检索结果-南通市图书馆

应力波作用下隧洞顶板围岩块体失稳滑动解析理论研究

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力学学报 2024年第1期56卷 183-197页

作者：王晓山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590

由于地质结构和开挖面的影响,隧洞围岩通常被切割成不同形状和尺寸的块体.其中,一些关键块体在开挖卸载后仍然保持稳定,但当受到应力波(如爆破振动和地震等)的干扰时可能会失去稳定性并滑动.基于应力波传播理论推导了隧洞围岩顶板矩形... 详细信息

由于地质结构和开挖面的影响,隧洞围岩通常被切割成不同形状和尺寸的块体.其中,一些关键块体在开挖卸载后仍然保持稳定,但当受到应力波(如爆破振动和地震等)的干扰时可能会失去稳定性并滑动.基于应力波传播理论推导了隧洞围岩顶板矩形关键块体动力失稳滑动解析模型,在计算块体滑动位移过程中,考虑了块体间节理的不同闭合-张开模式,并采用线弹性模型和库仑滑移模型来描述节理的法向和切向行为.通过UDEC数值模型验证了解析模型的有效性和可靠性.随后,基于解析模型探讨了可能影响块体失稳滑动的参数.研究结果表明:在应力波作用下,隧洞围岩块体间节理面会闭合-张开,在张开过程中节理面的摩擦力会逐渐降低,甚至为零,块体间节理面的超低摩擦和无摩擦阶段对块体滑动位移的影响最大;当应力波垂直作用于围岩块体结构面且强度足以诱使节理面张开时,影响块体滑动位移较大的参数是节理面初始法向应力、应力波振幅、频率和块体岩性,单周期正弦应力波下块体滑动位移的变化在0.659~1.502 mm之间;其次为节理初始法向刚度、块体尺寸,块体滑动位移的变化在0.15~0.168 mm之间.

关键词：应力波围岩块体失稳滑动节理解析模型

基于砂型3D打印的复杂节理岩体变形破坏特征试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 754-767页

作者：王文海蒋力帅何鑫王宗可赵烨山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590

复杂节理岩体变形破坏特征对于指导工程岩体稳定性控制具有重要理论意义和工程价值。为了克服浇筑法难以制备复杂节理试件的局限以研究节理密度对岩体变形破坏特征的影响,采用砂型3D打印技术制备基于Monte-Carlo法的含复杂节理岩体试件... 详细信息

复杂节理岩体变形破坏特征对于指导工程岩体稳定性控制具有重要理论意义和工程价值。为了克服浇筑法难以制备复杂节理试件的局限以研究节理密度对岩体变形破坏特征的影响,采用砂型3D打印技术制备基于Monte-Carlo法的含复杂节理岩体试件,通过单轴压缩试验与数字图像相关技术(DIC)相结合,研究复杂节理密度对岩体力学特征、破裂演化过程及破坏模式的影响规律,探究复杂节理对岩体的劣化效应。结果表明:随着节理密度的增加,峰值强度和峰值应变呈指数型减小,弹性模量呈线性减小;峰前总能量、弹性应变能、耗散能和峰后盈余能量均呈指数减小,而峰后释放能则呈线性减小;节理的位置和倾角共同影响着试件裂纹产生及延伸,随着节理密度的不断增加,试件破坏所产生的裂纹更易沿着特定路径扩展,节理对裂纹扩展控制作用增强。研究成果能够为复杂节理岩体力学试验的进一步研究提供新的研究思路,为复杂节理岩体变形破坏机制与稳定性分析提供理论依据。

关键词：岩石力学砂型3D打印复杂节理岩体节理密度力学特性破坏特征

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蚀变型金矿石水力压裂裂缝起裂扩展规律实验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3321-3332页

作者：于骞刘江伟陈绍杰李亚康山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590

蚀变型金矿石水压裂缝起裂扩展规律对水力压裂开采金矿具有重要意义,开展不同注水流量、不同最小水平主应力、不同注水孔与节理面夹角的蚀变型金矿石真三轴水力压裂实验。结果表明:(1)当蚀变型金矿石水平主应力差为1~3 MPa时,起裂应力为... 详细信息

