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煤岩孔裂隙结构特征对其损伤演化规律影响 被引量：2
1
作者 赵怡晴 秦文静 +3 位作者 金爱兵 曹志国 刘金博 秦琨 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第5期90-101,共12页
煤岩孔裂隙发育扩展是造成煤岩损伤,从而导致瓦斯突出、冲击地压、煤柱失稳等矿山灾害的主要原因,探究煤岩压裂过程中裂隙破裂演化规律及煤岩损伤演化规律是预测煤岩动力灾害的前提。裂隙倾角分布、孔隙率为影响煤岩裂隙破裂规律的重要... 煤岩孔裂隙发育扩展是造成煤岩损伤,从而导致瓦斯突出、冲击地压、煤柱失稳等矿山灾害的主要原因,探究煤岩压裂过程中裂隙破裂演化规律及煤岩损伤演化规律是预测煤岩动力灾害的前提。裂隙倾角分布、孔隙率为影响煤岩裂隙破裂规律的重要因素,采用单轴压缩、CT电子扫描和核磁共振试验对煤岩力学性能和孔裂隙结构进行分析,通过煤岩裂隙分形维数和裂隙倾角分布特征,表征煤岩内部裂隙结构;同时结合数值模拟对不同裂隙倾角煤岩裂隙扩展和损伤演化规律进行分析。研究结果表明:①裂隙倾角分布特征为影响煤岩力学特性的主要因素,孔隙率为影响煤岩力学性质的次要因素。②结合室内试验和数值模拟,单一裂隙煤岩抗压强度高于复杂裂隙煤岩抗压强度;且当煤岩裂隙倾角以单一裂隙为主时,急倾煤岩抗压强度>缓倾煤岩抗压强度>倾斜煤岩抗压强度。③单一裂隙煤岩相较于复杂裂隙煤岩,复杂程度较低,煤岩初始损伤较低,在裂纹加速扩展阶段,储存的应变能急速剧烈释放,宏观表现为破碎程度较高的剪切破坏。④基于裂隙发育数量建立包含峰后阶段的煤岩损伤变量,煤岩损伤演化过程呈指数型增长,分为近似无损、初始损伤、损伤稳定发展阶段、损伤加速发育阶段、残余损伤阶段,该损伤规律可为矿山灾害预测提供理论支撑。 展开更多
关键词 煤岩 孔裂隙结构 破裂 裂隙复杂度 损伤演化
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基于煤样主控裂隙尺度筛选的等效DFN模型构建 被引量：2
2
作者 郎丁 张子鑫 +4 位作者 伍永平 余洋 余建东 武小博 张耀 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第3期435-449,共15页
煤岩体中不同尺度层级的节理交错,分布规律迥异,对其变形破坏特征有重要影响。筛选对煤岩力学行为起主控作用的裂隙尺度层级并在该尺度基础上进行随机节理网络模型(Discrete Fracture Network,DFN)构建,在保证数值计算准确性的同时降低... 煤岩体中不同尺度层级的节理交错,分布规律迥异,对其变形破坏特征有重要影响。筛选对煤岩力学行为起主控作用的裂隙尺度层级并在该尺度基础上进行随机节理网络模型(Discrete Fracture Network,DFN)构建,在保证数值计算准确性的同时降低冗余裂隙尺度对模型构建及计算机算力的影响,可为提升岩石力学数值计算效能提供新的途径。基于CT扫描与图像处理技术,提取煤样三维裂隙结构及其几何特征参数,嵌入RFPA^(3D)-CT进行单轴加载数值分析并与试件的单轴压缩试验结果进行比对,确定了煤样数值模型的细观力学参数,进一步逐级筛选出对煤样力学行为起主要控制作用的裂隙尺度层级。在此基础上,运用Baecher模型和Monte-Carlo随机模拟理论,依据主控裂隙的几何分布特征构建等效DFN模型,并通过数值模拟计算对模型的有效性进行验证。研究结果表明:研究煤体试件样本的主控裂隙尺度(迹长)不小于14 mm,对该尺度以上的裂隙与对该尺度及以上裂隙进行删减的模型相较,破坏形态由“2”型转为斜“1”型,破坏峰值强度升高了61.79%,该尺度以上裂隙的存在与否对试件模型的数值计算结果起到决定性的控制作用。基于试件的主控裂隙尺度构建了等效DFN模型,其节理几何特征与基于CT扫描的真实裂隙各项几何特征参数基本一致,其平均误差为5.16%,等效DFN模型在单轴加载作用下表现出的力学性质与CT扫描后6组全裂隙模型相对吻合,两者峰值强度平均误差为13.41%,破坏计算时步的计算效率提升了14.59%。 展开更多
关键词 CT扫描 阈值分割 裂隙几何统计 主控裂隙尺度 随机节理网络模型
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基于大直径钻孔钻进多参量的煤体应力钻测方法 被引量：1
3
作者 赵同彬 赵志刚 +3 位作者 齐炎山 尹延春 牛旭 李淇凡 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第1期122-132,共11页
