真三轴高压电脉冲岩体致裂试验系统及定向破裂特征

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作者 郭军 刘全 +8 位作者 冯国瑞 白锦文 王志强 文晓泽 米鑫程 冯文明 张洁 张旭 李丽绒 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第5期1957-1968,共12页

设计并研制了一种真三轴应力作用下高压电脉冲岩体定向致裂试验系统。首先,将真三轴试验机与高压电脉冲系统相结合,构建了试验系统的核心框架;其次,采用超动态应变仪高精度监测致裂过程中的应变;最后,对红砂岩试样进行试验,从放电能量... 设计并研制了一种真三轴应力作用下高压电脉冲岩体定向致裂试验系统。首先,将真三轴试验机与高压电脉冲系统相结合,构建了试验系统的核心框架;其次,采用超动态应变仪高精度监测致裂过程中的应变;最后,对红砂岩试样进行试验,从放电能量、负载电极结构和单向围压3个方面系统研究了其高压电脉冲致裂的破裂特征。研究结果表明:该系统由高压电脉冲系统、应力加载控制系统和数据采集系统3个子系统组成,能够实现复杂应力条件下岩体致裂过程的精确控制和实时监测;负载电极的能量转换效率稳定在10%~20%;放电能量对致裂效果具有最优值,在低放电能量下,定向致裂效果不明显;而当能量过高时,非聚能方向会产生较多次生裂纹,导致能量利用率下降;增大放电孔宽度可显著提升冲击波的传播效率,12 mm聚能孔的能量释放定向性比6 mm聚能孔的优;单向围压抑制垂直围压方向的裂纹萌生与扩展,而促进平行围压方向的裂纹;在相同能量下,随着单向围压增大,裂纹扩展方向与围压方向的平均夹角减小,裂纹宽度和长度显著增加。 展开更多

关键词 液电效应 试验系统 真三轴 定向致裂 峰值应变

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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

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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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水围压环境下煤的冲击破裂特征及能量耗散规律试验研究

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作者 王凯 冯国瑞 +1 位作者 白锦文 张俊亮 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第3期467-476,共10页

为研究三轴条件下煤岩体真实冲击破裂过程及能量耗散规律,基于自主研发的多场耦合霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展煤样的可视化试验,研究不同水围压条件下煤样裂纹演化特征,分析煤样动力学指标与冲击速度、应变率和水围压之间的关系,... 为研究三轴条件下煤岩体真实冲击破裂过程及能量耗散规律,基于自主研发的多场耦合霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展煤样的可视化试验,研究不同水围压条件下煤样裂纹演化特征,分析煤样动力学指标与冲击速度、应变率和水围压之间的关系,阐明水围压作用对煤样能量吸收—转化—释放的影响特征。结果表明:水围压环境中,煤体的动态强度呈现明显的应变率效应。水围压与煤体的动态强度之间具有良好的二次函数关系,且随水围压的升高煤样的破坏应变呈递减趋势,破裂模式由轴向劈裂破坏向压剪破坏转变。冲击载荷越大,输入煤体的总能量和用于损伤变形的耗散能越高,煤体的变形程度也愈严重。随着水围压的增大,总输入能呈现逐渐增加的变化趋势,意味着煤体发生破坏时需要外界输入更多能量。 展开更多

关键词 水围压 霍普金森压杆(SHPB) 煤 断裂特征 冲击载荷 能量耗散

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CO_(2)养护压力对赤泥−粉煤灰基注浆材料储碳−力学性能的影响

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作者 吴国威 冯国瑞 +3 位作者 白锦文 韩艳娜 吴凡 马俊彪 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第6期153-165,共13页

固体废弃物堆积与CO_(2)排放是制约能源行业清洁高效发展的2大关键问题。采用制铝工业副产品拜耳法赤泥和粉煤灰制备赤泥−粉煤灰基地聚物注浆材料,测试不同CO_(2)养护压力下材料的碳化深度、碳化面积、CO_(2)吸收量和单轴抗压强度,并利... 固体废弃物堆积与CO_(2)排放是制约能源行业清洁高效发展的2大关键问题。采用制铝工业副产品拜耳法赤泥和粉煤灰制备赤泥−粉煤灰基地聚物注浆材料,测试不同CO_(2)养护压力下材料的碳化深度、碳化面积、CO_(2)吸收量和单轴抗压强度,并利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜−能量色散光谱(SEM−EDS)和低场核磁(LF−NMR)等微观表征技术,揭示注浆材料储碳−力学性能演化机制。结果表明:CO_(2)养护压力从0.2 MPa增至1.8 MPa,材料的碳化深度从2.07 mm增加至4.27 mm,CO_(2)吸收率从1.10%提升至2.86%。碳化养护结束后,碳酸盐对材料强度的贡献优于水化硅铝酸钠/钙(N(C)−A−S−H)凝胶,使得材料单轴抗压强度随CO_(2)压力升高而增加,当养护压力达到1.4 MPa时,其强度超过未碳化养护的对照组。在继续养护至28 d的过程中,由于前期碳酸化反应消耗了材料中的游离碱及生成地质聚合产物所需的Ca^(2+)、Na^(+),导致这一阶段的地质聚合反应受限。同时材料整体处于低钙体系,不利于碳酸钙晶体的持续生长发育,最终造成材料孔隙率增加。与对照组相比,28 d强度均表现为劣化。研究可为指导采空区CO_(2)储库构筑与井下碳封存提供理论基础。 展开更多

