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基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 611-622页

作者：李明耀李绍金彭磊丁宇飞左建平中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此... 详细信息

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明:通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。

关键词：岩石力学弹塑性相场模型数字图像处理非关联塑性本构三轴压缩裂纹扩展细观力学

基于模糊数学的北京城区地下空间地质适宜性评价

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地球学报 2024年第1期45卷 73-79页

作者：孙文洁杨文凯邓岳飞李文杰中国矿业大学(北京)国家煤矿水害防治工程技术研究中心北京100083 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083 建设综合勘察研究设计院有限公司北京100007

以北京六环以内的核心城区为例,在系统分析研究区地质条件的基础上,综合考虑敏感因素对地下空间开发地质适宜性的影响,从而构建地下空间适宜性评价指标体系,并利用层次分析法确定评价指标权重,最后采用模糊数学综合评判法对研究区地下... 详细信息

以北京六环以内的核心城区为例,在系统分析研究区地质条件的基础上,综合考虑敏感因素对地下空间开发地质适宜性的影响,从而构建地下空间适宜性评价指标体系,并利用层次分析法确定评价指标权重,最后采用模糊数学综合评判法对研究区地下空间开发适宜性进行了评价。结果表明:研究区地下空间开发适宜性以适宜性好和较好为主,占比60.11%,地质环境条件较好,总体比较适宜地下空间开发,活动断裂、水源地分布和古河道分布3个敏感因素是制约研究区地下空间开发的主要地质因素。

关键词：适宜性评价地下空间敏感因素模糊数学

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流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 189-199页

作者：陈军涛李昊贾东秀马庆李文昕山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590 山东能源新汶矿业集团有限责任公司邱集煤矿山东德州251105 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样... 详细信息

黄河北煤田因矿井水害影响,安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段,不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源,而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验,观察了灰岩的细观特征,获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性,通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时,起裂强度的变化规律,分析了注浆加固机理。结果表明:注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善,注浆前的灰岩有明显的脆性特征,注浆后灰岩的脆性降低延性增强;注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈,当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育;注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小,峰后渗透率有明显的降低,灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段,并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式,理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样;岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大,注浆对岩石强度的影响越弱。

关键词：注浆加固裂隙长度流固耦合渗透率起裂强度

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煤显微组分对成炭过程及储钠行为的影响

煤炭学报 2024年

作者：何润东郭行孙仲超李文翠大连理工大学化工学院煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院

煤成本低廉、芳香结构丰富，是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。目前煤基硬炭材料的结构调控及储钠性能优化已有较为深入的研究，然而煤的组成复杂，煤自身组成对成炭过程及储钠行为的作用机制尚未明晰。基于此，以新疆烟煤为... 详细信息

煤成本低廉、芳香结构丰富，是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。目前煤基硬炭材料的结构调控及储钠性能优化已有较为深入的研究，然而煤的组成复杂，煤自身组成对成炭过程及储钠行为的作用机制尚未明晰。基于此，以新疆烟煤为前驱体，采取密度梯度离心法富集煤中有机显微组分，并在酸洗脱灰后通过高温炭化制备不同显微组分基硬炭材料。探究各显微组分在热解过程的差异以及其对硬炭材料中石墨微晶生长过程、孔隙结构和表面元素组成的影响，并结合恒电流充放电、恒电流间歇滴定、电化学交流阻抗和循环伏安测试等方法探究各显微组分基硬炭材料储钠行为的差异。结果表明，镜质组与惰质组热解过程存在差异，惰质组的热稳定性更好，镜质组更易生成片层尺寸更大的石墨微晶，在相同炭化处理温度下镜质组基硬炭的石墨化程度更高，且镜质组基硬炭材料表面含氧官能团的浓度高于惰质组基硬炭材料。在储钠行为方面，镜质组基硬炭与惰质组基硬炭的电化学性能随着炭化处理温度展现出不同的变化规律，其中镜质组经1200 ℃炭化制得的硬炭材料因其较多的层间储钠位点与含氧官能团浓度表现出最优的储钠性能，其在0.02 A g-1电流密度下可逆容量达到305.8 mA h g-1，首周库伦效率为82.2%，并且其在0.2 A g-1电流密度下仍能保持235.7 mA h g-1的可逆容量，倍率性能优异。

