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基于FLAC3D-COMSOL耦合的采动覆岩渗流演化及展布仿真实验

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实验技术与管理 2025年

作者：许玉军马立强王磊刘怀谦李少波安徽理工大学深部煤矿采动响应与安全防控国家重点实验室教育部新疆煤炭资源绿色开采教育部重点实验室新疆工程学院新疆煤系资源勘探与开采重点实验室新疆煤炭绿色智能开采工程研究中心

采空区CO2矿化充填需完全实现对上覆含水体的渗流隔离。基于FLAC3D-COMSOL有限差分-有限元耦合仿真实验方法，模拟了连采连充CO2矿化充填条件下覆岩渗透性演化规律及展布特征，提出基于渗透率劣化率及渗流速度的覆岩分区阈值确定方法。... 详细信息

采空区CO2矿化充填需完全实现对上覆含水体的渗流隔离。基于FLAC3D-COMSOL有限差分-有限元耦合仿真实验方法，模拟了连采连充CO2矿化充填条件下覆岩渗透性演化规律及展布特征，提出基于渗透率劣化率及渗流速度的覆岩分区阈值确定方法。结果表明：采动覆岩渗透率劣化率呈“蝶形”展布，且在开切眼与停采线呈“类马鞍形”分布。整个开采区域可分为恒定区、恢复区、过渡区、剧增区与紊乱区。基于采动覆岩渗流速度，整个区域可分为：无渗流通道、微渗流通道、弱渗流通道、强渗流通道和渗漏通道。以采-充宽度为30-10 m为例，开采块段回采过程中矿井涌水量分别为280、300、950、1 150、1 350、1 550 m3/d，均小于突水量等级划分标准中规定的最低等级。

关键词： FLAC 二次开发 FLAC -COMSOL耦合连采连充 CO 矿化充填覆岩渗透性

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矿山采空区边坡动态稳定性评价方法

工程科学学报 2025年第2期47卷 215-223页

作者：杜岩张洪达谢谟文蒋宇静张明贾北凝北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室北京100083 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地青岛266590 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淮南232001 北京综建科技有限公司北京100007

矿山边坡因采空区沉降引发的斜面岩土体崩塌破坏,是一种破坏力极强的地质灾害.由于传统的稳定性评价方法未考虑采空区沉降造成的应力场变异,难以实现矿山边坡的动态稳定性评价,因而在矿山地质灾害预警预防方面存在诸多限制.基于此,本研... 详细信息

矿山边坡因采空区沉降引发的斜面岩土体崩塌破坏,是一种破坏力极强的地质灾害.由于传统的稳定性评价方法未考虑采空区沉降造成的应力场变异,难以实现矿山边坡的动态稳定性评价,因而在矿山地质灾害预警预防方面存在诸多限制.基于此,本研究针对矿山采空区滑坡的成因机制,建立了一套适用于矿山边坡的动态稳定性评价方法.首先通过构建采空区沉降分析模型,计算采空区上方岩体的沉降范围及其产生的冲击作用力,分析沉降对坡体应力场的影响,并在此基础上对传统不平衡推力法进行修正.案例分析结果显示,传统方法未考虑采空区沉降作用和锁固段的破坏情况,导致稳定性系数计算偏大,为1.355.而改进方法通过考虑采空区沉降信息,计算得出锁固段稳定性系数为0.667,整体稳定性系数为0.979,与矿山采空区边坡实际破坏情况一致.当沉降位移比(SHDR)大于0.73时,采空区边坡稳定性会发生明显变异,因而会在相对安全的工况下发生失稳破坏.改进方法通过考虑采空区沉降作用和锁固段的破坏情况,可以更好地实现矿山边坡稳定性的评价,为矿区更好地应对类似地质灾害提供有效参考.

