上覆岩层组合运动的力学解析特征研究

运用弹性薄板理论和复合材料力学的层合板理论,讨论了在覆岩运动中起决定作用的组合关键层的应力,为计算组合关键层的整体强度提供了途径;并且从控制开采沉陷工程实际入手,将结构塑性极限分析理论运用于组合关键层的失稳最大荷载计算,解析得出了充分采动情况下关键层塑性极限荷载的表达式,从另一个角度得到了一种判别关键层位置的新方法,为实施离层带注浆减沉提供参考。     

混凝土断裂能

本文从能量的观点分析了混凝土Ⅰ型和Ⅱ型断裂能表达式,探讨了梁自重对Ⅰ型断裂能的影响;介绍了Ⅰ型断裂能的测试方法,给出了拉应变软化曲线.     

砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。     

平面应变断裂韧度测试的有效性研究

针对平面应变断裂韧度测试厚度存在的问题,研究了几种材料测断裂韧度所需的实际厚度,拟合了平面应力到平面应变过渡状态下σz应力的分布,分析了过渡状态下的裂端应力场.通过分析不同材料特性和应力状态对断裂韧度KIC的影响,结合金属材料断裂的细观机理,认为平面应变断裂韧度KIC反映的是材料正断的性能,仅代表材料发生正断的指标.结果表明:对于某些高韧性材料,即使满足平面应变条件厚度要求,断裂以剪断为主,很难测出KIC;而对于偏脆性材料,即使不满足厚度要求,只要发生正断,也可测出KIC.结合已有试验结果,为平面应变断裂韧度KIC测定的厚度选择,提出一种合理的预测方法.借助三片模型的研究,给出平面应变断裂韧度的正断指标.     

多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究

采空区残余裂隙的发育情况是采空区充填注浆设计需要考虑的重要因素。本文采用相似材料模拟实验的方法,探讨多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙的分布规律和发育程度。研究结果表明：开采结束后采空区残余裂隙在剖面上具有明显的分区性,从采空区两侧到中间可划分为残余裂隙发育区、裂隙压密区和地表张拉裂隙区; 残余裂隙发育区的残余裂隙率一般介于19.54％～45.27％之间,裂隙压密区的残余裂隙率介于9.28％～19.33％之间; 离层裂隙发育高度是受采宽和累计采厚综合影响的结果。研究成果对于老采空区建筑地基的稳定性评价、采空区处治工程范围与深度的确定、注浆孔的合理布置、单孔注浆量的合理计算等都具有重要的理论研究价值和实际指导意义。     

冻雨环境下润湿性表面覆冰黏附力测试方法

覆冰黏附力是仿生超疏水材料防结冰工程应用的关键技术指标之一. 根据覆冰样片降温过程中产生应变受冰层黏附力作用的原理, 提出利用电阻应变片传感器于模拟冻雨结冰环境下在线检测覆冰黏附力的方案. 应变片应变信号经数据采集、信号转换和软件处理, 实现了应变传感电压实时监测与在线显示, 结合受力分析对比计算出不同润湿性表面覆冰黏附力. 该方法可实时表征低温结冰环境下不同润湿性表面的结/融冰行为及覆冰黏附力变化趋势.     

深部开采对覆岩破坏移动规律的实验研究

根据淮南矿业集团潘一矿2171（1）工作面开采实践,采用相似材料模拟实验。利用电子经纬仪与数字散斑相关方法相结合监测位移,分析研究了采场上覆岩层的“三带”特征及分布规律,上覆岩层移动发展趋势、演化规律、存在范围及形态,以及与开采宽度的关系。结果表明：一定采宽后顶板垮落规律显著,断层下顶板周期断裂步距减小;岩层下沉系数与岩层高度和采厚比成线性关系,上覆岩层沉降具有非对称性;离层裂隙的发生、扩展、闭合受关键岩层的影响和控制。数据分析还表明,数字散斑相关方法具有较高的精度,这一新的研究方法引入,丰富了上覆岩层活动规律的研究手段。本文结果可为指导工程实践提供重要理论依据。     

地质材料力学中的分形几何现象

地质材料力学行为复杂多变,它可能构造于一个分数维空间.本文主要探讨地质材料力学中的分形几何现象,构造了岩石破碎过程的分形图,讨论和分析了地质材料的应力应变关系、微观断裂、裂纹分叉及开采引起上覆岩层陷落中表现出的分形几何特征.     

