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干湿循环作用下砾岩力学特征及损伤劣化机理试验研究
1
作者 陈绍杰 薛守振 +3 位作者 尹大伟 王亚博 屈晓 马宏发 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期1-17,共17页
为研究干湿循环作用下砾岩试样力学特征及损伤劣化机理,开展了不同干湿循环次数(0~4次,干湿循环周期10 d)下砾岩试样单轴压缩试验,分析了试样强度、变形破坏等特征,明确砾岩试样力学性能的劣化影响;建立了干湿循环前、后及过程中砾岩试... 为研究干湿循环作用下砾岩试样力学特征及损伤劣化机理,开展了不同干湿循环次数(0~4次,干湿循环周期10 d)下砾岩试样单轴压缩试验,分析了试样强度、变形破坏等特征,明确砾岩试样力学性能的劣化影响;建立了干湿循环前、后及过程中砾岩试样损伤劣化模型,从细观结构和组分变化方面揭示了砾岩试样损伤劣化机理。试验结果表明:(1)砾岩试样力学性能随着干湿循环次数的增加逐渐降低,在峰后阶段单轴压缩应力–应变曲线由陡峭式下降转变为延展性下降,试样塑性破坏程度增大,其破坏模式由拉伸破坏向剪切弹射式破坏转变。(2)随着干湿循环次数的增加,砾岩试样形成变形局部化带时间提前且数量增多,试样声发射振铃计数突增;在峰前阶段弹性能密度下降导致试样峰值应力降低,在峰后阶段释放能密度上升导致试样破碎程度增大。(3)在干湿循环过程中,高岭石、伊利石等矿物被溶蚀,砾岩试样内部缺陷不断扩张、收缩,与XH–0d组试样相比,破裂断口处平均孔隙率分别上升了6.96%,14.41%,24.00%和48.10%;随着干湿循环次数的增加,砾岩试样损伤加剧,有效承载结构面积下降,导致其力学性能劣化。研究成果能够为保障煤层安全开采提供一定参考。 展开更多
关键词 干湿循环 强度特征 变形破坏 能量演化 组分变化 劣化机理
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法向扰动下裂隙砂岩的剪切力学性质与细观演化特征
2
作者 张洁 冯国瑞 +5 位作者 郭军 文晓泽 冯文明 张旭 张亮 DIAS Daniel 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期178-193,共16页
为探究裂隙岩体在扰动作用下的剪切力学行为和细观演化特征,开展了恒定作用下裂隙砂岩的直剪试验,采用PFC^(2D)建立了不同裂隙角度离散元模型,分析了法向恒定和扰动作用下试样的剪切强度和破坏特征;基于剪切过程中细观演化规律,揭示了... 为探究裂隙岩体在扰动作用下的剪切力学行为和细观演化特征,开展了恒定作用下裂隙砂岩的直剪试验,采用PFC^(2D)建立了不同裂隙角度离散元模型,分析了法向恒定和扰动作用下试样的剪切强度和破坏特征;基于剪切过程中细观演化规律,揭示了扰动作用下裂隙砂岩的裂纹扩展规律和能量耗散机理。研究结果表明:①预制裂隙使岩石剪切强度显著降低,两种加载模式下不同裂隙角度的剪切强度降幅分别为9.79%~20.28%和11.12%~16.78%;随着裂隙角度增加,应力–应变曲线斜率降低,剪切强度和峰值位移呈现出先增大后减小的趋势,具有明显的角度效应,剪切强度与裂隙角度成三次函数关系;法向扰动削弱了角度效应的影响,使岩石抵抗剪切变形的能力减弱,破坏提前。②在剪切过程中,岩石内部力链呈现出与荷载方向一致的演化趋势,微裂纹主要从试样两端和预制裂隙两端萌生和发育;微裂纹倾角主要分布在20°~80°,破坏后剪切裂纹占比为78%~81%,扰动作用使该过程中产生的各类裂纹增多,起裂位移减小,剪切裂纹占比增大。③AE振铃计数的发展可分为平静期、缓增期、爆发期和稳定期,扰动作用下“平静期”较短,且在“缓增期”呈现出阶梯性增长趋势。④扰动作用下的剪切试验,试样失效点的总能量较低;直至试样破坏,大部分输入能都以弹性应变能的形式储存在试样中,且在扰动作用下的弹性能显著低于恒定作用下的,降幅达到9.87%~13.94%;扰动使试样储能能力降低,耗散能增加,更容易产生裂纹从而破坏。 展开更多
关键词 裂隙岩体 法向扰动 剪切特性 细观演化 能量耗散
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钻锚一体化锚杆随钻测量岩石强度试验研究
3
作者 姜鹏飞 张炜 +5 位作者 陈志良 王子越 罗超 郭吉昌 刘畅 孙洋 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期63-81,共19页
