黔西南金矿砂岩动静组合加载岩石力学特性研究

为探究巷道开挖后围岩不同深度切向应力不同程度的增加对围岩动力学性能的影响,采用改进的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验系统,对黔西南金矿砂岩试件在0,10,20,30,40MPa的轴压下进行动静组合加载试验,旨在分析砂岩在不同轴压下的力学行为、变形特征与能量演化规律。研究发现:动静组合加载试样应力-应变曲线分为压密阶段、弹性阶段、塑性破坏和峰后阶段;轴压使得峰值应变逐渐增加,极限应变逐渐降低;动态弹性模量、动态抗压强度、应变率及各能量的演化规律均呈现以10MPa为转折点的变化规律。

基于FA-BP神经网络的巷道位移预测研究

针对传统位移预测算法求解巷道位移时预测精度不佳且误差大等问题,建立萤火虫算法(FA)优化BP神经网络的预测模型,解决了BP神经网络初始权值和阈值难以确定、预测模型参数局部最优及预测精度不佳等问题。以锦丰金矿30中段巷道为研究对象,利用巷道顶板和两帮的位移监测数据进行预测分析,并采用BP神经网络模型与FA-BP神经网络模型进行比较。研究结果表明:FA-BP神经网络模型的平均相对误差分别为0.15%和0.13%,BP神经网络模型分别为-2.02%和0.87%,说明FA-BP神经网络模型具有更好的预测精度。

校企合作背景下研究生“双导师制”建设优化研究——以安全工程专业为例

随着社会发展的需求,专业学位研究生的培养体系和模式愈加受到重视。校企合作背景下联合培养专业学位研究生是大势所趋,“双导师制”作为一种有效的培养高层次应用型人才的模式,目前在国内的实施时间尚不长,培养过程中仍有诸多可改进的地方。通过调研贵州省校企联合培养模式和基地,探讨了“双导师制”在校内外导师遴选、课程体系、培养管理等方面存在的问题,并提出针对安全工程专业学位研究生的优化方案,以便更好地培养高层次应用型人才。“双导师制”的优化有助于激发研究生的科研热情,提升他们将理论知识应用于实践的能力,促进校企合作,最终实现培养高层次应用型人才的目标。

缓倾斜浅埋煤层覆岩裂隙演化与分形表征研究

厘清采动覆岩导水裂隙演化规律对顶板防治水研究具有重要意义。以龙凤煤矿9#煤层120910综采工作面为工程背景,通过相似模拟和数值模拟方法,对缓倾斜浅埋煤层覆岩裂隙演化规律进行了研究。结果表明:煤层采动顶板导水裂隙带发育高度将贯穿长兴组含水层底界,工作面推进过程中存在突水危险性,并将覆岩裂隙演化过程分为4个阶段,即裂隙发育阶段、顶板垮落阶段、裂隙压实阶段、整体稳定阶段;同时引入分形理论,定量描述了采动覆岩裂隙演化过程,裂隙演化4个阶段的分形损伤度ω分别为0.676、0.702、0.638、0.639,当ω≥0.68时,岩体破裂现象越明显。研究结果可为相似地质条件下上覆岩层顶板防治水研究提供参考。

岩石力学数值实验教学模式的改革与探索

正确处理科研与教学关系是高校教师的重要工作。对于工科专业,利用工程现场形成经典教学案例,可提高学生能动性和创造性,培养其解决现场问题的能力,加深其对工程问题和科学问题的思考。该文基于高校教学、科研一体化的模式,提出针对矿业类专业学生岩石力学数值实验课程的案例教学改革对策,指出经典工程现场案例教学和探讨式教学是岩石力学数值实验课程教学改革需要重点关注的。煤层水力压裂、开采扰动下工作面覆岩结构及矿压显现规律、露天矿高陡边坡稳定性等复杂工程问题可作为经典案例选取的对象。

