- 吴顺川;张侦锐;韩龙强;程海勇;李武;傅鑫;
为研究结构面倾角对深埋隧洞岩爆破坏机制的影响,选取云南某深部矿山的深部矿井灰岩,预制成含圆孔的立方体试件(100 mm×100 mm×100 mm,圆孔?=50 mm)模拟地下隧洞结构,利用预制裂隙模拟结构面,使用高速摄像系统监测不同试件的岩爆孕育演化过程;利用PFC软件模拟了不同试样的压缩试验,分析了含不同倾角结构面隧洞的破坏模式和应力–应变特征。研究结果表明:结构面使围岩内部应力和能量的传播路径发生了改变,其附近岩体应力集中,使岩爆提前发生;结构面显著增强了岩爆烈度,灰岩中的围岩破坏形式主要表现为剧烈的剪切弹射。随结构面倾角的改变,围岩破坏程度发生变化;当结构面倾角为0°和180°时,围岩破坏程度较弱;当结构面倾角为90°时,隧洞围岩破坏最为严重;结构面倾角对圆形隧洞应力特征影响显著,根据试验数据构建了结构面倾角与圆形隧洞应力特征(σ_(αmax)/σ_c)间的理论关系式。研究结果可为地下岩体工程灾害防治与岩爆预测等提供参考。
2025年01期 v.7;No.28 10-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 1777K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 赵光明;秦志宏;孟祥瑞;
针对深部矿井开采过程中岩体自稳能力差、动力灾害频发等问题,采用自主研发的ZST-1500微机控制电液伺服煤岩动静组合自适应耦合试验系统,开展了不同幅值与频率的砂岩单轴动载扰动试验,分析了动载作用下砂岩动态力学响应规律与破坏特征。研究结果表明:(1)随动载幅值增加,砂岩滞回环由“疏-密”向“疏-密-疏”变化,依据动载循环期间试样塑性变形量,将动载周期划分为对数上升阶段Ⅰ、匀速损伤阶段Ⅱ和指数加速阶段Ⅲ。(2)动载对试样强度的弱化作用存在阈值,当动载水平为70%σ_c时,诱发砂岩发生破坏的幅值阈值在17.5%～22.5%σ_c范围内,低于阈值的动载作用不会造成砂岩失稳,越过阈值后砂岩强度、破坏前动载持续时间与动载幅值及频率均成负相关。(3)动载幅值与频率对砂岩弱化作用机制存在差异,动载幅值、频率均与动载单次循环平均塑性变形■成正相关,但■对动载幅值更为敏感,在阶段Ⅰ、Ⅱ内随幅值增大呈指数型增长。动载幅值主要通过提升塑性变形量来实现对砂岩的弱化作用;而动载频率提升降低了动载循环间隔,在砂岩内部形成小增量、短时、连续的损伤,从而实现对砂岩的弱化作用。(4)砂岩AE信号累计能量与振铃计数率随动载幅值的增大呈指数型变化,也随动载频率的增加同步增长。随着动载幅值增加,砂岩微观裂隙起裂、扩展程度递增,剪切裂纹占比增大;随着动载频率增大,砂岩拉伸裂纹占比增大。
2025年01期 v.7;No.28 22-37页 [查看摘要][在线阅读][下载 6345K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 潘俊锋;马宏源;邹磊;马文涛;吕大钊;闫耀东;
为了探索煤层巷帮大直径预卸压钻孔在工作面超前支承压力等增量静载加载条件下的防冲卸压效应,采用理论分析、室内试验以及数值模拟等方法,对采动增量静载加载条件下煤层卸压钻孔响应规律及其极限性进行了研究。理论分析结果表明,静载加载下,大直径钻孔二次调整,破裂区和塑性区发生扩展变化,降低了增量静载的集中程度,但随着加载程度的升高,破裂区煤体逐渐塌落,碎胀后充满整个钻孔,自由变形补偿空间减小,并约束塑性区的扩展,卸压能力逐渐减弱。室内试验结果表明,钻孔煤样峰值强度与加载速度具有明显的正相关性;输入的弹性能和加载速度成正相关;耗散能与加载速度成负相关。数值模拟结果表明,随着静载加载速度及应力集中程度的增加,钻孔卸压区范围和卸压幅度逐渐减小,钻孔围岩塑性区体积逐渐减小,卸压区内的峰值弹性能逐渐升高,钻孔耗散弹性能的能力降低;引入卸压幅度、应力增幅以及弹性能储能率3个指标,分析了大直径钻孔的响应卸荷极限性。研究结果可为类似条件下的钻孔卸压方案设计提供参考。