关键词 赤泥−粉煤灰基注浆材料 碳酸化反应 地质聚合反应 CO_(2)养护压力 微观结构

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跨煤柱开采覆岩运动与载荷传递特征三维相似模拟研究

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作者 曹丁园 潘瑞凯 +4 位作者 白锦文 冯国瑞 屈锦波 李浩男 李宇飞 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第3期477-488,共12页

下层煤工作面跨上覆遗留煤柱开采(简称“跨煤柱开采”)过程中,遗留煤柱承受高支承压力,可能导致下层煤工作面发生冒顶、压架、巷道损坏以及冲击地压等灾害。采用三维相似模拟试验研究跨煤柱开采时覆岩的运移规律和煤柱载荷传递特征。结... 下层煤工作面跨上覆遗留煤柱开采(简称“跨煤柱开采”)过程中,遗留煤柱承受高支承压力,可能导致下层煤工作面发生冒顶、压架、巷道损坏以及冲击地压等灾害。采用三维相似模拟试验研究跨煤柱开采时覆岩的运移规律和煤柱载荷传递特征。结果表明:随着遗留煤柱两侧工作面的开采,层间岩层应力分布发生显著变化,单侧采空时煤柱应力影响角约为7°,两侧采空时应力影响角增大至39°,工作面距离遗留煤柱约32 m时开始受煤柱集中应力影响;下层煤工作面进入煤柱下方开采后,采空区的煤柱逐渐发生屈服卸压,将覆岩载荷传递至工作面前方完整煤柱,形成载荷集中,在工作面推出煤柱5 m位置时,层间岩层断裂并诱发主关键层失稳,发生强矿压显现。 展开更多

关键词 煤柱 跨煤柱开采 岩层控制 三维相似模拟 覆岩载荷传递

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上行开采“层间岩梁-底板柱群”系统结构失稳机理及判识方法

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作者 崔业凯 冯国瑞 +3 位作者 李竹 章敏 崔家庆 汪圳 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第7期2868-2883,共16页

探究底板煤柱与层间岩梁的形变及破裂失效特征是评价底板房柱式采空区结构稳定性、保障上行工作面安全复采的关键。针对元宝湾煤矿6107工作面上行安全复采难题,首先,基于弹性地基梁理论构建了“层间岩梁-底板柱群”系统结构力学模型;其... 探究底板煤柱与层间岩梁的形变及破裂失效特征是评价底板房柱式采空区结构稳定性、保障上行工作面安全复采的关键。针对元宝湾煤矿6107工作面上行安全复采难题,首先,基于弹性地基梁理论构建了“层间岩梁-底板柱群”系统结构力学模型;其次,依托有限差分原理,建立了层间岩梁挠度、转角、弯矩、剪力及底板煤柱荷载的数值解法,研究上行工作面推进过程中层间岩梁内力、变形与底板煤柱荷载动态演变特征;最后,揭示了“层间岩梁-底板柱群”系统结构失稳模式,并给出了基于底板煤柱与层间岩层失稳时序的结构性失稳判识方法。研究结果表明:随着工作面推进,正下方岩梁挠度明显增加、弯矩明显减小,相邻区域岩梁挠度明显减小;工作面前方底板煤柱间悬空段岩梁转角和弯矩显著增大,剪力略微增大;在超前支承压力作用下,层间岩梁弯矩与底板煤柱荷载急剧增加,工作面正下方底板煤柱及前方30 m区域内层间岩梁内力及变形显著增加,“层间岩梁-底板柱群”系统结构失稳风险升高,存在3种潜在失稳模式,包括层间岩梁率先破断引起工作面底板超前塌陷、底板煤柱率先失稳引起柱群链式失稳、层间岩梁与底板煤柱同步失稳导致系统结构整体失稳。在工作面推进过程中,系统结构失稳模式由底板超前塌陷转为结构整体失稳,且当工作面推进至4号煤柱上方时,系统结构整体失稳风险最大。 展开更多

关键词 上行复采 弹性地基梁 “层间岩梁-底板柱群”系统结构 失稳机理 判识方法

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基于液电效应的高压电脉冲岩体致裂特征及机理 被引量：7

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作者 郭军 米鑫程 +5 位作者 冯国瑞 白锦文 文晓泽 朱林俊 王子 皇文博 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期2270-2282,共13页

