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应力波扰动对块系煤岩组合体超低摩擦效应影响的实验研究

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实验力学 2022年第4期37卷 585-596页

作者：李利萍张海涛潘一山鞠翔宇唐垒李明会辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学物理学院辽宁沈阳110036

随着煤矿开采深度增加,煤岩体破碎呈块系状,爆破、顶板断裂、集中开采等外力冲击作用下,煤岩巷道容易失稳发生超低摩擦效应,影响开采作业。基于顶板-煤层-底板实际工况建立块系煤岩组合体实验模型,顶底板岩块均为砂岩块体,利用自主研制... 详细信息

随着煤矿开采深度增加,煤岩体破碎呈块系状,爆破、顶板断裂、集中开采等外力冲击作用下,煤岩巷道容易失稳发生超低摩擦效应,影响开采作业。基于顶板-煤层-底板实际工况建立块系煤岩组合体实验模型,顶底板岩块均为砂岩块体,利用自主研制的块系岩体超低摩擦实验系统,研究应力波扰动作用下块系煤岩组合体的超低摩擦效应特征规律。以煤块水平位移和加速度作为反映超低摩擦效应强度的特征指标,探究煤岩组合体在轴压、水平冲击及垂直应力波扰动复合加载作用下,不同应力波扰动(频率1~10Hz、幅值0~1MPa)时块系煤岩组合体的动力响应情况。研究结果表明:应力波扰动频率在1~3Hz时,煤块、岩块的水平位移和加速度最大值均有显著增大,超低摩擦效应强度增大,且在相同条件下煤块水平位移和加速度幅值较岩块响应更为剧烈;煤块、岩块的水平位移和加速度最大值随应力波扰动强度增加呈线性增加的趋势,即应力波扰动强度越大,煤岩组合体超低摩擦效应强度越大,极易诱发动力灾害;应力波扰动使得块体间法向力在一定程度上的降低,是煤岩组合体滑动失稳的重要原因;煤岩组合体动能主频主要分布在20Hz以内时,较易发生超低摩擦效应。

关键词：冲击地压煤岩组合体应力波扰动超低摩擦效应水平位移

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应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

地下空间与工程学报 2022年第5期18卷 1605-1614页

作者：李利萍唐垒潘一山鞠翔宇孙媛涛辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 中安国泰(北京)科技发展有限公司北京100012 辽宁大学物理学院沈阳110036

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能... 详细信息

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。

关键词：冲击地压超低摩擦效应含孔洞砂岩块体矿山开采应力波扰动

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应力波扰动对砂岩块体超低摩擦效应影响分析

岩石力学与工程学报 2021年第S01期40卷 2773-2780页

作者：李利萍唐垒潘一山鞠翔宇张海涛李明会辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学物理学院辽宁沈阳110036

以砂岩块体为研究对象,利用自主研制的超低摩擦试验装置,进行垂向应力波扰动条件下砂岩块体超低摩擦效应试验研究。通过对砂岩块体施加垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用,模拟深部岩体所处应力环境。分析垂向应力波扰动频率... 详细信息

以砂岩块体为研究对象,利用自主研制的超低摩擦试验装置,进行垂向应力波扰动条件下砂岩块体超低摩擦效应试验研究。通过对砂岩块体施加垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用,模拟深部岩体所处应力环境。分析垂向应力波扰动频率、应力波扰动振幅对砂岩工作块体超低摩擦效应影响规律。研究结果表明:垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用下砂岩块体超低摩擦滑动失稳过程分为应力波扰动、超低摩擦加速滑动、非稳定滑动、稳定滑动4个阶段。垂向应力波扰动作用既是块体发生超低摩擦效应的关键因素,又是诱发块体发生超低摩擦效应的催化剂。应力波扰动频率对砂岩工作块体超低摩擦效应存在低频显著影响区,应力波扰动频率在1~3 Hz低频时,砂岩工作块体超低摩擦效应最为明显。相同水平冲击作用下,砂岩工作块体水平位移、水平加速度峰值与应力波扰动强度间均呈线性关系。

关键词：岩石力学应力波扰动砂岩块体冲击地压超低摩擦效应扰动频率扰动强度

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应力波扰动下结构面的应力量化及强度表征

岩土力学 2018年第8期39卷 2844-2850,2857页

作者：王斐笠王述红修占国东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819

开挖利用和开发建设等人类工程活动,破坏了岩体原有的天然应力平衡状态,而结构面的存在进一步恶化了地质环境安全,所以,为了有效防治崩塌、滑坡等地质灾害的发生,有必要对扰动作用下结构面的应力状态和强度特性进行分析研究。将岩体所... 详细信息

