低温和含水率对重塑性煤体抗剪强度影响研究

为了研究温度—含水率耦合作用下重塑性煤体抗剪强度的变化规律,保障松软煤层安全高效稳定开采,采用直剪试验分析了重塑性煤体在较低温度(20、0、-10、-20、-30、-40℃)、一定含水率(0、0.8%、4%、8%、12%、16%)耦合作用下的抗剪强度特性,并通过数学统计分析了温度与含水率对抗剪强度的影响。研究结果表明:含水率为0时重塑性煤体的黏聚力随着温度的降低呈幂指数增加;温度—含水率耦合作用下重塑性煤体的抗剪强度均与垂向应力成正比,均符合莫尔-库仑准则;在温度为10~20℃、含水率为12%~16%时,黏聚力达到最大值322.9 kPa,最小值138.0 kPa出现在温度-40℃、含水率4%附近;在-20~-40℃温度下,重塑性煤体内摩擦角随含水率的增加逐渐降低至最小值18.25°;当含水率为6%~13%、温度为-20~10℃时,内摩擦角达到最大值31.45°,对应抗剪强度达到最大值。温度—含水率耦合作用下,重塑性煤体抗剪强度、内摩擦角与黏聚力均受温度的影响较大。

单轴冲击荷载下煤体损伤及破坏特征分析

为探究单轴冲击荷载下煤体损伤破坏特性及演化规律,采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)装置,通过调节储气室气压值,获得煤样在5 m/s冲击速度下的动力学响应结果,并以此为主要参考依据,确定模型细观物理力学参数;利用PFC3D软件,进行了在单轴冲击荷载作用下,含不同角度的闭合和非闭合直裂隙(0°、30°、60°、90°)的煤体在5 m/s冲击速度下,以及不含裂隙煤体在不同冲击速度下损伤破坏过程的数值模拟试验;探究了单轴冲击荷载下,冲击速度、裂隙分布角度等因素对煤体损伤破坏特征的影响。试验结果表明:冲击速度较低的时候,煤样主要遵循变形破坏准则,当冲击速度增长到一定程度时,则主要遵循强度破坏准则;裂隙通常由4个角和裂隙的尖端等介质突变处产生,呈现“V”形或“X”形扩展趋势,最终呈现出X形破坏带;煤样内外层呈现出不同的破坏形式,内层较于外层更接近三向应力状态,因此更容易发生剪切破坏,而外层就更容易发生拉伸破坏;总的来说,在单轴冲击荷载作用下,煤样主要破坏形式为拉伸破坏。

煤储层造缝及卸压增透实验研究

煤矿井下瓦斯抽采难易程度取决于煤体渗透性,煤体增透是瓦斯抽采研究的关键之一。以煤岩体加载作用下的渗透率测试实验为前提,揭示了不同结构煤体水力强化的造缝和卸压两种增透机理;提出了硬煤(原生结构煤和碎裂煤)可通过水力压裂造缝提升渗透率,软煤(碎粒煤和糜棱煤)可通过冲孔出煤卸压增透或顶底板围岩水力压裂抽采的两种工艺,从而形成了基于煤体结构的水力强化增透瓦斯抽采技术。现场应用结果充分说明了实验室研究结论的正确性。

煤岩拟三轴水力压裂实验研究

为了更深入地研究煤岩水压致裂机理,首先对MTS815.02电液伺服岩石力学实验系统进行改造;利用煤粉、水泥和石膏不同的配比制作相似材料,对型煤试件和原煤试件进行了拟三轴水压致裂实验,并与现场压裂数据进行了比较分析。结果表明:合理的材料配比为煤∶水泥∶石膏=1.5∶1∶1;裂缝总是沿地应力最大的方向扩展,且裂缝表面特征对缝内压裂液的流动具有重要影响;泵注流量越大,起裂压力也越大。

材料力学虚拟演示实验的应用与教学

随着招生规模的扩大,为了满足本校实验设备和实验经费严重不足的情况,开发了材料力学虚拟演示实验。虚拟实验演示具有虚拟性、实践性、灵活性、经济性、安全性等优点,是对传统实验的完善、补充和拓展,是教学改革的新方向。