基于液电效应的高压电脉冲致裂技术是一种新型的岩体致裂技术,具有安全高效、绿色环保、能量可控等特点,在煤矿井下围岩应力调控方面拥有广阔的应用前景。由于井下岩体往往处在较为复杂的应力环境,为深入研究该技术在井下不同围岩应力... 基于液电效应的高压电脉冲致裂技术是一种新型的岩体致裂技术,具有安全高效、绿色环保、能量可控等特点,在煤矿井下围岩应力调控方面拥有广阔的应用前景。由于井下岩体往往处在较为复杂的应力环境,为深入研究该技术在井下不同围岩应力环境下对坚硬岩体的致裂效果,通过LS-DYNA软件对基于RHT损伤本构模型建立的岩石试样进行高压电脉冲岩体致裂数值模拟试验,对岩体内部的损伤和有效应力演化过程进行采集,分析岩体的致裂特征及其裂缝扩展机理,通过数值模拟弥补在室内试验中因放电过程快、电磁干扰大而导致的致裂过程中岩体内部难以有效监测的问题。利用自主研发的高压电脉冲岩体致裂试验平台,开展了不同围岩应力条件下的高压电脉冲岩体致裂试验,通过获得的岩体表面破裂特征验证数值模拟结果的可靠性。获得以下结论:①基于RHT本构模型建立了LS-DYNA高压电脉冲岩体致裂数值模型,根据炸药爆破与高压电脉冲的能量等效关系,构建了高压电脉冲数值模拟等效参数。通过实验室试验与数值模拟结果进行对比,验证了数值模型与等效参数的可靠性;②对试样上表面裂纹扩展情况进行分析,发现裂纹会向最大压初始应力方向偏转。在此过程中,裂纹总长度先是逐渐减小。当所有裂纹与最大初始压应力夹角均小于45°时,裂纹总长度开始逐渐增大;③通过数值模拟,发现在致裂初期,高压电脉冲放电产生的动态应力远大于围岩应力,对试样的破坏起主导作用。随着动态应力在传播过程中的快速衰减,初始围岩应力与动态应力的大小逐渐接近,并最终由初始围岩应力主导裂纹的萌生与扩展。研究结果表明,围岩应力是决定岩体裂缝发育和扩展特征的重要因素,特别是对裂缝的扩展方向有显著影响,在采用高压电脉冲致裂技术对深部岩体进行致裂时,应考虑岩体所处应力状态,科学制定致裂方案,以实现对岩体的高效致裂。 展开更多

关键词 岩体致裂 液电效应 高压电脉冲 围岩应力 LS-DYNA

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基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律 被引量：4

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作者 冯国瑞 樊一江 +7 位作者 王朋飞 郭军 高瑞 文晓泽 张鹏飞 朱林俊 钱瑞鹏 张洁 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期2231-2246,共16页

水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段,更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律,针对实验室常用的类岩石试件,利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM,建立了二维水力压裂数值模型,开展了不同注液... 水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段,更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律,针对实验室常用的类岩石试件,利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM,建立了二维水力压裂数值模型,开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响,揭示了模型起裂机理,从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律,并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。结果表明:①注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大,其增长趋势不断变缓,并逐渐趋近于5.6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小,其减小趋势同样逐渐减缓。②累计裂隙数目随时间呈指数型增长,将水力压裂过程分为4个阶段(Ⅰ~Ⅳ):无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段,分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大,第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小,第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多,第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。③随注液压力增量变大,次级裂缝数目由8条增至16条,裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢,进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由0.03 MPa增大至0.70 MPa,裂缝最终长度增大1.79倍。④模型内部能量随注液压力增量的变大而增加,且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后,高压水在裂缝尖端形成应力集中,促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下,裂缝扩展速度变快,颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近,对主裂缝的形成及扩展起抑制作用,而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用,裂隙类型均为张拉裂隙。 展开更多

关键词 水力压裂 MatDEM 模型起裂 裂隙演化 裂缝扩展 细观

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黏土矿物材料在煤矿注浆领域的研究进展与前景展望 被引量：4

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作者 冯国瑞 姚鑫 +4 位作者 王帅 姚顺 韩艳娜 黄丽 侯凯 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第19期104-114,共11页

