基于板弯曲变形的山区煤层开采地表下沉模型

分析了长壁工作面采煤上覆岩层破坏、移动的"三带"理论,认为地表的下沉变形受控于弯曲下沉带,且地表的最大下沉量远小于弯曲带岩层的厚度,弯曲带岩层的变形符合板的小挠度弯曲问题。在此基础上,根据山区地形地貌的特征及山体坡向与煤层倾向的关系,将地表山体简化为顺向坡、反向坡、沟槽、山岭四种情况,用薄板理论中的半逆解法分别建立了四种地貌情形下的地表下沉盆地模型。模型虽然作了一些简化假设,但体现了煤层倾角、埋深、岩层物理力学性质、地貌形状等影响开采沉陷的主要因素。     

A SURFACE SUBSIDENCE MODEL OF COAL SEAM MINING IN MOUNTAIN AREA BASED ON PLATE BENDING DEFORMATION1)

分析了长壁工作面采煤上覆岩层破坏、移动的 “三带” 理论,认为地表的下沉变形受控于弯曲下沉带,且地表的最大下沉量远小于弯曲带岩层的厚度,弯曲带岩层的变形符合板的小挠度弯曲问题。在此基础上,根据山区地形地貌的特征及山体坡向与煤层倾向的关系,将地表山体简化为顺向坡、反向坡、沟槽、山岭四种情况,用薄板理论中的半逆解法分别建立了四种地貌情形下的地表下沉盆地模型。模型虽然作了一些简化假设,但体现了煤层倾角、埋深、岩层物理力学性质、地貌形状等影响开采沉陷的主要因素。     

冲击载荷作用下含裂纹高压埋地输气管道的安全性评定

落石是导致埋地输气管道破坏的主要载荷形式之一.在管道压力一定的情况下,首先建立了落石、土壤和高压埋地输气管道相互作用的力学模型,对在内压和落石冲击联合载荷作用下的高压埋地输气管道的动态响应进行了有限元分析.然后对含初始裂纹的情况基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT)获得了埋地输气管道的动态断裂参数.在落石质量一定的条件下,分别获得了无裂纹管道的峰值有效应力和含初始裂纹管道的动态断裂参数与落石冲击速度的关系曲线,并拟合出相应的函数关系.根据切线交点准则求出了落石的极限冲击速度.计算结果表明:初始裂纹的存在大大降低了埋地输气管道的极限承载能力.本工作提出的方法和结论对于高压埋地输气管道的安全运营和降低危险系数具有十分重要的意义.     

大型沉井结构施工力学模型的研究

大型沉井结构是当今应用较广的基础工程，由于沉井结构的规模大，工区土层复杂，存在有许多不确定性因素。使得施工过程的力学模型比较难确定。迄今尚缺乏可供借鉴的理论研究。由于施工的关键是保证沉井的均匀下沉，控制终沉和防止突沉，为此，建立合适的施工力学模型以预测下沉量和开挖量之间的关系就十分必要，考虑到混凝土沉井在土体中下沉时，其本身的变形很小，可以忽略其影响，本文从多自由度刚体运动的角度，建立沉井下沉过程的动态力学模型。为验证所建模型的正确性，本文对一实际工程进行了数值仿真计算。并将计算结果与实测结果进行了对比。结果表明，所建立的力学模型能较好地反映沉井下沉的工程实际，因而可以应用该模型对沉井下沉进行预测分析。从而有助于指导沉井的实际施工。     

基于Elman型神经网络的金川二矿地表岩移时序预测 模型

建立于煤矿开采基础之上的矿山开采沉陷理论和预测方法并不适用于象金川这样厚大、陡倾的金属矿床开采的岩移问题,因此,本文探讨利用神经网络来对地表岩移进行预测。根据Elman神经网络能够逼近任意非线性函数的特点和具有反映系统动态特性的能力,提出了利用Elman神经网络建立地表岩移时序预报模型的方法。利用金川二矿区GPS监测所得到的时间序列数据,通过对Elman神经网络模型预测值与GPS实测值之间的比较,结果表明模型预测显示了良好的准确性,特别是在时间步长较短情况下,应用于实际预测一定程度上可以弥补金属矿山岩移预测方法不足的缺憾。     

基于物理信息的深度学习求解矩形薄板力学正反问题

建立基于物理信息的神经网络框架,利用深度学习求解矩形薄板力学正反问题.力学正问题为已知矩形薄板的基本参数、边界条件和受力情况,求薄板各点挠度;反问题为已知薄板部分点的挠度、基本参数和受力情况等,识别边界条件.基于物理信息的神经网络模型中,损失函数除基于数据驱动模型的挠度数据拟合部分以外,还引入薄板弯曲基本方程和应力应变...     