关键词：钠离子电池负极材料硬炭煤显微组分

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采动诱发断层活化响应机制特征研究

煤田地质与勘探 2024年第4期52卷 12-20页

作者：孙文斌郝建邦戴宪政孔令君山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室陕西西安710077

在煤矿开采过程中,采动引起的应力扰动是导致断层活化的关键因素,这种断层活化是煤矿安全开采面临的主要挑战之一。断层活化不仅易于诱发煤矿冲击地压、底板突水等地质灾害,而且对开采安全构成重大威胁。为分析采动效应下断层构造带的... 详细信息

在煤矿开采过程中,采动引起的应力扰动是导致断层活化的关键因素,这种断层活化是煤矿安全开采面临的主要挑战之一。断层活化不仅易于诱发煤矿冲击地压、底板突水等地质灾害,而且对开采安全构成重大威胁。为分析采动效应下断层构造带的演化机制,通过Flac^(3D)数值模拟软件及相似材料模拟试验,建立采动条件下断层的应力-位移响应模型,进行相关研究。结果表明:开采过程中,扰动对于应力的影响作用要先比位移产生,且应力会出现峰值;当应力出现峰值,达到屈服极限后,扰动对于位移的影响作用逐渐显现;随着工作面不断推进,采动导致上覆岩层大面积垮落,致使上覆岩层与断层带贯通,并逐渐诱发断层带的活化现象;采动影响下,断层活化并不是一次性全阶段活化,而是由上部到下部的逐渐活化,其具有明显的空间性、阶段性特征。明确了断层活化的发生特征,能够有效提高对于断层活化间接引起的冲击地压、底板突水等一系列地质灾害事故的预警预防,对于煤矿安全高效开采生产具有重要意义。

关键词：断层活化采动影响数值模拟相似试验应力分析

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宽高比对煤柱型冲击地压影响规律的实验研究

煤炭学报 2024年第3期49卷 1303-1317页

作者：朱志洁姚振华陈昆吕飞韩军王来贵辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新123000 陕西华彬雅店煤业有限公司陕西咸阳712000

我国深部煤炭开采日趋复杂,区段煤柱在采动、构造或坚硬顶底板影响下极易诱发煤柱型冲击地压,煤柱型冲击地压的防治已成为煤矿安全高效开采的难题,研究不同宽高比条件下区段煤柱的力学性能及冲击破坏特性对煤柱型冲击地压防治具有积极... 详细信息

