巷道防冲吸能钢管混凝土拱架支护性能研究

针对目前巷道支护中钢管混凝土拱架缺乏可缩让压性能的问题,从吸能让位角度设计了一种防冲吸能钢管混凝土拱架结构。通过Abaqus建立新型钢管混凝土拱架与围岩组合模型,在静载与动载两种荷载状态下,对比分析新型拱架对巷道的支护效果与抗冲击能力。结论如下:①根据合理的让位阻力特性设计吸能构件壁厚与尺寸,在拱架上部连接处和底弧段中部设置吸能构件,可避免弯曲过大发生失稳。套管形状依据U型钢拱架卡揽结构设置为折纹型,与拱架摩擦实现缩动让压;②在竖向与侧向冲击下,优化后拱架支护巷道各点位移量呈减少趋势,降低了拱架顶弧段下沉与底弧段上拱,支护效果更强;③静载作用下,优化后拱架与吸能构件接触后,拱架各点处塑性应变不再增加,吸能构件代替拱架发生形变。在受到动载后,吸能构件能快速响应,同时拱架两帮拐角发生弯曲变形,其余部分仍未发生明显变形。吸能构件压溃后,拱架整体塑性应变开始增加,最终优化后拱架各点等效塑性应变竖向与侧向冲击下分别降低了10%~50%和13%~78%。

培养高水平应用型人才的课程思政新型体系构建

高水平应用型人才培养是高等教育机构的重要任务,既要让学生拥有深厚专业知识,还要让学生具备高尚的道德品质,成为有担当、有责任、有创新精神的社会栋梁。通过思政教育进课堂、进头脑、进行动、出能力、出创新、出情怀,构建培养高水平应用型人才的“三进三出”课程思政新型体系,提升课程思政水平。同时提出构建“三进三出”课程思政体系的主要措施、推进方式和评价体系。

冲击危险区域多元地球物理指标动态辨识方法及其应用

精准识别冲击危险区域并给出危险程度及其演化规律对冲击地压防治具有重要意义。采用变形局部化与多元地球物理指标空间扫描相结合的方法,探究大能量事件发生区域的微震前兆特征,追踪冲击危险区域的动态演化过程。基于变形局部化原理,利用梯度显著性指标识别变形局部化区域,圈定冲击危险区域;采用滑动窗扫描方法,研究了变形局部化区域内的b、A(b)、S等物理指标空间分布特征,以掘进期间梯度显著性指标识别的微震聚集区域内大能量微震事件对应的b、A(b)、S、△F、A(t)作为划分工作面回采期间冲击危险等级的阈值;利用贝叶斯网络法分析各个物理指标预测危险区域的效能,构建综合预测危险区域模型,计算物理指标权重并得到综合预测指标,并以513工作面进行实例分析。结果表明:地球物理指标可以识别微震聚集信号,判断危险区域,根据513工作面实际监测数据判断出3个微震事件聚集区域;物理指标的空间扫描结果与微震数据的聚集区域具有同步的特征,大能量事件发生时,所在区域的物理指标值高于冲击危险阈值,物理指标空间扫描辨识的危险区域与微震数据聚集区域基本一致;利用综合预测危险区域模型,对工作面回采期间危险区域进行迭代式预测,结果表明:冲击危险事件多发生在综合预测指标所预测的强冲击危险区域内,并随着回采期间微震数据的叠加,强冲击危险区域逐步集中,与冲击危险事件位置的重合度更高。综合预测指标预测效能总体高于单个物理指标,显著增强了精准预测冲击危险区域的能力。