岩石单轴抗压强度是评估岩石力学性质的重要参数,实时、准确地获取锚杆钻进过程中的岩石单轴抗压强度对于指导巷道顶板支护设计、锚固作业具有重要意义。基于钻锚一体化锚杆和钻臂搭建了钻锚一体化锚杆随钻感知试验系统,试验系统可实时... 岩石单轴抗压强度是评估岩石力学性质的重要参数,实时、准确地获取锚杆钻进过程中的岩石单轴抗压强度对于指导巷道顶板支护设计、锚固作业具有重要意义。基于钻锚一体化锚杆和钻臂搭建了钻锚一体化锚杆随钻感知试验系统,试验系统可实时监测液压系统的液压缸、液压马达及钻箱位移等参数。通过对各参数特性、单一参数及组合参数随岩石强度变化的关系进行分析,获得钻进单位体积岩石时液压缸、液压马达及系统所做总功与岩石强度的关系,并对比了各参数的优劣性。研究结果表明:液压系统单一参数及组合参数与岩石单轴抗压强度有一定的相关性,部分参数相关性系数较高,液压缸进油端、回油端拟合函数相关性系数分别为0.840 8和0.849 7;钻箱钻进速度随试样单轴抗压强度变化的拟合函数相关性系数最高,为0.953 3;其次是液压马达做功、系统总功以及液压缸做功,分别为0.921 5、0.895 0和0.855 2。液压缸回油端压力拟合函数效果最好,误差率为14.33%,小于15%;其次是钻箱钻进速度,误差率为16.12%,小于20%;钻进系统所做总功、液压马达做功、液压缸做功误差率分别为20.73%、21.79%和23.78%,均小于25%,预测效果较好。液压马达做功系统做功占主要部分,平均占比99.22%,随着岩石强度的增加,液压马达做功占系统总功逐渐下降。总体来看,液压缸进油端压力、回油端压力、钻箱钻进速度、液压马达做功、系统总功及液压缸做功随试样单轴抗压强度变化的拟合函数相关性系数较高。研究结果为钻锚一体化快速掘进、巷道围岩稳定性评估、锚杆支护方案优化等提供了依据。 展开更多
关键词 巷道支护 快速掘进 钻锚一体化 随钻测量 单轴抗压强度
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剥蚀区影响下大巷布置优化及煤柱稳定性研究
4
作者 解盘石 张波 +5 位作者 黄宝发 张浩 路贝 雷二辉 王茜 刘鑫 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期166-182,共17页
为研究浅埋煤层在剥蚀区影响下大巷布置优化及煤柱稳定性,以瑶渠煤矿西采区回风大巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场工程验证等方法,研究了剥蚀区影响下巷道变形破坏特征与能量演化规律,分析了在偏应力屈服准则和能量判据下不... 为研究浅埋煤层在剥蚀区影响下大巷布置优化及煤柱稳定性,以瑶渠煤矿西采区回风大巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场工程验证等方法,研究了剥蚀区影响下巷道变形破坏特征与能量演化规律,分析了在偏应力屈服准则和能量判据下不同尺寸煤柱的破坏情况,确定了巷道布置优化后合理的煤柱尺寸。结果表明:剥蚀区会使围岩应力增加、应变能积聚,致使巷道围岩变形破坏加剧,坚硬岩层受扰动时应变能变化较小,但不会隔断能量的传递,而较软煤岩体中会产生较大的应变能改变。巷道布置优化后,掘进过程中煤柱内偏应力与应变能呈先递增再稳定最后递减趋势,巷间煤柱小于9 m时,煤柱内偏应力与能量曲线均呈“钟形”分布,且均大于屈服破坏的极限值;煤柱宽度为10~13 m时,偏应力与能量曲线转变为“马鞍形”,煤柱内部小于屈服极限区域逐渐增加,承载能力逐步提高;煤柱宽度大于13 m时,回风大巷与剥蚀区距离过近,其间煤体在剥蚀区和回风大巷双重应力和能量叠加下产生失稳破坏。最后,综合确定煤柱合理尺寸范围为10~12 m,考虑保持煤柱稳定性同时减小剥蚀区的影响,采用10 m煤柱进行工程实践,监测结果表明巷道整体变形量较小,围岩稳定性控制较好。 展开更多
关键词 剥蚀区 巷道布置优化 煤柱宽度 偏应力 应变能演化
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含软弱夹层复合层状试样力学行为及能量演化特性研究
5
作者 刘学伟 雷俊强 +3 位作者 刘滨 姚文杰 白纪成 刘泉声 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期126-140,共15页
工程中广泛存在的复合层状围岩的软弱层几何特征(倾角和厚度)对岩体稳定性的影响至关重要。为研究软弱层厚度及倾角对复合层状岩体的力学行为影响,首先,开展了含不同软弱层倾角(0°、30°、45°、60°)和厚度(1、2、3、... 工程中广泛存在的复合层状围岩的软弱层几何特征(倾角和厚度)对岩体稳定性的影响至关重要。为研究软弱层厚度及倾角对复合层状岩体的力学行为影响,首先,开展了含不同软弱层倾角(0°、30°、45°、60°)和厚度(1、2、3、4 cm)的复合层状岩体试样的单轴压缩试验,试验结果表明,随着软弱层倾角增加,试样的峰值强度和弹性应变能密度逐渐下降,但下降幅度随厚度的增加而降低,同时试样破坏模式由非层理面内张拉或整体破坏转为层理内滑移破坏;随着软弱层厚度的增加,试样的峰值强度逐渐减小,试样的破坏模式由沿层理面滑移转为层理面滑移与轴向劈裂的组合破坏模式。其次,通过最大信息系数分析表明,软弱层的厚度和倾角分别为试样力学特性与能量特性的主控制因素。最后,基于能量理论分析并结合峰前弹性应变能比和耗散能比,发现软弱层的不同倾角和厚度导致能量释放模式不同,进而影响试样的破坏模式和强度特征。研究结果揭示了软弱层对复合层状围岩的重要影响规律,对类似岩体的稳定性分析具有实际的参考价值。 展开更多
