煤-热共采模式下地热水非常规开采数值模拟研究 被引量：15

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作者 万志军 张源 +3 位作者 师鹏 苟红 王朱亭 于振子 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期1115-1125,共11页

在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热... 在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热水井下非常规开采方法。分析了矿区热储形成机制,采用热储体积法对矿区地热水资源量进行了估算,评价了矿井地热水开发潜力。同时,数值模拟了地热水非常规开采模式下的热储温度场及生产井水温变化。分析了生产井群参数对热储层温度场及生产井水温的影响,并与常规地热水生产方法进行了对比。最后,讨论了矿井地热水开采利用所产生的社会、经济效益。结果显示:①矿区地热水静态可采量为1.14×10^(17)J,折合标煤3.9 Mt。动态可采量为2.95×10^(16)J/a,折合标煤1.01 Mt/a。②生产井水温受回灌水温的影响较大,与回灌方式的关系不大,且回灌水温对生产井水温的影响主要体现在生产后期。③随着生产速率的增加,生产井群热突破时间提前,且在热突破点之后的温降速率加快。④均衡生产对生产井的服务年限具有有益作用。⑤通过调整非常规开采模式的生产策略可实现生产井群的协调开采,延长生产井群的开采期限,使其平均温降速率小于常规开采模式下的生产井温降速率。⑥矿井地热开发系统建成后,可实现煤矿17万m^(2)的供暖及全矿职工的洗浴,每年减少燃煤10327 t,减少CO_(2)排放量26900 t,为企业创造693.8万元的经济效益。因此,针对水热型高温矿井,实施井下地热水非常规开采具有一定的可行性。通过合理布置生产井群分布,科学制定生产策略,可实现矿井地热水的高效开采。 展开更多

关键词 矿山地热 煤-热共采 矿井热害 地热水 非常规开采

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HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究 被引量：9

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作者 张盛 陈召 +5 位作者 卢松 杨战标 冀畔俊 贺飞 鲁义强 刘佳伟 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期107-117,共11页

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条... 随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。 展开更多

关键词 煤矿岩巷 超前探测 水平声波探测法(HSP) TBM 破岩震源

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水射流辅助滚刀破岩最佳射流角度数值模拟

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作者 王安鑫 鲁义强 +3 位作者 张盛 马建宏 杨战标 范宏运 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第7期95-104,共10页

为解决传统滚刀施工过程中遇到超高强度岩石时存在掘进困难、刀具磨损严重和破岩效率低等问题,高压水射流因其对硬岩可产生良好的破碎效果,成为一种有效提高破岩效率的手段。水射流与滚刀的布置将直接影响滚刀荷载以及破岩比能耗等指标... 为解决传统滚刀施工过程中遇到超高强度岩石时存在掘进困难、刀具磨损严重和破岩效率低等问题,高压水射流因其对硬岩可产生良好的破碎效果,成为一种有效提高破岩效率的手段。水射流与滚刀的布置将直接影响滚刀荷载以及破岩比能耗等指标。针对水射流辅助滚刀最佳破岩冲击角度的合理确定,构建了泰森多边形算法的等效晶质岩石材料的颗粒簇离散元模型,采用PFC(Particle Flow Code)数值分析了不同水射流冲击角度辅助破岩下裂纹数目、岩石应力和破岩比能耗等变化规律,进一步获得了水射流冲击角度对辅助滚刀破岩效率的影响规律。结果表明:预切缝底端是滚刀破岩过程中的应力集中区域,预切缝的存在影响裂纹优先向其底端扩展,预切缝长度的增加可以有效降低滚刀荷载,但此规律随着预切缝长度的增加而逐步减弱,与无切缝相比,有预切缝存在的岩石破碎时峰值荷载降低了6.11%~17.60%;预切缝长度对破岩比能耗的影响存在界限值20 mm,超过界限值后,预切缝长度对岩石破坏行为影响能力减弱;改变水射流冲击角度能明显改变滚刀破岩效果,破岩比能大小随水射流冲击角度的增大呈现“V”字形曲线发展,在水射流冲击角度75°辅助下获得最佳破岩效果。水射流冲击角度的合理选择,有助于提高TBM刀具寿命,研究成果能够为硬岩地质条件下TBM刀盘结构中水射流系统和喷嘴角度合理的布置提供理论参考。 展开更多

关键词 硬岩 滚刀破岩 水射流冲击角度 预切缝 破岩比能

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深部突出矿井采空区瓦斯地面井高效抽采技术

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作者 杨继东 仝艳军 《工矿自动化》 北大核心 2025年第6期15-20,共6页