2025年01期 v.7;No.28 38-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 2678K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 刘建锋;赵呈星;代航宇;魏进兵;杨建雄;
为揭示四川盆地页岩气开采区地震事件频发诱因,采用MTS815岩石力学系统设计和开展了流体注入诱发龙马溪页岩断层失稳活化试验,分析了页岩断层失稳活化的过程与特征,探讨了不同临界应力状态下页岩断层对流体注入的敏感性及法向应力、注水速率的影响,揭示了断层失稳活化前后的渗透率演变规律,讨论了流体注入激活断层机制及超压现象的触发成因。研究结果表明:临界应力状态、法向应力和注水速率变化会对断层的失稳活化产生影响。剪切应力越接近抗剪强度,断层对流体注入的敏感性越强,较低的流体压力即可诱发断层失稳活化;增大法向应力会降低断层对流体注入的敏感性,提高注水速率会增强其敏感性,两者的上升均会导致断层失稳活化更加剧烈。此外,断层失稳活化后的渗透率显著增加,这与瞬时剪切膨胀效应引起的有效水力孔径增大有关。流体超压现象主要源于断层面上流体压力的异质性分布,当沿断层长度方向已形成完整水力通道时,应优先考虑断层宽度方向上流体压力的异质性分布对流体超压现象的触发机制。本研究有助于揭示页岩气开采中流体注入诱发断层失稳活化机制,并为降低地震风险的工程措施设计提供理论参考和科学依据。
2025年01期 v.7;No.28 53-66页 [查看摘要][在线阅读][下载 1903K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 姜鹏飞;张炜;陈志良;王子越;罗超;郭吉昌;刘畅;孙洋;
岩石单轴抗压强度是评估岩石力学性质的重要参数,实时、准确地获取锚杆钻进过程中的岩石单轴抗压强度对于指导巷道顶板支护设计、锚固作业具有重要意义。基于钻锚一体化锚杆和钻臂搭建了钻锚一体化锚杆随钻感知试验系统,试验系统可实时监测液压系统的液压缸、液压马达及钻箱位移等参数。通过对各参数特性、单一参数及组合参数随岩石强度变化的关系进行分析,获得钻进单位体积岩石时液压缸、液压马达及系统所做总功与岩石强度的关系,并对比了各参数的优劣性。研究结果表明:液压系统单一参数及组合参数与岩石单轴抗压强度有一定的相关性,部分参数相关性系数较高,液压缸进油端、回油端拟合函数相关性系数分别为0.840 8和0.849 7;钻箱钻进速度随试样单轴抗压强度变化的拟合函数相关性系数最高,为0.953 3;其次是液压马达做功、系统总功以及液压缸做功,分别为0.921 5、0.895 0和0.855 2。液压缸回油端压力拟合函数效果最好,误差率为14.33%,小于15%;其次是钻箱钻进速度,误差率为16.12%,小于20%;钻进系统所做总功、液压马达做功、液压缸做功误差率分别为20.73%、21.79%和23.78%,均小于25%,预测效果较好。液压马达做功系统做功占主要部分,平均占比99.22%,随着岩石强度的增加,液压马达做功占系统总功逐渐下降。总体来看,液压缸进油端压力、回油端压力、钻箱钻进速度、液压马达做功、系统总功及液压缸做功随试样单轴抗压强度变化的拟合函数相关性系数较高。研究结果为钻锚一体化快速掘进、巷道围岩稳定性评估、锚杆支护方案优化等提供了依据。
2025年01期 v.7;No.28 67-85页 [查看摘要][在线阅读][下载 2267K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 张世瑞;江权;邱士利;周小平;寇永渊;刘建坡;