地下开采过程损伤场演化与地表变形的时变分析

以形状随时间变化的物体——时变体为研究对象，将损伤理论与时变力学结合，引入与时变过程相关的损伤参数，形成损伤时变力学分析方法。针对岩石介质特性给出了弹性损伤时变力学本构方程，并利用虚功原理建立相应数值化方法和分析过程。利用损伤时变力学分析方法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析，给出形状时变引起的损伤场与地表移动的动态演化过程，并对比了非时变以及施工分析结果。研究表明，损伤时变分析可得到连续变化的位移及损伤演化图，相比非时变的常规分析和施工分析能更好地模拟连续施工，为工程施工分析与预测提供更加科学和有效的手段。为实现开采过程的经济和安全，应该采用损伤时变力学的分析方法。     

基因芯片纳米挠度和表面应力的解析预测

本文利用能量法解析分析了无标记生物检测中基因芯片的纳米力学行为.首先,考虑微悬臂梁机械能和基因层静电能、水合能和构型熵,建立了基因芯片能量模型,并采用泰勒级数展开法.获得了能量势的一阶近似式.其次,利用能量最小原理,得到了芯片稳态弯曲的曲率半径、纳米挠度和表面应力的解析表达式,从而克服了求解多极值能量泛函数值解的困难.最后,预测了DNA的链长和种植密度对芯片纳米力学行为的影响,同时将表面应力的解析预测结果与有关实验数据进行了比较,证明了本文方法的可靠性.     

突变理论在浅埋煤层组合关键层中的应用

 应用突变理论的方法，对组合关键层的力学模型进行了分析， 导出了系统的总势能函数表达式, 并建立了尖角型突变模型.定量地 分析了顶板的台阶下沉量以及组合关键层失稳的充要条件，得出的 结论有实际意义.     

埋地管道的横向静力分析耦合模型及其解耦条件

现有埋地管道横向静力分析中的刚性管假设可以实现横向分析与纵向分析的解耦,但往往与实际情况不符.为此,本文根据埋地管道的受力特点,建立了考虑纵向内力影响的横向静力分析耦合模型.基于此耦合模型,结合挠曲线方程与纵向内力的关系,推导出横向分析和纵向分析的解耦条件,为建立解耦模型提供了理论基础.与此同时,一方面为便于实用,另一方面为检验解耦模型的误差,文中针对圆环形管道导出了其横截面剪应力分布规律,给出了埋地管道横向静力分析的实用耦合模型,并结合弹性中心法,建议和提出了耦合模型的实现算法.最后,采用耦合模型对两端固定的埋地给水管道进行了横向内力分析及解耦模型的误差探讨.结果表明,管道两端处纵向剪力对横向内力影响显著,解耦模型误差很大;但随着与管端距离的增加纵向剪力的影响急剧减小,近跨中区域解耦误差几乎可忽略不计.     

多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟

首先分析了研究区煤矿山西组煤层剖面和水文地质特征,针对多煤层联合开采的特点和覆岩的工程地质特征,采用工程地质力学模型实验、数值模拟计算相结合的综合研究方法,分析了多煤层开采的采动影响及岩层动态断裂机理,得出了有关岩层移动参数和多层煤同采时应力分布状态,计算得到了多煤层开采垮落带与导水裂隙带的发育高度分别为32m和81.5m,导水裂隙带高度影响范围已经达到风化带,未形成切冒,局部穿透粘土层。     

RESEARCH OF STEPPING PRESSURE AND CONTROL OF NEAR FIELD ROOF OF TASHAN COAL MINE BASED ON NUMERICAL SIMULATION1)

煤层坚硬顶板采用水力压裂技术进行定向弱化可有效控制来压步距,降低事故风险。基于黏聚力模型,利用有限元二次开发建立了压裂前后煤层开采数值计算模型,模拟分析了顶板垮落规律及影响因素,优化裂缝间距设计。结果表明：来压跨距与顶板厚度、强度呈正相关性,与埋深呈负相关性。预制裂缝在拉应力集中区可促进起裂扩展,应全面勘测各岩层位地质参数,利用计算出的应力集中区位置设计裂缝间距,实现经济有效地控制来压步距。     

Multi-scale Fractured Coal Gas–Solid Coupling Model and Its Applications in Engineering Projects