随机-模糊处理方法在岩石力学指标统计及岩组划分中的应用

探讨了随机 模糊处理方法在岩石力学指标统计和岩组定量划分中的应用。文中对计算中的隶属函数取值及迭代方式进行了深入讨论。通过计算结果的比较分析, 认为随机 模糊处理方法更符合实际, 并优于其他方法。最后作者提出了岩组定性划分 岩石样本参数的随机 模糊统计分析 岩组定量划分及参数重新统计的分析程序。     

基于颗粒离散元法的连接键应变软化模型及其应用

基于颗粒间的有限接触假设,提出了可表述颗粒间力、力矩传递的连接键模型. 为了表征连接键的塑性、损伤及断裂过程,在连接键中引入了考虑应变软化效应的Mohr-Coulomb 准则及最大拉应力准则. 单一连接键的单向拉伸测试及直剪测试表明了上述连接键应变软化模型的计算精度. 研究了颗粒体系的宏观应变能与颗粒平均配位数的对应关系. 通过计算发现,对于二维颗粒体系,当平均配位数为5 时,颗粒体系的宏观应变能与相同参数下连续介质方法(如有限元等) 计算获得的应变能基本一致. 利用上述连接键应变软化模型对岩石的单轴压缩过程进行了模拟,计算结果表明:岩石单轴压缩的应力应变曲线经历了线性上升段、非线性上升段、非线性下降段及缓变段等4 个阶段,并给出了上述4 个阶段与岩石内部损伤破裂状态的内在联系. 计算结果还表明,随着断裂应变的增大,岩石的破裂模式逐渐由拉剪复合型破裂向单一压剪型破裂转化;随着断裂应变的增大,峰值应力及达到峰值应力时的应变均逐渐增大,但峰值时的破裂度及终态时的破裂度将逐渐减小.      

基于剪切梁的地垒断层型矿震解析分析

为得到地垒组合型断层失稳诱发矿震的方式及断层影响区顶板平衡结构的解析解,将顶板简化为剪切梁模型进行分析.基于弹性剪切梁确定了顶板最大等效剪力位置和顶板初次垮落步距的计算公式.顶板等效剪力随着采空区跨度的增加而增加,达到顶板极限值时发生初次来压,顶板断裂位置出现在煤层内部.用弹塑性剪切梁模型分析存在地垒断层的采场顶板初次来压和周期来压,当最大等效剪力达到断层剪切极限时,断层错动,释放能量,发生矿震.     

水平应力对顶板跨落角的影响及应用

为得到水平应力对顶板垮落角的影响,进而确定高位抽采钻孔布孔参数,采用理论分析及相似材料模拟实验的方法进行了研究。首先依据基本顶断裂位置围岩结构力学模型,将顶板岩层假设为梁结构,得到单一岩梁在不同水平应力作用下的断裂线位置变化规律。然后将各岩梁的断裂线位置叠加组合,得到水平应力对垮落角发育的影响。为验证理论分析结果,以水平应力值为影响因素设计了三组不同水平应力值条件下的双向加载相似材料模拟实验,得到了不同水平应力值对应的垮落角。研究结果表明:顶板垮落角由各岩梁断裂线位置决定。地基系数较小时,断裂线与地基初始接触位置距离随水平应力的增加表现为先减小后增加,垮落角变化规律同样为先减小后增加,但减小不明显;当地基系数增加时,随水平应力增加,断裂线与地基初始接触位置的距离减小趋势逐渐消除,仅表现为增加趋势,垮落角变化同样表现为增加趋势。现场应用表明,采用双向加载模型得到的垮落角对钻孔布置参数进行优化,优化后钻场抽采浓度及高浓度抽采时间均得到提高。     

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.     