金川二矿深部碎裂岩体具有“岩块强度高,岩体强度低”的显著特点,巷道围岩具有显著的大变形特征,导致喷锚网或衬砌等支护结构破坏频繁,严重威胁采矿生产安全。以该矿深部巷道现场工程为背景,首先,通过现场调查和实测确定该矿深部巷道围岩具有典型层状、碎裂状和复合结构特征,冒落和底臌为典型的破坏形式;其次,结合室内试验和现场监测数据,基于连续-非连续数值模拟分析方法 (FDEM)提出一种可破Voronoi块体模型和离散裂隙网络模型模拟巷道开挖过程,捕获围岩损伤破裂特征;最后,结合实体单元和锚杆单元模拟支护结构响应,探讨深部碎裂岩体变形破坏机制和支护效应。研究结果表明,结构面间距和倾角显著影响应力释放区的位置和压力拱的形成,导致围岩变形各向异性和破裂非均匀性;锚杆、混凝土喷层+锚杆及U型钢拱架+锚杆3种支护结构对于限制围岩变形具有显著差异性,加入锚杆和衬砌能有效抑制冒落区,限制顶拱位移,但不能有效抑制底板隆起;超前注浆、加长锚杆和钢拱架是控制深部碎裂岩体巷道大变形的重要措施。研究结果可为深部碎裂岩体巷道变形控制与支护设计提供理论参考。
2025年01期 v.7;No.28 86-97页 [查看摘要][在线阅读][下载 2807K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 栾恒杰;杨玉晴;刘建康;蒋宇静;刘建荣;马德良;张孙豪;
为了提高煤岩识别的精准度,采集了内蒙古上海庙矿业有限责任公司榆树井煤矿掘进工作面煤岩原始图像并制作了深度学习数据集,通过FCN全卷积神经网络(FCN网络)、Unet语义分割网络(U-net网络)与加入Canny边缘检测算法改进后的U-net网络等3种网络模型对数据集进行训练,并对训练结果进行对比分析。分析结果表明:在训练次数达到100次时,3种网络模型准确率分别为89.25%, 93.52%及94.55%,改进U-net网络模型准确率相较改进前提高1.03%;在煤岩识别方面, U-net网络模型比FCN网络模型取得了更高的准确率,在测试环节中也表现出了更好的性能;在预测环节中,对煤岩边缘部分的识别做到了更为精准的处理。该方法可为煤岩识别的精准度的提高提供参考。
2025年01期 v.7;No.28 98-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 2416K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 柏耀宗;李波波;任崇鸿;李建华;叶平平;王恒宇;
由于煤岩含有多种层理构造,在宏观上具有典型的横观各向同性特征,对煤岩的损伤破坏及能量演化等具有显著影响。基于能量耗散理论,推导不同层理倾角煤岩变形破坏过程的弹塑性应变、损伤变量及各能量表达式,并建立考虑不同层理倾角的能量耗散-损伤本构模型,定量表征了层理倾角与损伤变量、各峰值能量之间的对应关系,探究了荷载作用下层理倾角对煤岩力学和能量响应特征的影响。研究结果表明:(1)不同层理倾角煤岩的能量转换均呈现阶段性演化,分别对应不同破坏阶段;在恒轴压卸围压及不同围压三轴压缩条件下,随层理倾角的增大,峰值弹性能及耗散能均表现出先减小后增大的“U”形趋势,与煤岩峰值强度随层理倾角的变化基本对应,两种条件下层理倾角分别为60°～90°、45°～90°时变化最为敏感,表现为能量角度的各向异性。(2)根据不同层理倾角煤岩能量耗散过程,进一步构建了考虑层理倾角的能量耗散-损伤本构模型,并引用公开发表的试验数据进行验证和分析,结果显示,该模型能够较好地描述不同层理倾角煤岩在常规三轴压缩、恒轴压卸围压等荷载条件下的煤岩变形破坏特征,表明所构建的模型具有较好的适用性。(3)不同层理倾角煤岩耗散能Ud与损伤变量D的演化具有较好的一致性。随轴向应变的增大,二者均经历了由缓到急再趋于平缓的过程,总体呈“S”形变化趋势;随层理倾角的增加,损伤变量D与耗散能Ud均呈现出先减小后增加的“U”形趋势,当层理倾角为90°时,煤岩峰值耗散能Ud与损伤变量D均达最大值,煤岩极易发生破坏。研究结果可为探寻矿压显现规律、煤巷帮部失稳诱发机理和防治冲击地压等矿井灾害提供参考。
2025年01期 v.7;No.28 113-129页 [查看摘要][在线阅读][下载 1772K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 刘学伟;雷俊强;刘滨;姚文杰;白纪成;刘泉声;