开挖利用和开发建设等人类工程活动,破坏了岩体原有的天然应力平衡状态,而结构面的存在进一步恶化了地质环境安全,所以,为了有效防治崩塌、滑坡等地质灾害的发生,有必要对扰动作用下结构面的应力状态和强度特性进行分析研究。将岩体所受扰动作用以应力形式量化,分析了扰动应力波在结构面中的传递过程并对其衰减特征进行了量化,同时建立了扰动作用下结构面应力分析模型。基于此,结合库仑-纳维叶准则,给出了扰动作用下结构面的强度分析准则,同时,实现了扰动作用对结构面强度的劣化效应分析并使用折减系数进行定量描述。该过程的实现为有效防治工程活动引起的地质灾害提供理论依据,给出了一种分析扰动作用下地质灾害诱发机制的新思路。

关键词：应力波扰动结构面应力量化强度表征

应力波扰动对块系岩体超低摩擦效应影响试验研究

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应力波扰动对块系岩体超低摩擦效应影响试验研究

作者：鞠翔宇辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

随开采深度增加,深部岩体更趋于破碎成为块系介质,在高地应力和开采扰动条件下,极易发生块系岩体超低摩擦效应,进而诱发冲击地压灾害。考虑砂岩顶板间、顶板-煤-底板间、深部趋于破碎的岩体与岩体间、巷道中以及覆水岩层间等实际工况。... 详细信息

随开采深度增加,深部岩体更趋于破碎成为块系介质,在高地应力和开采扰动条件下,极易发生块系岩体超低摩擦效应,进而诱发冲击地压灾害。考虑砂岩顶板间、顶板-煤-底板间、深部趋于破碎的岩体与岩体间、巷道中以及覆水岩层间等实际工况。以块系岩体为研究对象,采用自主研制超低摩擦试验装置分别进行应力波扰动条件下不同岩性、非均质、不同高度以及含水块体超低摩擦效应试验研究。对块系岩体施加轴压、水平冲击以及垂直方向应力波扰动作用,来模拟岩石所处应力环境。通过改变应力波扰动频率、幅值,以工作块体残余位移、水平加速度表征块体超低摩擦效应强度,分析完整砂岩块体、煤岩组合块体、两块平行节理砂岩块体、四块平行节理砂岩块体、含孔洞砂岩块体以及不同高度砂岩块体、含水砂岩块体超低摩擦效应强度及块体能量特征规律。其结论为块系岩体超低摩擦效应研究深入认识提供了重要科学参考。研究结果表明:(1)分析了应力波扰动对块系岩体超低摩擦效应强度影响规律。应力波扰动频率对块体超低摩擦效应影响存在强弱区间,当应力波扰动频率位于1Hz低频区间内,块体残余位移增大,超低摩擦效应强度增强;块体超低摩擦效应强度随应力波扰动幅值增大而增大,四块平行节理块体残余位移及加速度最大值随应力波扰动幅值增加呈指数增长趋势。(2)分析了应力波扰动下块体岩性及非均质性对块体超低摩擦效应强度影响规律。同一水平冲击载荷作用下,块体超低摩擦效应由强到弱依次为四块平行节理砂岩块体、含孔洞砂岩块体、煤岩块体、两块平行节理砂岩块体、完整砂岩块体。(3)分析了应力波扰动下工作块体高度及含水率对块体超低摩擦效应强度影响规律。工作块体高度越小、含水率越大,则块体超低摩擦效应强度越大。(4)分析了应力波扰动下工作块体动能及功率谱密度特征规律。块体动能具有集聚效应和短时峰值特性。功率谱密度曲线在低频区积聚,高频区衰减。当块体受到2.5MPa水平冲击作用时,功率谱密度极值频率在10Hz以内。

关键词：冲击地压超低摩擦效应应力波扰动块系岩体含水率

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煤岩界面粗糙度对超低摩擦效应影响研究

岩石力学与工程学报 2024年第4期43卷 851-861页

作者：李利萍胡学锦潘一山孙媛涛辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学灾害岩体力学研究所辽宁沈阳110036

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,以煤块为工作块体,通过改变煤块表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,利用... 详细信息

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,以煤块为工作块体,通过改变煤块表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,利用其水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,进行应力波扰动下煤岩界面不同粗糙度对煤岩块体超低摩擦效应影响试验。研究结果表明:(1)不同煤岩界面粗糙度下,超低摩擦效应存在频率敏感值,扰动频率为2 Hz时,煤岩界面易发生超低摩擦效应。(2)扰动幅值与超低摩擦效应强度线性正相关。煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移、水平加速度越大,超低摩擦效应强度越大;煤岩界面粗糙度越大,工作块体水平位移、水平加速度增长幅度越大,扰动幅值对超低摩擦效应的影响越大。(3)粗糙度仅在一定范围内对超低摩擦效应产生影响,影响超低摩擦效应的粗糙度系数临界值为3.81。(4)水平冲击力越大,工作块体水平位移、水平加速度越大,超低摩擦效应强度越大。

