相似材料模拟试验定量化研究

以关键层理论、传递岩梁理论以及采场上覆岩层及地表移动规律理论为基础,推导出岩梁抗弯刚度的误差补偿公式.通过分析模拟试验过程中的主要误差来源及其可控性,建立了相似材料模拟试验的误差补偿理论.计算结果表明:应用误差补偿理论,可以减少实验误差,有利于相似材料模拟实验定量化.     

潞安矿区综放与分层开采岩层移动的相似材料模拟试验研究

本文根据相似理论,对潞安矿区综放与分层开采岩层与地表移动规律进行了相似材料模拟试验研究,获得了岩层与地表移动参数,对指导潞安矿区减小采动损害及保护煤柱留设具有实际应用价值。     

正常固结饱和黏性土三剪有限变形弹塑性本构模型研究

基于三剪统一强度准则,利用等量代换法和坐标平移法分别推导出正常固结饱和黏性土的三剪破坏应力比,并将其与修正剑桥模型相结合,得到三剪统一屈服面方程。为反映饱和黏性土的变形非线性及大变形特性,基于有限变形理论,建立了正常固结饱和黏性土的三剪统一有限变形等量代换法和坐标平移法2种弹塑性本构模型。为验证模型的适用性,取江西红黏土制备三种不同压实度的试样,在不同围压下进行常规三轴固结不排水和固结排水压缩试验。将试验数据与本文所提2种有限变形模型及相应的2种小变形模型计算结果进行了对比分析,结果表明,随着变形的发展,有限变形模型相对于小变形模型更接近试验结果,能较好地反映黏性土因高孔隙率（低初始压实度、小围压及压缩变形前期）而产生的大变形特性,虽然小变形模型的计算偏差会随着土样初始压实度和所施加围压的增大而减小,但有限变形模型对不同压实度和围压的计算偏差均相对较小,其中,等量代换法有限变形模型在初始压实度较大或者围压较高时所得计算偏差相对最小。对所提本构模型所做真三轴分析表明,中间主应力影响系数b和初始压实度对土体的强度和变形特性具有一定的影响。主应力差、孔隙水压力和体应变与b值呈正相关性,主应力差与初始压实度呈正相关性,孔隙水压力和体应变与初始压实度呈负相关性。     

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。     

红层与煤系复合结构覆岩采动破坏分析及其应用

许多矿区煤层采动影响范围内的覆岩层由红层和煤层共同构成。本文研究了山东省太平煤矿东区二叠系 3号煤层覆岩破坏和防水煤柱留设的问题 ,在对上覆第四系水文地质条件分析的基础上 ,对红层和煤系复合结构覆岩的工程地质特征和破坏状况进行了分析 ,确定了合理的防水煤岩柱高度 ,并经过开采验证 ,避免了水害发生.     

充填体声发射分形特征及损伤演化试验研究

为探究不同配比胶结充填体声发射分形特征与损伤演化间的耦合关系,量化分析充填体损伤度,本文开展了胶结充填体试样的单轴压缩声发射试验。通过比对剖析声发射信号分形特征,归纳出各配比充填体的破坏形式,并拟合各破坏类型充填体的声发射累计能率曲线,推导其与应变的耦合关系,借助连续损伤力学及数理统计理论建立基于累计声发射能率的损伤本构方程,并对其进行验证。研究表明,充填体的声发射特征与应力-应变力学响应具有密切联系,其损伤破坏都是从整体无序逐渐向局部有序发展的。随着灰砂比不断减小,充填体的破坏模式逐渐从脆性向延性转化发展。通过试验验证,不同破坏类型充填体分别建立的损伤本构方程准确度较高,可实现充填体的损伤量化计算。     