颗粒填充钢管支护构件防冲减震性能研究

为解决钢管混凝土内部混凝土收缩产生裂缝导致支护效果减弱问题,基于光滑粒子流(SPH)方法研究砂石颗粒充填钢管防冲减震性能,采用有限元软件建立砂石钢管和钢管混凝土受到轴向冲击与循环荷载作用模型,通过吸能指标与阻尼比进行对比,最终充填至巷道拱形支架中分析二者支护效果。研究结果表明:顶板轴向冲击时砂石钢管顶板能量衰减更多,且内部塑性耗散能密度更大,产生裂缝的概率更低。砂石钢管内部颗粒黏聚效果良好更早进入回升段,恒载段更加稳定,吸能效率更优;循环荷载作用时砂石钢管内部颗粒具有较好黏聚力与摩擦耗能作用,滞回曲线宽度增幅较小,砂石颗粒钢管阻尼比大于钢管混凝土,耗能效果较好;在巷道支护中,砂石充填拱架支护巷道位移量与拱架等效塑性应变值基本小于钢管混凝土拱架,其中两帮底部受弯较严重位置巷道位移量与拱架等效塑性应变大于钢管混凝土。研究结果为钢管支护构件在巷道支护的运用提供有益参考。

预折纹吸能构件恒阻性能优化研究

目的防冲吸能构件作为冲击地压发生时保护液压缸正常工作的核心构件,其支护效果是评判吸能防冲液压支架优劣的重要标准。方法基于应用广泛的方形预折纹吸能构件,采用鱼群优化算法,运用数值仿真和数据处理软件协同分析方法,建立吸能构件的优化流程,得到吸能构件的加肋区,并与原构件对比,证明方案可行性。结果结果表明:(1)方形预折纹吸能构件由完全相同的8个梯形与8个三角形组成,以中轴线对称排列组成。通过分析构件形变情况,可知其形变较大区域集中在三角形区域上部与梯形区域底部,且有沿两腰预折纹向顶部延伸趋势,梯形侧壁中部出现塑性变形带;(2)通过对方形预折纹吸能构件进行局部加厚,承载力-位移曲线在弹性段形变结束后的衰减程度明显降低;(3)与原构件相比,优化后构件压溃峰值荷载增加,且各项支护性能均得到不同程度提升,吸能构件的优化效果良好。结论本文中的新型加肋优化方法具有可靠性与可行性,对预防冲击地压具有重要意义。

围压作用下新型支架抗冲击性能研究

目的 针对巷道传统门式支护结构承载力不足的问题,提出一种多向吸能防冲支护结构。方法 通过建立与围岩协同作用下的数值分析模型,研究支护体系在面对静载、竖向冲击与横向冲击工况时的支护效果。结果 结果表明:(1)静载工况下,巷道左柱与右柱的柱顶与柱底最易发生破坏;新型支架只发生较小的竖向位移,支护效果较好。(2)竖向和横向冲击作用下,巷道易发生破坏位置分别为巷道拐角处和巷道顶底中部;横向冲击时,巷道顶底中部有发生破坏趋势,后续需要对支架中柱进行加强。(3)新型支架在面对竖向冲击与横向冲击工况时其形变趋势基本相同,首先出现屈服位置为顶梁连接处与立柱结构连接处,后续可针对该位置进行强化。(4)相比传统门式支架,新型支架的柔性链与V形槽结构受到冲击时能够迅速响应,为支护结构提供较好的保护作用。结论 研究结果为门式支护结构在巷道支护中的运用提供参考。

岩石变形破坏全过程的变形场和能量演化研究

以白光数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过单轴压缩试验对一种红砂岩变形破坏全过程的变形场和能量演化特征进行研究。利用CCD(charge-coupled device)相机记录试验加载全过程的试件表面散斑场图像,采用数字散斑相关方法对试验图像进行分析,计算得到了岩石变形破坏过程中试件表面变形场、变形局部化区域的位移错动量值和试件表面变形能密度量值,并对变形局部化带的位移演化和变形能量演化特征进行分析。从试验结果分析得出:岩石试件变形局部化带的位移演化在加载峰值前基本上保持线性演化规律,而其位移错动加速与加载峰值点相对应,岩石试件加载峰值后阶段的承载力变化主要受变形局部化带的位移演化影响;岩石试件在加载过程中的能量释放和能量积累规律与局部化带的演化有关,体现出局部能量释放和整体能量释放两种形式。

