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冲击荷载下加卸载效应对冲击性岩石力学特性的影响

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煤炭学报 2024年第5期49卷 2283-2297页

作者：陈见行曾班全张俊文中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为研究矿井基本顶周期来压对冲击性矿柱动力学特性的影响,采用一维动静组合加载SHPB实验装置对循环加卸载预处理过的冲击性砂岩开展动态冲击实验,实验中预先设置3种不同的轴向循环阈值:6、12、18 MPa,然后进行不同冲击气压条件下的动态... 详细信息

为研究矿井基本顶周期来压对冲击性矿柱动力学特性的影响,采用一维动静组合加载SHPB实验装置对循环加卸载预处理过的冲击性砂岩开展动态冲击实验,实验中预先设置3种不同的轴向循环阈值:6、12、18 MPa,然后进行不同冲击气压条件下的动态压缩实验。探讨了不同循环阈值和冲击气压下冲击性砂岩动态力学响应特性、能量演化规律及碎块分布特征。研究结果表明:岩样动态应力−应变曲线整体划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。动态应力−应变曲线起始阶段近似直线,不存在静态单轴压缩中的裂隙压密阶段。平均动态抗压强度、平均动态弹性模量和平均动态变形模量随循环阈值增大先增大后减小;而平均动态峰值应变随循环阈值增大先减小后增大。临界阈值处岩样平均动态抗压强度、平均动态弹性模量和平均动态变形模量最大,平均动态峰值应变最小。反射能和耗散能密度随循环阈值增大先减小后增大;而透射能随循环阈值增大先增大后减小。临界阈值处岩样反射能和耗散能密度最小,透射能最大。冲击荷载下岩样呈4种破坏形态:粉碎破坏、岩块碎裂、岩块侧面剥落脱离、岩块劈裂。各冲击气压下岩样分形维数随循环阈值增大先减小后增大,随耗散能密度增加呈非线性增长。冲击性岩石致密性越好,冲击破坏时剧烈程度越弱,碎块块度越大,耗散能密度越小,分形维数越小。研究结果表明矿井基本顶周期来压小于冲击性矿柱损伤门槛值时,周期来压可提高岩层密实性,进而影响动态冲击时的破坏程度。

关键词：冲击性矿柱 SHPB 循环加卸载动力学响应特性能量演化规律碎块分布特征

厚煤层大采高综放工作面覆岩断裂演化规律研究

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 1-12页

作者：刘洪涛罗紫龙韩子俊韩洲陈小港彭佳琛中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

大采高综放开采易形成强烈的矿压显现,上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景,运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法,对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律... 详细信息

大采高综放开采易形成强烈的矿压显现,上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景,运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法,对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律进行系统研究。研究表明:导水裂隙带内岩层随工作面推进表现为“台阶下沉”,同层岩层下沉趋势沿走向表现为“急剧下降—稳定(最大值)—快速上升—稳定(最小值)”。工作面覆岩运动场由两区分布(加速下沉区、缓慢下沉区)演化为三区分布(加速下沉区、缓慢下沉区、稳定区)。对离层演化与地表下沉规律进行了定量描述,运用理论计算表达式深入地剖析了地表的动态下沉机理及其相关因素。结合相似模拟与数值模拟的试验结果,提出了覆岩断裂演化的形态变化特征:覆岩断裂形态由“单等腰梯形”演化为“双等腰梯形”,表土层影响区由“矩形”演化为“倒梯形”。分析了覆岩中垮落区、离层区、压实区、裂隙富集区的动态演化过程:垮落区逐渐增大至一定程度,高度小幅度降低并趋于稳定,离层区由下至上逐渐发育并随工作面向前移动,离层区逐渐闭合形成压实区,且压实区逐渐增大并最终保持稳定,裂隙富集区位于采空区前后端部并随工作面向前移动。

