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法向动载条件下粗糙岩质节理面剪切力学特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第7期43卷 1751-1762页

作者：代万里张强谷邱鑫叶思哲李涛时林坡韩贵雷徐鼎平中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050024 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

为探究地震荷载作用下岩石节理的承载特性,开展不同法向动载应力边界条件下岩质节理面剪切试验,分析法向动载幅值和频率对节理面强度参数、变形参数以及破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着动载幅值由增大,峰值剪切强度呈线性趋势降低... 详细信息

为探究地震荷载作用下岩石节理的承载特性,开展不同法向动载应力边界条件下岩质节理面剪切试验,分析法向动载幅值和频率对节理面强度参数、变形参数以及破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着动载幅值由增大,峰值剪切强度呈线性趋势降低48.27%~55.59%,而动载频率对峰值剪切强度影响较小;进入稳定残余阶段,剪切应力幅宽随幅值的增大呈线性趋势增大1.24~2.83倍;动载频率由0.2 Hz增大至0.5 Hz,剪切应力幅宽迅速减小36.28%~40.61%,在频率大于0.5 Hz后缓慢降低。(2)峰前剪切刚度呈现法向应力依赖性,随动载幅值和频率的增大剪切刚度和剪胀性均明显降低。(3)法向应力于剪切应力波峰存在明显相位偏移,相位偏移随着动载幅值和频率的增大而降低,且在频率达到2.0 Hz后无明显相位偏移。(4)当频率低于0.5 Hz时,节理面磨损面积占比迅速增加了36.10%~69.37%,而当频率大于0.5 Hz时,其磨损面积占比近似呈线性增加了5.17%~10.18%。

关键词：岩石力学节理法向动载剪切应力力学行为

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公路高边坡灾变机理及滑动力响应规律分析

科学技术与工程 2024年第11期24卷 4741-4749页

作者：高亮张腾伍饶法强修渴馨刘宇飞陶志刚广州大广高速公路有限公司广州510900 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

降雨是导致和诱发滑坡的主要因素,据调查中国大约68%的滑坡灾害是由于降雨作用所致。为揭示降雨诱因与边坡岩土体劣化变形之间的关联性,以大广高速新丰段边坡为例,对降雨诱发边坡失稳破坏模式展开研究。通过建立降雨与开挖条件下的大广... 详细信息

降雨是导致和诱发滑坡的主要因素,据调查中国大约68%的滑坡灾害是由于降雨作用所致。为揭示降雨诱因与边坡岩土体劣化变形之间的关联性,以大广高速新丰段边坡为例,对降雨诱发边坡失稳破坏模式展开研究。通过建立降雨与开挖条件下的大广高速新丰段边坡的三维数值计算模型,分析滑坡应力场和位移云场演变规律,确定了滑动面埋深(H=14 m)和滑动面地表出露位置,并发现滑动面出露处呈“后缘张拉V形裂缝、舌部挤压隆起变形”为主的破坏模式,坡面以蠕滑变形为主的破坏模式;开展新丰段边坡“耦合锚索框架梁+抗滑桩”加固设计及可行性数值模拟分析;最后,在新丰段边坡上建立了公路边坡滑动力综合在线安全监测预警系统,揭示了滑动力随降雨量的动态响应规律。结果表明:在抗滑桩加固位置,坡体Z方向变形量减小,最大变形量仅为9 mm,满足边坡控制要求。可见,为类似公路高边坡的安全监测和变形机理研究奠定了理论和实践基础。

关键词：降雨边坡数值模拟破坏机理牛顿力

金属矿山硬岩巷道分阶段掏槽爆破数值模拟研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：何松林杨仁树丁晨曦王利军严振湘陈建华刘朕刘森王学文北京科技大学土木与资源工程学院深部岩土力学与地下工程国家重点实验室首钢矿业公司

针对地下金属矿山深部硬岩强度高，掏槽难度大，掘进效率低下的问题，以首钢杏山地下铁矿巷道掘进项目为背景，基于数码电子雷管精准逐孔起爆，提出针对直眼桶形掏槽爆破的掏槽区孔内分段与孔间、孔内延时相结合的分阶段爆破方案。采用... 详细信息