薄层状红页岩细观破坏特性研究

为研究层状红页岩细观破坏特性,采用DSTD-1000型电液伺服刚性压力机对不同层理倾角红页岩进行单轴力学实验,对碎屑进行SEM电镜扫描和XRD衍射实验,获取其力学参数、破坏特征、微观结构及成分相对含量。基于此,利用离散元PFC3D构建不同层理倾角红页岩数值模型,并进行单轴压缩实验来研究红页岩细观破坏特征。结果表明:(1)层理倾角θ=30°、45°、60°、75°时,试样沿层理方向破坏产生滑移面。(2)不同层理倾角试样的裂纹演化过程都呈缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于稳定阶段的变化情况,当θ=45°、60°、75°时,裂纹演化过程中单位应变产生裂纹数较多,导致试样迅速沿层理弱面滑移破坏。(3)细观裂纹赤平极射投影和岩石组构图表明,θ=0°、75°、90°时,微观裂纹倾向分布较为均匀,主要平行于或次平行于加载方向,加载破坏后表现出强烈的各向异性;15°≤θ≤60°时,微裂纹倾向逐渐向层理方向平行。(4)考虑裂纹演化特征的弹性模量法求解的裂纹萌生应力阈值为各层理峰值强度的36.6%~60.3%,裂纹损伤应力阈值为各层理峰值强度的75.1%~90.4%,与大量物理实验所求阈值范围吻合,表明此法对于求解裂纹应力阈值具有一定的适用性。

基于DIC技术的煤样裂隙发育特征及应变演化规律分析

为了深入分析煤样单轴压缩下裂隙发育特征及应变演化规律,采用数字图像相关技术(DIC)分别获得试验过程中试件裂隙场、应变场的全程图像和数据,研究结果表明:试件应变演化与裂隙发育具有潜在的联系,裂隙发育处往往存在明显的应变集中现象,在弯曲裂隙中,当其张开程度较大时,受垂直压应力影响,诱导反方向的水平变形,出现裂隙闭合,以及垂直应变剧增、水平应变剧减等现象。当裂隙张开或扩展时,最大主应变增大,同时会出现明显的应变集中现象;当裂隙闭合时,最大主应变减小,应变集中程度也随之减小;最大主应变方向与裂隙张开方向基本一致,与裂隙扩展延伸方向基本垂直。试件加载后期,裂隙快速发育,而此后也表现出多处局部应变快速集中现象。当试件裂隙瞬间产生或破坏时,最大主应变方向也会发生较大变化,该试验结果可作为试件破坏预警的前兆信息之一。

基于改进未确知测度的含软弱夹层巷道围岩稳定性评价

为了准确评价含软弱夹层巷道围岩稳定性,以改进层次分析法和客观赋权法(CRITIC方法)计算综合权重,应用未确知测度理论(UM)计算未确知测度向量,同时引入集对分析理论(SPA)优化置信度评价过程,建立UM⁃SPA耦合分析模型,并运用该模型对某金矿含软弱夹层巷道围岩稳定性进行评价。结果表明,地应力、软弱夹层抗拉强度和软弱夹层厚度是影响该类巷道稳定性的主要因素;断面D4、D5、D6、D7、D9的集对势为微反势,有向不安全状态偏向趋势;巷道稳定性从大到小排序为:290#水平>150#水平>90#水平。实践验证表明,模型评价结果与实际吻合。

基于激光扫描的巷道不规则围岩表面对喷射混凝土支护特性影响分析

为研究钻爆法施工巷道围岩表面形状特征对喷射混凝土支护特性的影响,以贵州锦丰金矿为工程背景,采用三维激光扫描仪对巷道围岩表面进行扫描,建立巷道三维模型,使用三维软件剖取巷道实际断面形状,对断面的几何特征进行分析。对标准断面和实测断面分别建立数值模型,对比分析了喷射混凝土的内力变化及其对围岩的支护效果,结果表明,巷道不规则围岩表面导致喷射混凝土剪力和弯矩明显增大,而对轴力的影响相对较小;巷道围岩凹坑部位多为负弯矩极值点,凸起部位多为正弯矩极值点;在轴力和弯矩共同作用下,凸起部位的喷射混凝土安全系数明显降低,对围岩的支护作用减弱,围岩容易出现拉伸破坏。