断层黏滑动态变形过程的实验研究

实验研究断层黏滑过程的变形演化,尤其是失稳黏滑瞬间的断层位移演化特征,对于了解地震从孕育到发生的全过程具有重要意义.本文基于数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM),用三套图像采集系统(两套低速和一套高速图像采集系统)搭建了断层黏滑过程的多观测区域、多时间尺度的变形场测量系统,并用此系统对一种花岗岩双剪滑动模型的黏滑过程进行了实验研究.对间黏滑期和黏滑期断层位移演化特征进行深入分析的结果表明:间黏滑期断层位移演化体现出空间上的非均匀性和时间上的"趋同化"特征,断层滑动趋同化也许是断层错动匀阻化的一种宏观表现形式;断层黏滑动态过程持续时间非常短(本文300mm断层黏滑过程持续时间约在1ms量级),黏滑失稳前会出现预滑,预滑出现到黏滑失稳发生所经历的时间与黏滑失稳过程所用时间相差一个量级;断层的一次黏滑由若干个滑动速度不同的、小的失稳滑动组成,黏滑失稳过程中断层的滑动速度呈现出波动性,整个滑动过程中断层经历了多个高速滑动和低速滑动的交错.

岩石变形破坏的数字散斑相关方法研究

采用白光数字散斑相关方法作为实验的观察手段,对单轴压缩条件下岩石变形破坏进行实验研究。根据实验中数据采集方式的不同要求,将实验分成2组进行:一组是通过CCD相机记录岩石加载全程的试件表面散斑图像,进行岩石加载全程的变形演化实验研究,根据计算结果对岩石加载全程的变形演化和变形集中区域的位移演化进行研究;另一组是通过高速相机记录岩石破坏瞬态过程的试件表面散斑图像,进行岩石破坏瞬态过程的变形演化实验研究,采用不同时刻的散斑图像作为参考帧,分别进行塑性硬化到峰值阶段变形场演化特征、峰值到破坏阶段变形场演化特征的分析。同时,实验研究中还得到试件加载过程中局部化带内变形量值、带内变形最大值与最小值之比,带内最大值与带外平均值之比,以及试件表面裂纹扩展的平均速度等定量参数。

断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究

以白光数字散斑相关方法作为试验的观察手段,采用双轴加载方式对一种花岗闪长岩进行直剪摩擦滑动试验,通过搭建高速数据采集系统对断层冲击地压失稳瞬态过程进行研究,观测和分析冲击失稳过程中断层位移演化时间和空间的特征。试验结果表明:(1)断层冲击地压发生与侧向压力量值有关,断层冲击地压发生需要满足一定的侧向应力条件,当侧向压力较小时,断层发生稳滑,不会发生冲击地压;(2)随着侧向压力的增加,发生断层冲击的峰值应力增加,断层冲击地压发生时的应力降增加;(3)冲击失稳过程中断层位移演化在时间上表现出间隔滑动特征,并且滑动间隔时间随着侧向压力的增加而增加,断层第一次失稳滑动的距离和滑动速度大于第二次滑动的距离和滑动速度;(4)冲击失稳过程中断层位移演化在空间上表现出滑动的差异性特征,断层不同位置处的失稳滑动量值和滑动演化特征不同,表现出断层观测点的滑动量值随着与加载端的距离增加而增加的趋势。

冲击载荷作用下岩石动态断裂试验研究

以自行研制的可调速落锤冲击试验机进行加载,通过高速相机搭建数据采集系统,采用数字散斑相关方法作为试验的观测方法,开展5组不同预制裂纹长度的花岗岩试件在冲击载荷作用下的动态断裂试验。并对岩石I型裂纹在冲击载荷作用下的位移场演化、裂纹动态断裂的裂尖张开位移、裂纹尖端的扩展历史、动态断裂的应力强度因子进行了定量研究。试验结果表明：对于单一试件而言,在落锤开始与岩石试件的边界接触到试件的预制裂纹开始扩展整个过程中,裂纹尖端的应力强度因子KI呈递增趋势,KII与KI相比,相差1~2个数量级。对于不同预制裂纹试件,在落锤冲击加载作用下,总体表现为一定的预制裂纹长度范围内,随着预制裂纹的长度增加,裂纹尖端应力强度因子呈增加的趋势。