煤体高应力是冲击地压发生的必要条件,及时准确测量评估煤体应力是冲击地压预警工作的关键环节。大直径钻孔是煤矿冲击地压防治最常用的预卸压、卸压解危和应力调控方法,研发和应用基于大直径卸压钻孔的煤体应力随钻测量技术方法,可以... 煤体高应力是冲击地压发生的必要条件,及时准确测量评估煤体应力是冲击地压预警工作的关键环节。大直径钻孔是煤矿冲击地压防治最常用的预卸压、卸压解危和应力调控方法,研发和应用基于大直径卸压钻孔的煤体应力随钻测量技术方法,可以得到煤矿井下大量煤体应力数据。本文根据煤体钻削破坏特征,对钻头破煤进行了力学分析,以钻头钻削力为纽带,研究了钻头受力与煤体应力关系,建立了煤体钻削力学模型,给出了包含钻进多参量的煤体应力反演方程;开展不同强度和煤体应力的原煤室内钻进实验,验证了力学模型的准确性和适用性,自主研制了大直径卸压钻机配套的随钻测量装置,开展煤矿井下实测实验,获取钻头位移、转速、转矩随时间变化数据,计算得到不同钻孔深度的煤体应力,给出了卸压孔区应力场分布形态,并与钻进能量和钻进时间进行了比较分析。结果表明,室内钻进实验加载应力与钻削力学模型计算应力平均误差为4.9%、最大误差为15.7%;现场实测煤体应力随孔深呈现先上升后下降的趋势,与煤壁支承压力分布规律一致,同一钻孔的煤体应力、钻进时间和钻进能量随孔深变化曲线基本一致,表明高应力区钻孔消耗能量较多,所需钻进时间也较长;对比相邻钻孔应力发现,先施工钻孔的应力峰值较高,后施工钻孔应力峰值较低,且峰值位置向深部转移,表明先施工钻孔起到明显的卸压作用。通过建立钻进多参量和煤体应力的定量关系,进行基于大直径卸压钻孔钻进多参量的煤体应力原位测量,将大直径卸压钻孔从卸压工程孔拓展为应力测量孔,实现钻孔卸压与应力测量评估一体化。 展开更多
关键词 大直径卸压钻孔 钻削力学模型 煤体应力 钻进多参量 钻测方法
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考虑中间主应力和支护力的巷道围岩黏-弹塑性解 被引量：1
4
作者 经来旺 冯瑜腾 +3 位作者 郑霖 谢金鑫 黄旭 经纬 《中国矿业》 北大核心 2025年第1期146-153,共8页
岩石流变特性对巷道围岩的变形具有重要影响,往往会导致围岩发生大变形甚至失稳。为了全面地分析圆形巷道围岩的变形特性,采用流变模型的串联理论,将Burgers模型与统一强度准则下的摩擦片进行组合,得到了一种考虑围岩塑性的黏-弹塑性围... 岩石流变特性对巷道围岩的变形具有重要影响,往往会导致围岩发生大变形甚至失稳。为了全面地分析圆形巷道围岩的变形特性,采用流变模型的串联理论,将Burgers模型与统一强度准则下的摩擦片进行组合,得到了一种考虑围岩塑性的黏-弹塑性围岩本构模型。在对围岩进行弹塑性分析时,考虑了中间主应力系数和支护力的影响,并利用非关联流动法则,得到了巷道围岩塑性区半径和位移解析式。结合算例分析了中间主应力和支护力对巷道围岩塑性区半径及其应力场和位移场的影响,以及位移随时间的变化规律。研究结果表明:巷道围岩先后经历减速蠕变和稳速蠕变两个阶段。在减速阶段,围岩的位移增速较大,前期支护压力大。而在稳速阶段,围岩位移增速虽略有减小,但依然需要支护保持稳定;通过增大中间主应力和支护力,可以减小塑性区半径和围岩位移,提高巷道围岩的稳定性。此外,随着时间的增加,围岩变形逐渐增大,而通过增大支护力,可有效抑制围岩发生变形的速度,在一定程度上缓解了围岩变形。 展开更多
关键词 岩石流变特性 黏-弹塑性模型 蠕变 统一强度准则 BURGERS模型 支护力
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岩石非线性黏弹塑性损伤蠕变模型研究 被引量：1
5
作者 陈有亮 肖鹏 +2 位作者 杜曦 王苏然 RAFIG A 《应用力学学报》 北大核心 2025年第1期133-140,共8页
准确描述岩石蠕变行为的各阶段特征对岩石力学与岩体工程的研究具有重要的意义。由于经典元件组合模型不能较好地描述岩石蠕变过程中的非线性特征,基于损伤力学理论及Kachanov蠕变损伤演化规律,通过改进传统的Kelvin模型和村山体模型,... 准确描述岩石蠕变行为的各阶段特征对岩石力学与岩体工程的研究具有重要的意义。由于经典元件组合模型不能较好地描述岩石蠕变过程中的非线性特征,基于损伤力学理论及Kachanov蠕变损伤演化规律,通过改进传统的Kelvin模型和村山体模型,建立起能够描述岩石衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段的非线性函数。将弹性体、线性Kelvin体、非线性Kelvin体、损伤黏弹塑性体进行串联,建立能够同时描述岩石瞬时弹性应变、非线性黏弹性应变、非线性黏塑性应变和黏性应变的非线性黏弹塑性损伤蠕变模型,采用Origin软件的Levenberg-Marquardt算法对模型参数进行了辨识,最后通过用不同应力水平下的砂岩单以及三轴压缩蠕变试验,验证该模型的合理性。结果表明:试验曲线和理论曲线的吻合度较高,所建模型不仅能够准确地描述岩石的瞬时弹性应变阶段、等速蠕变阶段的蠕变曲线特征,而且能够较好地描述衰减蠕变阶段和加速蠕变阶段蠕变曲线的非线性特征,验证了该模型的合理性与准确性。 展开更多
