煤(岩)体埋深及倾角对压应力型冲击地压的影响研究

为了研究不同埋深和煤岩倾角对煤岩体开采引起的压应力型冲击地压过程,利用颗粒流方法进行冲击地压模拟。煤岩体与顶板倾角工况设置为7种,分别为0°,5°,10°,15°,20°,30°和40°;煤岩层埋深深度设置为8种,分别为-120m～-820m,间隔100m。在上述56种工况下进行压应力型冲击地压过程模拟,计算至平衡时统计飞石颗粒数量和变形颗粒数量,研究这两个数量与埋深和倾角之间的关系。结果表明,飞石数量和变形颗粒数量与埋深均为幂函数关系,前者随倾角增加幂次数增加且均大于1,后者随倾角增加幂次数增加但均小于1;在深度不变时两者数量增长与倾角为线性关系,且随着深度增加,斜率和截距均增加。     

复杂结构高层建筑火灾坍塌过程研究

为了探究具有多核心筒和中空结构的复杂高层建筑受火灾后的坍塌特征,采用颗粒流方法对建筑进行建模并实施火灾模拟。建筑为中空-四核心筒-框架结构,根据其特点设置了单侧火场和双侧火场两种方案,模拟温度为1000℃,1200℃,1400℃和1600℃。模拟上述情况下该建筑的坍塌过程,分析其坍塌特点和时间。总结坍塌现象发现,该类建筑在一侧受火灾作用坍塌情况下,较结构简单的高层建筑更易出现坐塌破坏,有利于坍塌范围控制;主要坐塌位置为两处,31m高变阶位置和火区上部;前期坍塌是由于火灾,后期是由于底部结构破坏而失稳坐塌;双侧火区与单侧相比,坍塌明显较快,因火灾坍塌的阶段时间较短,后期失稳坐塌时间较长。     

基于一阶及二阶灰度梯度的散斑图质量评价方法

散斑图质量对数字图像相关(DIC)方法的测量精度具有重要的影响。以平均灰度梯度这一传统的散斑图质量评价参数作为基础,提出了一种新的评价参数——平均一阶及二阶灰度梯度商,该参数同时考虑了一阶和二阶灰度梯度。从整体上来说,一阶灰度梯度的曲面比较光滑,而一阶及二阶灰度梯度商的曲面比较粗糙。采用Zhou等人提出的方法制作了80张模拟散斑图,对这些模拟散斑图的传统参数和提出参数进行了计算。结果表明:当散斑半径相同时,随着散斑数量的增加,两种参数均先增加,后减小;当散斑数量一定时,二者均有一个峰值;散斑半径越大,提出参数的峰值越大,而传统参数的峰值越小。对提出参数的峰值所对应的4张散斑图进行了多次连续平动,并使用DIC方法测量了测点的水平位移。结果表明,在提出参数越大的散斑图上测点的水平位移误差越小,在一定程度上验证了提出参数的正确性。     

淋溶作用下煤矸石产酸/产碱动力学的实验研究

为研究煤矸石在淋溶作用下产酸/产碱过程的化学动力学参数,以辽宁阜新矿区新鲜煤矸石为研究对象,采用改进的静态淋溶实验方法,对三种不同矿物组分煤矸石在淋溶过程中的产酸/产碱速率进行了实验研究。结果表明:淋溶作用下煤矸石的产酸/产碱过程可分为快速和慢速两个时期。快速期内产酸/产碱速率分别受硫铁矿及方解石矿物含量的影响;慢速期内的产酸/产碱速率分别受其他硫化物和硅酸盐矿物含量的影响。经计算,实验所用三种煤矸石的快速产酸速率分别为5.184、3.504、4.465mmol.kg-1.day-1;慢速产酸速率分别为0.256、0.844、0.395mmol.kg-1.day-1;快速产碱速率分别为8.64、6.16、6.72mmol.kg-1.day-1;慢速产碱速率分别为0.109、0.320、0.429mmol.kg-1.day-1。煤矸石淋溶液酸碱性演化过程可根据影响表观pH值的矿物成分划分为方解石碱性期、硫化物产酸期、硅酸盐滞后产酸期和硅酸盐产碱期四个阶段,但受不同煤矸石所含矿物组分的差异的影响,上述四个时期的持续时间各异。     

基于数字散斑相关方法测定Ⅰ型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字散斑相关方法测定金属材料Ⅰ型裂纹尖端位置和应力强度因子的实验方法.实验采用疲劳试验机对含Ⅰ型缺口的Cr12MoV钢试件预制裂纹,通过数字散斑相关方法测试试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场.将位移场数据代入裂尖位移场方程组,采用牛顿-拉普森方法求解含未知参量的裂尖非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子.实验结果表明,采用该方法可以准确地测定金属材料Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确计算Ⅰ型裂纹裂尖断裂参数的难题,揭示了金属材料裂纹扩展过程中应力强度因子演化特征.     

初应力条件下超临界CO2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程：应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律。通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理：位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著。裂隙的扩展速度与扩展距离呈“S型”曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小。     

超临界CO_2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈"S型"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

超临界CO_2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究

在宏观超临界CO_2增透实验基础上进行微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,自编Matlab程序,计算孔隙率,得到煤各微区孔隙率和渗透率矩阵,绘制孔隙率和渗透率等值线图。结果表明:增透实验前后煤微观结构差别显著,经超临界CO_2作用后,煤微观孔隙充分发育,孔隙的数量、尺寸明显增加,孔隙率是增透前的9.11倍;随着孔隙压力的增大,煤中粒间孔隙数量增多,孔隙之间的连通性增加,孔隙率呈指数增大的趋势,煤体各微区孔隙率等值线密集程度增加;煤体的渗透率随着孔隙率的增加呈正指数递增的趋势,且随着孔隙压力的增加,渗透率呈指数递增的变化规律,渗透率等值线的密集程度增加,宏微观实验结果是一致的,随着注入超临界CO_2孔隙压力的增加,煤微观孔隙结构的发育程度提高,为煤层气的运移提供更多的通道,有效提高了煤体的渗透性。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

软弱破碎油页岩蠕变特性相似材料实验研究

为研究软弱破碎油页岩巷道蠕变变形特性及变化规律,根据地质力学模型试验相似原理及油页岩岩石物理力学参数,确定以硅胶粉和河砂为骨料,以正十四烷、石膏为胶结剂,通过相似材料配比及相似材料试件基本力学参数、蠕变参数测试,得到骨胶比为1∶0.4、骨料比为5∶5的相似材料,与岩石蠕变力学特性具有一致性,基本满足软弱破碎油页岩蠕变相似模型要求的材料配比。上述结果为开展油页岩地下开采巷道运营期的变形、破坏相似材料模型试验打下了坚实的基础。