不同围压荷载和含水状态下砂岩SHPB试验研究

为研究围压荷载和含水率对砂岩动态力学性能的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术和自主开发的围压加载装置,对不同围压荷载和含水状态下砂岩的动态力学性能进行研究。试验结果表明,砂岩的峰值应力和峰值应变随应变率的增大而增大,并表现出一定的脆-延转化特点;随着围压荷载的增加,砂岩的强度和韧性得到提升,并呈现出明显的塑性变形特征;相同围压荷载条件下,砂岩强度随含水率的增加而增大。在高应变率加载条件下,砂岩动态强度具有典型的冲击强化、围压增强和含水硬化特性。研究结果对地下工程动态开挖具有指导作用。     

细砂岩峰后力学特性和材料强度研究

 通过细砂岩三轴试验,得到不同围压的应力-应变曲线和轴向应变-径向应变曲线,分析和研究了峰值点与断层产生点的不同。试验表明,岩石在断层产生之后沿断层面滑移,围压、岩块的材料强度和岩块排列的结构效应三者共同决定了岩石的峰后力学行为。将压缩试验得到的不规则岩块浇注在混凝土试样中,运用剪切仪进行了专门设计的剪切试验,获得岩块的材料强度。对比不同加载历史的岩块压剪试验数据,表明试验设计的围压对岩块材料强度影响很小,压缩实验和剪切实验得到的强度参数存在差异。     

冲击载荷作用下硬煤的动态力学特性研究

为研究硬煤在动载荷作用下的力学特性,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统开展了径向自由和被动围压2种约束状态下不同冲击速度的硬煤试件冲击压缩试验,研究了硬煤的动态力学特性及其随应变率、约束状态的变化规律,分析了试件的破坏形态,并结合声波测试研究了被动围压时硬煤试件的损伤特性。研究结果表明:冲击速度、约束状态对动态抗压强度峰值和应变率的影响很大,径向自由时动态抗压强度峰值与应变率呈线性增长关系、被动围压时动态抗压强度峰值随应变率的增大而减小;动态抗压强度峰值随冲击速度的增大呈对数关系,随冲击速度的增大,且被动围压时动态抗压强度峰值增长更快;径向自由时,试件的破坏以劈裂破坏和压碎破坏为主,破碎形态和块度取决于冲击速度,被动围压下试件能够保持完整、仅表面和边缘出现裂纹;被动围压条件下,试件的损伤程度与冲击速度呈指数关系。     

含瓦斯煤岩卸围压力学特性及能量耗散分析

利用自主研制的含瓦斯煤岩热流固耦合三轴伺服渗流装置对含瓦斯煤岩进行了三轴卸围压试验,基于实验结果,研究了含瓦斯煤岩卸围压失稳破坏过程中的力学特性及其能量耗散规律。结果表明：在初始瓦斯压力和围压相同的情况下,卸围压速率增大加快了含瓦斯煤岩失稳破坏的进程,定义的卸围压效应系数反映了三轴卸围压实验中卸围压速率对含瓦斯煤岩失稳破坏难易程度,且卸围压效应系数与卸围压速率之间存在幂函数的关系;在瓦斯压力和应力差相同的情况下,不同卸围压速率下含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律具有较好的一致性,卸围压速率越大,含瓦斯煤岩的轴向应变、侧向应变和体积应变越小;卸围压过程中能量耗散与卸围压速率有关,且含瓦斯煤岩的能量耗散随着卸围压速率的增大而减小。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

煤矿高浓度胶结充填体能量演化特征试验研究

为了研究煤矿高浓度胶结充填体的能量演化特征,借助RTR-2000高压岩石三轴动态测试系统开展了高浓度胶结充填体不同围压下的常规三轴压缩试验,分析了试件变形破坏过程中的应变能演化规律及围压效应。研究结果表明:(1)对于围压不为0的试件,峰值强度对应的耗散应变能占吸收应变能的比例超过70 %,试件在达到峰值强度前已经发生剧烈的塑性变形和破坏;(2)试件变形破坏过程中,吸收应变能快速增加,弹性应变能先积累后释放,峰值强度时达到储能极限,耗散应变能自屈服变形阶段开始快速增长;(3)相同轴向应变条件下,围压越大,试件的吸收应变能、弹性应变能越大,高围压试件的耗散应变能随轴向应变的增加将超过低围压试件的耗散应变能,围压可以大幅改善试件的应力水平,限制试件的径向变形,提高试件的储能能力,抑制试件的变形破坏。     