针对地下金属矿山深部硬岩强度高，掏槽难度大，掘进效率低下的问题，以首钢杏山地下铁矿巷道掘进项目为背景，基于数码电子雷管精准逐孔起爆，提出针对直眼桶形掏槽爆破的掏槽区孔内分段与孔间、孔内延时相结合的分阶段爆破方案。采用数值模拟以及现场试验方式，在现场原传统方案的基础上，对掏槽区炮孔进行孔内分段、孔间以及孔内微差起爆的分阶段起爆设置。通过LS-DYNA数值模拟软件建立掏槽区三维模型，设置了原传统方案和3种分阶段方案进行模拟计算，对比分析了原传统爆破方案和分阶段方案在掏槽区的有效应力峰值演化情况。数值模拟结果表明：采用孔间短延时分阶段爆破方案能够改变有效应力峰值波动形态，与原传统方案相比，掏槽区沿炮孔方向岩体的有效应力峰值状态提升40%～57%，炮孔底部0～30 cm半径岩体有效应力峰值状态提升幅度在84%～92%。在数值模拟结果的基础上，开展了现场试验验证，现场试验表明：在矿石点位掘进中，采用孔间短延时微差起爆能够改善碎石挤死的现象，采用孔内短延时微差起爆能够提高抛掷能力，改善上段炮孔爆破后产生碎石的抛掷效果，避免影响后续炮孔爆破，在硬岩爆破中二者结合可以明显改善爆破效果，掏槽进尺提高28%；在岩石点位掘进中，采用孔间短延时，孔内长延时设置能获得良好的掘进效果。

关键词：掏槽爆破孔间延时孔内延时分段直眼掏槽电子雷管数值模拟

基于耗散能演化的层状黄砂岩损伤本构模型及其验证

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工程科学学报 2024年第5期46卷 784-799页

作者：刘冬桥郭允朋李杰宇凌凯中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

层理构造影响工程岩体力学性质及稳定性.为探究层理倾角对岩石变形损伤过程的影响,开展了0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°共7种不同层理角度的黄砂岩纵波波速测试和单轴压缩试验,分析了层理角度对黄砂岩峰值强度、弹性模量及破裂模... 详细信息

层理构造影响工程岩体力学性质及稳定性.为探究层理倾角对岩石变形损伤过程的影响,开展了0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°共7种不同层理角度的黄砂岩纵波波速测试和单轴压缩试验,分析了层理角度对黄砂岩峰值强度、弹性模量及破裂模式的影响,基于弹性模量劣化程度和耗散能演化特征分别表征黄砂岩初始层理损伤变量和荷载损伤变量,并借助Logistic函数模拟了层理与荷载耦合损伤变量演化全过程,探讨了层理角度对黄砂岩损伤演化规律的影响,进一步结合损伤力学理论与有效介质理论,建立了能够模拟单轴压缩下层状黄砂岩变形全过程的分段本构模型.结果表明:随层理倾角增大,黄砂岩纵波波速逐渐增大,峰值抗压强度和弹性模量呈现先减小后增大再减小的倒N型变化趋势,各向异性特性明显;黄砂岩破裂模式与层理倾角密切相关,倾角在0°~60°范围内时,主要发生穿切层理弱面的劈裂型张拉破坏,倾角为75°和90°时,岩样发生沿层理弱面的剪切滑移和劈裂张拉破坏;基于耗散能表征的损伤演化曲线可分为初始无损伤、损伤开始、损伤加速及损伤减速终止4个过程,借助Logistic函数构建的理论损伤模型可以很好的模拟和预测层状黄砂岩损伤演化全过程;初始层理损伤最大值与最小值之比约为1.41,表明层理倾角对黄砂岩初始损伤影响较大;建立的分段本构模型可以较好的描述层状黄砂岩单轴压缩应力–应变全过程,且理论模型曲线与试验数据吻合度高.

关键词：岩石力学层理倾角能量耗散损伤演化本构模型

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基于微震信息的岩爆体积分级与判别方法研究

岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 683-697页

作者：刘国锋李胜峰丰光亮陈炳瑞许江波杜程浩陈学琦长安大学公路学院陕西西安710064 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

深埋地下工程岩爆灾害的危害性与其爆坑规模直接相关,为进一步提高岩爆灾害的精细化表征及预测水平,开展基于微震信息的岩爆爆坑体积分级及判别方法研究。首先,通过对收集到的111个来源于锦屏二级水电站深埋隧洞群工程的岩爆案例进行统... 详细信息