关键词：大采高综放相似模拟覆岩运动场覆岩运移覆岩断裂形态

近距离煤层下行采动应力场分布规律与巷道合理位置研究

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 1-10页

作者：刘洪涛韩洲韩子俊郭晓菲韦晟杰罗紫龙胡正宝中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

上层位近距离煤层开采后,形成的残留煤柱和采空区将会影响下层位的巷道布置。以新柳矿231101工作面为工程背景,采用理论分析和数值模拟的综合研究手段,研究和分析了上煤层开采后采动应力场的应力演化规律,对下层煤巷道非对称变形破坏机... 详细信息

上层位近距离煤层开采后,形成的残留煤柱和采空区将会影响下层位的巷道布置。以新柳矿231101工作面为工程背景,采用理论分析和数值模拟的综合研究手段,研究和分析了上煤层开采后采动应力场的应力演化规律,对下层煤巷道非对称变形破坏机理进行深入探究,从而得出下层煤巷道合理布置位置。研究结果表明:①上覆煤层开采改变巷道所处位置的主应力大小、主应力比值以及应力偏转角、应力矢量的变化是导致巷道呈非对称破坏的主要原因。②巷道在距离煤柱中心11 m处,巷道围岩最大主应力达到14.43 MPa,主应力比值为2.74,应力偏转角为52.33°,此时巷道处于较差的应力环境中,致使围岩产生蝶形破坏且蝶叶旋转至巷道顶板右侧,巷道顶板右侧易发生冒顶事故。③为使巷道处于相对稳定区域,依据3个主要影响因素将工作区域划分为4个分区,在考虑煤矿经济与安全因素后建议最佳布置区域为H–IV,主应力偏转角在0°~38°或45°~90°的范围内,通过综合分析对该巷道布置及支护提供合理建议,为类似工程条件提供了借鉴和参考。

关键词：近距离煤层回采巷道布置蝶形破坏理论数值模拟塑性区

弹−塑性基础边界两侧采空(留煤柱)基本顶板结构初次破断特征

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煤炭学报 2024年第5期49卷 2195-2211页

作者：陈冬冬李子健谢生荣何富连罗昱蒋再胜马翔李辉中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

为了研究两侧采空留煤柱工程条件下基本顶板结构的断裂位态及工程指导意义,构建考虑实体煤弹塑性变形与两侧煤柱宽度及支撑能力弱化的基本顶板结构双塑化基础边界力学模型,基于有限差分算法与主弯矩破断准则系统计算了在非对称煤柱区和... 详细信息

为了研究两侧采空留煤柱工程条件下基本顶板结构的断裂位态及工程指导意义,构建考虑实体煤弹塑性变形与两侧煤柱宽度及支撑能力弱化的基本顶板结构双塑化基础边界力学模型,基于有限差分算法与主弯矩破断准则系统计算了在非对称煤柱区和长边实体煤区的断裂线形态、区位属性及整体位态特征,并从7个层面、横纵向4对区域与传统模型对比,阐明新模型所得新结论及工程意义。结论如下:(1)两侧非对称煤柱参数对长边实体煤区域的基本顶主弯矩及破断位置影响小,但分别显著影响煤柱区的主弯矩大小、位置及断裂形态。两侧煤柱区(较强/宽煤柱区+较弱/窄煤柱区)基本顶断裂线形态有3类演化模式,随基本顶厚度及弹模增大而煤柱宽度、支撑能力及悬顶跨度减小,其变化规律为:非对称的“连续单弧形+连续单弧形”→“连续单弧形+开口间断双短弧形”→非对称的“开口间断双短弧形+开口间断双短弧形”。(2)长边实体煤区基本顶的断裂线主要有3类区位属性,随基本顶厚度及弹模增大而实体煤的塑性区宽度、塑化程度及悬顶跨度减小,其演变规律为:断裂线在塑性煤体区(C-S式)→弹塑性煤体分界区(C-TS式)→弹性煤体区(C-T式);(3)考虑断裂线区位属性,随基本顶厚度和弹模增大而煤柱宽度、支撑能力及悬顶跨度减小的基本顶全区域破断模式及演变规律为:C-S式的■→C-TS式的■→C-T式的■→C-T式的■→C-T式的■。针对研究两侧采空(煤柱)基本顶板结构破断的3类力学模型,从7个层面对比了3类模型的重要区别,从横向4个区域(开采区域的前方与后方、两侧煤柱区)与纵向4个区域(非对称遗留煤柱下伏、下伏开采空间出/进煤柱/体)阐明了其重要工程作用。