关键词 岩石力学 损伤 非线性 加速蠕变 黏弹塑性蠕变模型
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随钻钻进参数优化下煤体原位应力响应特征解析 被引量：1
6
作者 张琨 王珂 +5 位作者 任建喜 冯上鑫 常鹏博 赵玉桃 苗彦平 胡俭 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第2期213-222,共10页
【背景】井下煤体应力空间分布状况是影响矿井安全生产和采掘工艺优化的重要因素之一,实现煤体应力定量且超前的原位预测,对于精准调控井下应力场、划分冲击危险区域意义重大。【方法】利用自主研发的随钻监测系统,开展不同钻进工况条... 【背景】井下煤体应力空间分布状况是影响矿井安全生产和采掘工艺优化的重要因素之一,实现煤体应力定量且超前的原位预测,对于精准调控井下应力场、划分冲击危险区域意义重大。【方法】利用自主研发的随钻监测系统,开展不同钻进工况条件下的煤岩钻孔室内试验,探究不同应力条件下钻进工况对钻进参数(扭矩、钻进位移)的作用规律,进而提出基于钻进参数的煤体应力测定方法,并开展了井下原位工程应用实践。【结果和结论】结果表明:(1)在钻进过程中,随钻监测系统可在干扰钻进工艺下实时监测钻进参数。钻进过程中钻进速度与钻压呈负相关关系,与扭矩呈正相关关系。(2)构建的钻进指标与煤体应力大小的函数关系拟合效果良好,拟合度达R^(2)=0.92。(3)井下原位工程验证发现,基于钻进参数煤体应力预测值和煤体应力实际值平均差异率小于10%,具有较好的一致性。该研究验证了基于钻进参数测定煤体应力的可靠性,也为实现煤体应力原位数字钻探技术提供了科学参考。 展开更多
关键词 随钻测试 钻进参数 煤体原位应力 响应特征
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不同含水率花岗岩单轴压缩力学特性及破坏特征研究 被引量：2
7
作者 庞建勇 王宇 +1 位作者 巩义鑫 李垂宇 《金属矿山》 北大核心 2025年第1期81-88,共8页
为探究不同含水率花岗岩受荷作用下的力学特性及破坏特征。针对不同含水率条件下花岗岩开展单轴压缩试验,基于应力—应变曲线,分析了力学弱化特征,从宏观角度探究花岗岩变形破坏模式,通过能量理论计算,得出能量演化规律。研究结果表明:... 为探究不同含水率花岗岩受荷作用下的力学特性及破坏特征。针对不同含水率条件下花岗岩开展单轴压缩试验,基于应力—应变曲线,分析了力学弱化特征,从宏观角度探究花岗岩变形破坏模式,通过能量理论计算,得出能量演化规律。研究结果表明:花岗岩试样应变软化特征明显,且随着含水率增加,峰值应力逐渐减小,非线性增加趋势明显,且伴有局部起伏涨落的趋势;花岗岩试样的抗压强度、弹性模量、脆性指标均随含水率增加而减小,饱和试样与干燥试样相比下降了40.1%、33.8%、61.8%;破坏模式随含水率增加而改变,崩落破坏时剧烈程度逐渐降低,干燥花岗岩呈现脆性劈裂破坏,破坏面以近竖直裂纹为主,低含水率花岗岩的破坏模式为拉—剪复合破坏,花岗岩近竖直裂纹数量减少,倾斜裂纹增多,随含水率增大呈现拉—剪复合破坏减少而剪切破坏增多,饱和岩样以剪切破坏为主,破坏面主要为倾斜破裂面;花岗岩的含水率越大,吸收能量的能力减弱,储能速率降低,但能量耗散现象显著。研究结果可为富水地区硬岩地下工程岩石工程灾害防控提供参考。 展开更多
关键词 花岗岩 单轴压缩 含水率 破坏特征 能量演化
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蠕变损伤煤岩分段增幅循环劣化机制 被引量：1
8
作者 李杨杨 张士川 +3 位作者 沈宝堂 许亚栋 党金铭 侯嘉琦 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第5期64-76,共13页