关键词 复合层状岩石 软弱层 几何关系 力学特征 能量特性
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弱胶结软岩巷道开挖扰动应力旋转特征及支护对策
6
作者 刘家顺 孙铠洋 +2 位作者 左建平 郑智勇 王来贵 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期194-206,共13页
针对西部矿区弱胶结软岩地层巷道围岩自稳能力差、变形大、支护易失效等问题,采用室内试验、数值模拟、现场监测和理论分析相结合的方法,分析了开挖过程中围岩主应力旋转特征,提出针对弱胶结软岩巷道的支护对策。研究结果表明:巷道开挖... 针对西部矿区弱胶结软岩地层巷道围岩自稳能力差、变形大、支护易失效等问题,采用室内试验、数值模拟、现场监测和理论分析相结合的方法,分析了开挖过程中围岩主应力旋转特征,提出针对弱胶结软岩巷道的支护对策。研究结果表明:巷道开挖过程中,巷道围岩主应力旋转幅度经历了平稳增长。剧烈扰动和恢复平稳3个阶段。在工作面推进至监测断面时围岩主应力调整最为剧烈,其中顶板和底板最大主应力增加至初始值的1.62倍,帮部增加至初始值的1.35倍;顶板和底板最大主应力倾角/方位角在岩壁处分别为30°/41°和23°/151°。随远离岩壁,最大主应力倾角/方位角呈先增大后减小的趋势,并且在距离巷道岩壁0.68R处倾角/方位角的变化达到峰值11°/5°、14°/176°;帮部最大主应力旋转角度随远离岩壁呈减小的趋势,倾角/方位角由56°/58°变化至初始状态,分别旋转了34°和32°;顶板围岩应力旋转幅度大于底板和帮部。基于巷道开挖扰动应力旋转特征,提出了考虑主应力旋转效应的弱胶结巷道锚杆(索)+金属网的非对称耦合支护技术,并进行了数值模拟分析和现场工业试验。现场结果表明:采用非对称耦合支护技术可以显著改善围岩应力状态,有效减小巷道围岩塑性范围,控制弱胶结软岩巷道变形。 展开更多
关键词 弱胶结软岩 巷道 主应力旋转 倾角/方位角 非对称耦合支护
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深部开采强动载波形分类特征及震源参量响应规律
7
作者 李家卓 邱航 +3 位作者 窦林名 王剑 刘舜 马衍坤 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期73-89,共17页
为了揭示深部开采过程中强动载震源机制及震源参量响应规律,以古城煤矿3105工作面为工程背景,分析了开采期间强动载事件分布特征与震源机制,并采用HHT方法对不同类型的强动载波进行了时频特征分析,定量计算了3类动载的震源参量,揭示了... 为了揭示深部开采过程中强动载震源机制及震源参量响应规律,以古城煤矿3105工作面为工程背景,分析了开采期间强动载事件分布特征与震源机制,并采用HHT方法对不同类型的强动载波进行了时频特征分析,定量计算了3类动载的震源参量,揭示了不同类型动载的能量释放特征与破裂模式。研究结果表明:强动载可分为顶板运动型、煤柱失稳型和断层错动型。断层区域动载断层两侧应力出现变化,发生压缩破坏;顶板区域动载受顶板破坏机制影响,主要发生压缩破坏和剪切破坏;煤柱区域动载主要发生压缩破坏。断层型强动载倾向角范围主要为30°~45°,顶板型强动载为10°~65°,煤柱型强动载为40°~50°。3类动载波在频率分布、能量分布上存在较大差异,其震源破裂时能量释放特征各不相同。顶板型强动载波边际谱呈单峰分布,频率主要集中在50~90 Hz;断层型强动载波边际谱呈双峰分布,频率主要集中在0~50 Hz;煤柱型强动载波边际谱呈宽频谱分布,频率主要集中在10~100 Hz。煤柱型强动载的地震矩最大,其次为顶板型,断层型最小。在震源半径相同的情况下,断层型动载的非弹性变形导致体积增大程度最大,煤柱型强动载次之,顶板型强动载最小。研究结果可为冲击地压矿井分源防控提供一定的理论参考。 展开更多
关键词 冲击地压 深部开采 强动载 时频特征 震源机制
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基于优化的U-net网络掘进工作面煤岩识别方法研究
8
