基于克里金插值法的煤体应力场分布规律研究

为解决应力监测系统监测分析煤体应力场时测点数量较少、插值准确度较低等问题,采用克里金插值法对试验工作面应力监测数据进行变异函数模型拟合和交叉验证,研究在测点数量较少的情况下不同变异函数模型的插值效果.结果表明:在煤体应力场中采用球状模型的克里金插值法的准确性高于其他插值方法,其插值残差的优化均值小于0.2 MPa,并得到工作面回风巷和运输巷内煤体应力监测系统的测点间距应分别小于7.95和9.92 m.采用克里金插值法得到的应力云图能够反映试验工作面巷帮煤体应力场分布规律,为巷道超前支护、顶板稳定性控制、围岩稳定性分析、冲击地压预防等提供理论依据.     

煤系岩样单轴压缩表面电位实验研究

实验研究了煤系岩样在单轴压缩条件下表面电位特征,并分析了表面电位的变化规律与产生原因。研究表明:煤系岩样在单轴压缩的破坏过程中有表面电位产生;载荷发生突变时,表面电位也发生突变;总体上,表面电位与载荷变化趋势一致,呈显著相关甚至是高度相关;表面电位的产生主要来源于破坏过程中试样内部的应力集中发射电子、裂纹扩展导致电荷分离等过程所产生的自由电荷在试样表面积聚的结果;试样含有石英等成分所产生的压电效应也对电位的产生有重要作用。可以通过检测表面电位的变化规律来反映煤系岩样的受载破坏情况,为矿山岩体稳定性的监测提供新的思路。     

单轴压缩煤岩裂纹开裂扩展演化特性实验研究

通过对煤岩进行单轴压缩实验,借助声发射和数字图像处理技术,对单轴压缩条件下煤岩的裂纹开裂扩展特性进行系统研究。研究结果表明:煤岩破裂过程中裂纹扩展具有阶段性的特征,其演化特征和载荷、声发射的阶段性变化有良好的同步性;煤岩破裂过程中裂纹由内向外扩展,峰值应力前,内部损伤累积到一定程度,岩石内部裂纹萌生,并逐步向岩石表面扩展;煤岩最终破坏时出现的多条宏观裂纹在变形过程中开裂扩展趋势基本一致,裂纹形状相似;煤岩微观破裂与宏观断裂之间存在一定的联系,在煤岩处于相对稳定状态时,主要产生以剪切破坏为主的裂纹,在煤岩产生小尺度破坏和宏观可见破裂时,主要产生以张拉破坏为主的裂纹。实验结果揭示了煤岩变形破坏规律,对于煤岩破裂机制研究具有一定的理论意义。     

红砂岩单轴压缩破坏的声发射信号及时空演化特征

针对红砂岩在单轴压缩下的变形损伤规律和破裂失稳机理,进行了红砂岩单轴压缩的声发射定位实验研究。结果表明:加载过程中声发射信号随时间的变化特征能够反映出红砂岩的张拉破坏模式,声发射定位点首先在岩样的下部产生,随时间的变化定位点数不断增加,并逐渐向上扩展至整个试件,且下部产生的定位点数比上部密集,红砂岩最终发生劈裂破坏,声发射定位点主要集中在裂纹附近;随着有大裂纹的产生,红砂岩临近破坏时声发射定位有突增的特点。研究结果反映了岩样内部裂纹产生和扩展的空间位置以及三维空间演化过程,为研究红砂岩破裂失稳机理提供了依据。     

岩石受载破坏裂纹扩展带电特性

为了研究岩石破裂过程电位分布特征及其产生机理,利用预制裂纹岩石试样实验测试了裂纹扩展途径的电位信号变化规律及裂纹两侧电位分布特征。结果表明,扩展裂纹的尖端和新形成的裂纹壁面是产生自由电荷的主要位置,在裂纹扩展路径上距离裂纹尖端近处产生的电位信号强度较高,距离远处产生的电位强度较低,裂纹扩展产生的最大电场强度为0.42 V/m;在裂纹扩展过程中裂纹两侧产生的电位信号极性呈正负对应变化,表明裂纹两侧产生的自由电荷性质相反,并交替变化;在裂纹扩展中新生裂纹两侧壁面电荷分离是自由电荷及电位的主导产生机制。裂纹壁面电荷的正负交替及裂纹扩展中两侧壁张翕运动引起的电场变化是煤岩产生电磁辐射的原因。     