受开挖影响,深部煤岩在高应力长时作用下产生明显的蠕变损伤,在工作面采动作用下已蠕变损伤的煤体突变失稳诱发冲击地压灾害,给深部煤柱安全回采造成了严重威胁。基于长时蠕变-循环载荷-卸围压试验,研究了初始蠕变损伤与循环载荷叠加作... 受开挖影响,深部煤岩在高应力长时作用下产生明显的蠕变损伤,在工作面采动作用下已蠕变损伤的煤体突变失稳诱发冲击地压灾害,给深部煤柱安全回采造成了严重威胁。基于长时蠕变-循环载荷-卸围压试验,研究了初始蠕变损伤与循环载荷叠加作用下煤岩劣化特性的演化规律,分析了循环载荷下不同应力区间煤岩的强度特征及累积损伤特性,探究了循环载荷次数对煤岩蠕变损伤效应的组合作用机制,揭示了蠕变损伤效应下煤岩变形破坏过程中能量的转化机理。结果表明:煤岩在循环载荷低应力区间内受蠕变预损伤效应影响较小,随应力水平区间的上升,煤岩的长时损伤越大且非线性劣化越明显,失稳后的破裂程度越剧烈;当蠕变应力处于弹性阶段内,蠕变可使经历周期载荷煤样在强化到劣化之间存在时长不超过16 h,在高应力区间内劣化作用才得到显著呈现;循环加卸载后期,加卸载变形模量随循环次数剧烈波动,不可逆形变稳定增加,预示煤样处于即将失稳破坏的“临界点”。基于损伤力学理论创建了蠕变与循环载荷叠加作用损伤演化模型,结合试验结果发现长时蠕变后的煤样因内部劣化程度较高,储存的能量较少,应力释放有所缓和,突变失稳现象不明显;煤样储能能力的大小在蠕变损伤时长方面同样存在“临界点”,较长的蠕变损伤时长可使试样存储的可释放弹性能减小,在一定程度上延缓了弹性能的释放,减小了发生动力灾害破坏的范围。研究成果将对减少遗煤长时蠕变诱冲灾害,提高采空区遗煤回采效率,推动矿区生态文明建设具有重要的工程意义。 展开更多
关键词 蠕变 循环载荷 卸围压 损伤煤岩 非线性劣化
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单轴压缩下充填体−围岩组合体力学特性与能量演化规律
9
作者 邱华富 李宇航 +2 位作者 刘浪 梁超 丁自伟 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第2期688-701,共14页
为研究矸石胶结充填体-围岩组合体力学特性和能量演化规律,对不同接触面倾角的组合体试件进行单轴压缩试验,对破坏过程的力学特性、声发射特征和能量演化规律进行分析。研究结果表明:接触面倾角0°、15°和30°的组合体试... 为研究矸石胶结充填体-围岩组合体力学特性和能量演化规律,对不同接触面倾角的组合体试件进行单轴压缩试验,对破坏过程的力学特性、声发射特征和能量演化规律进行分析。研究结果表明:接触面倾角0°、15°和30°的组合体试件发生延性破坏,接触面倾角45°、60°、75°、90°的组合体试件发生脆性破坏。随着荷载的持续增大,组合体试件在峰值应力处都产生大量声发射信号;随接触面倾角的增大,拉伸破坏占比呈先增加后减小趋势,在接触面倾角为45°时达到最大。不同接触面倾角组合体试件在峰值应力前弹性应变能呈非线性增加,耗散能曲线斜率随着接触面倾角增加逐渐减小;峰后破坏阶段曲线演化规律与组合体试件的破坏类型有关。延性破坏时,弹性能耗比曲线整体先下降,后在峰值应力处转为呈上升趋势;脆性破坏时,弹性能耗比曲线整体呈下降趋势,在峰值应力处达到最小值。声发射特征和能量演化规律与组合体试件破坏过程相关性较好,可为组合体破坏预测提供有效前兆信息。 展开更多
关键词 充填体-围岩组合体 矸石胶结充填体 声发射 能量演化 弹性能耗比
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循环载荷作用下裂隙煤岩组合体宏细观力学行为
10
作者 栾恒杰 贾志伟 +4 位作者 张孙豪 郭尧 蒋宇静 刘建荣 王冬 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第5期189-208,共20页
为研究循环载荷作用下含相同裂隙煤岩组合体损伤劣化特征,通过室内试验与数值模拟,研究了煤岩比例、循环加载幅值对岩-煤-岩组合体损伤演化及宏细观破坏机制的影响。结果表明:煤体裂隙网络主导组合体强度与破坏。在循环加卸载过程中,应... 为研究循环载荷作用下含相同裂隙煤岩组合体损伤劣化特征,通过室内试验与数值模拟,研究了煤岩比例、循环加载幅值对岩-煤-岩组合体损伤演化及宏细观破坏机制的影响。结果表明:煤体裂隙网络主导组合体强度与破坏。在循环加卸载过程中,应力-位移曲线呈现滞回效应,初期小且密集,后期大而疏松,位移随时间正弦波动变化,在失稳前几次循环位移整体增加。当颗粒受力大于颗粒胶结强度时,裂纹首先萌发于煤裂隙尖端处,之后受力集中点转移至周围颗粒,使得裂纹呈条带发育,多组裂纹条带与破碎区间形成贯穿裂纹带,使试样失去其承载能力。随着组合体中煤的比例增加,组合体强度降低、位移增大,声发射b值减小,发生失稳的循环次数降低。随着循环加载幅值增大,组合体位移增大,声发射b值减小,对组合体劣化程度加深,更易导致组合体试件失稳。 展开更多