工程中广泛存在的复合层状围岩的软弱层几何特征(倾角和厚度)对岩体稳定性的影响至关重要。为研究软弱层厚度及倾角对复合层状岩体的力学行为影响,首先,开展了含不同软弱层倾角(0°、30°、45°、60°)和厚度(1、2、3、4 cm)的复合层状岩体试样的单轴压缩试验,试验结果表明,随着软弱层倾角增加,试样的峰值强度和弹性应变能密度逐渐下降,但下降幅度随厚度的增加而降低,同时试样破坏模式由非层理面内张拉或整体破坏转为层理内滑移破坏;随着软弱层厚度的增加,试样的峰值强度逐渐减小,试样的破坏模式由沿层理面滑移转为层理面滑移与轴向劈裂的组合破坏模式。其次,通过最大信息系数分析表明,软弱层的厚度和倾角分别为试样力学特性与能量特性的主控制因素。最后,基于能量理论分析并结合峰前弹性应变能比和耗散能比,发现软弱层的不同倾角和厚度导致能量释放模式不同,进而影响试样的破坏模式和强度特征。研究结果揭示了软弱层对复合层状围岩的重要影响规律,对类似岩体的稳定性分析具有实际的参考价值。
2025年01期 v.7;No.28 130-144页 [查看摘要][在线阅读][下载 2447K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 徐心语;胡斌;董承旺;张红军;李海英;
为探究边坡失稳的内在致灾机理,针对软弱夹层这一重要影响因素进行研究。以炭质泥页岩软弱夹层为主要研究对象,进行炭质泥页岩的分级剪切蠕变试验,揭示其蠕变规律,确定了其不同法向应力水平下的长期强度。通过对传统Maxwell体进行改进,将传统黏性元件替换为分数阶元件,引入考虑时效损伤的黏塑性体,建立考虑时效损伤的炭质泥页岩分数阶蠕变模型;基于1stOpt软件中的优化Levenberg-Marquardt法对炭质泥页岩试验蠕变曲线进行拟合,对模型的准确性进行了验证,并对模型进行参数敏感性分析。研究结果表明:与传统西原模型相比,改进的模型对试验数据有更好的拟合度,能够完整表征炭质泥页岩的减速、等速和加速蠕变阶段,尤其与加速蠕变阶段蠕变曲线的表征高度吻合;蠕变曲线变化由参数γ、A、v控制,材料参数A、v反映了炭质泥页岩的物理力学强度。研究结果可为含炭质泥页岩软弱夹层的边坡稳定性分析提供一定的参考。
2025年01期 v.7;No.28 145-156页 [查看摘要][在线阅读][下载 1841K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 刘之喜;赵光明;孟祥瑞;顾清恒;秦志宏;
为了探究岩石单轴蠕变的应变能密度演化规律及其损伤本构模型,利用单轴蠕变-卸载试验,系统性地研究了煤、泥岩、白砂岩和红砂岩4种岩石的蠕变应变能密度演化规律。着重探讨了岩石在蠕变过程中应变能密度的转化与耗散机制,建立了不同脆性程度岩石的损伤蠕变本构模型。研究结果表明:(1) 4种岩石的弹性应变能密度随蠕变时间的延长而呈线性减少的趋势,即存在线性衰减特征;(2)结合单轴蠕变-卸载试验结果,提出了一种基于弹性应变能密度线性衰减特征的岩石蠕变应变能计算方法;(3) 4种不同脆性程度的岩石蠕变产生的耗散应变能密度与输入应变能密度随着时间增加而增长,其增长可分为衰减增长阶段、匀速增长阶段以及加速增长阶段;(4)在蠕变过程中,随着蠕变时间的增加,岩石耗散应变能密度占输入应变能密度逐渐增大,在加速蠕变与峰后的临界点达到最大,脆性程度越高加速蠕变与峰后临界点耗散应变能密度占输入应变能密度比例越大;(5)构建了基于应变能耗散的黏弹塑性-损伤耦合本构模型,该模型能够有效描述不同脆性岩石在蠕变过程中的变形曲线。
2025年01期 v.7;No.28 157-170页 [查看摘要][在线阅读][下载 1873K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 张敏哲;王贻明;吴爱祥;王剑;王志凯;刘树龙;