不同受力状态裂纹表面电位对比分析

对含45°预制裂纹的花岗岩板进行单轴压缩实验,对比分析翼形裂纹和二次裂纹的表面电位,从而分析研究不同受力状态裂纹开裂扩展过程中表面电位的差异性。研究结果表明:当压剪作用产生的二次裂纹呈现为1条破碎带时,压剪作用产生的二次裂纹的表面电位比张拉应力产生的翼形裂纹的表面电位更加复杂;当压剪作用产生的二次裂纹也呈现为单一裂纹时,2种受力状态产生的裂纹的表面电位在变化趋势上没有明显的差异性;裂纹开裂扩展过程中表面电位的复杂程度与裂纹产生时的受力状态没有直接关系,而是与裂纹形态有直接关系。     

单轴压缩下破裂岩样强度及变形特征

巷(隧)道围岩的显著特点为破裂后承载,破裂围岩强度及变形特征的正确评价对其围岩稳定控制意义明显。以从已破坏返修段巷道现场采集的破裂岩样为研究对象,根据其现场多处于近似零围压或低围压的应力环境,借助MTS伺服试验机对其单轴压缩下再破坏时的强度及变形特征进行系统研究。结果表明:破裂面对岩石的峰值强度产生明显的影响,对残余强度无直接决定性的影响;破裂岩样全应力-应变曲线总体可分为单峰型和多峰型2类;破裂面对岩石的割线模量及泊松比、峰值轴向应变影响不明显,但对峰值环向及体积应变影响明显;破裂岩样破裂面扩展过程及最终的破坏模式与原主破裂面的角度有关,主破裂面与加载方向近乎平行时,多发生竖向劈裂破坏,当两者垂直时,多发生竖向劈裂与横向主破裂面贯通破坏,其他情况大多发生竖向劈裂与剪切组合破坏模式;破裂岩样表面破裂面分布具有明显的分形特征,且其单轴压缩峰值强度与其表面破裂面盒维数两者之间总体符合线性单调减函数关系。     

基于地统计的刁江流域土壤重金属元素空间分布及污染特征研究

针对刁江流域土壤重金属污染严重的情况,本文引入地统计方法,应用半变异函数拟合模型及克里金(kriging)插值法研究了该区土壤中主要重金属镉(Cd)、铅(Pb)、锌(Zn)和类金属砷(As)元素含量的空间分布状态及污染特征。首先利用三倍标准差法剔除840个采样点数据中的异常值,然后对比分析As、Cd、Pb、Zn四种重金属的半变异函数,优选出最佳拟合模型;最后利用克里金插值生成As、Cd、Pb、Zn的空间分布图。研究结果表明:刁江流域As、Cd、Pb、Zn的污染情况均较严重;As、Pb、Zn重金属分布情况受结构性因素的影响较为明显,与采矿、冶炼活动关系密切;Cd呈现出大面积的污染,除受采矿、冶炼活动影响外,与该地区Cd的高背景值也存在着一定的关联。     

单轴压力下煤样表面电位实验

建立了煤岩变形破裂过程表面电位测试实验系统,研究了不同试样单轴压力下变形破裂过程中的表面电位特征规律.结果表明,原煤、型煤和混凝土在受单轴压力变形破裂过程中都有表面电位产生,并且表面电位在整个变形破裂过程中始终存在.从总体上看,表面电位和载荷的变化趋势一致;载荷突变时,表面电位信号也出现突变,表面电位的突变幅度和载荷的突变幅度成正相关.     

