基于大数据挖掘的深土井壁极限承载力模糊随机模型

为有效抵御地下结构工程中复杂多变的外荷载,提升深土井筒支护的安全可靠性,运用两淮矿区深厚冲积层井壁为原型,按相似性原理浇筑钢筋混凝土井壁模型,进行了大量钢筋混凝土井壁模型的极限承载力试验,结果发现影响井壁极限承载力的主要因素有混凝土抗压强度、厚径比和配筋率。其中,混凝土抗压强度对井壁承载力影响较为明显,配筋率影响较弱,但各影响因素在深厚冲积层实际工程中又伴随着不同程度的不确定性。针对深厚冲积层井筒施工过程中极限承载力及其影响因素的模糊随机性,以大量井壁试验和两淮矿区的钢筋混凝土井筒工程参数作为大数据样本集,分析结构材料、几何参数和计算模式的不确定分布情况,得到混凝土抗压强度、厚径比和配筋率的模糊随机分布规律。采用最大期望算法(EM)优化传统的大数据HMM挖掘模型,分别经过E步骤计算极大似然估计值和M步骤计算参数期望估计,改进后模型经过两次模糊随机过程,相比原算法具有误差小、效率高和收敛快等优点,更能满足实际地下工程中的不确定特性。基于改进后的大数据挖掘HMM算法,综合大数据环境下的材料性能、几何参数和计算模式的模糊随机分布,建立大数据挖掘井壁极限承载力模糊随机模型,实例证明该模型更加可靠合理,更具有工程实用价值。     

深井煤矿TBM掘进巷道围岩扰动特性监测研究

以张集煤矿TBM掘进采煤工作面高抽巷为研究对象,采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术(BOTDR),监测TBM掘进扰动下围岩的变形、扰动特性。通过在试验巷道前方和侧方施工监测钻孔,安装分布式传感光纤,使传感光纤与围岩变形协调。在TBM掘进过程中,通过监测和分析监测光纤的应变分布特征及其动态变化过程,获得了TBM掘进过程中对围岩的扰动特性。TBM掘进时对掌子面前方的岩石扰动影响范围为5~7 m。在围岩深度4~12 m范围内出现压应变,而在围岩深度12~18 m的范围内出现拉应变,巷道围岩未出现明显的大范围破坏。相较于传统的钻爆法施工,煤矿岩巷TBM法施工掘进效率更高,对围岩扰动更小。     

基于加权双剪强度理论的井壁竖向承载力研究

为掌握煤矿井壁结构竖向极限承载特性,进行了理论与试验研究,并基于加权双剪强度理论,求解了井壁在围压和轴压共同作用下的弹塑性解。以C60、C70强度等级混凝土井壁为例,利用数值模拟结果对得到的井壁竖向极限承载力公式进行修正,并将模型试验值、模拟值、修正后理论值进行对比分析。结果表明:与试验值相比,模拟值和修正后理论值最大偏差分别为3. 15%、5. 13%,修正后的竖向极限承载力公式对井壁模型试验和立井井筒设计具有一定的指导意义。     

变幅循环加卸载下硫酸盐侵蚀混凝土力学与变形性能

变幅循环加卸载下的力学及变形性能对硫酸盐服役地区混凝土结构至关重要。将混凝土试件提前浸泡于10%、15%、20%硫酸钠溶液5、7个月形成化学侵蚀损伤,再开展单轴压缩变幅循环加卸载试验,分析该过程中试件力学性能、变形性能以及耗散能演化规律。结果表明随着硫酸钠浓度和侵蚀时间增加,试件强度降低、破坏时完成的变幅循环次数减少。累积残余应变随着加载应变增大呈上升趋势,变化速率不断提高;加载应变差始终大于累积残余应变差,随着循环次数增加逐步接近;动弹性模量和塑性变形率随着循环次数增加整体呈提高趋势;耗散能随着循环次数增加而增大,尤其是在后期耗散能变化速率增快。     