深部突出矿井的复杂地质条件对地面井瓦斯抽采的稳定性和效率提出严峻挑战。目前地面井普遍采用固定负压抽采采空区瓦斯,在工作面回采期间,采空区“三带”处于动态演化过程,导致抽采后期效率衰减明显。以河南平宝煤业有限公司首山一矿12... 深部突出矿井的复杂地质条件对地面井瓦斯抽采的稳定性和效率提出严峻挑战。目前地面井普遍采用固定负压抽采采空区瓦斯,在工作面回采期间,采空区“三带”处于动态演化过程,导致抽采后期效率衰减明显。以河南平宝煤业有限公司首山一矿12100采煤工作面为工程背景,提出了一种深部突出矿井采空区瓦斯地面井高效抽采技术。针对采动岩层移动对井身结构的影响,采用三开定向井身结构,优化三开钻井直径参数匹配套管,提升井筒抗地层剪切破坏的能力,确保地面井在复杂地质条件下的稳定性;结合“O”形圈裂隙分布理论、瓦斯渗流分布数值模拟与“三带”分布理论计算,将地面井布置在距高抽巷20 m处,地面井终孔布置在距回采工作面顶板上方30 m断裂带内,保障瓦斯抽采高效性;地面井瓦斯抽采系统通过抗沉降架空管路、防爆防回火安全防护、抽采监测调控等实现瓦斯稳定、高效、安全抽采;依据工作面推过地面井的不同距离,动态调整抽采负压,实现抽采效率最大化。现场应用结果表明:地面井抽采10 d后瓦斯体积分数从48%升至100%,日抽采量超10000 m3,稳定抽采阶段持续120 d,260 d累计抽采瓦斯超235万m3;地面井抽采未干扰高抽巷正常运行;工作面上隅角瓦斯体积分数从0.50%降至0.41%,降幅达18%,地面井瓦斯抽采有效缓解了工作面上隅角瓦斯积聚问题。 展开更多

关键词 瓦斯抽采 地面井 采空区 三开定向井身 抽采负压 “O”形圈裂隙

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基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究 被引量：18

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作者 李延河 杨战标 +1 位作者 朱元广 王升 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期11-19,共9页

煤矿深部地层高地应力与围岩低强度间的突出矛盾导致巷道开挖后极易发生大变形失稳灾害。为及时掌握巷道开挖支护前后围岩内部的变形情况,研究基于弱光纤光栅传感技术,研制了一种准分布式大量程应变传感器光缆,实现了围岩内部变形测点的... 煤矿深部地层高地应力与围岩低强度间的突出矛盾导致巷道开挖后极易发生大变形失稳灾害。为及时掌握巷道开挖支护前后围岩内部的变形情况,研究基于弱光纤光栅传感技术,研制了一种准分布式大量程应变传感器光缆,实现了围岩内部变形测点的1 m级间距布置。通过室内标定试验掌握了传感器光缆的测试性能,测试结果表明:研制的应变传感光缆应变量程不低于0.04,灵敏度为1.23 pm/με,精度等级为0.5,属于高精度传感器并具有良好的重复性和线性度。依托平煤股份四矿深部岩石巷道开展了现场工业性试验,试验结果表明:巷道围岩应变随孔深增加而减小,4 m范围内围岩应变数值较大,7 m外应变数值较小且渐趋稳定;巷道围岩应变激增主要发生在前30 d内,随后巷道围岩应变增加量逐渐减小并趋于稳定;取应变速率迅速向0收敛位置作为围岩松动区边界,确定巷道帮部和顶部松动区边界为5 m,肩部松动区边界为4 m。该应变光缆通过弱光纤光栅技术与时分复用技术的综合应用,极大地提高了光纤传感网络的复用容量,满足了煤矿深部巷道围岩变形监测的大量程、精细化在线监测需求。通过技术应用,可及时掌握煤矿深部巷道围岩内部变形特征及松动圈时空演化规律,为深部巷道围岩稳定控制决策提供科学基础数据。 展开更多

关键词 煤矿 弱光纤光栅 光纤传感 松动圈 巷道变形 地应力

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张拉高预紧式锚固体强度强化机制研究及工程应用 被引量：3

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作者 于振子 张波 +2 位作者 李梦龙 王广辉 王襄禹 《煤炭工程》 北大核心 2022年第2期105-109,共5页