混凝土断裂表面带电异常研究

实验研究了混凝土试件断裂破坏过程的电位信号。结果表明,混凝土在破裂过程中有电位异常产生,电位信号与试件受载的应变及其声发射率（破裂行为）具有良好的对应性。在混凝土破裂过程中,电位信号呈连续增大趋势,在主破坏时声发射率和电位信号均有大幅度增加。电位信号与试件破裂过程密切相关,可以为破裂提供前兆信息。混凝土破坏是裂纹的扩展、联合、贯通的结果,电位的主导产生机制是裂纹扩展尖端电荷分离及压电效应。     

应用GEO-EAS拟合煤矿床估值中变异函数

应用普通克里格法对煤矿床估值的关键在于理论变异函数的获取,因此采用地质统计学软件GEO-EAS进行变异函数的拟合。地质统计学考虑到地质变量的空间变化特征,比经典统计学估值准确。GEO-EAS是对二维变量空间分布进行地质统计分析的交互式软件包,能够实现变异函数的计算与模拟。通过其PREVAO与VARIO模块,对数据预处理,以不同间隔进行组合形成数据点对的距离和方向信息,并能够合理的剔除异常数据,进而实现了对平朔公司安家岭露天矿4#煤灰分变异函数的拟合。     

五虎山煤矿9号煤层巷道支护设计及模拟

利用RFPA2D岩石破裂过程分析系统软件，对神华集团乌达矿区五虎山煤矿9号煤层巷道围岩变形和破坏过程进行了动态仿真模拟，并根据模拟结果，分析了随着煤层上山的掘进中上覆岩层的破断过程、特征与来压特点，揭示了煤层顶板的破断及煤壁支撑压力的变化规律.同时研究了各种支护情况下巷道变形规律、破坏机理、围岩应力分布情况以及支护手段对巷道的加固效果.用RFPA岩石破坏过程分析系统进行仿真模拟时，其模型应力状态可以通过2种方法反映出来：① 通过模型破坏过程图片上的灰度值反映；② 通过系统中的功能命令--多单元信息--来获得.系统会自动生成截面上所有单元的应力状态数据文件，并可显示出每个单元计算步骤的应力和位移曲线.     

煤岩单轴压缩破坏PFC2D数值反演模拟研究

煤岩材料作为一种天然非均匀不连续材料,实验室里很难获得其可重复性实验结果.文章基于PFC2D离散元软件,采用数值实验反演煤岩材料参数,得到煤岩材料变形破坏的主控参数.利用软件模拟煤岩单轴压缩变形破坏过程,对比数值模拟结果和实验室实验结果,验证了数值反演模拟对于研究煤岩类天然材料变形破坏的可行性数值模拟结果,可以为工程实际应用提供理论及数据支持.     

煤岩受载损伤演化电位特征实验研究

通过分析煤岩破坏过程电位响应特征,并根据电位与变形破坏之间的关系,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系。研究表明：煤岩在受载破坏过程中电位信号与破裂损伤有较好对应关系。在受载前期,煤岩损伤变形较少,微破裂发育较为缓慢,产生的电位信号较少,较为稳定。受载后期,煤岩损伤破坏不断加剧,电位信号不断增加。当载荷突变时,煤岩破坏显著,电位信号出现相应的突变。试样破裂越强烈,电位突变越显著。基于统计损伤理论,建立了煤岩损伤破坏与电位信号的耦合关系,推导出不同损伤阶段基于电位累积量的“应力-应变”的理论曲线,并对计算应力与实测应力进行相关性分析,得到平均相关系数为0.623 7,呈显著相关,与实测值具有很好的对应性,且理论值具有前兆规律。电位响应特征的变化能够反映煤岩损伤的演化过程,为煤岩失稳破坏提供一种探测方法。     

煤岩摩擦过程表面电位特征规律实验研究

实验研究了煤岩摩擦过程中表面电位及其变化规律,初步探讨了煤岩摩擦表面电位变化机理。结果表明：煤岩摩擦过程中有表面电位产生,并且与载荷有较好的对应关系。煤岩摩擦过程分别经历了静摩擦阶段和动摩擦阶段,且动摩擦阶段的表面电位信号强于静摩擦阶段。岩石摩擦过程表面电位信号基本呈正负双向突变,摩擦面两侧表面电位极性相反,具有对称性;煤样摩擦过程表面电位信号基本呈单向突变,摩擦面两侧表面电位极性对称不显著。煤岩摩擦引起表面电位发生变化可由摩擦起电、热电子发射和场致电子发射等机制解释。     