关键词：遗留煤柱基本顶两侧采空弹−塑性基础板结构

基于XGBoost-LME模型的京津冀地区近地面臭氧浓度估算

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环境科学 2024年第7期45卷 3815-3827页

作者：龚德才杜宁王莉张显云李隆张洪飞贵州大学矿业学院贵阳550025

高时空分辨率的近地面臭氧浓度分布数据对监测和防控大气臭氧污染,提高人居环境具有重要意义.使用TROPOMI-L3 NO_(2)、HCHO产品和ERA5-land高分辨率数据作为估算变量,构建XGBoost-LME模型估算京津冀地区近地面臭氧浓度.结果表明:(1)在... 详细信息

高时空分辨率的近地面臭氧浓度分布数据对监测和防控大气臭氧污染,提高人居环境具有重要意义.使用TROPOMI-L3 NO_(2)、HCHO产品和ERA5-land高分辨率数据作为估算变量,构建XGBoost-LME模型估算京津冀地区近地面臭氧浓度.结果表明:(1)在估算变量中地表2 m温度(T2M)、2 m露点温度(D2M)、地表太阳向下辐射(SSRD)、对流层甲醛(HCHO)和对流层二氧化氮(NO2)是影响京津冀地区近地面臭氧浓度的重要因素,其中T2M、SSRD和D2M相关系数分别达到0.82、0.75和0.71.(2)XGBoostLME模型相较其它模型,其各项指标均为最优,十折交叉验证R^(2)、MAE和RMSE分别为0.951、9.27μg·m^(-3)和13.49μg·m^(-3),同时,该模型在不同时间尺度均表现良好.(3)在时间上,2019年京津冀地区近地面臭氧浓度存在显著的季节性差异,四季浓度变化为:夏季>春季>秋季>冬季,2019年该地区近地面臭氧月均浓度总体呈现出先上升后下降的倒“V”趋势,其中9月呈现小幅上升趋势,全年最大值出现在7月,最小值在12月;在空间分布上,2月和3月京津冀全域近地面臭氧浓度分布基本为同一水平,1、11和12月呈现出不显著的北高南低的空间分布趋势,其余月份该地区近地面臭氧浓度空间分布均呈现出南高北低的分布特征,高值区主要在南部海拔较低、人口密集和工业排放量较大的平原地区,低值区则主要在北部海拔较高、人口稀疏、植被覆盖率高和工业排放量低的山地地区.

关键词：近地面臭氧 TROPOMI数据京津冀地区 XGBoost-LME模型时空分布

结合目标局部和全局特征的CV模型遥感影像水体提取方法

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地球信息科学学报 2024年第8期26卷 1941-1953页

作者：杨正雄峰张春亢黎国庆文鹏帆杨庆骅贵州大学矿业学院贵阳550025

如何准确有效的实现水体信息提取,是目前水资源管理、监测和应用非常重要的一环,由于水体形状、大小和分布的多样性以及场景的复杂性,如何高效准确地从遥感影像中提取出水体仍具有挑战性。现有的主动轮廓模型水体提取算法主要针对某一... 详细信息