我国煤炭资源的开采将进入深部开采阶段,传统的无机和有机注浆材料难以应对深部开采高应力、高地温、高岩溶水压的工程条件。黏土矿物具有特殊的层状结构及高膨胀性、良好的热稳定性、高火山灰活性等理化特征,已被广泛用于煤矿注浆材料... 我国煤炭资源的开采将进入深部开采阶段,传统的无机和有机注浆材料难以应对深部开采高应力、高地温、高岩溶水压的工程条件。黏土矿物具有特殊的层状结构及高膨胀性、良好的热稳定性、高火山灰活性等理化特征,已被广泛用于煤矿注浆材料领域。近年来,国内外学者开发了纯黏土注浆材料、水泥-黏土复合注浆材料以及有机物-黏土复合注浆材料,并阐明了各类材料的用途及黏土矿物作为外加填料的强化机理。本文基于对黏土矿物结构、特性、表征及应用的阐述,综合近年来国内外科研人员对煤矿含黏土注浆材料的研究,归纳了含黏土注浆材料的开发现状,探讨了黏土矿物用于煤矿注浆的必要条件和共性特征,指出了当前煤矿含黏土注浆材料研究中存在的问题,并对今后含黏土注浆材料的开发提出了展望。 展开更多

关键词 黏土矿物 注浆材料 复合材料 煤矿开采

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基于顶板结构断裂特征的煤矿结构充填关键位置确定方法 被引量：5

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作者 冯国瑞 郭伟 +5 位作者 李竹 戚庭野 崔家庆 崔业凯 张志城 蔡文浩 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期38-49,共12页

充填开采是控制岩层移动并降低地表沉降与环境损害的重要途径,而充填材料来源不足和充填成本高昂现成为制约井工煤矿充填开采推广应用的主要瓶颈。探寻重点区域的低充填率靶向充填新方法与配套技术是充填开采的研究热点之一。为解决上... 充填开采是控制岩层移动并降低地表沉降与环境损害的重要途径,而充填材料来源不足和充填成本高昂现成为制约井工煤矿充填开采推广应用的主要瓶颈。探寻重点区域的低充填率靶向充填新方法与配套技术是充填开采的研究热点之一。为解决上述问题,结合煤矿井下结构充填的学术思想,深入研究了顶板岩层断裂特征,明确了顶板岩层破断块体尺寸及铰接形态,识别了破断铰接块体主沉降区域,判定出结构充填的关键位置。结合关键位置确定方法,提出重点控制基本顶最大挠度位置,即板结构潜在张拉断裂位置(塑性铰发育位置)的“工字型”结构充填新方法。结合新阳矿岩层地质参数,借助FLAC^(3D)数值模拟软件,深入分析了工作面采宽和推进方向上顶板岩层内应力、竖直沉降、塑性区分布规律,揭示了不同方案下充填体稳定性演变特征。结果表明:“工字型”充填在节省充填用量的基础上,较垮落式开采减少初采期直接顶沉降量33.47%,与全部充填仅相差2.3%。同时,关键位置充填体能有效应对顶板回转下沉引起的应力集中,保持自身稳定性,实现对顶板的长效支撑。综合分析得到了新阳矿首采工作面初采期“工字型”结构充填最佳充填方案为中部条带长度72 m,宽度7 m,两侧条带长度18 m,宽度6 m,较全部充填可减少充填材料成本33.86万元。该方案形成的密闭空间为1980 m^(3),占总采出空间的44%,可用来储能或碳封存,助力实现零碳绿色开采,推动双碳目标的实现。 展开更多

关键词 关键充填位置 塑性铰 “工字型”结构充填 充填体应力调配 分区沉降特征

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水泥-粉煤灰基矸石胶结充填体破坏特征及强度形成机制 被引量：8

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作者 李晓磊 杜献杰 +4 位作者 冯国瑞 巨峰 王建伟 刘文昊 郑远翔 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期36-45,共10页

在煤矿结构充填开采中,不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同,拟通过改变粉煤灰在水泥–粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称“粉煤灰占比”)调控矸石胶结充填体强度,对不同粉煤灰占比(0~90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试... 在煤矿结构充填开采中,不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同,拟通过改变粉煤灰在水泥–粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称“粉煤灰占比”)调控矸石胶结充填体强度,对不同粉煤灰占比(0~90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,探明矸石胶结充填体的强度调控范围,结合数字图像相关技术对试样破坏形态进行分析,结合声发射事件对试样脆延性破坏模式进行分析。采用承压筒法和单轴压缩试验分别测定了煤矸石的强度和不同粉煤灰占比水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度,并根据煤矸石的强度与水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度关系揭示矸石胶结充填体的强度形成机制。研究结果表明:矸石胶结充填体强度随着粉煤灰占比的增加而减少,实现了较大的矸石胶结充填体强度调控范围:1.77~30.04 MPa。不同强度范围的矸石胶结充填体试样对应的破坏形态和脆延性破坏模式也不同,材料性质发生了质的变化。随着粉煤灰占比的增加,在破坏形态方面,矸石胶结充填体试样由剪切破坏(0~50%粉煤灰占比)向拉剪复合破坏(60%~80%粉煤灰占比)再向拉伸破坏(90%粉煤灰占比)转变,对应的强度范围分别为20.8~30.04 MPa,5.63~12.35 MPa和1.77 MPa;在脆延性破坏模式方面,试样由脆–延性破坏(0~40%粉煤灰占比)转变为延性破坏(50%~90%粉煤灰占比),对应的强度范围分别为24.64~30.04 MPa和1.77~20.8 MPa。矸石胶结充填体的强度由水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度(1.43~55.5 MPa)和煤矸石的强度(平均强度为4.43 MPa)共同决定。水泥–粉煤灰二元胶凝材料对矸石胶结充填体的强度贡献较大,煤矸石使矸石胶结充填体的强度受限。所得试验结果为结构充填中充填材料的强度选择提供参考。 展开更多