爆破应力波在构造带煤岩的传播规律及破坏特征

针对煤矿井下爆破作业扰动到构造带煤岩体容易诱发煤与瓦斯突出事故的现实背景,根据爆破应力波在构造带煤岩的传播规律结合相似模拟实验和数值分析,研究应力波对构造带煤岩的损伤破坏特征及其对煤与瓦斯突出的影响作用机理。研究发现,爆破应力波从岩体传播到构造松软煤层时,在煤岩交界面发生了波的透射和反射;透射的压缩应力波作用于煤体,使煤层裂隙增加;反射的拉伸应力波反作用于岩体,使位于岩体内相应测点的应力值增大约1.1倍,在靠近松软煤体一侧的岩体内形成交叉网状裂纹,加大了岩体的破坏程度和破坏范围。构造松软煤体加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致构造带煤岩交界面的煤岩体损伤严重,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。     

突出和冲击地压中层裂现象的机理研究

针对突出和冲击地压中常出现的岩壁应力突然卸载的力学条件,建立简化的层裂发生及发展数学模型。利用动力学理论,分析了岩壁应力突然卸载时应力在岩体中的传播规律,得出了层裂破坏的原因,并通过数值模拟方法再现了层裂过程。结果表明,冲击地压中层裂现象产生的主要原因是由于地应力突然卸载而形成卸载波,该卸载波向深部传播过程中发生部分反射,反射波和入射波叠加使岩石受拉应力而破坏。煤与瓦斯突出中层裂现象的产生不仅受到卸载波反射叠加的影响,还受到瓦斯的影响,分别表现为高压游离瓦斯参与了煤中裂隙的扩展,以及伴随着层裂的间断性出现,瓦斯压力的间断性释放又会产生向深部传播的卸载波。     

浅埋煤层开采岩移特征与渗水机理分析

应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的岩石破裂过程渗流与损伤耦合作用分析系统（F—RFPA2D），以大柳塔煤矿一工作面为例，建立地质力学模型，再现了浅埋煤层采动后其上覆岩体破坏的动态发展过程，揭示了采场硕板的破断、上覆岩层来压及采场推进过程中煤壁支承压力、地表下沉的变化等规律。特别是直观地得到了采动条件下岩层裂隙发展、贯通引起的渗水过程。模拟研究结果和现场实际观测到的结果基本吻合。对于促进西部煤田的高效安全开采具有重要意义。     

水库下厚煤层综放开采的透水危险性的地质分析

为了评判水库下厚煤层综放开采采动裂隙是否相互连通并波及水体,以大平矿区井田范围内钻孔揭露的地层资料及工作面布置方式为基础,采用弹性理论获得了采动地表裂缝深度为 6.59 m,以大平矿区水库范围外的导水裂隙带高度实测数据作为预测接近样本,选取导水裂隙带高度的可测影响因素,结合主观的层次分析法和客观的熵值法对指标权重值进行综合确定,通过Matlab编程获得水库范围内各工作面采动后钻孔位置处的导水裂隙带高度的预测值及各影响因素的权重,同时采用Surfer软件的克里金插值法获得了地表裂缝和导水裂隙带之间的覆岩厚度及各组分岩性的厚度等值线,并进行了透水安全评估。     

三维普通克立格插值建立非层状矿体块段模型的研究

针对三维空间数据插值方法的研究在技术上难度较大、结构上程度复杂的特点,利用已有的二维空间数据插值长期发展提供的理论和实践经验,以地质统计学为理论基础,详细研究了三维普通克立格（Kriging）块段插值方法的关键步骤。同时,介绍了建立非层状矿体块段模型的关键技术和主要方法。针对插值过程中信息点的数据搜索问题提出了真三维空间的椭球扇区搜索方法,使计算结果更加精确。最后,从底层开发了块段建模可视化软件,在某矿山得到了验证,对非层状矿体模型的模拟和矿体储量计算起到了一定的指导作用。