关键词：采空区边坡动态稳定性评价采空区沉降锁固段沉降位移比

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基于GA-BP神经网络岩石单轴抗压强度预测模型研究

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煤 2025年第1期 6-10+17页

作者：张奥宇杨科池小楼张杰安徽理工大学煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心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

为探究更为精确的上覆岩层砂岩和泥岩单轴抗压强度与其弹性模量之间的关联性，结合胡家河矿56组砂岩和泥岩单轴抗压强度与弹性模量历史数据，运用遗传算法优化了BP神经网络的结构参数和学习参数，得到了最佳的网络结构和参数设置，利用G... 详细信息

为探究更为精确的上覆岩层砂岩和泥岩单轴抗压强度与其弹性模量之间的关联性，结合胡家河矿56组砂岩和泥岩单轴抗压强度与弹性模量历史数据，运用遗传算法优化了BP神经网络的结构参数和学习参数，得到了最佳的网络结构和参数设置，利用GA-BP神经网络对煤矿砂岩与泥岩单轴抗压强度进行了预测，并与传统的BP神经网络和非线性回归分析法进行了比较。研究结果表明，GA-BP神经网络预测模型在预测砂岩和泥岩单轴抗压强度与弹性模量间关系上具有较高的精度和泛化能力，能够有效地解决传统BP神经网络的局部最优和过拟合问题，相较于非线性回归分析，拥有更强的非线性关系建模能力，是一种适用于砂岩与泥岩单轴抗压强度预测的有效方法。

关键词：岩石力学参数非线性回归 BP神经网络遗传算法预测模型

CO_(2)−荷载耦合作用下煤体细观统计损伤本构模型及验证

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2630-2642页

作者：王磊陈礼鹏谢广祥范浩李少波邹鹏张宇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

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算... 详细信息

CO_(2)吸附会对煤体产生损伤劣化作用进而降低其稳定性,对CO_(2)封存的长期安全性提出挑战,明确CO_(2)劣化作用并建立本构模型至关重要。采用损伤力学理论和统计理论推导出能够综合反映CO_(2)吸附和荷载耦合作用下煤体总损伤变量的计算公式,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了CO_(2)作用下煤体的细观统计损伤本构方程,明确了模型各参数的确定方法。最后通过CT扫描实验系统、MTS 816实验系统确定了本构模型参数,并采用自主研制的气−固耦合实验系统对不同CO_(2)压力下煤体进行了单轴压缩实验,验证了模型的合理性。研究结果表明:①基于CT扫描获取的裂隙率和运用Weibull分布理论分别定义了吸附和受载作用下的损伤变量,结合损伤理论进一步得到二者耦合作用下的总损伤变量,并建立了细观统计损伤本构模型;②基于CT扫描技术的裂隙三维重构真实反映了CO_(2)作用前后裂隙扩展特征,CO_(2)压力越高,裂隙扩展越充分,煤样三维裂隙参数和损伤变量越大,所形成的空间裂隙网络越复杂;③CO_(2)对煤体力学性质劣化作用显著,煤体的抗压强度与弹性模量随CO_(2)压力增加分别降低了49.78%和22.63%,CO_(2)对煤体的溶胀效应、塑化效应和气楔效应的综合作用导致了力学参数的降低;④建立的CO_(2)作用下煤体细观统计损伤模型理论曲线与单轴实验曲线具有较高的吻合度,说明损伤本构模型能够较好地反映出CO_(2)对煤体力学特性的损伤劣化作用,体现了损伤本构模型及模型参数确定方法的合理性与适用性。

关键词： CO_(2)地质封存本构模型损伤变量力学特性裂隙演化

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超声波在煤矿井下环境中的传播与衰减特性

中国矿业大学学报 2021年第4期50卷 685-690页

作者：蔡峰袁媛刘泽功曹珍贯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

超声波的传播具有穿透性强、传播稳定、非接触的特点,使得超声波在测距和测流量领域获得研究和应用.为将超声波检测技术引入矿井风速测定领域,必须对超声波在矿井大气中的传播特性进行有针对性的研究.本文利用理论分析、数值模拟和实验... 详细信息

超声波的传播具有穿透性强、传播稳定、非接触的特点,使得超声波在测距和测流量领域获得研究和应用.为将超声波检测技术引入矿井风速测定领域,必须对超声波在矿井大气中的传播特性进行有针对性的研究.本文利用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,系统的分析了超声波在煤尘-空气混合物中的传播和衰减特性.研究获得了超声波长与煤尘颗粒的关系表达式,揭示了煤尘的体积分数、煤尘粒径与超声波波长的比值以及煤尘粒径对超声波声速和衰减系数的影响关系.研究成果为研发新型煤矿井下超声波风速传感器提供了必要的理论基础.