关键词 煤岩组合体 循环加卸载 裂纹扩展 能量演化 数值模拟
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不同应变率下松软煤体动态压缩力学特征
11
作者 朱传奇 王磊 +2 位作者 刘怀谦 陈礼鹏 张帅 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第4期244-254,共11页
深部冲击荷载扰动极易诱发松软煤层围岩失稳事故。为研究不同应变率下松软煤体动态力学特征,针对淮南矿区潘一矿11518工作面松软煤体,压制ø50 mm×25 mm的圆柱形型煤试样,运用分离式霍普金森压杆试验系统,开展5组冲击速度下(0... 深部冲击荷载扰动极易诱发松软煤层围岩失稳事故。为研究不同应变率下松软煤体动态力学特征,针对淮南矿区潘一矿11518工作面松软煤体,压制ø50 mm×25 mm的圆柱形型煤试样,运用分离式霍普金森压杆试验系统,开展5组冲击速度下(0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 MPa)煤体的动态压缩试验,获取煤体动态应力−应变曲线,计算破碎耗能及耗能密度,筛分不同粒径区间破碎煤体质量,分析煤体力学特征参数、能量耗散及破碎特征随应变率的变化规律,揭示煤体冲击破坏的应变率效应。结果表明:在试验应变率范围内,煤体初始压密阶段均不明显,且随应变率的增高,弹性变形阶段曲线斜率缓慢增大,屈服阶段有所增长,软化阶段应力降幅增大。煤体峰值应力、峰值应变、割线模量随应变率的增高均具有线性增大的变化特点,增幅分别为130.998%、111.335%、52.026%。随应变率的增高,煤体破碎耗能及破碎耗能密度均呈指数增长,破碎耗能占比逐渐增大。应变率越大,破坏后煤体小体积碎块越多,应变率由66.778 s^(−1)变化到259.154 s^(−1)过程中,碎块平均粒径由3.34 mm逐渐降低至2.49 mm,碎块分形维数由2.37缓慢增大到2.61,型煤与原煤(应变率为57.433~240.100 s^(−1))破碎特征随应变率变化趋势具有一致性。研究结果可为厘清松软煤体冲击动态力学响应过程、防控失稳灾害提供试验依据。 展开更多
关键词 松软煤体 应变率 力学特征参数 能量耗散 破碎特征
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干湿循环及循环加卸载条件下白云岩渐进损伤的能量特性研究
12
作者 张锋 王运敏 +2 位作者 李小双 鲁俊 侯国庆 《矿冶工程》 北大核心 2025年第4期1-7,共7页
探讨了干湿循环与循环加卸载共同作用下白云岩的力学性能及能量演化规律。结果表明,干湿循环引起的结构损伤导致白云岩由脆性破坏向延性破坏转变,表现为滞回环面积增大与峰值强度下降;循环加卸载初期具有强化作用,随后进入软化与损伤阶... 探讨了干湿循环与循环加卸载共同作用下白云岩的力学性能及能量演化规律。结果表明,干湿循环引起的结构损伤导致白云岩由脆性破坏向延性破坏转变,表现为滞回环面积增大与峰值强度下降;循环加卸载初期具有强化作用,随后进入软化与损伤阶段。能量分析结果显示,总输入能量主要以弹性应变能形式存储,耗散能比例随损伤累积缓慢增长,且由耗散能定义的损伤变量呈现“渐进—加速—稳定”的演化特征。 展开更多
关键词 岩石力学 白云岩 干湿循环 循环加卸载 能量演化 耗能比 损伤变量
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不同低温与加载速率下冻结饱和砂岩Ⅱ型动态断裂特性
13
作者 赵涛 崔朝 +1 位作者 贾海梁 杨光宇 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第4期191-202,共12页
【背景】研究动力扰动下冻结饱和砂岩Ⅱ型断裂,包括临界应力强度因子(断裂韧度)变化特征以及能量耗散机制,对煤矿冻结井筒安全钻爆掘砌至关重要。【方法】利用分离式霍普金森压杆装置,在不同温度和不同加载速率下进行一系列动态SCC试验... 【背景】研究动力扰动下冻结饱和砂岩Ⅱ型断裂,包括临界应力强度因子(断裂韧度)变化特征以及能量耗散机制,对煤矿冻结井筒安全钻爆掘砌至关重要。【方法】利用分离式霍普金森压杆装置,在不同温度和不同加载速率下进行一系列动态SCC试验,分析了冻结饱和砂岩应力强度因子-时间曲线、断裂韧度和能量耗散机制随温度和加载速率的演化规律。总结宏观与微观层面上砂岩剪切断裂面特征,并利用核磁手段揭示了冻结效应的微观影响机制。此外,基于有限元模拟,进一步分析了断裂特性的加载速率效应。