钢管自应力混凝土抗弯性能研究

对15根钢管自应力混凝土构件的抗弯性能进行了试验测试,在此基础上,利用混凝土的边界面模型和钢材的弹塑性模型,建立了自应力钢管混凝土抗弯构件的三维有限元模型并编制计算程序对其力学性能进行了分析,试验结果和计算结果基本吻合.研究结果表明,由于自应力的影响,自应力钢管混凝土抗弯承载力要高于普通钢管混凝土,并且承载力随着自应力的增加而增加;通过计算分析,提出了计算自应力钢管混凝土构件抗弯承载力的经验公式;并推荐采用AIJ的计算方法计算该结构的抗弯刚度.

煤层钻孔周围应力场的分析与模拟

煤矿瓦斯灾害一直是世界采矿业中的重大灾害之一,瓦斯抽采是积极防治的有效措施.为了研究地应力等因素对煤层钻孔周围应力的影响,从理论上分析了煤层钻孔周围的应力情况,并利用UDEC数值模拟软件对晋煤集团寺河矿工作面埋深370 m直径为95 mm的钻孔进行数值模拟,通过研究其周围应力场的变化规律,分析了钻孔周围的地应力等各种因素对煤层钻孔周围应力场的影响.

新工科背景下力学虚拟仿真实验建设

蓬勃发展的新经济和不断变革的新产业对培养现代工程人才的综合素质提出了新要求,培养理论基础扎实、实践创新能力突出、职业素质高、国际竞争力强的复合型人才成为新工科建设的新目标。我校土木工程专业通过了土木工程专业认证,是首批国家级一流本科专业建设点,应以“一流专业”建设作为综合改革的“催化剂”,以校企合作深度融合为载体,在新工科的人才培养中加强虚拟仿真技术的应用,有效解决新工科培养中实践基地紧缺的问题,同时是培养学生综合创新能力的一种有效实验手段。

钢化真空玻璃球形支撑的玻璃压痕应力场理论及分析

针对钢化真空玻璃球形支撑物对玻璃压痕的应力场分布问题,采用接触力学,对Hertzian压痕方程进行了修正,推导了三维应力场方程,同时,对完全发展的锥形裂纹的应力强度因子进行了数值求解。结果表明,在球体与玻璃接触区域内,所有的主应力都是压应力,主应力σ1导致了裂纹的萌生,而主应力σ2形成了环形裂纹。与玻璃表面正交的最小主应力从接触边缘向外偏离,形成的近似平行的曲线即为锥形裂纹的形状,而最大拉应力总是垂直于这些曲线。因此,在最大主拉应力的作用下,球体加载后裂纹遵循最小主应力的轨迹。裂纹尖端的应力强度因子决定了断裂韧性,随着裂纹的扩展,应力强度因子减小,在离表面一定距离后,应力强度因子达到临界值,裂纹停止。不同压痕载荷下的归一化应力强度因子是一组具有相似形状的曲线。

穿层钻孔水力压裂试验研究

煤储层透气性低是制约煤矿瓦斯抽采的关键因素,为提高煤储层透气性,增加瓦斯抽采效果,依靠水力压裂技术,采用穿层钻孔对煤层进行激励,形成裂缝,达到增透的目的。同时,采用理论分析和现场试验的方法,对穿层钻孔水力压裂技术进行研究。压裂后压裂孔透气性系数增加了6~12倍,抽放纯量提高了24~30倍。水力压裂技术大幅地提高了煤层的透气性和钻孔瓦斯抽放量,是一种有效的煤储层增透工艺。

层状千枚岩的断裂特性

采用中心直切槽半圆盘层状岩样测试了层状千枚岩的断裂性能,并基于黏结单元建立了层状岩石的有限元数值计算模型,系统研究了层理倾角、层理强度、层理间距及切缝倾角等参数对层状千枚岩断裂特性的影响。结果表明:当层理倾角在0°~90°范围内时,Ⅰ型断裂韧度逐渐增大,峰值载荷和峰值位移也呈增大趋势;层理倾角为零时,发生张拉破坏。层理倾角在15°~45°时,剪切破坏占主导;层理倾角在60°~90°时,张拉破坏占主导。层理倾角为零时,破坏模式受层理强度影响较小;层理倾角分别为15°和30°时,随着层理强度增大,试样由剪切破坏向拉-剪耦合破坏演化;层理倾角在45°~90°时,试样均呈现拉-剪耦合破坏,且随着层理强度增大,试样有向拉伸破坏为主演化的趋势。层理间距较小时,裂纹呈沿层–穿层阶梯状扩展趋势明显;切缝倾角较大时,裂纹穿层扩展趋势明显。