蚀变型金矿石水压裂缝起裂扩展规律对水力压裂开采金矿具有重要意义,开展不同注水流量、不同最小水平主应力、不同注水孔与节理面夹角的蚀变型金矿石真三轴水力压裂实验。结果表明:(1)当蚀变型金矿石水平主应力差为1~3 MPa时,起裂应力为22.2~40.0 MPa;注水流量从5 mL/min增大到15,30 mL/min,起裂应力从16.53 MPa分别增大17.4%,34.3%;最小水平主应力从4 MPa增大到5,6 MPa,起裂应力从22.20 MPa分别增大37.4%,80.2%;注水孔与节理面夹角从0°增大到45°,90°,起裂应力从22.20 MPa分别增大6.3%,24.9%;在相近的地应力条件下,蚀变型金矿石比煤岩、灰岩、砂岩、页岩等沉积岩起裂应力更大;(2)蚀变型金矿石水压裂缝按扩展路径可分为直线扩展和折线扩展2种模式;注水流量从5 mL/min增大到15,30 mL/min,裂缝扩展方向与最小水平主应力方向垂直程度增高,转向次数由2次均减少至0次;最小水平主应力从4 MPa增大到5,6 MPa,裂缝转向次数由0次增加至1和3次,转向角度增大;注水孔与节理面夹角从0°增大到45°,90°,裂缝扩展方向受节理面干扰程度增大并偏向节理面扩展;蚀变型金矿石水压裂缝多为主裂缝,次级裂缝发育少分布简单,沉积岩次级水压裂缝数量多且分布复杂;(3)蚀变型金矿石裂缝面按照形貌特征可分为平滑裂缝面和粗糙裂缝面;注水流量从5 mL/min增大到15,30 mL/min,裂缝面凸起变小,凸起面积占裂缝面面积由63%降低至45%,0;最小水平主应力从4 MPa增大到5,6 MPa,凸起面积占裂缝面面积由0增至40%,45%;注水孔与节理面夹角从0°增大到45°,90°,裂缝面均保留节理面形貌特征且平滑无凸起;蚀变型金矿石裂缝面粗糙,而沉积岩裂缝面较平滑。

关键词：采矿工程蚀变型金矿石水力压裂起裂应力扩展规律形貌特征

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多孔套筒定向压裂力学机制及影响因素分析

煤炭学报 2024年第8期49卷 3366-3380页

作者：胡善超韩金明程亚飞亓佳利黄俊鸿高志豪郭世豪杨磊山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东能源鲁西矿业集团有限公司山东菏泽274700

坚硬顶板破断释放巨大冲击动能是诱发煤矿动力灾害的重要因素之一,在特定位置断顶实现岩层的定向断裂、减小坚硬顶板悬顶长度是防治煤岩动力灾害的关键。多孔套筒压裂技术具有操作简单、适用条件广泛等优点,在坚硬顶板弱化领域有着广泛... 详细信息

坚硬顶板破断释放巨大冲击动能是诱发煤矿动力灾害的重要因素之一,在特定位置断顶实现岩层的定向断裂、减小坚硬顶板悬顶长度是防治煤岩动力灾害的关键。多孔套筒压裂技术具有操作简单、适用条件广泛等优点,在坚硬顶板弱化领域有着广泛的研究前景。为深入了解多孔套筒压裂机理,采用理论分析与数值模拟方法开展了多孔套筒压裂力学机制研究,揭示了不同影响因素下孔间应力变化规律,获得了压裂过程裂缝扩展规律及力链分布特征。通过钻孔切槽可提升套筒压裂预裂效果,为确定合理的布孔参数,基于线弹性断裂力学建立了含预制缝多孔套筒压裂力学模型,给出了缝端应力强度因子、临界膨胀力及裂缝临界起裂角计算方程,获得了不同影响因素下缝端应力强度因子、临界膨胀力及临界起裂角的变化规律。研究结果表明:①侧压系数k对钻孔最小起裂应力影响显著,当侧压系数k>1时,最小起裂应力随布孔角度的增大而减小;当侧压系数k<1时,最小起裂应力随布孔角度的增大而增大。②数值模拟结果表明:套筒间存在应力叠加效应,接触力链呈“放射状”分布。套筒压裂过程以张拉破坏为主,孔心连线处变形破坏最剧烈,均沿布孔方向形成了“条带状”断裂面。③缝槽改变了缝端附近的应力分布,相较无缝槽模型环向拉应力更大。当缝槽长度为0.5倍孔半径时,临界膨胀力最小,裂缝最易发生扩展。④临界起裂角由KⅠ与KⅡ共同决定,且小于70.53°。在泵压与地应力条件无法改变的情况下,可通过调节布孔角度与预制缝槽长度实现岩石的定向压裂。

关键词：套筒定向压裂孔间应力分布应力强度因子临界膨胀力起裂角度

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关闭/废弃矿井抽水蓄能开发利用现状与进展

煤炭学报 2024年第3期49卷 1358-1374页

作者：文志杰姜鹏飞宋振骐李利平蒋宇静梁桐凯山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 山东大学齐鲁交通学院山东济南250002 中国华能集团有限公司山西分公司山西太原030002

探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但生态保护与地形等因素制约了传统抽水蓄能电站发展。关... 详细信息