作者 栾恒杰 杨玉晴 +4 位作者 刘建康 蒋宇静 刘建荣 马德良 张孙豪 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期94-108,共15页
为了提高煤岩识别的精准度,采集了内蒙古上海庙矿业有限责任公司榆树井煤矿掘进工作面煤岩原始图像并制作了深度学习数据集,通过FCN全卷积神经网络(FCN网络)、Unet语义分割网络(U-net网络)与加入Canny边缘检测算法改进后的U-net网络等3... 为了提高煤岩识别的精准度,采集了内蒙古上海庙矿业有限责任公司榆树井煤矿掘进工作面煤岩原始图像并制作了深度学习数据集,通过FCN全卷积神经网络(FCN网络)、Unet语义分割网络(U-net网络)与加入Canny边缘检测算法改进后的U-net网络等3种网络模型对数据集进行训练,并对训练结果进行对比分析。分析结果表明:在训练次数达到100次时,3种网络模型准确率分别为89.25%, 93.52%及94.55%,改进U-net网络模型准确率相较改进前提高1.03%;在煤岩识别方面, U-net网络模型比FCN网络模型取得了更高的准确率,在测试环节中也表现出了更好的性能;在预测环节中,对煤岩边缘部分的识别做到了更为精准的处理。该方法可为煤岩识别的精准度的提高提供参考。 展开更多
关键词 煤岩识别 深度学习 U-net网络 CANNY边缘检测算法
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煤体倾角突变对煤与瓦斯突出及冲击演化特征影响
9
作者 唐巨鹏 黄磊 +3 位作者 潘一山 张昕 任凌冉 张众华 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期18-32,共15页
为进一步探究深部复杂地质构造煤体倾角突变对煤与瓦斯突出及冲击演化特征影响,考虑突出实际情况,设置倾角突变界面,界面上侧为原煤,下侧为型煤,分别用于模拟原生煤体与构造煤体,通过三维应力加载模拟现场真实工况,结合冲击力测试仪、... 为进一步探究深部复杂地质构造煤体倾角突变对煤与瓦斯突出及冲击演化特征影响,考虑突出实际情况,设置倾角突变界面,界面上侧为原煤,下侧为型煤,分别用于模拟原生煤体与构造煤体,通过三维应力加载模拟现场真实工况,结合冲击力测试仪、声发射检测仪、数据采集仪等监测设备,开展不同倾角(煤体倾角突变初始角度θ_(I)、突变角度θ_(M))突变条件下突出模拟试验,分析煤体倾角突变对突出强度及冲击参数(冲击力峰值、负压段最大值、急剧变化段时长)的影响。研究结果表明:(1)在10°<θ_(I)≤20°、10°≤θ_(M)≤20°的范围内存在一个煤体倾角突变临界值θ_(T),当θ_(I)与θ_(M)均大于等于θ_(T)时,易发生低指标突出;当θ_(I)一定时,临界瓦斯压力与θ_(M)成负相关关系,单位突出强度与θ_(M)成正相关关系。(2)冲击力在模拟巷道内的演化过程可划分为3个阶段:急剧变化阶段、波动变化阶段及平稳变化阶段。正压阶段高频脉冲A与负压阶段高频脉冲B的数量与密集度均与θ_(M)密切相关,随θ_(M)的增大,冲击力急剧变化阶段波动越发复杂,高频脉冲A、B在该段内逐渐呈现出高度集中的态势。(3)冲击力峰值和负压段最大值与瓦斯集中系数成负线性关系,急剧变化阶段时长与瓦斯集中系数成正线性关系。冲击气流峰值速度和累计AE能量变化趋势基本一致,均与瓦斯集中系数θ_(I)成负线性关系,两者皆在θ_(M)大于等于θ_(T)时呈现较为显著的变化特征。 展开更多
关键词 深部复杂地质构造 煤体倾角突变 煤与瓦斯突出 煤粉分布 冲击力 突出强度
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基于Micro-CT和DVC的单轴压缩下煤岩损伤特征研究
10
作者 于岩斌 尼传文 +3 位作者 崔文亭 臧杰 刘党辉 宋克志 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期64-77,共14页
研究煤的破坏过程对于理解其力学行为及渗透性能的变化至关重要。利用X射线计算机断层扫描(CT)技术,在单轴压缩条件下对煤岩进行原位扫描。结合数字岩心技术和数字体积相关法(Digital Volume Correlation,DVC),计算了煤岩的变形位移场... 研究煤的破坏过程对于理解其力学行为及渗透性能的变化至关重要。利用X射线计算机断层扫描(CT)技术,在单轴压缩条件下对煤岩进行原位扫描。结合数字岩心技术和数字体积相关法(Digital Volume Correlation,DVC),计算了煤岩的变形位移场与应变场,分析了裂隙的发育与演化规律,并揭示了煤岩损伤动态演化与渗透性能之间的响应关系。研究发现:在单轴荷载作用下,煤岩的破坏由轴向力与相邻裂隙的发育共同作用,导致内部既有裂隙发育,又有裂隙压密的现象;煤岩中的矿物质对裂隙发育有引导作用,且与矿物质的形状和分布密切相关。DVC分析表明,煤岩的破坏是一个动态演化过程,各区域在不同方向的变形差异积累导致破坏发生;位移场的矢量叠加揭示了煤基质在不同方向的变形,而应变场显示裂隙在轴向压缩下的横向扩展。加载过程中,煤岩孔裂隙的发育导致渗透性能不断提高,特别是在1100N阶段,渗透率增加了149.35μm^(2),损伤变量D_(H)的最大值为8.2%。此外,连通孔隙数和迂曲度τ与损伤变量成指数关系。研究结果可为理解煤岩破坏和渗透特性提供试验数据和理论支持。 展开更多