混凝土空心砖抗折性能数值研究

以弹性损伤机理的有限元程序模拟混凝土空心砖的抗折性能.在数值模型中,为了体现混凝土材料的非均匀性,假定单元的材料性能服从韦伯尔分布.利用该模型,可以得到混凝土空心砖在荷载作用下的裂纹起裂、发展直至最后破坏的全过程.结果表明:空心砖的抗折强度随着壁厚和均质度系数的增加而增大,随着空洞率的增加而减小,数值计算结果和试验结果吻合较好.

基于CAD与CAE异地协同的齿轮轴设计

利用机械设计中广泛使用的AutoCAD软件与工程分析ANSYS系统实现设计与分析的异地协同。AutoCAD设计绘制的齿轮轴经由局域网或互联网 ,传输至安装有ANSYS系统的微机终端 ,ANSYS系统对所传数据进行识别和转换后开展静力响应分析 ,并将分析结果反馈供设计方评估和组织改进 ,必要时可重复多次传递和分析过程 ,针对齿轮轴的协同设计研究 。

混凝土骨料周围水泥浆收缩裂纹形成机制

为实现混凝土水泥浆硬化收缩在骨料周围产生裂纹的预测问题,通过环向应力传感器试验测试水泥浆在硬化过程中对骨料的特征应力,并通过混凝土收缩平面弹性模型,建立特征应力与水泥浆体和骨料的函数关系。同时,建立水泥浆基体和骨料的2种界面(光滑界面和完全结合界面)类型的断裂力学模型,通过数值计算分析水泥浆收缩时裂纹扩展驱动应力和时间的上限和下限。研究结果表明:水泥浆硬化收缩时特征应力与时间满足Langmuir函数关系,相关系数达0.97以上。光滑界面和完全结合界面模型中裂纹长度因子均随归一化裂纹长度的增大先迅速增大而后缓慢减小,且归一化裂纹长度在0.55~0.65之间时2个裂纹长度因子均达到最大值。裂纹扩展的临界应力和临界时间对裂纹尺寸均具有显著的依赖性,随归一化裂纹长度增大先急剧减小而后缓慢增大,均在归一化裂纹长度在0.5~0.7之间出现极小值,此时裂纹扩展所需要的驱动应力最小,时间也最短。同一归一化裂纹长度时,光滑界面时的临界压力和临界时间均小于完全结合界面,光滑界面时比完全结合界面更容易导致裂纹扩展。基于光滑界面和完全结合界面模型裂纹扩展难易程度分析,进而能够预测实际水泥浆基体和骨料界面结合形式及结合程度。

孔隙数量及空间分布对砂岩三轴抗压强度影响分析

为了弥补三轴压缩状态下孔隙岩石三维建模的缺陷,以砂岩为研究对象,通过对取样砂岩加工的标准圆柱试样进行试验,得到砂岩的力学参数及孔隙率,使用FLAC3D软件及自带的FISH语言建立与实际砂岩孔隙率相等的砂岩标准圆柱试样随机孔隙模型。以此模型为基础,应用数值模拟试验方法,通过三轴模拟试验进行孔隙数量和孔隙空间分布对孔隙砂岩强度影响的研究。结果表明:随着孔隙数量增加,孔隙率增大,砂岩三轴抗压强度降低,同一围压下的三轴抗压强度呈现指数递减趋势,并得出了拟合公式;孔隙率不变时,不同孔隙空间分布模型的三轴抗压强度误差在5%以内,即可认为孔隙空间分布对砂岩三轴抗压强度没有明显影响。研究结果可为孔隙岩石三轴抗压强度评价提供参考。