关键词：采矿工程煤岩界面粗糙度应力波扰动煤岩块体超低摩擦效应

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煤的冲击倾向性对深部煤岩界面超低摩擦效应影响研究

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岩土力学 2024年第6期45卷 1633-1642页

作者：李利萍胡学锦潘一山李明会辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学灾害岩体力学研究所辽宁沈阳110036

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低... 详细信息

为了揭示动载扰动下煤的冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤块为研究对象,首先通过单轴压缩试验测定了煤样冲击倾向性,然后采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以煤块滑动位移、动能表征冲击过程中超低摩擦效应强度,开展了应力波扰动下不同冲击倾向性煤块超低摩擦试验。研究结果表明:(1)超低摩擦效应强度受扰动频率影响存在频率显著影响区,强、弱、无冲击倾向性煤块频率显著影响区分别为2.5~3.5 Hz、2.0~3.0 Hz、1.5~2.5 Hz,频率显著影响区内煤岩界面更易发生超低摩擦效应。随着煤块冲击倾向性增强,频率显著影响区域整体右移。(2)超低摩擦效应强度与扰动幅值正相关,在高强度扰动下强冲击倾向性煤更易发生超低摩擦效应。(3)建立了有效弹性能释放速率指数与动能之间的拟合函数关系式,实现了用煤的冲击倾向性指标综合评价超低摩擦效应强度。

关键词：应力波扰动煤岩块体冲击倾向性煤岩界面超低摩擦效应

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P波、S波扰动下逆冲断层卸载滑移实验研究

采矿与安全工程学报 2022年第4期39卷 693-701页

作者：张宁博单仁亮赵善坤郭彦双王寅赵阳中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院) 北京100013 北京市煤矿安全工程技术研究中心北京100013 中国地震局地质研究所北京100029

基于P波、S波扰动条件下逆冲断层卸载实验,研究了逆冲断层滑移过程中差应力、位移场、变形场和声信号的演化特征,提出了断层滑移的截齿“爬坡”模型,分析了P波、S波的扰动机制。研究结果表明:P波、S波对断层滑移的扰动效应不同。应力波... 详细信息

基于P波、S波扰动条件下逆冲断层卸载实验,研究了逆冲断层滑移过程中差应力、位移场、变形场和声信号的演化特征,提出了断层滑移的截齿“爬坡”模型,分析了P波、S波的扰动机制。研究结果表明:P波、S波对断层滑移的扰动效应不同。应力波扰动引起断层滑移时的差应力“突变”次数增加,且P波引起“突变”次数大于S波;P波扰动时断层各测点位移“突变”现象明显,而S波则引起测点位移的震荡;S波扰动引起剪切应变“突变”量略大于P波,S波对法向应变扰动影响大于剪切应变;主滑移声信号包含启滑、主震、尾波3个部分;断层面可视为上下盘无数微小截齿的相互咬合,断层滑移是微截齿从一个齿缝爬到邻近齿缝的过程;P波主要对法向应力和摩擦系数产生影响,而S波主要对剪切应力形成扰动。

关键词：应力波扰动逆冲断层断层滑移模型 P波 S波

基于FLAC-3D砂岩块体超低摩擦鞭梢效应研究

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应用数学和力学 2022年第3期43卷 300-311页

作者：李利萍唐垒潘一山邰英楼张海涛辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000 辽宁大学物理学院沈阳110036

随着矿山开采深度的持续增加,深部岩体力学行为呈现出新形式、新特征.广泛应用于建筑行业的鞭梢效应与深部岩体部分动力响应现象极为相似.故从结构特征出发,以砂岩块体为研究对象,工作块体(水平冲击作用块体)水平位移及加速度为参考指标... 详细信息

随着矿山开采深度的持续增加,深部岩体力学行为呈现出新形式、新特征.广泛应用于建筑行业的鞭梢效应与深部岩体部分动力响应现象极为相似.故从结构特征出发,以砂岩块体为研究对象,工作块体(水平冲击作用块体)水平位移及加速度为参考指标,通过试验及FLAC-3D数值模拟计算的方式,探究工作块体“位置”及“尺寸”对其超低摩擦鞭梢效应影响机制.研究表明:系统产生超低摩擦鞭梢效应的难易程度与工作块体尺寸密切相关,模拟中工作块体边长为标准块体(边长100 mm立方体)边长2/5时,系统结构诱发超低摩擦鞭梢效应尤其显著;在一定范围内,工作块体所处位置距扰动源越远,超低摩擦鞭梢效应强度越大,当超过这一范围时,则会出现减小趋势,即超低摩擦鞭梢效应强度随工作块体与震源块体间距离呈先增后减关系.

关键词：应力波扰动砂岩块体冲击地压 FLAC-3D 超低摩擦鞭梢效应