关键词 粉煤灰占比 矸石胶结充填体 单轴压缩试验 承载特征 强度调控 强度形成机制

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低频扰动下高应力砂岩非线性动态力学响应特征 被引量：2

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作者 文晓泽 冯国瑞 +6 位作者 郭军 王朋飞 白锦文 钱瑞鹏 于露杨 张洁 张鹏飞 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期3810-3828,共19页

受煤矿残采区上行开采扰动影响,层间岩层在高静应力和低频扰动荷载耦合作用下的失稳是引发遗煤资源复采动力灾害的主要原因之一。为研究低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的动态响应特征,以煤系地层砂岩为研究对象,基于自主研发的动静... 受煤矿残采区上行开采扰动影响,层间岩层在高静应力和低频扰动荷载耦合作用下的失稳是引发遗煤资源复采动力灾害的主要原因之一。为研究低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的动态响应特征,以煤系地层砂岩为研究对象,基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展不同幅值低频扰动荷载(5 Hz)作用下高应力砂岩(80%单轴抗压强度(UCS))动态单轴压缩试验,揭示了低频扰动下高应力砂岩的裂纹演化规律、渐进损伤行为和非线性动态响应特征。结果表明:①小幅扰动荷载作用过程中高应力状态砂岩并不会失稳,80%UCS预静载状态下诱使砂岩发生破坏的低频扰动幅值门槛值为15%UCS,在越过应力门槛值的扰动荷载作用过程中,高应力砂岩破坏前的扰动荷载循环周期数随幅值增大指数型衰减。②在砂岩内部随机分布的微裂纹萌生和渐进扩展影响下,动态割线模量、峰值应变、耗散能密度和声发射b值随扰动荷载作用时间的非线性演化特征显著。③指数型应变演化曲线在砂岩破坏前有明显的拐点,可以作为低频扰动下高应力砂岩动态破坏的前兆信息,用于相应动力灾害预警。④在越过门槛值的低频扰动荷载作用过程中,动态割线模量演化曲线近似指数型衰减,且非线性拟合参数可以用以量化割线模量劣化速率,砂岩的割线模量劣化速率随幅值线性递增非线性变化。⑤扰动荷载作用初期的上升时间和幅值的比值(RA)可以用于砂岩动态破坏超前预测,相应地,扰动荷载作用过程中RA的突增可以作为砂岩动态破坏的前兆预警信息。未越过门槛值的低频扰动荷载作用过程中,砂岩微破裂以张拉或混合破裂为主,剪切破裂占比仅为12.15%;幅值为15%UCS、20%UCS和25%UCS的扰动荷载作用过程中,剪切破裂占比分别为37.17%、52.75%和53.62%,随扰动荷载幅值增大对数型增加。 展开更多

关键词 低频扰动 高应力 渐进损伤 非线性响应

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基于钻屑量界限方程的冲击危险性判定新方法 被引量：4

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作者 杜才溢 张玉江 +6 位作者 孟鑫 李杰 孔凯 杜晓峰 王博 郭育霞 刘辉 《矿业安全与环保》 CAS 北大核心 2024年第1期86-91,共6页

为提高钻屑法判定冲击危险性的精度,基于钻屑法原理及评价指标,对实际钻屑量数据进行拟合,提出一种基于钻屑量界限方程的冲击危险性判定方法(以下简称“钻屑量界限方程方法”):利用实际钻屑量自回归判定冲击危险性,将钻屑法判定冲击危... 为提高钻屑法判定冲击危险性的精度,基于钻屑法原理及评价指标,对实际钻屑量数据进行拟合,提出一种基于钻屑量界限方程的冲击危险性判定方法(以下简称“钻屑量界限方程方法”):利用实际钻屑量自回归判定冲击危险性,将钻屑法判定冲击危险性分区细化为冲击危险区、潜在冲击危险区和无冲击危险区。以古城煤矿3208工作面运输巷为工程背景进行了应用,结果表明:钻屑量界限方程方法与现场动力效应及微震监测指标判定结果相符,可有效提高钻屑法判定冲击危险性的精度,减少误判。 展开更多

关键词 钻屑法 钻屑量 冲击地压 冲击危险性 钻屑指标临界值 判定方法

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基于PCA的Fisher多元统计方法识别矿井充水水源 被引量：2