不同地表温度的热扩散对风沙流的影响

作者建立了描述在来流水平风场和由于地表热扩散产生的垂向风场联合作用下的风沙流发展过程的基本方程。通过定量分析表明,地表温度引起的热扩散对风沙流发展过程的影响十分明显。在此基础上,给出地表热扩散对风沙流中输沙率以及风沙流达到充分发展的时间等的影响规律。

重视学生工程素质的培养与提高

对于一个在能源科学和工程技术方面特色鲜明的学校来说,注重培养学生的工程素质是首要的任务;力学学科是大部分工科学生必修的课程,加强力学在工程中的应用,是培养工科学生的关键所在。

辅助教学管理软件的研究与实现

随着招生规模的扩大,传统的教学管理和统计方式不仅工作量大,而且效率低。学校采用的清华大学教务管理系统已不能满足办公的需求,因此,在清华教务管理系统的基础上,采用VB与ACCESS开发了辅助教学管理软件。

煤矿瓦斯抽采增产机制及关键技术

瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理的主要途径。长期以来,广大科技与工程技术人员研制了多种瓦斯抽采技术,为我国煤矿安全生产提供了有力保障。但是对于一些突出严重的低渗煤层仍存在抽采效率低、成本高的问题,迫切需要形成一套系统的、能够实现瓦斯抽采由"抽得出向抽得快、抽得省、抽得纯、抽得净"转化的技术体系。为此,首先系统介绍了煤岩体结构的定量表征、瓦斯运移产出机制和基于煤岩体结构的瓦斯运移产出过程,并以此瓦斯抽采增产理论为基础,从物理、生化和表面改性等方面厘清了瓦斯抽采增产机制,最后结合团队近20年从事瓦斯治理工作的研究成果,系统分析了水力压裂、钻冲压一体化、老孔修复、三堵两注固液两相封孔、下向瓦斯抽采孔自动排水排渣气驱、地面以孔代巷等六项瓦斯抽采技术的增产原理,简要介绍了研制的相关装备、装置和器材以及现场应用效果。指出煤体结构决定了煤层的可改造性,决定了瓦斯的运移产出流态,进而决定了瓦斯抽采增产技术的选择,是瓦斯治理技术体系建立的基础。揭示了瓦斯抽采的多重增产机制:造缝增透、增容增透、气驱增产、气胀致裂增透、微生物降解增产、强氧化剂氧化增产和表面改性增产等,指出水力压裂、钻冲压一体化、地面以孔代巷三项技术是以增透增产为主要途径的水力强化措施;三堵两注固液两相封孔、老孔修复增透、下向孔自动排水排渣三项技术则是以多重增产机制为基础,以延长抽采钻孔使用寿命、提高抽采瓦斯的质和量为途径的增产技术;气驱技术的本质是增加瓦斯压力梯度、实现抽采后期低压煤层瓦斯抽采增产。已经完成的工程试验和推广应用充分显示出这一技术体系的潜在优势,随着这一技术体系进一步的标准化和程序化,将成为煤矿瓦斯高效抽采的一种普适性技术,其推广应用将大幅度降低瓦斯治理成本。

围岩—煤储层缝网改造增透抽采瓦斯理论与技术

现行的储层改造工艺仅适用于硬煤,对软煤则无能为力,这是造成我国煤层气产业化难以取得突破的主因这一,探索一种实现各类储层强化增透的普适性技术是当务之急。为此,采用理论分析与现场试验相结合的方法,系统分析了水力压裂过程中径向引张、周缘引张和剪切裂缝等多级、多类裂缝形成的力学机制,揭示了围岩—煤储层缝网改造的增透机理。结果表明:水平井分段多簇射孔压裂、水力喷射分段压裂、四变压裂以及一些辅助措施是实现缝网改造的有效技术途径,尤其是四变压裂使得煤层气垂直井和丛式井的缝网改造成为现实。结论认为:围岩抽采层缝网改造技术以钻井施工安全、可改造性强、抗应力敏感和速敏能力强、适合于任何煤体结构煤储层为特点,因而具有显著的优势;该技术除了在围岩水敏性极强、富水性强的条件下使用尚有局限外,具有广泛的适应性。煤层气地面开采和煤矿井下抽采成功的工业性试验表明,所构建的围岩—煤储层缝网改造理论和技术体系,将作为一种广普性的增透措施在我国煤层气井地联合抽采领域发挥作用。