交替加卸载条件下原煤的变形及渗透特性研究

采用热流固耦合伺服实验系统,开展了变轴压加载速率条件下交替加卸载过程中原煤的变形及渗透性实验,分析了交替增轴压、卸围压过程中含瓦斯原体的变形及渗透特性。结果表明：增轴压、卸围压过程中试样轴向呈压缩变形、径向呈膨胀变形,轴向压缩变形量和径向膨胀变形量随围压应力水平的降低均逐渐增大;增轴压过程中试样渗透率缓慢降低,卸围压过程中试样渗透率缓慢增大,满足二次函数关系;采用单位应力条件下试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化率分析轴压和围压对试样变形参数的影响特征,采用单位时间内试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化速率分析变轴压加载速率对试样变形参数的影响特性;随着轴向荷载强度和轴压加载速率的增大,试样轴向应变和径向应变变化速率的绝对值逐渐增大,渗透率变化速率的绝对值先增大后减小;相反,随着轴压加载速率的减小试样轴向应变、径向应变和渗透率的变化速率的绝对值均先增大后减小;卸围压过程中2个试样轴向应变和径向应变变化速率的绝对值均逐渐增大,而渗透率变化速率的变化规律相反。     

基于脆性模量系数的岩石应变软化及渗透率演化模型

岩石峰后应变软化力学行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性和安全性分析的基础。在三轴实验基础上分析了围压对岩石峰后应变软化力学行为的影响规律,提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量和脆性模量系数,分析了脆性模量的物理意义和脆性模量系数方法的应用范围。基于脆性模量系数,结合强度退化指数、扩容指数、FLAC中的SS模型和体积应变增透率,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型和渗透率演化模型。利用本文模型较好地模拟再现了不同围压下Gebdykes白云岩变形和巴里坤砂岩渗透率的演化过程,验证了本文模型的合理性。将本文模型应用于某煤层开采过程中围岩变形和渗透率的动态演化预测,结果表明随着煤层开采,采动应力引起围岩变形、破坏,其渗透率也随之动态变化,本文模型能较好地再现煤层开采过程中围岩的渗透率动态演化规律。     

不同加载速率对类软岩三轴峰值强度的试验研究

利用相似材料配制类软岩试件,对类软岩试件进行不同围压下不同加载速率的三轴破坏室内试验,分析了不同围压下不同加载速率对类软岩的应力应变曲线、三轴峰值强度、轴向应变等物理参数的影响。得出结论,相同围压下,类软岩试件峰值强度、应变整体上随加载速率增大先升高后降低,但相比围压为0的环境,峰值强度降低缓慢;相同加载速率下,围压越高,峰值强度和应变越大;加载速率为0.5 MPa/s时,相邻围压间的峰值强度差值较为均等。     

真空实型铸造钢基复合材料的制备与性能研究

利用真空实型铸渗工艺铸造出表面耐磨损,而芯部塑韧性好的钢基复合材料,用扫描电镜和金相显微镜对材料进行组织分析,并在14.5的分离式霍普金森压杆上对复合材料的耐磨层材料和基体材料进行了动态压缩力学性能实验,测定了耐磨层材料和基体材料在应变率为300/s的应力-应变曲线。     

微承压水作用下深基坑稳定的有限元分析

在总结地下微承压水对工程危害的基础上,分析了微承压水渗流对基坑工程的影响,尤其是支护上被动土压力的影响。利用有限元程序计算了考虑基坑中微承压水作用下的整体稳定性,绘制微承压水影响下基坑周边和下部土质中的渗流场,结合工程实例进行分析,得到了微承压水影响下的基坑稳定分析的量化结果。从而为工程实践提供了一定的理论依据。     

矿井提升机盘式制动器的摩擦磨损特性研究

采用Link 3900 NVH台架试验机对提升机盘式制动器进行定压、定速摩擦测试,得出提升速度为5~30 m/min、制动压力为1~3.5 MPa条件下的平均摩擦因数和稳定磨损率变化规律。通过TM3000扫描电子显微镜分析摩擦片在2 MPa制动压力和不同提升速度条件下的表面磨损形貌。研究结果表明:提升机盘式制动器的摩擦因数随制动压力的增大呈减小趋势;低速挡条件下的摩擦因数较大;中速挡条件下的磨损受制动压力的影响较小;低速挡和高速挡条件下的稳定期磨损率数值较大,且波动性显著;提升速度的增大将显著加速黏结剂的改性,高速挡条件下的基体纤维出现了部分不规律性分解。     

压力对碳纤维-铜-石墨复合材料电刷摩擦系数的影响

研究了碳纤维-铜-石墨复合材料在纯机械磨损和电磨损条件下, 电刷压力的变化(7.5～30 N/cm²)对复合材料电刷摩擦系数的影响, 用扫描电镜观察了磨面形貌, 对复合材料摩擦系数的变化机理进行了初步探讨。     

Prediction of Water Inrush from Coal Seam Floors Based on the Effective Barrier Thickness

Floor water hazards pose an increasingly prominent risk in China as coal mining depths progressively increase. Two general models of complete and structural floor water inrush that consider the coupled effect of mining stress and water pressure were developed to address the problems caused by highly confined aquifers under these complex stress conditions. We developed an integrated floor water inrush model, and the floor rock mass was rezoned based on the deformation, failure characteristics, and water inrush mechanism of water-resistant floor strata under the combined action of confined water pressure and mine pressure. The formation of the coupled solid–fluid confined water uplift zone was studied from the perspective of fracture propagation. A formulation was obtained that describes the confined floor water under the coupled effects of mine pressure, water pressure, and solid–fluid interaction. An inrush risk prediction is proposed that considers the relationship between the confined water pressure and horizontal principal stress in the bottom plate’s pressure relief zone.