关键词：超声波煤尘传播衰减特性

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松软煤体波速演化规律与破坏程度量化指标

煤炭学报 2022年第7期47卷 2609-2622页

作者：朱传奇谢广祥王磊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

为合理评价松软煤体破坏状态,以淮南矿区潘一煤矿11518回采工作面为背景,选用型煤代替原煤,采用MTS岩石力学实验机及PCI-II声发射仪,开展单轴压缩状态下煤体多路径波速实时监测室内试验,分析波速变化特征;基于声波传播规律定义破坏程度... 详细信息

为合理评价松软煤体破坏状态,以淮南矿区潘一煤矿11518回采工作面为背景,选用型煤代替原煤,采用MTS岩石力学实验机及PCI-II声发射仪,开展单轴压缩状态下煤体多路径波速实时监测室内试验,分析波速变化特征;基于声波传播规律定义破坏程度量化指标;探究不同破坏阶段煤体介质状态,并开展指标工程应用。研究结果表明:①随煤体轴向应变的增加,波速呈现平稳、缓慢降低、急剧降低再平稳的基本规律,受载初期,型煤波速平稳,这与岩石材料呈现出的声学特性有所差异。②破坏程度量化指标K为煤体某一破坏阶段纵波经过裂纹时间与完全破坏后纵波经过裂纹时间的比值。③随煤体轴向应变的增加,指标先后经历平稳在0附近、缓慢增大、急剧增大再平稳在1左右4个变化阶段,指标演化与煤体表面形态变化具有高吻合性,且与传统损伤变量相比,指标突出裂纹对波速的影响,对破坏的敏感性更强,更能准确反映煤体破坏状态。④依据指标变化规律区划了工作面前方煤体介质状态,在距煤壁26.5 m以远的煤体处于连续介质区;在距煤壁13.5~26.5 m的煤体处于似连续介质区;在距煤壁5.75~13.50 m的煤体处于非连续介质区;在距煤壁距离小于5.75 m的煤体处于散体介质区。研究结果可为量化松软煤体破坏程度,防控围岩失稳灾害提供一种新途径。

关键词：松软煤体波速破坏程度量化指标介质状态

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基于CT扫描的煤体裂隙演化与破坏状态表征

中国矿业大学学报 2024年第1期53卷 93-105页

作者：朱传奇谢广祥王磊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

为基于裂隙演化特征表征煤体破坏状态,针对原煤试样,采用CT扫描技术开展常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙演化观测试验,重构内部三维裂隙可视化模型,分析裂隙分布形态与特征参数变化规律,基于裂隙面积定义断面(煤体)破坏状态表征指标Ti(... 详细信息

为基于裂隙演化特征表征煤体破坏状态,针对原煤试样,采用CT扫描技术开展常规三轴压缩条件下煤体断面裂隙演化观测试验,重构内部三维裂隙可视化模型,分析裂隙分布形态与特征参数变化规律,基于裂隙面积定义断面(煤体)破坏状态表征指标Ti(T),并检验指标的准确性和合理性.研究结果表明:随煤体轴向应变的增加,含初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先减小后增大,而无初始裂隙断面裂隙面积和分形维数均先不变后增大.煤体失稳破坏过程中,Ti呈现出先减小(或不变)后增大的变化趋势,且与传统损伤变量相比,变化幅度更大,更能准确量化煤体断面破坏程度.随煤体轴向应变的增加,T表现出先减小后增大的基本规律,与煤体三维裂隙体积变化具有高吻合性.

