏采空区变形影响分析与评价

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能源与环保 2024年第2期46卷 262-268页

作者：陈凯陈清通孙庆先何照煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 煤矿灾害防控全国重点实验室北京100013 北京市煤矿安全工程技术研究中心北京100013

某矿S3102工作面上方地表有市政二级公路,工作面开采造成部分路面下沉塌陷损毁。为了对公路损毁程度进行准确评估,分别用FLAC^(3D)数值模拟方法和概率积分法对地表移动变形进行预测计算,计算结果与实测数据进行对比分析。FLAC^(3D)数值... 详细信息

某矿S3102工作面上方地表有市政二级公路,工作面开采造成部分路面下沉塌陷损毁。为了对公路损毁程度进行准确评估,分别用FLAC^(3D)数值模拟方法和概率积分法对地表移动变形进行预测计算,计算结果与实测数据进行对比分析。FLAC^(3D)数值模拟结果和概率积分法计算结果分别显示,公路地表最大下沉值分别为4979 mm和4880 mm,与实测公路地表最大下沉值4870 mm十分接近,最大误差在2%左右。研究结果表明,利用三维数值模拟软件模拟和概率积分法研究复杂采空区影响地表移动变形规律是可行的,能够较为准确地预测地表移动变形情况,可为采空区地表稳定性评估提供技术支持,供类似矿区道路塌陷预测研究借鉴。

关键词： FLAC^(3D) 概率积分法地表移动变形稳定性评估

冻融循环次数对饱水砂岩力学特性的影响分析及预测

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中国煤炭地质 2024年第1期36卷 36-40页

作者：周游陈彦龙中煤科工生态环境科技有限公司北京100013 天地科技股份有限公司北京100013 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

为了研究高寒地区冻融循环次数对饱水砂岩物理力学特性的影响,开展了冻融0次、20次、40次和60次四种不同冻融循环次数下西部某露天矿砂岩单轴压缩试验。基于试验结果,分析了冻融循环对砂岩质量、变形及强度等物理力学特性的影响规律。... 详细信息

为了研究高寒地区冻融循环次数对饱水砂岩物理力学特性的影响,开展了冻融0次、20次、40次和60次四种不同冻融循环次数下西部某露天矿砂岩单轴压缩试验。基于试验结果,分析了冻融循环对砂岩质量、变形及强度等物理力学特性的影响规律。通过分析得到以下结果:随着冻融次数的增加,饱水砂岩质量不断增加,到冻融40次后,砂岩质量趋于稳定;砂岩的应力-应变曲线呈现出四个阶段,峰值强度和弹性模量随着冻融次数增多而呈线性减少的变化趋势。建立了以应变和冻融次数为输入层,应力为输出层,含一个隐含层的神经网络本构模型。通过对比分析冻融60次试验结果,验证了该模型具有良好的适用性。

关键词：冻融循环力学特性砂岩神经网络本构模型

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低渗透致密黏土电渗排水技术室内试验研究

岩石力学与工程学报 2021年第S02期40卷 3464-3471页

作者：李金典韩猛封海洋陈亚飞中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 煤矿安全技术国家重点实验室辽宁抚顺113122

为了解决常规排水固结法对于低渗透致密岩土体加固效果不佳的问题,鉴于电渗排水技术在软土地基加固方面取得的成果,选取某露天煤矿边坡低渗透致密黏土样品,通过实验室对原状土及重塑黏土样品开展电渗排水,试验研究。结果表明:电渗排水... 详细信息

为了解决常规排水固结法对于低渗透致密岩土体加固效果不佳的问题,鉴于电渗排水技术在软土地基加固方面取得的成果,选取某露天煤矿边坡低渗透致密黏土样品,通过实验室对原状土及重塑黏土样品开展电渗排水,试验研究。结果表明:电渗排水可以分为初始排水、稳定排水和后期排水3个阶段,实际工程中可以将电流急剧下降作为电渗排水的结束标志,避免后期能耗增大;低渗透致密原状黏土在电渗排水法加固过程中,含水率平均,降低13.4%,承载力平均提高了1.34倍,抗剪强度平均提高了1.85倍:此外,相同条件下,板电极布置形式对土,体的加固效果更好,但电极平行错位布置形式更适用于实际工程中。

关键词：土力学电渗排水低渗透致密黏土排水特性电极布置能耗