关键词 CT DVC 单轴压缩 裂隙发育 损伤变量 渗透性
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动载循环作用下砂岩的动态力学响应及破坏特征
11
作者 赵光明 秦志宏 孟祥瑞 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期18-33,共16页
针对深部矿井开采过程中岩体自稳能力差、动力灾害频发等问题,采用自主研发的ZST-1500微机控制电液伺服煤岩动静组合自适应耦合试验系统,开展了不同幅值与频率的砂岩单轴动载扰动试验,分析了动载作用下砂岩动态力学响应规律与破坏特征... 针对深部矿井开采过程中岩体自稳能力差、动力灾害频发等问题,采用自主研发的ZST-1500微机控制电液伺服煤岩动静组合自适应耦合试验系统,开展了不同幅值与频率的砂岩单轴动载扰动试验,分析了动载作用下砂岩动态力学响应规律与破坏特征。研究结果表明:(1)随动载幅值增加,砂岩滞回环由“疏-密”向“疏-密-疏”变化,依据动载循环期间试样塑性变形量,将动载周期划分为对数上升阶段Ⅰ、匀速损伤阶段Ⅱ和指数加速阶段Ⅲ。(2)动载对试样强度的弱化作用存在阈值,当动载水平为70%σ_(c)时,诱发砂岩发生破坏的幅值阈值在17.5%~22.5%σ_(c)范围内,低于阈值的动载作用不会造成砂岩失稳,越过阈值后砂岩强度、破坏前动载持续时间与动载幅值及频率均成负相关。(3)动载幅值与频率对砂岩弱化作用机制存在差异,动载幅值、频率均与动载单次循环平均塑性变形Δε_((i))^(-)成正相关,但Δε_((i))^(-)对动载幅值更为敏感,在阶段Ⅰ、Ⅱ内随幅值增大呈指数型增长。动载幅值主要通过提升塑性变形量来实现对砂岩的弱化作用;而动载频率提升降低了动载循环间隔,在砂岩内部形成小增量、短时、连续的损伤,从而实现对砂岩的弱化作用。(4)砂岩AE信号累计能量与振铃计数率随动载幅值的增大呈指数型变化,也随动载频率的增加同步增长。随着动载幅值增加,砂岩微观裂隙起裂、扩展程度递增,剪切裂纹占比增大;随着动载频率增大,砂岩拉伸裂纹占比增大。 展开更多
关键词 岩石力学 砂岩 循环动载 动态力学响应 渐进损伤
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复杂应力下软岩等效蠕变损伤模型及大变形规律研究
12
作者 孙闯 王伟州 +2 位作者 王来贵 陈东旭 白艺冰 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期166-177,共12页
软岩巷道在长期载荷作用下易发生蠕变损伤,影响其稳定性。通过现场勘查及室内试验分析巷道软弱围岩力学及蠕变特性,构建软岩非线性蠕变损伤模型,并通过UDEC数值计算验证其合理性,研究分析了软岩巷道变形的时效规律,在现有支护的基础上... 软岩巷道在长期载荷作用下易发生蠕变损伤,影响其稳定性。通过现场勘查及室内试验分析巷道软弱围岩力学及蠕变特性,构建软岩非线性蠕变损伤模型,并通过UDEC数值计算验证其合理性,研究分析了软岩巷道变形的时效规律,在现有支护的基础上提出了优化支护方案,并应用于现场工程。研究表明:巷道围岩蠕变试验中蠕变速率和变形量随应力增加而提升,且稳态蠕变的过渡时间延长;采用UDEC软件数值求解蠕变损伤模型,通过数值计算得到软岩加速蠕变曲线与试验曲线吻合,验证了模型的可靠性;蠕变导致围岩变形与裂隙范围不断扩大,暴露出现有支护系统的不足;优化方案通过增加并加长锚杆同时引入预应力,增强了支护系统的协同控制能力与稳定性。深入研究软岩蠕变损伤特性及其时间演化规律对于优化支护与保障工程安全具有重要意义。 展开更多
关键词 软岩巷道 蠕变损伤 数值模拟 时效规律 支护设计
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流体注入诱发页岩断层失稳活化试验研究
13
作者 刘建锋 赵呈星 +2 位作者 代航宇 魏进兵 杨建雄 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期49-62,共14页