我国深部煤炭开采日趋复杂,区段煤柱在采动、构造或坚硬顶底板影响下极易诱发煤柱型冲击地压,煤柱型冲击地压的防治已成为煤矿安全高效开采的难题,研究不同宽高比条件下区段煤柱的力学性能及冲击破坏特性对煤柱型冲击地压防治具有积极意义。采用不同宽高比煤样的“岩-煤-岩”组合体进行了单轴压缩实验,通过分析煤岩组合体的冲击倾向性、动态破坏特征、分形维数和声发射特征参数等,研究了宽高比对煤柱冲击破坏的影响规律。结果发现:①煤柱的宽高比对煤岩组合体的冲击倾向性具有显著影响,宽高比不小于2∶1时,其冲击能量指数K_(E)为1.82~2.65,冲击倾向性无明显变化;小于2∶1时冲击倾向性呈先升高后降低的趋势,1∶1时K_(E)最大,达到了15.43。②随宽高比减小,煤岩组合体破坏特征依次表现为:拉压破坏—压剪破坏—拉剪破坏。煤柱宽高比为5∶1~3∶1时,煤岩组合体破坏较为缓慢;宽高比为2∶1时开始出现片状煤屑弹出,冲击破坏剧烈程度较低;宽高比为1∶1和0.75∶1时,具有明显的冲击破坏特性;宽高比为0.5∶1时,煤岩组合体整体稳定性下降,相对0.75∶1煤岩组合体煤柱破坏的剧烈程度降低。③峰后声发射能量释放率与分形维数D变化规律相似,均随宽高比减小呈先升高后降低的趋势。宽高比不小于2∶1时,煤岩组合体破坏过程中能量持续释放时间较长,煤柱破坏平缓;宽高比为1∶1时,能量释放率和D值明显增大,相较宽高比不小于2∶1煤岩组合体的能量释放率增大了约4倍,D值增大了0.18~0.23,煤柱冲击破坏最为剧烈;宽高比0.75∶1煤岩组合体能量释放率与D值分别降低了约10%和0.01,破坏剧烈程度与1∶1煤岩组合体相近;宽高比减小至0.5∶1时,相关参数的降低幅度约为0.75∶1煤岩组合体的6倍,破坏剧烈程度相对较小。研究表明:宽高比对煤柱的冲击破坏具有显著影响,整体上,煤柱冲击破坏剧烈程度随宽高比减小(5∶1~0.5∶1)呈先升高后逐渐降低的趋势;煤柱宽高比大于3∶1时,煤柱冲击危险性相对较小,煤柱宽高比为1∶1和0.75∶1时冲击危险性较大,0.5∶1次之。

关键词：煤柱型冲击地压煤柱宽高比煤岩组合体声发射分形维数

主动围压下岩石爆破裂纹扩展及邻近巷道动态响应

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兵工学报 2024年

作者：何成龙毛翔陈大勇杨可谞霍子怡中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室中北大学机电工程学院

为研究围压作用下岩石爆破和相邻巷道的破坏过程，采用带有炮孔含城门洞形巷道结构岩石试件进行实验，利用动态测试技术和高速摄像等方法，得到岩石动态破坏过程。基于HJC本构模型建立含有巷道和单爆破孔的岩石模型，将无围压下的仿真... 详细信息

为研究围压作用下岩石爆破和相邻巷道的破坏过程，采用带有炮孔含城门洞形巷道结构岩石试件进行实验，利用动态测试技术和高速摄像等方法，得到岩石动态破坏过程。基于HJC本构模型建立含有巷道和单爆破孔的岩石模型，将无围压下的仿真结果与试验结果进行对比，验证数值模拟方法的可行性。在LS-DYNA软件平台中引入应力初始化的方法模拟围压下岩石的破坏过程，分析不同围压环境对岩石爆破裂纹扩展的影响以及偏围压系数k对巷道结构破坏过程的影响。研究结果表明：在双向等围压条件下，随着围压水平的提高，对裂纹的抑制作用越显著，对于巷道有更好的保护作用；在单向围压条件下，随着水平围压的增大，巷道遭到破坏程度越大，随着竖直围压的增大，巷道越不容易发生破坏；偏围压条件下，围压对于爆生裂纹扩展具有明显的导向性，裂纹会朝着主应力的方向扩展，随着围压的增大，裂纹导向性越显著；当偏围压系数k1时，随着k的增大，巷道迎爆面左拱肩的破坏程度越大，巷道稳定性越差。

关键词：岩石爆破围压工程爆破巷道防护

2011年日本Tohoku-Oki大地震(Mw9.0)震前超导重力数据研究

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地球物理学进展 2024年

作者：付书计王辉葛帅寅马方圆宋宝家中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室

地震给人类造成重大的人员伤亡和经济损失，但目前还没有准确预测地震的有效途径。不少学者发现在一些地震发生前超导重力仪可能会观测到震前重力扰动，如2011年日本Tohoku-Oki大地震(Mw9.0)爆发前几天，部分台站会监测到一种缓慢增大... 详细信息