深埋地下工程岩爆灾害的危害性与其爆坑规模直接相关,为进一步提高岩爆灾害的精细化表征及预测水平,开展基于微震信息的岩爆爆坑体积分级及判别方法研究。首先,通过对收集到的111个来源于锦屏二级水电站深埋隧洞群工程的岩爆案例进行统计分析可知,岩爆孕育过程中的累积微震事件数、累积微震释放能、累积微震视体积、微震事件率、微震能量释放率、微震视体积率这6个指标与岩爆爆坑体积之间具有较高相关性,即岩爆爆坑的体积分布与微震参数取值之间呈现出较为明显的从低到高的层次差异性。其次,利用层次聚类分析手段,从工程实用性与可预测性的角度构建一种岩爆体积分级划分方案,以锦屏隧洞工程为例,将岩爆体积等级划分为五级,并确定相应等级的体积阈值。最后,基于改进的分类回归树(classification and regression tree,简称为CART)算法,构建了用于确定不同岩爆体积等级下各微震参数判别阈值的决策树,形成岩爆体积等级的6个单微震参数判据;进一步,提出一种基于多微震参数的岩爆体积等级综合判别的蛛网图方法,并通过案例反分析确定相应的判别准则,利用该方法可快速实现洞室开挖过程中岩爆潜在规模等级的判别。对收集所得岩爆案例进行回溯验证,结果显示,岩爆回判准确率总体达到85.2%,表明该方法具有较高的准确率与适用性。该研究能够为类似深埋地下工程岩爆灾害精细化预测水平的提高提供一种新的有效途径。

关键词：岩石力学岩爆体积微震信息深埋隧洞聚类分析岩爆分级综合判别

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FISTA框架下基于构造导向空变中值滤波的含异常噪声地震数据重建

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地球物理学报 2024年第7期67卷 2785-2801页

作者：张元鹏周辉张强方金伟中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所河北廊坊065000 国家现代地质勘查工程技术研究中心河北廊坊065000 中国石油大学(北京) 北京102249 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室中国矿业大学江苏徐州221116

受实际环境、采集成本等因素的制约,野外观测的地震数据经常出现不规则缺失的现象.为了给后续地震资料处理和成像提供完整的数据,势必要对缺失地震道进行插值重建.基于稀疏变换的插值方法被广泛用于地震数据重建,但传统的基于稀疏变换... 详细信息

受实际环境、采集成本等因素的制约,野外观测的地震数据经常出现不规则缺失的现象.为了给后续地震资料处理和成像提供完整的数据,势必要对缺失地震道进行插值重建.基于稀疏变换的插值方法被广泛用于地震数据重建,但传统的基于稀疏变换的插值方法对异常噪声非常敏感,当采集数据中存在异常噪声时会严重影响该方法的重建精度.为了克服这一问题,本文在快速迭代阈值收缩算法(FISTA)框架中引入构造导向中值滤波技术,提出了一种能同时压制异常噪声并对缺失地震道进行高精度重建的插值方法.该方法在FISTA的每次迭代中都对地震信号沿其局部倾角方向进行中值滤波以衰减异常噪声并最大限度地保护有效信号不被损害.得益于此,新方法可对含异常噪声的欠采样地震数据进行高精度重建.模型和实际数据测试均表明,当采集数据存在异常噪声时,新方法在插值精度和稳定性方面均优于传统稀疏促进插值方法.

关键词：地震数据重建稀疏促进快速迭代阈值收缩构造导向中值滤波异常噪声

深部巷帮钻孔煤体损伤演化特征及钻孔围岩强度弱化机理研究

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煤炭学报 2024年

作者：丁可张华磊王连国郭嘉兴孟尧尧安徽理工大学矿业工程学院中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室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

煤层钻孔卸压技术是防治冲击地压灾害的重要手段。利用自行研制的实时CT扫描真三轴加载试验系统，研究了不同孔径下的巷帮深部钻孔煤体(三向加载状态)和巷帮浅部钻孔煤体(双向加载状态)两种不同应力类型模型的力-应变规律、内部裂纹扩... 详细信息

煤层钻孔卸压技术是防治冲击地压灾害的重要手段。利用自行研制的实时CT扫描真三轴加载试验系统，研究了不同孔径下的巷帮深部钻孔煤体(三向加载状态)和巷帮浅部钻孔煤体(双向加载状态)两种不同应力类型模型的力-应变规律、内部裂纹扩展演化特征，建立了巷帮深、浅部钻孔煤体的峰前裂纹损伤关系，揭示了深部巷道卸压钻孔围岩强度弱化机理。结果表明：相比于未钻孔试样，不同应力类型的煤体试样受应力环境及钻孔孔径影响，随着钻孔的打设和孔径的增大，巷帮深部钻孔煤体试样在峰值应力后应力跌落现象消失，有利于降低试样能量的突然释放，而巷帮浅部钻孔煤体试样则无法消除应力跌落现象；在内部裂纹扩展上，巷帮深部钻孔煤体试样裂纹发育较少，裂纹呈一定角度发育，而巷帮浅部钻孔煤体试样裂纹均近乎垂直发育，随着钻孔孔径的增加，巷帮深、浅部钻孔煤体试样裂纹数量都有一定程度的增加，但巷帮浅部钻孔煤体试样裂纹产生数量更多，钻孔煤粉封堵情况更明显，钻孔及孔径变化对巷帮浅部钻孔煤体试样影响程度更大。同孔径条件下巷帮浅部钻孔煤体更容易破坏且无法起到卸压减灾效果，进而基于巷帮深、浅部钻孔煤体的差异性，建立了不同孔径下巷帮深、浅部钻孔煤体裂纹损伤变量的函数表达式，揭示了深部巷道卸压钻孔围岩强度弱化机理，提出了深部巷道扩孔卸压理念及方法，研究结果对于控制深部煤巷冲击地压灾害、保障施工安全具有重要的指导意义。