With coal mining entering the geological environment of “high stress, rich gas, strong adsorption and low permeability,” the difficulty of joint coal and gas extraction clearly augments, the risk of solid–gas coupling dynamic disasters greatly increases, and the underlying mechanisms become more complex. In this paper, based on the characteristics of coal’s multi-scale structure and spatiotemporal variation, the multi-scale fractured coal gas–solid coupling model (MSFM) was built. In this model, the interaction between coal matrix and its fractures and the mechanical characteristics of gas-bearing coal were considered, as well as their coupling relationship. By MATLAB software, the stress–damage–seepage numerical computation programs were developed, which were applied into Comsol Multiphysics to simulate gas flow caused by coal mining. The simulation results showed the spatial variability of coal elastic modulus and cross-flow behaviors of coal seam gas, which were superior to the results of traditional gas–solid coupling model. And the numerical results obtained from MSFM were closer to the measured results in field, while the computation results of traditional model were slightly higher than the measured results. Furthermore, the MSFM in a large scale was verified by field engineering project.     

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根据某矿区的地质钻孔资料,划分了不同层面并对地层的交叉与缺失做了处理. 利用不同 层面的高程值建立不同层面的等高线,再由Kriging插值法得到矿区的三维地层模型. 从所 建模型中抽取剖面图并与矿区实际勘探线剖面图进行比较,验证了模型的可靠性. 最后从建 立的多层DEM模型中抽取剖面数据进行有限元数值模拟,并与实际勘探和采掘过程中揭露的 断层位置比较,两者结果非常吻合,为该矿区采掘设计和构造预测提供了一定的参考.     

粉质黏土层预埋承插式混凝土管道对爆破振动的动力响应

为合理评价临近爆破施工振动作用对预埋在粉质黏土层承插式混凝土管道的影响，通过现场预埋多管节全尺寸管道的爆破试验，结合DH5956动态应变及TC-4850爆破振动等测试系统，研究了爆破振动作用下承插式混凝土管道动力响应特征，分析了管道管身及承插口动应变及振动速度空间分布规律；基于承插口允许转角规范及管身动态拉应变破坏准则，提出了承插式混凝土管道爆破振动速度安全判据。研究结果表明:爆破振动作用下管道管身及承插口之间存在不协调响应特征；爆破振动作用下管道承插口为管道最薄弱位置，爆破振动对承插式混凝土管道的影响应重点考虑承插口的失效；承插式混凝土管道爆破振动速度控制阈值为5 cm/s，结果可对类似地层中承插式埋地混凝土管道的保护起指导作用。     

爆破地震荷载作用下高密度聚乙烯波纹管动力响应试验研究

为研究爆破地震荷载作用下埋地高密度聚乙烯（high-density polyethylene，HDPE）波纹管的动力响应规律，通过现场预埋管道的爆破试验，结合爆破地震与动态应变等测试手段，分析了爆破地震荷载作用下埋地管道的动力响应特征，研究了管道振动速度及动态应变的分布特征，基于von Mises屈服准则分析评价了管道安全性，提出了爆破振动速度控制标准。试验研究结果表明:试验中管道与地表振速以及管道动态应变随爆心距的减少，随炸药量的增加而增大；爆破地震波振动主频高，管道振动主频高于地表；相同爆破工况条件下，管道上方地表振速普遍大于管道振速；管道截面背爆侧峰值轴向应变以拉应变为主，迎爆侧峰值环向应变以压应变为主；本试验管道安全控制振速可取20 cm/s，此时管道处于安全状态。     

基于仪器化压入实验的煤体微纳尺度非均质力学响应特征

煤炭是我国的主体能源, 煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的频繁严重影响煤炭的安全生产. 煤体是典型的混合物, 其内部不同组分的力学性质差异较大, 使其在外部扰动的作用下容易产生内部应力集中, 导致煤体的失稳、破坏, 形成煤矿动力灾害. 本文以非均质煤体为研究对象, 利用微焦CT、扫描电子显微镜和纳?微米压入实验, 研究了煤体微纳尺度的非均质结构和力学性质, 实验研究结果表明: 煤体是有机物和多种矿物组成的混合物, 矿物以点填充、丝状填充和条带状侵入等结构存在于煤体有机物中, 不同的矿物填充或侵入区域中矿物含量和结构具有差异, 这导致煤体微纳尺度的物理力学性质具有非均质性; 纳米尺度压入实验可以捕捉矿物在有机物中的填充或侵入结构, 测量煤体混合物中矿物和有机物单组分的力学参数, 识别两者力学性质的巨大差异; 微米尺度的压入实验可以表征煤体混合物整体的力学性质, 矿物填充量越多, 煤体混合物的力学性质越强, 同时煤体混合物微观尺度的破裂模式会受到矿物填充结构的影响. 研究结果揭示了煤体微观结构和力学性质的非均质特征, 探讨了煤体混合物的非均质结构可能引起的脆性破坏, 为煤矿井下冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的预测与防治提供了理论基础.