关键词： CT扫描原煤裂隙演化破坏状态表征指标

冲击载荷下不同尺寸煤岩动力学分析及损伤特性研究

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振动与冲击 2023年第22期42卷 322-331页

作者：王磊邹鹏谢广祥范浩焦振华陈礼鹏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

为探究冲击载荷作用下不同尺寸煤岩的动态力学及损伤特性,利用分离式霍普金森压杆系统对直径50 mm长度分别为15 mm,20 mm,25 mm,30 mm,35 mm,40 mm,45 mm和50 mm的煤岩开展了冲击压缩试验,通过分析应力-应变曲线特征得出应变率、峰值应... 详细信息

为探究冲击载荷作用下不同尺寸煤岩的动态力学及损伤特性,利用分离式霍普金森压杆系统对直径50 mm长度分别为15 mm,20 mm,25 mm,30 mm,35 mm,40 mm,45 mm和50 mm的煤岩开展了冲击压缩试验,通过分析应力-应变曲线特征得出应变率、峰值应力和动态弹模随尺寸变化的关系,并基于能量耗散规律提出煤岩受载全过程动态损伤指标K,同时与Weibull分布结合D-P准则得出的损伤变量D_(w)进行对比,探究不同尺寸煤岩的动态损伤特性。结果表明:不同尺寸煤岩的动态应力-应变曲线包含弹性、塑性和塑性软化3个阶段。随煤岩尺寸的增加,应变率和峰值应力呈减小趋势,动态模量为线性增加;动态损伤指标K是煤岩弹性阶段结束后的瞬时破碎耗能与完全破坏时对应总破碎耗能的比值;动态损伤指标与损伤变量的曲线形态具有相似性,变化趋势具有一致性,表明了K的合理性。指标K的最大损伤值更稳定、更符合破坏状态假设,说明了其具有一定的适用性。

关键词：霍普金森压杆煤岩不同尺寸力学特性动态损伤指标

三维尺度下岩桥倾角与矿物结构对煤体损伤破坏影响研究

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岩石力学与工程学报 2024年第9期43卷 2108-2124页

作者：王磊商瑞豪朱传奇刘怀谦袁秋鹏李少波陈礼鹏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

为探究三维尺度下岩桥倾角与矿物结构对煤体损伤破坏的影响,以原煤预制不同岩桥倾角的双裂隙试样,开展单轴加载试验,借助CT扫描设备对试样压缩破坏过程进行阶段性扫描,采用阈值分割、三维重构等图像处理技术以及数字体积相关方法,分析... 详细信息

为探究三维尺度下岩桥倾角与矿物结构对煤体损伤破坏的影响,以原煤预制不同岩桥倾角的双裂隙试样,开展单轴加载试验,借助CT扫描设备对试样压缩破坏过程进行阶段性扫描,采用阈值分割、三维重构等图像处理技术以及数字体积相关方法,分析受载煤样内部裂隙动态演化规律及变形损伤特性,并结合PFC3D模拟程序,探究试样加载全程不同阶段的内部应力分布特征。研究结果表明:随着岩桥倾角的增加,煤样宏观强度呈现出逐渐减小的趋势;受预制裂隙的影响,煤样X,Y,Z向位移场演化特征存在差异,X向位移场中的局部高位移区随着加载由岩桥区域向端部转移,Y向位移场加载全过程中局部高位移区始终徘徊在岩桥区域及预制裂隙周围,Z向位移场在各加载阶段均呈现出明显的分层现象,位移量小且均匀;不同岩桥倾角双裂隙煤样主要包括3种裂纹扩展类型及4种贯通模式,根据裂纹的扩展路径及破坏面上受力特征,得到0°和90°岩桥倾角煤样破坏模式为张拉破坏,30°和60°岩桥倾角煤样破坏模式为拉剪复合破坏;新生裂纹扩展与矿物赋存状态的关系主要包括包裹型扩展、绕砾型扩展以及穿砾型扩展3种形式,其中,穿砾型扩展出现次数最多,包裹型扩展最少;通过模拟试验可知,含双裂隙煤样各个方向的受力特征在峰值阶段存在差异,当切片位置由试样外部向试样内部延伸时,Y,Z向及总应力数值均呈现出逐渐增大的趋势,而X向应力数值则呈现出先减小后增加的现象。

关键词：岩石力学岩桥倾角矿物结构 CT扫描颗粒流模拟损伤破坏