基于加权双剪强度理论的高强井壁结构理想弹塑性解

为更方便获得高强井壁的极限承载力,基于加权双剪强度理论,考虑不同中间主应力效应,分2种情况分别求解厚壁圆筒的理想弹塑性解:①厚壁圆筒在外压p₀作用下处于全弹性状态,加上轴压P后处于弹塑性状态;②厚壁圆筒仅在外压p₀作用下处于弹塑性状态。得到了基于加权双剪强度理论的厚壁圆筒的弹塑性应力解公式、弹塑性极限承载力公式、塑性区半径表达式,并给出不同中间主应力的适用条件;对情况②中的极限承载力公式进行修正,给出了C70高强混凝土井壁极限承载力修正公式,用修正的极限承载力公式计算的高强井壁极限承载力与试验值相比,误差在±3%左右。修正的极限承载力公式将对井壁结构的优化设计具有重要指导意义。     

冻结井壁高强高性能混凝土配制及应用

深冻结井筒采用高强高性能混凝土井壁,可减小冻结孔布置圈径,减少冻结孔数量,节省冻结孔施工时间和管材费用;同时可减小井壁厚度,减少掘进量,加快掘进速度,取得较好的技术经济效益。对冻结井壁高强高性能混凝土进行了配制试验研究,得到了最优配合比,并成功地应用于巴愣煤矿3个深冻结立井工程,取得了很好的效果。     

考虑岩石流变及应变软化的深部巷道围岩变形理论分析

为深入探究岩石流变作用下巷道围岩变形分区机理及弹塑性理论解,基于巷道围岩在流变作用下所能承受的最大应力值应为岩石的长期强度这一重要特性,结合岩体峰后应变软化及扩容特性,推导出巷道围岩四分区应力、位移及半径解析解,并揭示黏聚力软化模量与内摩擦角及初始黏聚力之间的量化关系.通过算例验证该理论的可行性,并分析流变作用下不同围岩力学性质对巷道围岩各分区范围及变形的影响规律.研究表明:围岩流变特性对初始黏聚力的确定有重要影响,考虑流变影响时选取的初始黏聚力与不考虑流变时相比明显偏小;围岩各分区半径随初始黏聚力、内摩擦角增大而减小,因此考虑流变作用时围岩承载能力将明显降低;内摩擦角对围岩各分区范围的影响随着初始黏聚力增大而不断减弱;流变特性对巷道围岩变形的影响随着内摩擦角减小而不断增强.研究成果可为巷道围岩稳定性控制及支护参数量化设计提供理论借鉴.     

冻结井壁纤维混杂与微膨胀高性能混凝土配制与抗裂试验

为解决深厚表土层冻结井壁混凝土开裂渗漏水难题,提出采用纤维混杂与微膨胀高性能混凝土。以冻结井壁普通混凝土配合比为基础,采用正交试验法,考察了水胶比、膨胀剂掺量、聚乙烯醇纤维掺量及仿钢纤维掺量对纤维混杂与微膨胀高性能混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度的影响,综合平衡确定试验的最佳配合比为水:水泥:NF-F:膨胀剂:聚乙烯醇纤维:聚丙烯仿钢纤维:砂:玄武岩碎石=166.112:410:130:32.8:1.092:5:615.992:1095.096。抗裂试验结果表明,纤维混杂与膨胀剂复合混凝土具有优良的抗裂性能。     

不同损伤源对玄武岩纤维增强混凝土孔隙结构变化特征的影响

为了研究玄武岩纤维增强混凝土在高温和力学两种损伤源下的孔隙结构变化特征，采用核磁共振(NMR)和扫描电镜(SEM)技术，观察试件T₂谱分布、孔径分布、孔洞和裂隙发育情况。结果表明，高温作用后基准混凝土、短玄武岩纤维增强混凝土、长玄武岩纤维增强混凝土均呈微孔数量不断减小、介孔数量不断增加的趋势。通过对比发现，长玄武岩纤维增强混凝土T₂谱主峰孔隙数量最多，孔径分布最大。以长玄武岩纤维增强混凝土为例，研究在高温和力学两种损伤源下玄武岩纤维增强混凝土的孔隙结构变化特征。发现弛豫时间在0.1~10 ms内高温损伤下玄武岩纤维增强混凝土的孔隙数量大于力学损伤下的孔隙数量，且随着温度升高，T₂谱主峰向右偏移，随着荷载增加，T₂谱主峰几乎不发生变化，表明温度升高更能加剧损伤，每级温度作用下新生孔径不断增大。T₂谱主峰幅值和孔径分布随温度升高不断增大，随荷载增加出现先减小后增大的现象，表明高温作用对混凝土直接构成损伤，而力学作用使混凝土先密实再产生损伤，SEM观察得到了相同的结论。