关于《弹性-蠕变体理论的广义变分原理》的几点讨论意见

邬瑞锋先生在《弹性-蠕变体理论的广义变分原理》中给出了四个广义变分原理的泛函: 小位移线性弹性-蠕变体理论广义变分原理: 大位移线性弹性-蠕变体理论广义变分原理: 文章中,作者列出了两个等式: 这等于说,I_1所对应的变分原理与I_2所对应的等价;而I_3所对应的变分原理与I_4所对应的等价,这是一个明显的错误。公式(1)中的两个等式并不是无条件成立的恒等式,而是在一定的条件下成立的,这个条件就是泛函I_1和I_3中的应力和应变函数满足弹性蠕变体的本构方程。     

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。     

采动岩体的流变与控制技术

指出采矿工程中岩体的稳定性研究焦点是破裂岩体的流变与控制技术,这给固体流变学研究带来严峻挑战和发展良机,本文较为全面地 采矿工程中巷道围岩变形,采场覆岩运动,岩层移动与围岩突出中的流变现象,以及与之相应的传统理论与控制技术,并为岩石流变学研究指出了新的发展方向。     

移动简谐荷载列作用下简支梁竖向动力响应的解析解及其应用研究

基于移动简谐荷载列模型,理论推导了简支梁竖向动力响应的解析表达式;利用该解析式编写MATLAB程序,对CRH3动车组作用下的高速铁路32m标准简支梁进行了竖向共振分析,研究了谐振频率、荷载列移动速度、体系阻尼比等因素对共振效应的影响。计算结果表明:阻尼比减振效果随阻尼比的增大而减弱,故结构设计中不宜过度提高阻尼比;在阻尼比为0.02时,谐振频率引起共振的动力放大系数超过20,而过桥速度引起的共振动力放大系数最大仅约为2.5,但考虑到前者对应的荷载幅值仅为后者对应荷载值的0.2,故建议在实际设计中应充分考虑两种情况下的共振效应。最后通过与已有文献结果的对比,验证了该解析推导结果的正确性。本文解析式能够直接迅速地进行参数影响分析,为初步设计提供了参考。     

Monte Carlo Simulation and Well Testing Applied in Evaluating Reservoir Properties in a Deforming Longwall Overburden

During longwall mining, the intact strata start to deform and fracture as the mining face progresses. Gob gas ventholes (GGVs) are drilled from the surface over a longwall panel before mining to capture methane from the fractured zone. Due to fracturing and bedding-plane separations, reservoir properties change extensively. This poses a major problem for venthole designers and methane control engineers and may become a safety and health concern for underground work force due to unexpected methane emissions: it is difficult to predict the location of major strata separations and their temporal magnitudes to best locate the ventholes. Measurements obtained at different times during longwall mining may not be helpful for this purpose as strata deformation is a dynamic process and the results from different tests may not be lumped together to analyze the data collectively. This article uses a combination of Monte Carlo (MC) simulation and well testing methods to analyze multiple data sets obtained from a GGV at different longwall face locations. The aim was to determine the magnitude of average strata separation before conducting well test analyses to determine the properties of a deformed reservoir. MC simulation was used to process cross-correlated and uncertain data distributions obtained from measurements to generate a set of normally distributed values for each data type. These values were further used to project the amount of strata separation to the timing of well test. Finally, well-test analyses were used to interpret test data and to evaluate reservoir properties.     

数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用

利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律,针对试验中传统的位移测量法的不足,引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度,实时用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像,借用数字照相图像分析与结果可视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析,得到了开采过程中上覆岩层变形的位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比,得到两种方法具有较高的一致性,并将测试精度提高到0.6mm/pixel,成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。     

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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.     