针对平煤四矿己_(15)-23090运输巷扩帮后锚杆无法重复预紧、锚固体强度减弱等问题,提出了新型张拉预紧式锚杆配套设备,研究预紧力对锚杆锚固性能的影响。通过数值模拟、单轴压缩试验,分析不同预紧力下,岩体强度及内部裂隙发育特征得出:... 针对平煤四矿己_(15)-23090运输巷扩帮后锚杆无法重复预紧、锚固体强度减弱等问题,提出了新型张拉预紧式锚杆配套设备,研究预紧力对锚杆锚固性能的影响。通过数值模拟、单轴压缩试验,分析不同预紧力下,岩体强度及内部裂隙发育特征得出:(1)张拉高预紧式锚固体可有效提高岩体的峰值强度和残余强度,增强其极限承载能力;(2)高预紧力能约束内部张拉和剪切裂隙的发育,提高了岩体的整体性。巷道试验后,张拉锁具使锚杆预紧力普遍达到60kN以上,使用锁具紧固锚杆后,巷道帮部位移量比原支护方式减少了44.3%,解决了扩帮后锚杆因尾部螺纹长度不足而无法重复预紧的问题,降低了施工强度及支护成本。 展开更多

关键词 锚杆支护 围岩控制 预紧力 巷道扩修 数值模拟

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矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价 被引量：6

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作者 张源 万志军 +3 位作者 胡淞博 王朱亭 张波 赵东 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期3571-3579,共9页

传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条... 传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料,采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System,GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型,呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况,并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法,采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算,并评价了热储的动态资源量,得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析,评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示,研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层,热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体;地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体,沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中,并持续接受深部基岩热量传输,形成水热型岩溶热储;寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3,蕴含热量1.19×10^(18) J;岩石中蕴含热量为3.25×10^(18) J;地热资源总量为4.44×10^(18) J;地热可采资源量为6.66×10^(17) J,折合标煤22.7 Mt;寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性,结垢性为轻微—中等,流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。 展开更多

关键词 矿井地热 岩溶热储 地质建模 储量评价 地热水

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深部矿井高温采煤工作面热源及温度场演化规律分析 被引量：4

8

作者 李延河 赵万里 +3 位作者 于振子 万志军 张源 师鹏 《中国煤炭》 北大核心 2024年第5期59-67,共9页

深部矿井开采面临严重的热害问题,其成因复杂且防治难度大。研究高温采煤工作面热源及温度场演化规律对深部矿井热害防治具有重要意义。以平煤股份十矿为工程背景,对己_(17)-24090采煤工作面风流热力参数进行现场调研,分析了工作面热源... 深部矿井开采面临严重的热害问题,其成因复杂且防治难度大。研究高温采煤工作面热源及温度场演化规律对深部矿井热害防治具有重要意义。以平煤股份十矿为工程背景,对己_(17)-24090采煤工作面风流热力参数进行现场调研,分析了工作面热源及其对井下温升的贡献度,并进一步建立采煤工作面温度场数值模型,明确了采煤工作面温度场演化规律。研究结果显示,引起井下温升的主要热源是围岩散热和机电设备散热,散热量分别占总热源散热量的28.2%和20.6%;地表大气对己_(17)-24090采煤工作面的温度场影响不大,风流在到达工作面之前已经趋于热力学稳定状态;在同一通风时间下,距离机巷口越远,温度越高;在距离相同时,随着通风时间的增加,温度上升幅度有所减缓。研究成果可为深部矿井热害治理工作及降温工程设计提供参考和理论依据。 展开更多

关键词 深部矿井 采煤工作面 热源 温度场 数值模拟

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极松软厚煤层超高巷道顶部高泡材料充填体强度确定 被引量：4

9

作者 王旭锋 贾俊飞 +4 位作者 杨战标 赵万里 王纪尧 杨培举 杨前 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2023年第4期73-83,共11页

极松软厚煤层超高巷道采用顶部充填方式控制围岩稳定已取得了显著的技术效果,已有实践表明,顶部充填体强度对支护效果影响重大。为进一步提升该技术的综合经济效益,增加矿井焦煤产出率,提出采用高泡材料进行顶部充填,以减少材料用量和... 极松软厚煤层超高巷道采用顶部充填方式控制围岩稳定已取得了显著的技术效果,已有实践表明,顶部充填体强度对支护效果影响重大。为进一步提升该技术的综合经济效益,增加矿井焦煤产出率,提出采用高泡材料进行顶部充填,以减少材料用量和优化支护效果。通过建立超高巷道顶部充填体受力模型,得到了巷道顶部充填体水平及垂直方向的受载强度,确定了顶部充填体所需的强度及变形能;根据不同水灰比、发泡剂含量条件下高泡材料的力学特性,采用数值模拟方法确定了高泡材料的最佳配比,通过工业试验验证了支护效果。研究结果表明,巷道高度为3~6 m时,顶部充填体水平及垂直方向最大受力载荷分别为0.48 MPa和1.37 MPa;巷道高度为6 m时,顶部充填体所需变形能应大于1.17 MPa;将水灰比为3∶1、发泡剂含量为0.03%的充填体充填至巷道顶部,数值模拟及现场的巷道两帮最大位移分别为220 mm和163 mm,满足工作面安全开采要求。研究结果可为类似条件的巷道围岩控制提供借鉴。 展开更多