探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题,新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展,但生态保护与地形等因素制约了传统抽水蓄能电站发展。关闭/废弃矿井,由于具有丰富的地下空间及水资源,可创新性地开发抽水蓄能并延长矿区的经济寿命,降低对环境与经济的负面影响。为助力建立适合我国国情的废弃矿井抽水蓄能利用模式和管理体系,通过文献分析法综述了国内外废弃矿井抽水蓄能技术研究与应用进展。详细阐述了关闭/废弃矿井抽水蓄能技术原理、分类及其优缺点;总结了关闭/废弃矿井抽水蓄能电站利用模式,并在前人研究基础上对选址要素进行了修订;梳理了关闭/废弃矿井改建抽水蓄能电站的水-气两相流动特性、水泵水轮机工况特性、地下空间围岩稳定性及地下蓄水空间体积测算等的研究现状,明确了水泵-水轮机关键技术、地下空间稳定性控制关键技术等亟待解决的技术难题。此外,对关闭/废弃矿井抽水蓄能相关的生态与环境保护、市场需求与经济效益、政策与法规等研究成果进行了广泛的文献综述。发展关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能技术可为我国井下空间资源利用提供思路,为保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。

关键词：关闭/废弃矿井抽水蓄能清洁能源地下空间矿区治理

基于蝶形理论的常规锚杆索支护围岩控制效用研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3195-3203页

作者：李臣马念杰辛德林张文龙中煤科工集团武汉设计研究院有限公司湖北武汉430064 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 青岛黄海学院建筑工程学院山东青岛266427

针对采动巷道大变形常规锚杆索支护效果有限的情况,采用理论分析、数值模拟、工程案例分析的研究常规锚杆索支护对采动巷道围岩区域应力场分布、围岩塑性区尺寸及围岩变形破坏控制作用效果。研究表明:(1)采动巷道围岩所处双向非均匀应... 详细信息

针对采动巷道大变形常规锚杆索支护效果有限的情况,采用理论分析、数值模拟、工程案例分析的研究常规锚杆索支护对采动巷道围岩区域应力场分布、围岩塑性区尺寸及围岩变形破坏控制作用效果。研究表明:(1)采动巷道围岩所处双向非均匀应力环境具有促进巷道塑性区由圆形,向椭圆形甚至蝶形发育的趋势,该趋势受围岩强度影响显著;(2)常规锚杆索支护无法显著改善采动巷道区域应力场,加强支护对巷道围岩连续性变形的控制率基础应力有关;(3)采动巷道的围岩稳定性控制应以应力调控为主、常规支护为辅,大变形巷道柔性支护配合注浆改性和敏感区重点补强是关键。研究成果有助于进一步认识常规锚杆索支护对采动巷道的作用效果,为巷道围岩控制提供参考。

关键词：采矿工程采动巷道常规支护塑性区区域应力场变形破坏

基于振动信号的岩石单轴抗压强度钻进预测实验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1406-1424页

作者：郝建刘河清刘建康吕家庆郑义宁刘建荣山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东能源集团鲁西矿业有限公司郭屯煤矿山东菏泽274700 内蒙古上海庙矿业有限责任公司院士专家工作站内蒙古鄂尔多斯016299

为了研究钻进振动信号与岩体地质力学参数之间的响应关系,准确、快速地感知、预测岩石单轴抗压强度,开展基于钻进振动信号的岩石单轴抗压强度预测研究。以室内钻取花岗岩、石灰岩、砂岩和煤四类原岩(煤)试件实验为基础,结合傅里叶变换... 详细信息

为了研究钻进振动信号与岩体地质力学参数之间的响应关系,准确、快速地感知、预测岩石单轴抗压强度,开展基于钻进振动信号的岩石单轴抗压强度预测研究。以室内钻取花岗岩、石灰岩、砂岩和煤四类原岩(煤)试件实验为基础,结合傅里叶变换和振动信号降噪方法构建GA-BP神经网络模型,并对比分析降噪前后以及不同降噪方法模型的预测性能。结果表明:钻进振动信号与岩石单轴抗压强度之间有响应关系,应用钻进振动信号可预测岩石单轴抗压强度;采用Adobe Audition软件对振动信号进行降噪处理的GA-BP神经网络预测模型决定系数R2为0.838,均方根误差为7.063 MPa,平均绝对误差为5.347 MPa,其结果优于原始预测模型和一般降噪方法预测模型;与原始预测模型相比,最优降噪模型在预测精度上提升了6.3%,均方根误差减小1.954 MPa,平均绝对误差减小1.621 MPa;同一预测模型中不同岩性的预测效果存在一定差异。降噪信号GA-BP神经网络预测模型对单轴抗压强度有较优秀的预测能力,所用方法可为在岩体地质力学参数随钻测量方面提供基础。

关键词：岩石力学钻进振动信号单轴抗压强度傅里叶变换信号降噪人工神经网络

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覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”源头防治冲击地压技术体系及应用