松软煤层综放面顶底板采动应力分布规律研究

以某矿综放采场为背景,通过现场实测、相似材料模拟等手段,研究了松软煤层综放开采中液压支架受力状态、两巷单体支柱受力特征和顶底板的采动应力分布规律,结果表明液压支架在工作面不同位置受力状态不同,处于中部位置的支架受力最大,同一支架前立柱受力大于后立柱;风巷围岩应力大于机巷围岩应力,两巷的超前采动应力峰值位置在工作面前3～11m;顶板岩层同一层位中采动应力分布随工作面的距离不同而不同;不同层位应力分布也不同,离煤层越近的岩层中应力集中系数越大;底板岩层在工作面前方6m左右处应力达到最大,在工作面处应力为零。该研究结果有效地指导了该矿井同一煤层综放面巷道布置、两巷支护及工作面顶板管理。     

基于单元密度进化步长控制的双向渐进结构优化方法

在渐进结构优化方法中,单元密度的进化步长是获得全局最优解的关键因素之一。为了提高渐进结构优化方法的全局寻优能力,提出一种基于单元密度进化步长控制的双向渐进结构优化方法。该方法根据各单元对结构性能影响的权重系数,建立单元密度进化步长的控制模型以控制主/次要单元的删除速率和添加速率,减小灵敏度误差并抑制灰度单元的产生。在控制单元密度进化步长的基础上结合双向渐进结构优化方法中添加单元的特点,以避免由于误删单元导致优化失败。同时,采用灵敏度再分配技术抑制棋盘格式以获得更平滑的优化构形。最后,通过两个算例验证了本文方法能有效地通过控制单元密度进化步长提高全局寻优能力。     

本征正交分解技术在屋盖风压场重建与预测中的应用

给出利用本征正交分解(POD)对屋盖风压场进行重建和预测的研究结果.对一个双坡屋盖用同步多点压力扫描系统进行了风洞试验,根据POD技术采用前若干阶本征模态重建屋盖风压场.采用两种方案预测未布置测压点位置的风压时间序列.第一种方案中利用插值技术获得没有测压点位置的本征模态值.第二种方案对参考屋盖和需预测的新屋盖分别进行试验,结合由参考屋盖试验萃取的本征模态和由新屋盖试验的风压数据计算的主坐标,预测出新屋盖未知区域的风压时间序列.文中对风压场重建和预测的效果作了分析,而且比较了根据测量的风压数据和预测的风压数据所计算的屋盖风致响应.     

模态加速度法在屋盖结构风致响应分析中的应用

对大跨屋盖结构应用模态加速度法新的表达式改进风致响应计算。推导了结构风致响应分析的模态加速度方法。对一平顶屋盖刚体模型进行了风洞试验，考虑到随机风荷载的空间相关性，试验中利用同步测量的脉动风压和结构模态获得随时间变化的广义力。对屋盖均方根响应进行了讨论，说明了本文所提方法的有效性。     

综放采场来压阶段支架载荷的计算

基于综放采场支架围岩关系,建立了综放采场来压阶段支架载荷计算模型,引入三铰拱平衡原理推导出来压阶段支架冲击载荷的计算公式.以山东某矿1306综放工作面为例,应用上述模型和公式,得到来压阶段支架冲击载荷为7.19MN,支架载荷为13.3MN,与实测结果13.11MN基本一致,验证了计算模型的有效性,从而为综放采场来压阶段支架载荷计算和支架选型提供了理论依据.     

多抛物面组合扁壳的几何非线性分析

本文首先借助斜坐标系和阶跃函数，建立了多抛物面组合扁壳结构的微分方程，然后用扁壳非线性理论和辽金法，导出了这种壳面结构非线性分析的计算公式。     

后台阶流动再附着过程的大涡模拟研究

应用自主开发的大涡模拟程序数值模拟研究了后台阶流动中再附着过程的演变。在流动几何参数不变情况下，给出了再附长度随雷诺数的变化规律，并与实验进行了比较，二者相符得比较好。在此基础上，给出了三种典型雷诺数下，后台阶流动的回流区特征。在湍流情况下，研究了突扩比对再附长度的影响，与实验结果吻合的比较好。详细讨论了湍流情况下大涡拟序结构的瞬时再附着过程。 这些研究结果对具有再附着现象的流动结构的工程应用具有指导意义。