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作者 申雄 栗继祖 赵德康 《矿业安全与环保》 CAS 北大核心 2024年第3期144-152,共9页

采煤工作面回采过程中充水水源的多源不确定性是矿井水害防治的研究重点,采用水化学信息识别充水水源时,常难以明确界定各充水水源的特征型水质阈值,且现有大多数分析判别方法判别精度不高。基于现场采集的马脊梁煤矿8210工作面矿井涌... 采煤工作面回采过程中充水水源的多源不确定性是矿井水害防治的研究重点,采用水化学信息识别充水水源时,常难以明确界定各充水水源的特征型水质阈值,且现有大多数分析判别方法判别精度不高。基于现场采集的马脊梁煤矿8210工作面矿井涌水可能充水水源样本建立样本数据库,采用Piper三线图法和多因子法分析各充水水源的水质类型及训练样本数据库,建立了基于主成分分析的Fisher判别模型,并根据欧氏距离判别原则分析识别采空区涌水的充水水源。结果表明,充水水源主要为侏罗系采空积水,其次为底板灰岩水和顶板砂岩水;该判别模型判别精度可以达到99.9%,对于采煤工作面矿井涌水充水水源的现场识别具有重要指导意义。 展开更多

关键词 矿井涌水 充水水源 水源识别 主成分分析 Fisher多元统计理论 欧氏距离

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动静组合加载下砂岩剪切力学特性试验研究

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作者 龚昌建 冯国瑞 +4 位作者 张玉江 崔炳渊 蔡文浩 崔江慧 张郑军 《采矿与岩层控制工程学报》 EI 北大核心 2024年第4期48-61,共14页

动载扰动作用是影响遗煤复采过程中围岩稳定性的重要因素,为研究不同预静载水平下动载扰动对砂岩抗剪强度、黏聚力、内摩擦角、应变场及声发射等参数的影响,采用动静载多场耦合试验系统、声发射监测系统和DIC应变监测系统对砂岩进行了... 动载扰动作用是影响遗煤复采过程中围岩稳定性的重要因素,为研究不同预静载水平下动载扰动对砂岩抗剪强度、黏聚力、内摩擦角、应变场及声发射等参数的影响,采用动静载多场耦合试验系统、声发射监测系统和DIC应变监测系统对砂岩进行了动静组合加载变角剪切试验。研究结果表明:在组合加载下,随着预静载水平的增大,砂岩抗剪强度和黏聚力呈先增大后减小的趋势,内摩擦角和扰动前后最大主应变差值呈先减小后增大的趋势,均在75%τ预静载水平处达到极值;在组合加载下,声发射累计能量和累计振铃计数整体上可划分为第一稳定增长期、第一突增期、平静期、第二突增期、第二稳定增长期和第三突增期6个阶段,在扰动阶段声发射信号活跃程度随着预静载水平的增大呈先减小后增大的趋势,极值出现在60%τ预静载水平处。研究成果可为动静组合加载下围岩稳定性控制提供理论参考。 展开更多

关键词 动静组合加载 变角剪切 黏聚力 内摩擦角

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内混式空气雾化喷嘴雾化影响因素试验与仿真研究

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作者 郑沂怡 李文璞 +3 位作者 邵和 王鑫 高玉荣 陈曦 《流体机械》 CSCD 北大核心 2024年第9期39-47,共9页

为了研究3种内混式空气雾化喷嘴的适用场所,分析了空气雾化喷嘴的雾化特性,确定结构参数对喷嘴雾化特性的影响。基于VOF两相流模型及Realizable k-ε湍流模型,建立了三维稳态模型,分析3种内混式空气雾化喷嘴的雾化过程以及混合腔内压力... 为了研究3种内混式空气雾化喷嘴的适用场所,分析了空气雾化喷嘴的雾化特性,确定结构参数对喷嘴雾化特性的影响。基于VOF两相流模型及Realizable k-ε湍流模型,建立了三维稳态模型,分析3种内混式空气雾化喷嘴的雾化过程以及混合腔内压力和速度变化;搭建雾化试验平台,分析了3种内混式空气雾化喷嘴的雾化特性。结果表明:喷嘴的雾滴粒径与供气压力呈负相关关系,而与供水压力呈正相关关系;雾滴速度随供水和供气压力增加均呈现出增加的趋势;1号喷嘴的喷雾受工况参数影响较大,能够实现约为90°的雾化角和4.7 m的射程,雾滴粒径最小能达到8μm,综合雾化性能好;2号喷嘴的大液滴被压缩空气推向两侧,形成的喷雾较为分散,雾化角度约为141°,射程约为1.5 m;3号喷嘴的液相受压缩空气作用集中在中央,形成的喷雾雾化角度约为20°,射程高达3.7 m,雾滴速度约为28 m/s。研究结果为喷嘴设计和完善喷雾降尘系统提供理论指导。 展开更多