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煤炭学报 2024年第3期49卷 1318-1331页

作者：郝宪杰孙希奎唐忠义付鹏鑫罗江昊沈灵杰唐宽旭山东能源集团山东济南250000 中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)内蒙古研究院内蒙古鄂尔多斯017001

主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头治理的重要措施。现行的主动卸压防控方式,或采用回采工作面平巷布孔卸压,或采用井下原位水力压裂技术,具有卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足;或采用地面水力压裂防冲系统,具有卸压范... 详细信息

主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头治理的重要措施。现行的主动卸压防控方式,或采用回采工作面平巷布孔卸压,或采用井下原位水力压裂技术,具有卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足;或采用地面水力压裂防冲系统,具有卸压范围广时效长等优点,也需要解决前期投入等。因此,秉持源头防治、防患未然、经济高效的一体化的防冲卸压创新战略思想,研究一种实践易行、效果显著、可全面推广的新型区域卸压源头防冲技术体系势在必行。提出了覆岩高位超前整层爆破卸压技术体系,针对可产生动载荷的较高位关键层,创新高位岩巷、高位钻场、爆破钻孔布置,将高位坚硬岩层超前、整体、均匀爆破预裂,从而形成“人造预裂层”。该方法突破了一般的长钻孔距离限制,使得岩层爆破的卸压高度、卸压范围、卸压效果均大幅提高,可形成覆盖整个工作面区域甚至多个工作面的超前工作面开采的高位“人造预裂层”。高位爆破“人造预裂层”首先使得该高位坚硬岩层的来压步距和来压强度大幅减弱,其次也缓冲减弱了其上硬岩层向下传递的矿山压力,最后还可降低其下方硬岩层的来压步距。在陕西长武亭南煤业3409工作面首次进行了覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”技术试验后,现场实测效果表明采用该方法较之常规爆破卸压区域,支架的平均来压强度、来压步距、来压持续距离和压力报警频次均大幅减少;巷道深孔和浅孔应力也均减少;微震事件总能量、大能量微震事件大幅度减少,且密集程度显著降低,工作面中段的微震事件尤为稀疏;地音高能事件、震源CT获得的冲击风险区域也有减少,各种实测手段均验证了高位爆破人造预裂层卸压防冲技术的优越性。

关键词：冲击地压高位爆破人造预裂层卸压防冲矿山压力微震

套筒压裂作用下岩石细观裂隙与能量演化规律探究

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 79-91页

作者：胡善超韩金明黄俊鸿平立芬程亚飞高志豪郭世豪杨磊山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东东山王楼煤矿有限公司山东济宁272063

为从细观层面揭示不同围压作用下套筒压裂岩石破坏机理及能量运移规律,基于套筒压裂试验以及膨胀力测定试验构建了PFC^(3D)数值模型,采用离散元法对套筒压裂过程开展数值模拟,结合声发射信息探究了套筒压裂过程中不同围压对岩石细观裂... 详细信息

为从细观层面揭示不同围压作用下套筒压裂岩石破坏机理及能量运移规律,基于套筒压裂试验以及膨胀力测定试验构建了PFC^(3D)数值模型,采用离散元法对套筒压裂过程开展数值模拟,结合声发射信息探究了套筒压裂过程中不同围压对岩石细观裂隙及能量变化的影响规律,并依据弹性力学揭示了套筒压裂力学机制,研究结果表明:①套筒注液过程存在压力损失,依据注液压力损失率可将注液过程大致划分为充填阶段、增压阶段、快速增压阶段。注液压力与套筒膨胀力呈线性关系,其修正系数为0.678。②基于PFC^(3D)所构建的数值模型能够较好的反映套筒压裂过程中岩石力学性质与变形破坏特征,岩石压裂过程以张拉破坏为主。围压决定着裂缝的扩展路径,并对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用。随着应力差的逐渐增大,岩石内部剪切裂纹数量及占比均逐渐增大。③声发射信号可分为平静期与活跃期,累计裂缝数目曲线呈现阶梯状上升。无围压条件下,声发射特征呈现单峰值分布;有围压条件下,声发射特征呈现多峰值分布,压裂过程存在多个破坏阶段。④套筒膨胀力作用范围有限,环向拉应力作用范围与套筒膨胀力呈现对数关系。切向应力随应力差的增大而增大,当夹角φ取值为45°或135°时,岩石内部剪切破坏最明显。⑤同一膨胀力作用下,围压越大岩石内部输入能越小。不同围压条件下岩石的输入能、弹性能、耗散能均出现不同程度的激增,这主要是由于宏观裂缝的形成引发了钻孔扩容;耗散能平均增长速率更快,为弹性能的1.27~1.55倍。

关键词：套筒压裂岩石力学细观裂隙力学机制能量演化