【结果和结论】结果表明:(1)随温度下降,冻结饱和砂岩断裂过程中岩石断裂韧度增大,相应地砂岩吸收的能量增加,能量利用率呈现一定的增长趋势。随加载速率增加,砂岩断裂韧度呈线性增加,岩石断裂吸收的能量也呈现增加趋势,而能量利用率呈现减小的趋势。(2)试件剪切面存在2种不同的断裂模式:“阶梯状”剪切滑移和“断口状”剪切滑移。(3)依据核磁数据总结了孔隙水冻结的3个阶段:过冷阶段,此阶段未冻水含量不变;快速冻结阶段,此阶段自由水与毛细水基本相变,大部分结合水冻结,断裂韧度迅速增加;缓慢冻结阶段,此阶段少部分结合水冻结,断裂韧度缓慢提升。(4)模拟应变-时间曲线与试验应变-时间较为吻合,表明模拟结果合理可靠,经模拟发现岩桥上出现明显的应力集中现象,并且随加载速率的增加剪应力呈现增加趋势,砂岩的断裂韧度与断裂吸收能均存在加载速率强化机制。研究成果对西部富水软岩地层冻结井筒的钻爆掘砌具有指导作用。 展开更多
关键词 Ⅱ型动态断裂 冻结饱和砂岩 断裂韧度 能量耗散 低温强化机制 加载速率
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断层倾角对声发射信号传播规律影响的试验研究
14
作者 贾宝新 李宝 +1 位作者 周琳力 陈浩 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第5期23-38,共16页
因存在断层和岩层间层理面等不连续界面,天然岩体并非均匀连续介质,声发射信号经过断层和层理面时传播规律必然会发生改变,因此研究断层中声发射信号的传播规律成为岩石力学的重点课题之一。基于惠更斯原理对含断层的非均匀介质条件下... 因存在断层和岩层间层理面等不连续界面,天然岩体并非均匀连续介质,声发射信号经过断层和层理面时传播规律必然会发生改变,因此研究断层中声发射信号的传播规律成为岩石力学的重点课题之一。基于惠更斯原理对含断层的非均匀介质条件下的波面方程进行推导,并通过室内相似模拟模型试验制作45°、60°、75°以及其他类型断层试件,结合超声波测速仪和DS5-16B全信息声发射信号分析仪对跨断层的声发射信号进行监测和记录,采用非线性拟合和Matlab软件数值计算的方式,研究不同倾角的断层、层理面数量对声发射信号传播速度以及信号特征的影响。结果表明:声发射信号的传播速度随着断层倾角的增大逐渐增加,传播速度与断层倾角呈正相关,断层倾角越大信号传播速度越快,信号穿过断层后传播速度会发生衰减,断层倾角越大速度衰减比例越小,层理面会使传播速度发生衰减,单个层理面对速度的影响较小,2个层理面对速度的影响较大;断层会使信号的最大幅值减小,主频率降低,频率区间向低频方向移动,断层倾角越大,最大幅值、主频率、频率区间越大。1个层理面对信号的影响较小,与无层理面的信号时频特征基本相同,2个层理面对信号的影响较大,会使信号的最大幅值、主频、频率区间有较大幅度的减小;断层的存在会导致声发射信号的瞬时能量发生巨大衰减,倾角越小衰减越为严重。研究成果可为射线理论下波速模型的建立提供理论依据。 展开更多
关键词 断层倾角 声发射信号 层理面 传播速度 能量
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基于数字图像处理的砂岩细观结构分形特征研究
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作者 黄冬梅 潘鑫 +2 位作者 乔书昱 朱盈盈 王新照 《矿业安全与环保》 北大核心 2025年第4期108-116,共9页
为研究砂岩细观结构特征与其宏观损伤破坏的相关性,以新汶煤田鄂庄煤矿选取的4种典型砂岩为研究对象,通过扫描电镜试验获取其灰度图像,借助实验优度法选取合适的分割方法,对其进行图像处理,并获取砂岩孔裂隙的长度、周长和面积等参数信... 为研究砂岩细观结构特征与其宏观损伤破坏的相关性,以新汶煤田鄂庄煤矿选取的4种典型砂岩为研究对象,通过扫描电镜试验获取其灰度图像,借助实验优度法选取合适的分割方法,对其进行图像处理,并获取砂岩孔裂隙的长度、周长和面积等参数信息;通过小岛法获取岩样孔裂隙分形维数并计算损伤变量,研究分形特征、损伤变量与强度的相关性。研究结果表明:砂岩强度与其细观结构分形维数呈反比关系,砂岩孔裂隙结构复杂程度越高,其分形维数越大,单轴抗压强度越小,砂岩细观结构分形特征可为其强度特性评价及影响分析提供依据;砂岩损伤变量与分形维数具有正相关性,损伤变量随分形维数的递增呈非线性增大,分形维数可较好地表征砂岩的损伤程度和破碎程度,同时影响着砂岩的损伤特征。 展开更多
关键词 砂岩 分形特征 数字图像处理 小岛法 抗压强度 损伤变量