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术(DIP)及岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型,研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明,裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响,表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低;砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用,材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画,采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量,将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来,为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。

动静组合载荷作用下岩石失稳破坏的突变理论模型与试验研究

应用突变理论分析了受一维静载岩石系统的稳定性及变化规律,建立了一维静载岩石系统在动载作用下的非线性动力学模型,发现静载岩石系统自振频率变化规律,以及动载作用与一维静载岩石系统的响应存在非线性关系,当动载力幅和频率达到一定值时,会引起一维动静组合加载岩石系统振幅的突跳,从而引起岩样子系统的失稳破坏,在一维静载岩石系统动载作用演化过程中,动载信号强度的大小起着决定性作用。上述理论分析与一维动静组合载荷岩石系统的失稳破坏试验结果是吻合的。

二维动静组合加载下岩石破坏的试验研究

为模拟地下深部开采中二维应力状态下矿岩采掘及某些矿柱的稳定性问题,将特制的一维水平静压装置和Instron电液伺服材料试验机组合进行二维动静组合加载下红砂岩破坏的试验,研究当动载固定不变时红砂岩在不同水平静载和不同竖向静载下破坏的基本规律和特征,为深部采矿和矿柱等的稳定性分析提供理论与试验依据。

受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏的试验研究

为了研究受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏及变形发展规律,在Instron电液伺服材料试验机上进行了红砂岩的单轴动静组合加载试验。采用自制的一维水平静压加载装置,配合Instron电液伺服材料试验机进行了红砂岩的二维动静组合加载试验。试验表明,受静载荷的红砂岩在周期载荷作用下的破坏形态因所受静载荷的状态不同而不同,在周期载荷作用下的应力-应变曲线表现为滞回圈先疏后密再疏,直至破坏;相同条件的受静载荷的红砂岩受不同周期载荷作用时,尽管其应力-应变曲线表现为不同的滞回圈数和不同的全应变,但仍与岩石在周期荷载作用下疲劳破坏的极限变形规律一致,并且破坏岩石所消耗的有效全应变能有向相同值发展的趋势。

基于ICEEMDAN-盲源分离联合的微震信号降噪方法研究

针对黔西南锦丰金矿巷道施工采集的微震信号非平稳特征和背景噪声干扰问题,引入一种基于完善的自适应噪声完备集成经验模态分解(ICEEMDAN)与盲源分离联合的降噪方法。该方法通过ICEEMDAN算法对微震信号进行初步分解,再利用MATLAB平台计算出信号的相关系数和边际频谱,筛选出含噪模态分量和信号的主频率分量,最后通过FastICA算法进行盲源分离,实现降噪。实际应用结果表明,与经验模态分解(EMD)和小波包阈值传统方法相比,该方法信噪比更大(24.142 5 dB)、标准误差更小(0.012 18)、降噪效果更好。

深部岩巷在动力扰动下的破坏机理分析

结合某巷道工程实例,利用新开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFPA2D分析了动力扰动对深部岩巷破坏过程的影响,从细观角度分析了不同深度或受不同静压力的岩石巷道在动力扰动下的破坏规律.结果表明,对于不同埋深的巷道,所受应力状态不同,则所处稳定状态也不同.当巷道埋深较小时,处于较稳定状态;当巷道埋深较大时,越来越接近临界稳定状态,较小的扰动便可以导致裂纹的大规模瞬时动力扩展,诱发巷道的失稳破坏,并伴随着应变能的高速释放.深部巷道所受静压较大,在动力扰动下比浅部巷道更易发生失稳破坏.