关键词 内混式雾化喷嘴 数值模拟 雾化特性 结构参数

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浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳机制 被引量：18

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作者 冯国瑞 朱卫兵 +3 位作者 白锦文 余丹 谢建林 李竹 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期114-125,共12页

工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳,诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式... 工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳,诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式采空区下伏6107工作面开采的覆岩移动规律,发现了超前煤柱群的回弹变形现象,开展了房式采空区下伏煤层开采的物理模拟实验,研究了房采煤柱群-覆岩的变形破坏特征,分析了采动影响下超前煤柱群回弹冲击失稳的动态过程,揭示了浅埋近距离煤层开采超前煤柱群的冲击失稳机制。结果表明:(1)浅埋柱采区近距离下伏煤层开采过程中工作面前方覆岩呈现出“先短暂回弹后剧烈下沉”的运动特征,即首先存在极短时间的覆岩回弹变形现象,之后出现了部分覆岩的整体破断与垮塌。由此,反推出采动影响下超前煤柱群也发生了回弹变形。(2)柱式采空区下伏煤层开采过程中关键柱在覆岩沉降和超前支承压力的作用下最早出现斜切破坏,引起载荷的转移,加剧邻近部分房采煤柱群的应力集中程度,进而发生链式斜切破坏。在此过程中,覆岩持续沉降,裂隙也不断发育,形成剪切贯通断裂面,发生破断回转,促使超前煤柱群回弹变形与冲击失稳,引发层间岩层的全厚切落,带动更大规模房采煤柱群的链式失稳,并造成下伏工作面动压灾害的发生。(3)浅埋近距离下伏煤层开采“煤柱群-覆岩”的失稳垮塌过程可以细分为:关键柱斜切破坏阶段、关键柱邻近部分煤柱群破坏阶段、超前煤柱群回弹冲击失稳阶段、覆岩垮塌与层间岩层切落致灾阶段。(4)浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳是“煤柱群回弹变形”与“覆岩联动垮塌”共同作用且互馈影响的动态过程。该研究可以解释柱式采空区下伏近距离煤层开采超前动载矿压的显现原因,有望为超前动载矿压的预测和控制提供理论指导,并进一步保障近距离煤层群的安全绿色高回收率开采。 展开更多

关键词 关键柱 煤柱群 回弹变形 冲击失稳 岩层切落 动载矿压

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微型四柱式放顶煤液压支架设计及其适应性 被引量：8

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作者 郭军 郭星辰 +6 位作者 冯国瑞 郭育霞 文晓泽 李丽绒 王子 皇文博 康立勋 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S02期766-777,共12页

微型液压支架及其测控系统在物理试验中起到至关重要的作用,为更好地结合工程实际,保证试验结果的科学性、准确性和真实性,利用SOLIDWORKS软件对微型支架进行三维建模、运动仿真、强度测试。对液压系统所需元件进行非标设计改造,基于RC... 微型液压支架及其测控系统在物理试验中起到至关重要的作用,为更好地结合工程实际,保证试验结果的科学性、准确性和真实性,利用SOLIDWORKS软件对微型支架进行三维建模、运动仿真、强度测试。对液压系统所需元件进行非标设计改造,基于RC模型理念配置完善的液压及测控系统,并对支架力学性能进行了相应的测试。结果表明:微型支架在符合结构和承载特性相似的前提下,通过控制泵站压力并在液压阀的配合作用下可满足试验中可控性以及多变量要求。以MNZF0.2/0.55/0.84微型液压支架及测控系统设计为例,给出了支架结构设计的具体步骤和液压系统的换算公式,阐明了支架设计思路及注意事项。支架强度大,刚度稳定,泵站压力可达到3 MPa以上,远高于试验需求。支架前端梁运动曲线符合双纽线特征,运动轨迹变化范围仅为0.46 mm左右,小于理论上的最优值。支架在初撑、增阻、恒阻和卸压阶段能满足其承载特性及运动要求。经测试,支架工作阻力为168 N,对应的支护强度为0.54 MPa,系统压力仍有较大的富余量。护帮千斤顶采用与立柱相同的液压系统,可对煤壁起到保护作用,其与顶梁组成的支撑体系能够更好地体现支架围岩的耦合特性。研究结果可为支架与围岩耦合相关物理试验单一变量或多变量分析提供借鉴,其与围岩耦合相关试验数据对现场应用具有重要的参考价值。 展开更多

关键词 综放开采 液压支架 运动仿真 物理试验 静应力分析

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遗留群柱中关键柱判别方法与软件 被引量：7

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作者 白锦文 宋诚 +7 位作者 王红伟 戚庭野 冯国瑞 曹光明 王凯 郭军 史旭东 崔博强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第2期651-661,共11页