如何准确有效的实现水体信息提取,是目前水资源管理、监测和应用非常重要的一环,由于水体形状、大小和分布的多样性以及场景的复杂性,如何高效准确地从遥感影像中提取出水体仍具有挑战性。现有的主动轮廓模型水体提取算法主要针对某一数据或特定水体类型,且受到噪声影响较大等问题,导致水体提取精度不高。因此,提出一种结合目标局部和全局特征的CV(Chan-Vese)模型快速分割方法。该改进方法的能量泛函由整体项、局部项和正则项组成,通过将局部图像信息融入CV模型的能量泛函中,在局部项中引入卷积算子并计算演化曲线内外部差值图像灰度均值,用差分图像代替原始图像,有效限制演化曲线处理灰度不均匀图像时发生的错误移动。此外,正则化项由长度约束项和新的惩罚能量组成,约束了演化曲线的长度,使目标边界更加平滑、精确,同时避免了传统水平集方法中的重新初始化步骤,以提高效率。针对哨兵1号卫星和哨兵2号卫星影像中的湖泊、河流和小水体分割实验结果表明:对于SAR(Synthetic Aperture Radar)影像,改进后的CV模型的分割精度分别达到96.15%、95.19%、83.64%,F1分数达到95.77%、91.06%、75.78%;对于光学影像,分割精度分别达到97.71%、95.12%、93.97%,F1分数达到97.15%、93.67%、86.78%。针对城市中心区域水体分割,SAR数据分割精度和F1分数分别为97.2%和89.2%;光学数据分割精度和F1分数分别为92.12%和89.37%。改进算法对背景复杂的多类型水体和城市区域水体均有较高的分割精度,能够实现遥感图像中水体的高精度提取。

关键词：光学影像 SAR影像水体提取 CV模型能量泛函局部项差分图像

基于IASI的中国NH_(3)浓度及排放时空分布特征分析

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中国环境科学 2024年第6期44卷 3040-3051页

作者：文鹏帆张春亢杨庆骅杨正雄峰黎国庆贵州大学矿业学院贵州贵阳550025

基于红外大气探测干涉仪(IASI)反演的NH_(3)柱浓度数据,利用排放通量盒模型和动态NH_(3)寿命估算了中国2008~2016年的NH_(3)排放量,并结合中国的土地覆盖类型、人口密度及人口增长数据分析了中国NH_(3)浓度及排放的空间分布和年际变化趋... 详细信息

基于红外大气探测干涉仪(IASI)反演的NH_(3)柱浓度数据,利用排放通量盒模型和动态NH_(3)寿命估算了中国2008~2016年的NH_(3)排放量,并结合中国的土地覆盖类型、人口密度及人口增长数据分析了中国NH_(3)浓度及排放的空间分布和年际变化趋势.结果发现,2008~2016年中国平均NH_(3)柱浓度、排放通量密度和排放量分别为6.81×10^(15)molec/cm^(2)、1.43g/m^(2)和10.09Tg,其中山东、河南两省的NH_(3)浓度增长最快,年均增长率分别为1.47×10^(15)和1.23×10^(15)molec/(cm^(2)⋅a).高浓度及高排放强度区域主要集中在华北、新疆中部及四川盆地地区,表现为向四周逐渐减小的趋势分布,这与中国的耕地、高人口密度区域分布基本一致.中国的NH_(3)排放量整体呈上升趋势,从2008年的9.33Tg增加到2016年的13.96Tg,从占全球总量的14.96%上升到了24.88%.在这期间,西北和华北地区贡献了我国排放总量的47.50%,而青藏高原地区仅占2.65%.中国各地区的NH_(3)浓度具有“夏峰冬谷”的季节性特征,春、夏、秋和冬4个季节分别占全年总浓度的28.96%、49.84%、13.02%和8.17%,这表明春夏频繁的农业活动对NH_(3)浓度的贡献不可忽视.考虑到中国NH_(3)浓度及排放存在显著的时空差异,制定分时段、分区域的空气污染防治计划对NH_(3)的减排治理将更加切实有效.

关键词： NH_(3)排放红外大气探测干涉仪(IASI) NH_(3)寿命 PM_(2.5)污染时空分布

不同加载角压剪耦合作用下岩石强度与渗透性演变特征

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煤炭学报 2024年第7期49卷 3090-3101页

作者：范钢伟范张磊张东升张世忠中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

华北型石炭-二叠纪煤系基底普遍发育奥陶系灰岩含水层,煤炭开采受到底板承压含水层突水灾害和水资源流失的双重威胁,压剪耦合下岩石水力特性是大倾角承压水上开采底板岩层阻水性能评价的基础。综合采用理论分析及离散元数值计算等方法,... 详细信息