火灾升降温模式对高温后钢筋混凝土轴压力学性能影响的试验研究

为研究实际火灾与标准火灾对高温全过程作用后钢筋混凝土力学性能的影响程度,进行了6根大尺寸钢筋混凝土短柱经历不同火灾模式的高温全过程作用后轴压力学性能试验。选择一典型住宅房间,根据欧洲规范得到了模拟火灾温度-时间曲线,利用等效曝火时间方法获得等效标准火灾,考察火灾模式、轴压比对高温全过程作用后钢筋混凝土承载力、刚度和延性的影响规律。试验结果表明:随着轴压比(n0.4)增大,高温后剩余承载力、刚度和延性损伤程度降低;火灾升降温模式影响显著。根据等能量法进行的火灾试验结果和模拟实际火灾试验结果吻合较好,而等面积法过于保守。建议相关规范采用基于能量的等效曝火时间方法进行抗火设计和火灾后剩余力学性能评估。     

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。     

分数阶流变岩体中深埋圆形支护隧道力学分析

为用更少的参数描述不同岩体的实际流变特性,引入分数阶Kelvin粘弹模型并对深埋圆形支护隧道的开挖过程进行力学分析．利用Laplace变换原理、分数阶微积分得到了衬砌支护力和洞口位移的时效解答,并对解答的正确性进行了验证．讨论了不同分数阶阶次下支护力、洞口位移及等效应力随时间变化的规律．分析结果表明,阶次较小的模型,洞口位移在短期内迅速增大,随后缓慢增长,在经历很长时间后仍在持续增长,且等效应力在相同时刻下更接近于0,更容易发生破坏,因此在工程中对阶次较小模型对应的岩体要关注其长时间后的蠕变位移和受力状态．     

大跨度采空影响顺倾构造山体侧向变动的复合机理

采空区地表山体侧向变动,不同于一般天然山坡,也与采空区一般上覆岩层的变形破坏有异;它是二者复合机理的效应。本文在分析考察了毗邻电厂的横山顺倾构造山体,剖析了地下采空情况后认为,山体侧向变动中,软弱夹层有决定性作用;变动范围、速率与规模,与地下采空有关。从而又利用地质力学模型试验和数值模拟,探索了采动引起山体应力场及变动规律。结果表明,山体岩层的变形、位移、破坏,由直接顶板向地表发展;采空坍陷诱发了软弱夹层的蠕滑,则产生山体侧向滑移;电厂区地表隆起变形是山体侧向滑移挤压地基土的反映。通过现场实际调究、变形观测资料分析与数值模拟和模型试验的对比研究,提出了“坍落拱梁”的成生效应、挤压蠕滑效应、失稳效应;揭露了顺倾构造山体在采空影响下,具有地表、地下的“复合临空面”的“复合应力场”中“复合变动”的“复合机理”;并提出这种山体侧向变动机理的典型地质模式,借以论证山体稳定性。     

零泊松比手风琴蜂窝等效模量

柔性蒙皮是变形机翼和风力机叶片的关键组成部分。一维变形的柔性蒙皮不仅要求其支撑结构具有良好的面内变形和面外承载能力,还需要具有零泊松比特性。手风琴蜂窝具有零泊松比特性,可用作一维变形柔性蒙皮支撑。为全面分析其面内外弹性变形特性,综合考虑结构的内力弯矩、轴力和剪力,通过卡氏第二定理对其x向等效弹性模量和x-y面内等效剪切模量进行了推导;利用最小余能原理和最小势能原理确定了x-z面内的等效剪切模量;此外还推导了其y和z向的等效弹性模量以及y-z面内的等效剪切模量;然后通过ANSYS有限元仿真对等效模量理论公式进行了验证;最后将本文理论模型与现有模型进行了比较。结果表明,理论公式和有限元仿真吻合较好,在结构设计时采用较大的斜梁高度系数h和斜梁间距系数g,较小的厚度系数t以及较大的竖直梁厚度系数η,有望获得具有较小面内刚度和较大面外刚度的手风琴蜂窝结构。该结果可用于手风琴蜂窝面内外等效模量的快速预测,为一维变形柔性蒙皮的结构设计提供相应的参考。此外,本文理论模型相比传统模型更为精确且具有更加广泛的应用范围。