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应力加卸载条件下煤岩吸附性能及比表面积变化规律
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作者 孙维吉 张军林 +2 位作者 房胜杰 史国涛 陈昕涛 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第9期342-350,共9页
为研究煤岩在应力加卸载过程中吸附性能及比表面积变化规律,基于煤岩吸附解吸理论,利用自主研制的应力加卸载煤岩吸附试验系统,采用CO_(2)气体作为吸附质,开展了应力加卸载过程中煤岩吸附性能变化试验。另外,在不同应力点进行了等温吸... 为研究煤岩在应力加卸载过程中吸附性能及比表面积变化规律,基于煤岩吸附解吸理论,利用自主研制的应力加卸载煤岩吸附试验系统,采用CO_(2)气体作为吸附质,开展了应力加卸载过程中煤岩吸附性能变化试验。另外,在不同应力点进行了等温吸附试验,并应用Langmuir法和BET法分别计算了不同应力点的比表面积,分析了吸附量与比表面积的关系。结果表明:煤岩吸附气体速率与该煤岩在加载或卸载过程中的累积吸附次数有关,与应力的大小无关。累积吸附次数越多,煤岩吸附速率越快。应力载荷明显影响煤岩的吸附能力,加载会抑制煤岩的吸附能力,整个加载过程中,吸附量最大下降了16.2%。一定范围内的应力对煤岩吸附CO_(2)具有较高的敏感性。卸载会提高煤岩的吸附能力,应力卸载过程中吸附量共上升了8.3%,初步卸载(5.09~4.08 MPa)对吸附量变化贡献了63.8%,初步卸载对煤岩吸附能力的增强起决定作用,初步卸载后吸附量随着应力的减小逐步增加,且卸载过程吸附量变化曲线始终高于加载过程吸附量变化曲线。加载减小了比表面积,卸载增大了比表面积。加载条件下,Langmuir法和BET法计算的比表面积分别减小了22.2%和21.3%,卸载过程比表面积分别增大了21.2%和20.5%。卸载条件下的比表面积总是大于加载条件下相同应力水平的比表面积。 展开更多
关键词 应力加卸载 煤岩吸附 Langmuir法/BET法 吸附等温线 煤岩比表面积
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基于随钻数据的岩体强度预测模型及其适配性评价
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作者 赵志强 王箫鹤 武璟 《煤炭学报》 北大核心 2025年第10期4743-4758,共16页
为了研究在锚杆钻机钻进过程中实时识别顶板岩层强度及结构状态,为巷道掘进过程中进行顶板隐患探测提供技术途径,采用综合研究手段,揭示了不同强度岩体及组合岩体的钻进信号响应规律,研究了基于钻进数据的岩体强度表征及预测模型,并对... 为了研究在锚杆钻机钻进过程中实时识别顶板岩层强度及结构状态,为巷道掘进过程中进行顶板隐患探测提供技术途径,采用综合研究手段,揭示了不同强度岩体及组合岩体的钻进信号响应规律,研究了基于钻进数据的岩体强度表征及预测模型,并对比评估了其适配性。结果表明:推力、扭矩及转速等信号对围岩强度的变化具有较强的响应性,与岩层结构变化呈现一致性,三轴振动对岩体强度的响应性较不明显,但在岩层界面处信号突变显著;各表征参量及其强度表征值趋势与钻进信号趋势基本保持一致,基于钻头单位体积研磨能的单轴抗压强度表征模型与真实值偏离度最小(适配性最优);推力及扭矩与除三轴振动之外的其他参量均呈现较为明显的线性正相关关系,转速也同样具有较为明显的线性相关关系,但与除可钻性指数外其他特征均呈负相关趋势,三轴振动中,X方向与Y方向振动与其余各特征相关性程度较小,但仍存在一定相关性,其中Z方向振动中相关性程度极小。Attention-CNN模型在鲁棒性、准确率和适配性上表现最优,预测值与由单轴压缩实验所得的真实值之间决定系数R^(2)达0.94,拟合度最高,在岩体单轴抗压强度预测上预测精度较其他模型的模型精度至少超出12%,研究成果为巷道顶板岩层强度实时感知及支护决策提供了理论与技术支撑。 展开更多
关键词 巷道顶板 随钻探测 岩层识别 回归预测模型 强度表征模型
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循环荷载条件下岩石节理剪切特性及宏细观机理研究
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作者 王刚 宋淇 +3 位作者 王鹏举 吴学震 张业强 段荣梅 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第3期435-446,共12页