关键词：真三轴实时CT 冲击地压巷帮钻孔煤体裂纹损伤扩孔卸压

岩石节理双向动态循环剪切试验系统研制与应用

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岩石力学与工程学报 2024年

作者：张强谷邱鑫李涛刘日成李树忱尹乾徐鼎平中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室中国矿业大学力学与土木工程学院中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室

为深入探究复杂工程环境下岩石剪切力学行为和破坏机制，自主设计研制了一套岩石双向动态循环剪切试验系统。该试验系统主要由主机加载系统、伺服油源系统、伺服控制系统、剪切工装系统和变形测量系统五部分组成。该试验系统的主要创新... 详细信息

为深入探究复杂工程环境下岩石剪切力学行为和破坏机制，自主设计研制了一套岩石双向动态循环剪切试验系统。该试验系统主要由主机加载系统、伺服油源系统、伺服控制系统、剪切工装系统和变形测量系统五部分组成。该试验系统的主要创新性如下：(1)可在法向和剪切方向以0.001～10Hz频率进行动态加载，同时实现切向位移、切向荷载、法向位移和法向荷载的混合加卸载控制，并通过双向剪切的方法确保试样法向中心恒定；(2)试验过程可采用载荷、油缸位移、变形传感器进行多速率多目标组合控制，以实现切向和法向方向上的动静态加载；(3)可实现恒定应力、恒定位移、恒定刚度、动载加载和自定义荷载形式等多个可控边界条件；(4)可对长×宽×高=200 mm×100 mm×100 mm或400 mm×200 mm×200 mm的大尺寸试样进行试验探究；(5)可同时探究剪切、锚固等多种工况组合下的耦合机理。通过该试验系统开展不同应力边界条件下的岩石剪切试验，验证该试验系统的可靠性与准确性。试验结果表明：所研制的岩石双向动态循环剪切试验系统能够满足岩石剪切力学行为的科研需求，系统操作方便，试验过程高效稳定，加载精度与试验数据精度高。该试验系统可为深部煤炭资源开采、巷(隧)道开挖建设、放射性核废料处置、震区边坡稳定性分析和地下能源封存等重大工程领域的研究提供重要平台。

关键词：岩石力学剪切试验边界条件动态加载试验系统研制

不同加载速率下废石胶结充填体的力学特性及破裂特征研究

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煤矿安全 2024年第5期55卷 160-169页

作者：陈元广陈彦龙吕承贤顾军张家龙张亚飞李强中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116 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 新疆兖矿其能煤业有限公司新疆昌吉831100

为研究不同加载速率与骨料粒径级配对废石胶结充填体的力学特性以及破裂特征变化规律;对不同骨料粒径级配的废石胶结充填体进行不同加载速率的单轴压缩试验,分析其力学特性的变化规律;并辅以声发射系统,研究废石胶结充填体内部裂纹的发... 详细信息

为研究不同加载速率与骨料粒径级配对废石胶结充填体的力学特性以及破裂特征变化规律;对不同骨料粒径级配的废石胶结充填体进行不同加载速率的单轴压缩试验,分析其力学特性的变化规律;并辅以声发射系统,研究废石胶结充填体内部裂纹的发展演化规律。结果表明:废石胶结充填体的单轴抗压强度与弹性模量随着加载速率的增大呈线性增长趋势;废石胶结充填体的单轴抗压强度与弹性模量随着骨料级配指数的增大呈现先增长后降低的趋势;随着骨料级配指数和加载速率的增大,试样破坏模式由张拉破坏逐渐转变为剪切破坏,破坏程度加剧,完整度降低;试样内部裂纹的发展演化总体分为压密阶段、弹性阶段、稳定扩展阶段及非稳定扩展阶段。

关键词：废石胶结充填体充填材料充填开采骨料粒径级配力学特性