关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的... 关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的方法,优化了遗留煤柱自身强度的计算方法;其次,引入应力扩散的最大距离L,改进了遗留煤柱承担载荷的计算公式;然后,分别确定了待研究区域内各个遗留煤柱的安全系数,并将安全系数最小的遗留煤柱判别为关键柱;最后,形成了遗留群柱中关键柱判别的技术方法,并运用Python语言开发了关键柱智能判别的KPDS软件。结果表明:(1)最小等效宽度为不同形态遗留煤柱的最小实用承载宽度;内切圆法、最短边法、辅助线法和短轴线法可以用于确定采空区规则/不规则形态遗留煤柱的最小等效宽度;(2)内切圆法适用于确定横截面为三角形和正多边形遗留煤柱的最小等效宽度;最短边法适用于确定“横截剖面存在最短边且其邻近2边相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;辅助线法适用于确定“横截剖面存在最短边且其2条邻边不相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;短轴线法适用于确定半圆形遗留煤柱、圆形遗留煤柱和椭圆形遗留煤柱的最小等效宽度;(3)遗留煤柱承担的载荷不只是从属面积上覆岩的载荷,还包括邻近范围覆岩所传递扩散过来的载荷;考虑应力扩散最大距离可以更加准确计算遗留煤柱承担的载荷;(4)基于最小等效宽度和载荷扩散最大距离,能够确定待研究采空区内安全系数最小的遗留煤柱,可以进一步判别出关键柱,并形成关键柱判别的技术流程;(5)关键柱判别KPDS软件是Key Pillar Determination Software的简称,主要包括:登录界面、参数导入界面、强度计算界面、承载与安全系数计算界面和关键柱判别界面;该软件可以快速智能地判别出遗留群柱体系中关键柱。该研究可以实现遗留群柱体系中关键柱位置的超前识别,有望指导遗留群柱链式失稳和围岩联动破坏的科学防控,并进一步促进煤矿岩层控制理论与技术的发展。 展开更多

关键词 关键柱 最小等效宽度 载荷扩散距离 判别方法 智能软件

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破碎围岩注浆加固体承载特性与损伤破坏机制 被引量：10

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作者 冯国瑞 马敬凯 +5 位作者 李竹 戚庭野 崔家庆 郭伟 赵彦同 侯斌 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S02期411-423,共13页

注浆加固是提升破碎围岩整体性及其承载性能的重要途径,破碎围岩注浆加固体强度、损伤变形及其破坏特征决定加固体抵御外载扰动并维持围岩稳定的能力。选用不同粒径的破碎岩体并注入不同质量浓度水泥净浆,自凝固形成破碎围岩注浆加固体... 注浆加固是提升破碎围岩整体性及其承载性能的重要途径,破碎围岩注浆加固体强度、损伤变形及其破坏特征决定加固体抵御外载扰动并维持围岩稳定的能力。选用不同粒径的破碎岩体并注入不同质量浓度水泥净浆,自凝固形成破碎围岩注浆加固体。基于声发射监测和DIC变形测量技术,探究破碎围岩注浆加固体力学承载机制,掌握“声发射-应力-表面位移”耦合规律及其动态响应特征,阐明注浆对破碎围岩承载能力的强化效应及加固体二次承载损伤破坏失稳机制,据此建立破碎围岩注浆加固体承载损伤本构模型。结果表明:①注浆加固体峰值强度随粒径的增大而减小,随水灰比的提高而降低。以水灰比0.4为例,粒径从5~10mm增加到20~30mm,注浆加固体强度从23.99MPa降低到19.30MPa,降幅达19.55%;以破碎岩石粒径为5~10mm为例,水灰比从0.4增加到0.6,加固体强度从23.99MPa降低到14.83MPa,降幅达38.18%。此外,注浆加固体峰后阶段并未发生典型岩石材料的脆性破坏,应力-应变峰后曲线多次“起伏式”下降,呈现出良好的延展性和韧性变形特征。②声发射振铃累计次数曲线表现出明显的“上升期—活跃期—平静期”3个阶段。注浆加固体中破碎体粒径越小,上升期跨度越大,平静期声发射事件相对越频繁;浆液水灰比越高的加固体,声发射振铃次数总体水平越低。③基于声发射b值和DIC的联合监测,发现了声发射b值和注浆加固体试件内部裂缝尺度的对应关系,即“小b值大裂缝”和“大b值小裂缝”,且粒径大小与加固体试件裂缝尺度正相关,粒径越大,裂纹发育及扩展越明显,表面大应变集中带分布范围更广,裂纹开度更大,损伤破坏更严重。④根据测得的注浆加固体弹性模量、峰值应力和峰值应变,建立了破碎围岩注浆加固体损伤本构方程,据此可以预测不同粒径的破碎岩体和不同浆液质量浓度形成的注浆加固体力学强度,以期为注浆加固体强度设计及工程岩体稳定性评价提供参考。 展开更多

关键词 注浆加固体 峰值强度 峰后应变软化 损伤本构 声发射 应变集中带

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