     

条带开采中煤柱稳定性分析

系统地分析了条带开采中煤柱稳定性问题。通过多个实例计算的对比分析，建议采用Ｗｉｌｓｏｎ强度公式进行一般地质采矿条件下条带煤柱强度的计算。从煤柱强度分析出发，导出了任意方向弱面的剪力强度安全系数计算式；建立了顶底板通过摩擦作用施加给煤柱的儿拉压应力引起的煤柱屈服区宽度变化的简化计算式；从３向受力状态角度分析了侧限力对增加煤柱强度的机理问题；还强调了煤柱载荷与采出率之间的非线性关系和条带开采设计中应注     

基于正交试验的底板破坏深度主控因素敏感性分析

为了研究底板破坏深度的影响因素,考虑工作面倾斜长度、采厚、采深、不同底板岩层力学参数和承压水水压,采用FLAC3D软件模拟底板破坏深度,运用正交试验法对模拟结果分析,研究影响底板破坏深度主控因素敏感性。研究结果表明,工作面斜长、采深、采厚对底板破坏深度的敏感性主次顺序为工作面斜长采深采厚;抗拉强度对底板拉破坏深度的影响为高度显著;底板岩层黏聚力、内摩擦角对底板破坏深度及拉破坏深度的敏感性不显著;抗拉强度、内摩擦角对剪破坏深度的敏感性较弱,黏聚力对底板剪破坏深度具有显著性影响;随着承压水压力的增加,底板中水平最小主应力与承压水压力越来越接近,且水平应力值接近水压的岩层范围增大,导致突水的危险性增加。     

压力对空间对接摩擦材料摩擦磨损性能的影响

通过粉末冶金方法制备了铜基摩擦材料,在经技术改进后的MM-1000摩擦试验机上对其在不同压力下的摩擦磨损性能进行了研究,结果表明:随着压力的增大,材料的摩擦系数呈降低趋势,在真空中的摩擦系数小于大气中的摩擦系数;真空中材料的摩擦系数稳定度高于大气环境中的,材料的磨损随压力的变化在两种环境下呈现出相反的变化形式。摩擦表面形成的摩擦膜对材料的摩擦磨损性能具有重要的影响;随着压力的增大,材料在真空中的磨损机理由以磨粒磨损为主逐渐转变为以黏着磨损为主。     

近距离下位煤层回采巷道合理布置

为了得到近距离下位煤层回采巷道合理步距,理论分析了己15煤层回采过程中采场支承压力与底板损伤特征;数值模拟了己15煤层底板应力时空演化规律、下位煤层巷道合理位置以及巷道应力与位移分布特征。研究得出,理论计算得到己15煤层回采后底板被动应力区域边界长度为106 m,揭示了己15-31040工作面、己15-31020工作面、己15-23160工作面依次开采时煤柱下方底板应力峰值由6338 MPa减小至5463 MPa、然后无明显变化的特征;结合底板被动应力区域边界长度、煤层与顶底板摩擦系数、煤柱压力影响角、煤炭资源回收率、安全掘进等因素,巷道采用外错上位煤柱25 m的布置方式,该布置方式下巷道处于低应力环境的特性,且可为巷道围岩控制提供一定的参考依据。     

基于弧面法的摩擦式提升机衬垫摩擦性能测定

摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力是摩擦式提升机工作可靠和安全与否的关键因素。提出了一种基于弧面法研究摩擦衬垫与钢丝绳摩擦学特性的测量方法,在自研制的摩擦衬垫与钢丝绳动态微滑移摩擦实验平台上开展摩擦实验,通过测量摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力与相对滑移,判定衬垫与钢丝绳之间的黏滑规律,并基于测试曲线研究了衬垫与钢丝绳之间摩擦因数的变化规律。结果表明,干摩擦时K25衬垫摩擦因数随着比压的增大而减小,随滑速的增大先增大,后不断减小,滑速2 mm/s时达到最大值,涂增摩脂时摩擦因数随比压、滑速的增大而减小。衬垫的摩擦因数与比压成反比线性关系,说明摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦以黏着摩擦为主。对比平面法测量摩擦衬垫的结果发现平面法测量的摩擦因数偏大。     

断层水害防治技术应用研究

位于承压含水层上巷道掘进过导水断层时,在承压含水层水压和围岩应力变化的因素下,会导致承压含水层裂隙发育,断层破碎带形成导水通道,承压含水层与断层破碎带发生水力联系形成突水通道,对巷道安全掘进带来威胁,极易发生突水事故。针对上述问题,通过分析井田水文地质条件、超前探查掌握断层及其防范承压含水层的水文资料,综合分析断层的导水性及承压含水层的区域富水性,按照公式进行突水危险性水害预测理论计算。根据综合分析和理论计算结果,采取对断层破碎带预注浆加固、断层两盘含水层治理改造、承压含水层疏水降压和加强巷道支护的综合防治措施,消除了承压水害和断层水害,保障了巷道安全过断层。