为揭示四川盆地页岩气开采区地震事件频发诱因,采用MTS815岩石力学系统设计和开展了流体注入诱发龙马溪页岩断层失稳活化试验,分析了页岩断层失稳活化的过程与特征,探讨了不同临界应力状态下页岩断层对流体注入的敏感性及法向应力、注... 为揭示四川盆地页岩气开采区地震事件频发诱因,采用MTS815岩石力学系统设计和开展了流体注入诱发龙马溪页岩断层失稳活化试验,分析了页岩断层失稳活化的过程与特征,探讨了不同临界应力状态下页岩断层对流体注入的敏感性及法向应力、注水速率的影响,揭示了断层失稳活化前后的渗透率演变规律,讨论了流体注入激活断层机制及超压现象的触发成因。研究结果表明:临界应力状态、法向应力和注水速率变化会对断层的失稳活化产生影响。剪切应力越接近抗剪强度,断层对流体注入的敏感性越强,较低的流体压力即可诱发断层失稳活化;增大法向应力会降低断层对流体注入的敏感性,提高注水速率会增强其敏感性,两者的上升均会导致断层失稳活化更加剧烈。此外,断层失稳活化后的渗透率显著增加,这与瞬时剪切膨胀效应引起的有效水力孔径增大有关。流体超压现象主要源于断层面上流体压力的异质性分布,当沿断层长度方向已形成完整水力通道时,应优先考虑断层宽度方向上流体压力的异质性分布对流体超压现象的触发机制。本研究有助于揭示页岩气开采中流体注入诱发断层失稳活化机制,并为降低地震风险的工程措施设计提供理论参考和科学依据。 展开更多
关键词 地震诱发 水力压裂 流体注入 断层活化 龙马溪页岩
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含孔洞砂岩双轴压缩力学特性及破裂机制
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作者 苗胜军 尚向凡 +2 位作者 常宁东 马渊凯 杨鹏锦 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期59-72,共14页
为揭示不同中间主应力条件下含孔洞砂岩的宏观力学响应与破裂机制,通过开展含孔洞砂岩双轴压缩试验,系统分析了砂岩的应力−应变曲线、力学参数、破坏模式及中间主应力效应。研究结果表明:(1)双轴加载状态下含孔洞砂岩的力学演化可分为... 为揭示不同中间主应力条件下含孔洞砂岩的宏观力学响应与破裂机制,通过开展含孔洞砂岩双轴压缩试验,系统分析了砂岩的应力−应变曲线、力学参数、破坏模式及中间主应力效应。研究结果表明:(1)双轴加载状态下含孔洞砂岩的力学演化可分为孔隙压密、线弹性、塑性变形及峰后破裂4个阶段,其中塑性变形阶段出现显著的屈服平台,峰后破裂阶段强度骤降且残余强度近乎消失,表现出延−脆性复合破坏特征;(2)中间主应力σ2对砂岩强度参数存在临界强化效应。当σ2<24 MPa时,中间主应力的增加显著提升了含孔洞砂岩的峰值应力、弹性模量、闭合应力和起裂应力,但随着中间主应力的进一步增加,中间主应力强化效应逐渐减弱;(3)在低中间主应力条件下,岩石裂纹扩展以张拉裂纹为主。而在高中间主应力条件下,破坏模式逐步转变为以压剪裂纹为主导的整体失稳;(4)双轴应力约束显著改变了砂岩裂纹空间演化特征,与单轴加载时裂纹的各向同性扩展不同,双轴加载时σ2的约束作用诱导裂纹沿σ1-σ2或σ2平面扩展,显著降低了垂直于σ2方向裂纹的贯通与融合。 展开更多
关键词 岩石力学 双轴压缩 含孔洞砂岩 中间主应力 破裂机制
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基于A-Star算法的深部煤层开采含断层底板突水路径智能识别研究
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作者 孙文斌 孙志辉 +1 位作者 刘红强 褚怡心 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期101-114,共14页
为更精准预测深部煤层开采条件下底板突水风险,采用理论分析、相似材料等研究方法,针对深部煤层开采过程中底板突水路径的智能识别问题开展系统研究。研究结果表明:基于工作面开采过程中的水压-应力监测数据,绘制了底板突水预测图;依据... 为更精准预测深部煤层开采条件下底板突水风险,采用理论分析、相似材料等研究方法,针对深部煤层开采过程中底板突水路径的智能识别问题开展系统研究。研究结果表明:基于工作面开采过程中的水压-应力监测数据,绘制了底板突水预测图;依据各监测节点的水压与应力数据,量化计算了各节点位置的突水概率指数,得出其数值越大突水风险越高;将突水概率指数空间分布作为约束条件,运用A-Star路径规划算法实现了导水裂隙空间路径的有效识别,在此研究基础上,开发出突水路径智能识别系统。最后,通过相似材料模拟试验进行了证实,所提方法规划的路径特征与模型实际导水裂隙演化轨迹高度吻合,且与电法监测结果高度一致,验证了A-Star算法在突水路径识别中的有效性。研究成果为深部开采条件下底板突水灾害的实时监测预警与智慧矿山安全保障提供了新的技术途径,具有明确的应用价值和工程参考意义。 展开更多