动力扰动诱发承压水底板关键层失稳的突变理论研究

应用突变理论建立了承压水底板关键层在动力扰动下失稳的双尖点突变模型,探讨了动力扰动诱发煤层底板关键层失稳的机制,给出了关键层在动力扰动下失稳的判据,揭示了关键层动力失稳的机理。研究表明,关键层破坏与否,不仅取决于关键层的内因如几何尺寸和岩石的性质等,还取决于外部作用力的大小和方式;承压水等静载荷作用对关键层结构振动频率的变化有一定的影响;对于受承压水等静载荷作用的底板关键层,不同的动压,如扰动的幅度、作用时间和频率的不同组合会对底板关键层结构产生不同的影响,有的是弹性振动,有的是稳定破坏,有的是突然断裂或失稳。

动力扰动下深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究

为研究动、静组合加载下深部巷道围岩分区破裂化的机制,在Instron电液伺服材料试验机上对用石膏制作的深部洞室模型进行了动、静组合加载试验。为进一步分析动、静组合加载下深部巷道围岩分层断裂化的力学本质,将动、静组合加载下深部巷道围岩近似视为若干个二维动、静组合加载试样的组合体,并用红砂岩试样进行了二维动、静组合加载试验。试验结果表明,巷道轴向应力为最大主应力且大于一定值时,围岩会发生分层断裂现象;巷道轴向应力为最大主应力且与外部扰动应力叠加达到一定值时,围岩也会发生分层断裂现象;巷道直径越大,在相同的动、静组合加载条件下,更易发生分层断裂现象;相同直径的巷道,在不同的动、静组合加载作用下,巷道围岩分层断裂化程度不同,动、静组合应力叠加值越大,分层断裂化程度越严重;应力状态对试样裂纹扩展及分布方向起着主导作用,试样破裂面一般垂直于最小主应力方向(在最小主应力面内),与最大主应力方向一致;深部巷道围岩存在形成破裂圈的应力状态,这样的应力状态可诱发巷道围岩分区破裂现象的发生。

洞室层裂屈曲岩爆的突变模型

建立了洞室层裂屈曲岩爆的突变模型,得出了洞室层裂屈曲岩爆在准静态破坏条件下的演化规律。引入一个函数表征内层岩体对外层岩体的约束作用,使洞室层裂屈曲岩爆模型更接近实际,更能反映层裂屈曲岩爆的演化规律。此外,还建立了动力扰动下洞室层裂屈曲岩爆的非线性动力学模型。研究结果表明: 洞室层裂屈曲岩爆的演化过程复杂;洞室层裂屈曲岩爆与否,不仅取决于岩体的内因如几何尺寸和岩石的性质等,还取决于外部作用力的大小和方式;动力扰动与粘弹性层状结构岩体的响应存在着非线性关系;该模型对扰动频率非常敏感,扰动频率满足一定条件是动力扰动下洞室发生层裂屈曲岩爆的必要条件;而模型对扰动力幅反应不敏感;在动力扰动下,洞室层裂屈曲岩爆演化过程中,竖向压力起决定性作用。

动载荷作用下岩石破坏过程的数值试验研究

采用基于细观损伤力学基础上开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载荷作用下应力波延续时间、应力波峰值和围压对岩石试样破坏的影响进行了数值研究,结果表明,应力波延续时间较短,则尾随应力波波前的高应力区范围较窄,应力波衰减较快;相反,应力波延续时间较长,则紧跟应力波波前的高应力区范围较大,岩石处于破坏状态的时间延长,岩石的破碎程度加大。此外,存在一个合适的应力波延续时间,过分地加大应力波延续时间,反而不利于岩石裂隙的发育。动载荷的峰值越大,试样的破坏程度越大,当峰值达到一定值时,试样顶部呈现粉碎状,试样从上到下破坏程度逐渐减弱。在冲击载荷作用下的岩石随着围压的增加更难破碎,但当围压增大到一定程度时,岩石会突然失稳破坏。

动-静组合加载诱发岩爆时岩块弹射速度的计算

以单轴动-静组合加载实验为依据,能量平衡为原理,损伤力学为手段分析动-静组合载荷作用下岩石发生破坏时能量的转换,对岩爆能量组成以及单轴动静组合加载诱发的岩爆岩块弹射速度进行研究。研究结果表明,与只考虑静载荷作用产生的岩爆相比,按动-静组合载荷产生岩爆设计有岩爆倾向的深部地下工程岩体的支护更加符合实际。