地震给人类造成重大的人员伤亡和经济损失，但目前还没有准确预测地震的有效途径。不少学者发现在一些地震发生前超导重力仪可能会观测到震前重力扰动，如2011年日本Tohoku-Oki大地震(Mw9.0)爆发前几天，部分台站会监测到一种缓慢增大的重力变化，这种重力变化是否为可信的地震前兆还值得进一步研究。本文通过对Kamioka站，Lhasa站、Wuhan站，Medicina站、Wettzell站这5个全球超导重力仪台站震前5天内的秒采样观测数据进行分析，经预处理和高通滤波去除固体潮，进一步通过带阻滤波(0.01Hz≤f≤0.10Hz)滤除了由地震引起的重力突变噪声，得到震前重力变化，发现位于欧洲的Medicina和Wettzell台站在震前3天，重力数据会出现缓慢增大，之后又缓慢减小的变化，其他台站则不存在这种变化。将震前重力变化与附近同时段地震数据进行对比发现，地震记录中同样存在与重力变化形态基本一致的变化，且两者几乎同时出现，计算各台站震前重力变化与地震数据之间的相关性，发现两者之间相关系数均大于0.8，说明震前重力变化是地表振动引起的同震噪声，不是主震的前兆信息。

关键词：超导重力数据地震波地震前兆同震

深部原位应力环境下岩心饼化响应特征及反馈机制初探

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煤炭学报 2024年第4期49卷 1845-1859页

作者：高明忠何坤宸叶思琪谢晶杨本高李飞郝海春刘军军杨尊东深圳大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室广东深圳518060 深圳大学广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室广东深圳518060 深圳大学深地科学与绿色能源研究院广东深圳518060 四川大学水利水电学院四川成都610065 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国电建集团成都勘察设计研究院有限公司四川成都611130

地应力数据是一切深部工程的基础,传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范,理论多是建立在诸多假设基础上,准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征,且不同应力环境产生的饼化形貌各异,通... 详细信息

地应力数据是一切深部工程的基础,传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范,理论多是建立在诸多假设基础上,准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征,且不同应力环境产生的饼化形貌各异,通过岩心饼化反演地应力有望作为一种科学经济、方便快捷的地应力推算方法。试图通过探究深部原位应力条件下岩心饼化行为的力学机制,定义二维条件下的饼化烈度系数,以期实现基于岩心饼化特征计算原位地应力。以松辽盆地松科二井不同深度饼化岩心为研究对象,利用三维数据形貌采集系统获得了饼化岩心的宏观形貌,采用X射线衍射和岩相薄片等测试手段,分析得到了饼化岩心的矿物成分和微观结构;同时,基于离散元分析了不同应力条件下岩心的饼化行为力学机制。结果表明:松科二井饼化岩心形貌特征可分为破碎状、薄饼状、厚饼状、不规则状、半饼化状5类,端面断口形态包括错台状、平面状、灯盏状和花瓣状;岩饼的形貌特征与其埋藏深度、硬质矿物含量和破坏模式有较强的关联性;岩心饼化行为主要受到张拉应力控制,其裂隙起裂一般起始于岩心根部,由外向内向下呈凹陷状或平面状贯通岩心。水平主应力是影响岩心饼化行为的第一要素,高水平主应力能够诱发剧凹状的岩心断口和较宽的带状拉裂纹,垂直主应力是影响岩心饼化的次要因素,一般会抑制饼化行为的发生;钻进过程中岩心饼化行为的发生伴随着能量的规律性变化,其中总应变能呈阶梯状下降,耗散能呈对应的阶梯状上升,且总应变能的瞬时释放是造成岩心饼化的主要原因。研究成果有望为岩心饼化反演地应力提供新思路和有益借鉴。

关键词：岩心饼化松科二井颗粒离散元宏细观特征破坏模式