关键词 防治水 A-STAR算法 底板突水 综合权重 突水概率指数
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巷道底板锚索扩孔注浆锚固机理及参数研究
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作者 刘少伟 张润泽 +3 位作者 侯建军 姚丙傲 付孟雄 贺德印 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期33-46,共14页
针对煤矿巷道软弱底板注浆锚索锚固孔扩孔参数设计问题,通过理论分析、数值模拟与实验室试验相结合的方法,探讨了扩孔直径、长度、段数及扩孔间距等扩孔参数对底板锚索锚固性能的影响,并最终明确了底板锚索锚固孔最优扩孔参数。试验结... 针对煤矿巷道软弱底板注浆锚索锚固孔扩孔参数设计问题,通过理论分析、数值模拟与实验室试验相结合的方法,探讨了扩孔直径、长度、段数及扩孔间距等扩孔参数对底板锚索锚固性能的影响,并最终明确了底板锚索锚固孔最优扩孔参数。试验结果表明:底板扩孔锚索锚固力与扩孔直径、段长均成正相关,随扩孔直径的增大其增长趋势先快后缓,随扩孔段长的增加锚固力近似线性增长;多段扩孔效果优于单段扩孔,但当段数超过3段时扩孔锚索锚固力提升不再显著;底板扩孔锚索锚固力随扩孔间距增加呈现先升后降趋势,在扩孔间距为50 mm时达到峰值;通过正交模拟选取锚固孔最优扩孔参数,并结合拉拔试验验证,最终确定最优扩孔参数为扩孔直径90 mm、段长100 mm、段数2段、扩孔间距50 mm。研究成果可为扩孔锚固技术应用于煤矿巷道底板控制提供参考。 展开更多
关键词 底板锚索 黏结失效 锚固性能 扩孔参数
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厚黄土层极近距离采空区下相邻工作面相向开采时序研究 被引量：1
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作者 杜君武 黄庆享 +1 位作者 韦业豪 王雨凡 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期207-219,共13页
针对厚黄土层极近距离采空区下2个相邻工作面相向开采应力叠加效应显著,工作面间煤柱易失稳诱发强矿压灾害问题,以陕北侏罗纪煤田海湾煤矿三号井2206工作面和王才伙盘矿2201工作面相向开采为工程背景,采用数值模拟方法分析了2个工作面... 针对厚黄土层极近距离采空区下2个相邻工作面相向开采应力叠加效应显著,工作面间煤柱易失稳诱发强矿压灾害问题,以陕北侏罗纪煤田海湾煤矿三号井2206工作面和王才伙盘矿2201工作面相向开采为工程背景,采用数值模拟方法分析了2个工作面相向开采前后上部覆岩应力环境及煤柱稳定性,揭示了不同开采时序下2个工作面的围岩应力叠加效应及巷道围岩变形破坏规律。研究结果表明:2−2上煤层开采后,房柱区顶板和煤柱较为稳定,长壁式采空区覆岩破坏使采空区内的应力降低,工作面间遗留煤柱垂直应力呈非对称分布,长壁式采空区侧垂直应力峰值高于房柱区侧;2−2煤层相邻工作面相向开采过程中,上部遗留煤柱集中应力和工作面采动应力的叠加效应影响工作面间煤柱和巷道围岩的稳定性,当2个工作面相向开采距离小于30 m时,仅2206工作面开采时煤柱最大垂直应力分别比仅2201工作面开采和2个工作面同时开采减小4.7%和10.0%;仅2206工作面开采时2206回风巷围岩变形量最小,2个工作面同时开采时巷道围岩变形量最大,2个工作面交错−20 m后煤柱应力及巷道围岩变形量基本趋于稳定。最后,结合现场开采实际情况,确定了相邻工作面相向开采时序,并通过物理模拟验证了其合理性。研究成果在现场进行了应用,效果良好,从而避免了工作面的搬家倒面和停产,取得了显著的经济效益,可为类似条件的工作面安全开采提供借鉴。 展开更多
关键词 厚黄土层 极近距离煤层群 工作面开采时序 应力叠加效应 煤柱稳定性
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无煤柱开采围岩控制技术发展方向
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作者 康红普 王东攀 刘跃东 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期1-5,共5页