华北型石炭-二叠纪煤系基底普遍发育奥陶系灰岩含水层,煤炭开采受到底板承压含水层突水灾害和水资源流失的双重威胁,压剪耦合下岩石水力特性是大倾角承压水上开采底板岩层阻水性能评价的基础。综合采用理论分析及离散元数值计算等方法,建立了不同压剪比例下莫尔圆旋转的岩石失稳判据,揭示了压剪耦合作用下岩石强度衰减机制,提出了综合裂隙角度、裂隙扩展速度、改进体积应变等指标的应力阈值确定方法,明晰了不同加载角、渗透压差及围压条件下岩石微裂纹扩展及渗透性演化特征。主要结论如下:压剪耦合作用下岩石承载能力降低表现在强度降低与弹性模量增大2个方面;岩石弹性模量随加载角增大呈现先缓慢增大(0°~15°)后迅速增大(15°~30°)再减小(30°~45°)趋势,但仍大于初始值;岩石强度和加载角呈线性负相关关系,降低幅度和围压成正比,2 MPa围压下强度降低速度是无围压的1.9倍,由等效内摩擦角控制;随着加载角的增大岩石破坏程度降低、峰后应力由脆性跌落向塑性转变;压剪耦合作用下拉伸裂隙诱导起裂及拉剪复合裂隙主导非稳定扩展解释了不同压剪比例条件起裂应力、损伤应力阈值非线性演化的内在机制;渗透率回弹位置处于起裂与损伤应力阈值之间并接近后者,随着加载角的增大,拉剪复合裂隙(优势渗流路径)分布较为集中;岩石强度随渗透压差增大而降低,降低速率和加载角呈负相关关系;岩石峰值渗透率随着加载角的增大而减小,降低趋势随着渗透压差的增大由线性向非线性转变;加载角较大时,渗透压差与围压对岩石强度及渗透性控制作用减弱。

关键词：渗透性保水开采加载角压剪耦合应力阈值破裂特征

煤矿巷道再造高强度承载结构快速支护技术及工程应用

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 34-48页

作者：徐佑林吴旭坤周波郑伟吴少康周泽陈志松张际涛贵州理工学院矿业工程学院贵州贵阳550003 南京工业大学安全科学与工程学院江苏南京211800 安徽理工大学矿业学院安徽淮南232002 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 贵州大学矿业学院贵州贵阳550025

针对松软、破碎围岩巷道可锚性差、受强动压和强构造应力影响等问题,开展了大量现场调研并归纳分析了3种典型煤矿巷道围岩大变形和围岩控制难题;在分析现有支护技术和理论基础上,提出再造高强度承载结构快速支护技术思路和再造方法。以... 详细信息

针对松软、破碎围岩巷道可锚性差、受强动压和强构造应力影响等问题,开展了大量现场调研并归纳分析了3种典型煤矿巷道围岩大变形和围岩控制难题;在分析现有支护技术和理论基础上,提出再造高强度承载结构快速支护技术思路和再造方法。以贵州龙宝煤矿11205运输下山为工程背景,分析其变形破坏原因,结合实际设计出对破碎围岩进行置换加卸压的联合支护方法,理论上建立巷旁充填墙承载力学模型,分析了巷旁充填墙的承载强度,确定了巷旁充填墙的强度与巷道围岩的可适性及有效性。结合FLAC^(3D)数值模拟与Python脚本编程语言,实现飞蛾火焰优化算法,确定最优的破碎围岩巷道的置换参数(墙体厚度和卸压区宽度)。研发了高强度高韧性充填支护新材料。通过对软弱墙体进行置换再造,让巷道顶板、充填体和底板重新构成一个整体承载结构。井下工业性试验结果表明,对巷道软弱岩体进行置换再造后,巷道顶板、充填体和底板所构成的新结构可实现整体承载,充分发挥了围岩自身承载能力和抵抗变形能力,围岩变形趋于平稳,收敛速率基本都小于0.2 mm/d,无明显变形,且数值模拟计算结果与工程实践监测较为吻合,表明巷旁充填置换支护方案对松软破碎围岩巷道控制有较好的效果。最后,对深入研究再造承载结构快速支护技术进行了展望。

关键词：破碎围岩难支护巷道高强度承载结构承载强度飞蛾火焰优化算法