为解决矿山充填采场接顶率偏低和接顶效果较差的问题,采用响应面法,研究了在充填料浆中掺加塑性膨胀剂时,料浆质量分数、胶固粉掺量和塑性膨胀剂掺量对全尾砂胶结充填体体积变化率的影响规律;并利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM),分析了塑性膨胀剂对充填体的作用机理;通过现场工业试验,验证了掺塑性膨胀剂充填体的膨胀接顶效果。研究结果表明:塑性膨胀剂掺量对充填体体积变化率的影响程度最大,料浆质量分数次之,胶固粉掺量最小;不掺塑性膨胀剂的充填体在所有龄期均是沉缩的;塑性膨胀剂掺量存在一个临界值,使充填体由沉缩特性转变为膨胀特性;塑性膨胀剂可使充填体在塑性阶段产生膨胀,补偿充填体早期沉缩;膨胀变形主要发生在养护龄期3 d以内, 3 d以后趋于稳定;掺加塑性膨胀剂未改变充填体水化产物种类,但能使充填体内部生成大量的膨胀性矿物钙矾石,导致内部结构疏松而引起膨胀;现场实测值与试验实测值较吻合,不掺塑性膨胀剂的充填体体积变化率为–3.45%,塑性膨胀剂掺量为6×10~(–4)的充填体体积变化率为3.04%。研究成果可为矿山充填接顶技术及应用提供参考。
2025年01期 v.7;No.28 171-182页 [查看摘要][在线阅读][下载 1654K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ]
- 马文涛;潘俊锋;马小辉;吕大钊;王冰;
针对深部高应力巷道冲击显现往往以底板为突破口失稳破坏的问题,以陕西彬长矿区孟村煤矿401102工作面75.00 m宽煤柱为工程背景,分析了临空宽煤柱冲击致灾机制。利用数值模拟技术分析了巷道底板破坏模式,建立了巷道围岩力源–承载全结构模型,进一步研究了底板冲击显现机制,采用震波CT技术原位探测了401102工作面冲击危险指数分布情况,最后提出了高应力巷道分步、分源多层次全结构防治方法,并进行了工程实践。研究结果表明,(1)临空宽煤柱冲击致灾机制为:宽煤柱留设提供载荷承载位置,自重应力提供基础静载荷,工作面后方及侧向悬顶提供增量静载荷,其突然破断提供增量动载荷,多因素条件导致宽煤柱承载应力超过冲击临界值后,进而发生冲击地压。(2)巷道底板是煤岩系统动静载荷的主要承载区域,也是冲击破坏的主要显现区域,其呈现渐进式破坏模式,表现为非对称破坏。(3)静载荷是冲击地压发生的必要条件,利用震波CT原位探测技术得到401102工作面存在静载集中区,整体具有中等冲击危险。(4)为防止冲击启动,提出了“降低开采扰动–补偿开采扰动–强化巷道支护”的多层次、全结构的防冲技术,并进行合理的防冲开采规划,研究结果对冲击地压防治具有一定的借鉴意义。
2025年01期 v.7;No.28 183-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 1627K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ] - 马镕山;徐刚;任建超;张震;刘前进;蔺星宇;
针对超大采高工作面易发生煤壁片帮的问题,以曹家滩煤矿122104超大采高工作面为背景,综合运用现场监测、数值模拟和理论分析等方法,研究了不同顶板压力条件下超大采高工作面煤壁塑性区、应力及位移分布特征,建立了煤壁片帮力学模型,确定了煤壁挠度最大点位置,揭示了顶板压力变化对煤壁稳定性作用机理。研究结果表明:煤壁破坏以拉裂为主,且多发生在中部或中上部区域,其形态通常呈现为半月状内凹或台阶状,煤壁平均片帮深度为0.41 m,最大片帮深度平均为1.53 m,片帮层位主要出现在底板上方4.4～8.0 m高度范围内,煤壁片帮程度与顶板压力成直接相关性,周期来压期间片帮加剧。初次来压后形成悬臂梁及组合悬臂梁结构,随着工作面的推进,顶板垮落和煤壁破坏加重,超前支承压力峰值及应力集中系数显著上升,工作面煤壁片帮与矿压显现成正相关关系。数值模拟结果显示,随着开采深度的增加,顶板压力增大,煤壁稳定性降低。不同埋深下的煤壁压力对煤壁挠度表现出非对称特性,煤壁挠度随埋深的增加而增大,煤壁最大挠度位置随埋深的增加而沿煤壁逐步上移,最大变形区域在0.59～0.94倍采高处。
2025年01期 v.7;No.28 195-209页 [查看摘要][在线阅读][下载 3535K] [官网下载次数：0 ] |[摘要阅读次数：0 ]