隧道及地下储库等岩体工程在循环荷载条件下,围岩性能逐渐劣化易引起大变形及塌方等灾害,研究岩石节理剪切特性及宏细观机理对评估岩体工程在循环荷载条件下的服役安全性具有重要意义。采用高强石膏制备节理试件,开展恒定法向荷载条件... 隧道及地下储库等岩体工程在循环荷载条件下,围岩性能逐渐劣化易引起大变形及塌方等灾害,研究岩石节理剪切特性及宏细观机理对评估岩体工程在循环荷载条件下的服役安全性具有重要意义。采用高强石膏制备节理试件,开展恒定法向荷载条件下节理循环剪切试验,并结合有限元—离散元耦合数值模拟方法开展研究。结果表明:节理面粗糙度越大,峰值剪切强度越大;相同循环次数中峰值剪切强度随循环剪切位移的增大而减小。平均剪胀角随循环次数的增加呈现减小的趋势;相同循环次数中,平均剪胀角随循环剪切位移的增大而减小,随节理粗糙度的增大而增大。随着循环剪切的进行,应力演化过程会逐渐趋于稳定,裂纹数量随着循环剪切次数的增加而增多。 展开更多
关键词 岩石节理 循环剪切 剪切特性 黏聚力单元 裂纹扩展
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CO_(2)作用下煤体裂隙发育及三维动力学特性研究
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作者 王磊 廖志鹏 +3 位作者 陈礼鹏 杨震宇 吴雨轩 李伟利 《振动与冲击》 北大核心 2025年第9期135-146,共12页
为研究CO_(2)吸附对煤体裂隙及其三维动力学特性的影响,利用高压气体吸附解吸系统和CT扫描系统分别对煤样开展了CO_(2)吸附试验和扫描试验,实现了对吸附前后煤样内部裂隙的精准提取及数字化定量表征,并结合自主研发的高温高压含气煤岩... 为研究CO_(2)吸附对煤体裂隙及其三维动力学特性的影响,利用高压气体吸附解吸系统和CT扫描系统分别对煤样开展了CO_(2)吸附试验和扫描试验,实现了对吸附前后煤样内部裂隙的精准提取及数字化定量表征,并结合自主研发的高温高压含气煤岩动静组合加载系统对煤样开展了不同CO_(2)压力和围压作用下三维动态冲击试验,分析了煤样的动态力学参数,最后从数值模拟角度探讨了煤体裂隙发育与强度劣化间的内在联系。结果表明:吸附CO_(2)会促进煤体内部裂隙扩展并伴随新生裂隙的萌发,导致裂隙网络更加复杂,且作用效果随CO_(2)压力升高而加剧;不同CO_(2)压力作用下,煤体三维动态应力-应变曲线变化趋势大致相同,CO_(2)压力和围压均会影响煤体的动力学特性,CO_(2)会弱化煤体的动态强度和动态弹性模量,而围压作用会使煤体的动态强度和动态弹性模量增加;CO_(2)压力的增大会导致煤体孔隙率不断增大,减小煤体有效承载体积,进而导致煤体宏观力学特性的劣化,同时围压的存在会限制煤样环向变形,且围压越大,限制作用越强。 展开更多
关键词 CO_(2)吸附 CT扫描 裂隙发育 三维动力学特性 COMSOL模拟
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含水率对三轴多级加卸载下页岩力学及声发射特性的影响
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作者 张遂 严强 +2 位作者 曹洋兵 蔡福明 沈红钱 《金属矿山》 北大核心 2025年第2期33-40,共8页
页岩是黔东深部锰矿等金属矿体的重要围岩。由于矿体开采导致的复杂应力与地下水重分布条件,矿体顶板页岩失稳灾害频繁发生。研究含水率和加卸载路径影响下页岩力学及声发射特性具有重要意义。开展不同围压与含水率下页岩试样的三轴多... 页岩是黔东深部锰矿等金属矿体的重要围岩。由于矿体开采导致的复杂应力与地下水重分布条件,矿体顶板页岩失稳灾害频繁发生。研究含水率和加卸载路径影响下页岩力学及声发射特性具有重要意义。开展不同围压与含水率下页岩试样的三轴多级加卸载试验,结合声发射监测,研究了页岩力学及声发射特性,并探究了含水率对页岩强度的影响机理。结果表明:相同含水率与围压下,页岩单调加载下三轴压缩强度大于多级加卸载循环条件;在三轴多级加卸载下,页岩三轴抗压强度随含水率的增加而显著降低;随着含水率和围压的增加,页岩破坏模式由拉伸破坏主导型向剪切破坏主导型转变;含水率越高,页岩的主穿透裂缝越多,声发射b值越大,Felicity比值越低;含水率增加时,矿物溶解和液桥结合力降低等因素综合导致页岩抗压强度降低。研究结论可为黔东深部锰矿等矿体顶板页岩力学参数的确定与声发射破坏前兆的甄别提供支撑。 展开更多
关键词 页岩 含水率 多级加卸载 力学特性 声发射
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