关键词 极松软厚煤层 超高巷道 高水高泡材料 材料性能 控制效果

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基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用 被引量：11

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作者 刘佳伟 张盛 +3 位作者 陈召 杨战标 冀畔俊 魏永辉 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期161-170,共10页

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩... 煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的[BQ]值和TBM利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道TBM掘进过程中的工程数据,对TBM围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明:在岩体可掘性等级为Ⅰ级,地层TBM适应性等级为3级的条件下,TBM施工巷道平均月进尺可达到400 m;当TBM利用率不足20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法通过利用自动采集的TBM掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估TBM在不同围岩地质条件下的施工性能,并为TBM掘进控制参数设计提供了理论依据。 展开更多

关键词 TBM 煤矿岩巷 围岩分级 可掘性 岩层适应性

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基于分子模拟的表面活性剂对煤体的润湿机制探讨 被引量：9

11

作者 仝艳军 杨尊东 +2 位作者 宋杰 李永程 刘依婷 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期127-138,共12页

随着煤矿开采深度和机械化程度的逐渐提高,瓦斯煤尘二次爆炸愈加严重,采用表面活性剂等化学抑尘剂可以有效抑制煤尘的产生及扩散,减少瓦斯煤尘爆炸。为探明非离子表面活性剂对疏水性煤尘的抑制机理,以典型深部(1 050 m)疏水性煤尘为研... 随着煤矿开采深度和机械化程度的逐渐提高,瓦斯煤尘二次爆炸愈加严重,采用表面活性剂等化学抑尘剂可以有效抑制煤尘的产生及扩散,减少瓦斯煤尘爆炸。为探明非离子表面活性剂对疏水性煤尘的抑制机理,以典型深部(1 050 m)疏水性煤尘为研究对象,利用FT-IR、XRF、XRD等手段分析其基础物化特性,联合EA、XPS、^(13)C NMR等测试技术分析并建立煤尘分子结构模型,通过建立分子模型考察水-表面活性剂-煤润湿吸附体系的平衡吸附构型、分子空间分布特征,设计实验测定表面活性剂吸附前后煤尘的表面自由能组成变化,验证并讨论表面活性剂在煤尘界面的润湿吸附机制。结果表明:表面活性剂可在疏水性煤尘表面形成有效定向吸附层(吸附层较紧密,对煤表面覆盖程度高),通过表面活性剂疏水尾链覆盖煤尘表面疏水结构,亲水头基朝向水相,使得煤尘表面自由能极性分量增大,煤尘表面因此由疏水性向亲水性发生转变。研究结果可为煤矿开采中的高效抑尘处理提供理论指导和借鉴。 展开更多

关键词 煤尘 润湿机制 分子模拟 非离子表面活性剂 表面自由能

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基于六向压应力传感器流变应力恢复法的地应力测量 被引量：4

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作者 郭建伟 朱元广 +1 位作者 王蕾 杨战标 《科学技术与工程》 北大核心 2020年第34期14027-14033,共7页

流变应力恢复法是针对深部具有流变性的软弱围岩提出的一种地应力测量方法。该方法采用在巷道围岩中钻孔埋设压应力传感器的方式来实现围岩原岩应力和扰动应力的测量。基于最新研发的光纤光栅式六向压应力传感器以及本安型光纤光栅解调... 流变应力恢复法是针对深部具有流变性的软弱围岩提出的一种地应力测量方法。该方法采用在巷道围岩中钻孔埋设压应力传感器的方式来实现围岩原岩应力和扰动应力的测量。基于最新研发的光纤光栅式六向压应力传感器以及本安型光纤光栅解调仪,开展了传感器的室内标定试验。依托平煤股份八矿深部软岩巷道,开展了流变应力恢复法现场地应力测量,并与传统套芯应力解除法地应力测试结果进行对比分析,验证了利用六向压应力传感器流变应力恢复法对地应力测试的准确性和可靠性。 展开更多

关键词 流变应力恢复法 地应力 流变岩体 六向压应力传感器

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