1研究现状无煤柱开采是通过合理的开拓部署、采煤工作面和巷道布置及采掘顺序,取消护巷煤柱的采煤方法,符合绿色开采的发展理念。其优势主要体现在:减少掘进工程量,降低掘进率,缓解采掘接续的矛盾;减少煤柱损失,提高煤炭资源回收率;消... 1研究现状无煤柱开采是通过合理的开拓部署、采煤工作面和巷道布置及采掘顺序,取消护巷煤柱的采煤方法,符合绿色开采的发展理念。其优势主要体现在:减少掘进工程量,降低掘进率,缓解采掘接续的矛盾;减少煤柱损失,提高煤炭资源回收率;消除煤柱应力集中引起的巷道大变形、煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害;改善采煤工作面通风系统,有利于解决瓦斯问题。国外对无煤柱开采技术的研究已近一个世纪,而我国也有70年左右的时间。通过国内外学者持续不断的研究,获得大量研究成果,并在煤矿生产中得到应用,取得较好的效果。无煤柱开采工艺与方法很多,适用于不同条件。 展开更多
关键词 无煤柱开采 煤与瓦斯突出 采煤工作面 巷道布置 绿色开采 通风系统 采掘接续 采煤方法
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真三轴动静组合加载下非均质花岗岩损伤特性与能量演化机制研究
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作者 龚航里 王明洋 +3 位作者 罗忆 邱艳宇 刘婷婷 李新平 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期47-63,共17页
为了研究三向应力约束下非均质花岗岩的动态力学特性及能量演化行为,采用真三轴Hopkinson装置开展了多云母类和岩脉类花岗岩的动静组合荷载循环加载试验,并结合FLAC^(3D)-PFC^(3D)耦合建模分析方法,分析了三向应力约束与高应变率对非均... 为了研究三向应力约束下非均质花岗岩的动态力学特性及能量演化行为,采用真三轴Hopkinson装置开展了多云母类和岩脉类花岗岩的动静组合荷载循环加载试验,并结合FLAC^(3D)-PFC^(3D)耦合建模分析方法,分析了三向应力约束与高应变率对非均质花岗岩动态裂纹扩展及能量演化机制的影响。研究结果表明:(1)在循环动态加载过程中,花岗岩内部裂缝网络的连通性逐渐增强,最终形成与最小主应力方向近似平行的高密集宏观剪切裂纹网络,岩脉类试样抗冲击能力较多云母类试样明显更低;(2)增大轴向应力导致晶间拉伸裂纹比例增大,促使起裂应力比(σ_(ci)/σ_(d))和损伤应力阈值比(σ_(cd)/σ_(d))降低,起裂应力和损伤应力阈值发生时间提前,并显著削弱了试样的动态强度;(3)侧向应力约束提高了试样动态损伤应力阈值,延缓了起裂应力发生时间,抑制了颗粒间相对滑移的摩擦作用,减弱了破坏过程中动能的释放,并对试样的动态强度表现出强化效应;(4)在真三轴应力约束下,冲击加载主要贡献于滑移摩擦能的耗散,而动能始终保持在相对较低的水平。 展开更多
关键词 动静组合荷载 非均质岩石 动态损伤 能量演化 3D-GBM模型
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深部碎裂岩体巷道变形破坏机制与支护效应连续-非连续分析
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作者 张世瑞 江权 +3 位作者 邱士利 周小平 寇永渊 刘建坡 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期82-93,共12页
金川二矿深部碎裂岩体具有“岩块强度高,岩体强度低”的显著特点,巷道围岩具有显著的大变形特征,导致喷锚网或衬砌等支护结构破坏频繁,严重威胁采矿生产安全。以该矿深部巷道现场工程为背景,首先,通过现场调查和实测确定该矿深部巷道围... 金川二矿深部碎裂岩体具有“岩块强度高,岩体强度低”的显著特点,巷道围岩具有显著的大变形特征,导致喷锚网或衬砌等支护结构破坏频繁,严重威胁采矿生产安全。以该矿深部巷道现场工程为背景,首先,通过现场调查和实测确定该矿深部巷道围岩具有典型层状、碎裂状和复合结构特征,冒落和底臌为典型的破坏形式;其次,结合室内试验和现场监测数据,基于连续-非连续数值模拟分析方法 (FDEM)提出一种可破Voronoi块体模型和离散裂隙网络模型模拟巷道开挖过程,捕获围岩损伤破裂特征;最后,结合实体单元和锚杆单元模拟支护结构响应,探讨深部碎裂岩体变形破坏机制和支护效应。研究结果表明,结构面间距和倾角显著影响应力释放区的位置和压力拱的形成,导致围岩变形各向异性和破裂非均匀性;锚杆、混凝土喷层+锚杆及U型钢拱架+锚杆3种支护结构对于限制围岩变形具有显著差异性,加入锚杆和衬砌能有效抑制冒落区,限制顶拱位移,但不能有效抑制底板隆起;超前注浆、加长锚杆和钢拱架是控制深部碎裂岩体巷道大变形的重要措施。研究结果可为深部碎裂岩体巷道变形控制与支护设计提供理论参考。 展开更多
关键词 碎裂岩体 大变形 深部巷道 连续-非连续分析 支护方式
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