洞室围岩三种破坏形式的试验研究

为探讨洞室围岩的破坏过程和机制,进行拉断裂和远场断裂破坏、V型坑破坏及分区破裂化3种破坏形式的试验研究。试验中采用平面和空间加载方式对预制洞室模型进行加载,通过白光散斑数字相关方法和声发射对模型洞室围岩的破坏过程进行监测,进而对3种破坏形式的形成机制进行分析。拉断裂和远场断裂破坏试验表明:远场断裂产生的力学机制主要是以拉应变集中,即拉断裂为主,拉压联合作用的结果;V型坑破坏试验表明:洞室围岩从局部破坏发展形成V型断裂区,后续断裂从V型断裂区尖端形成,向洞室围岩深部扩展;分区破裂化试验表明:洞室围岩深部的环向断裂是从洞室边界的局部破坏区尖端开始,向洞室围岩深部扩展,并在洞室边界与围岩深部环向断裂之间形成完整的没有破坏的区域。

冲击载荷作用下岩石Ⅰ型裂纹动态断裂试验研究

以可调速落锤冲击试验机作为试验加载装置,采用数字散斑相关方法作为试验的观测手段,通过搭建高速数据采集系统,对岩石Ⅰ型裂纹在冲击载荷作用下的动态断裂进行试验研究。试验研究了冲击载荷作用下岩石Ⅰ型裂纹扩展过程位移场的演化特征;分析了岩石在冲击加载速度下裂纹扩展速度以及裂纹扩展距离随时间的变化规律;定量得到了岩石Ⅰ型裂纹动态断裂的裂纹张开角;同时开展了不同冲击加载速度下岩石Ⅰ型裂纹扩展速度的关系研究,研究结果表明,在试验所进行的中低速冲击加载情况下,裂纹扩展速度随着冲击速度的增加而增加,近似呈线性关系。

深部高应力载荷作用下的洞室变形破坏实验

为了揭示深部高应力岩体工程中所体现出的围岩分区碎裂化现象的机理,采用模拟试验的方法,研究了高应力作用下材料性质,支护,试件尺度对围岩分区碎裂化产生的影响。结果表明:所做的相似材料模拟试验,在洞室周围都观察到了围岩分区碎裂化现象;围岩分区碎裂化形成的应力条件与材料性质有关,脆性材料中更易出现分区碎裂化现象;洞室的破坏程度与支护有关,在有支护条件下,断裂间距减少,破裂程度减弱;试件的长度对分区碎裂化现象的产生影响不明显。该成果对深部高应力岩体工程具有一定的参考价值和指导意义。

基于变形场演化的洞室岩爆特征实验研究

为了研究洞室岩爆特征问题,在洞室围岩变形场演化特征实验研究基础上对洞室岩爆的力学机制进行解释.采用双轴加载方式,对一种含有洞室的砂岩岩板进行压缩实验,通过白光数字散斑相关方法作为实验监测手段,对洞室变形破坏过程中的位移场和应变场演化进行实时监测,根据实验结果对洞室岩爆特征进行分析.研究结果表明:洞室岩爆过程经历了洞室围岩的局部破坏和结构整体失稳破坏两个阶段,从洞室岩爆力学机制可以得出,洞室岩爆是由拉伸和剪切两种作用机制共同作用的结果.

煤破坏过程中的温度演化特征实验研究

以红外热像仪和数字散斑相关方法作为试验观测手段,对一种煤试件进行实验研究,观测和分析煤试件从变形到破坏过程中的变形演化、温度演化及二者的对应变化关系。研究结果表明:(1)煤试件变形场演化主要体现为初期的均匀变形演化到加载峰值前的变形集中带形成,加载峰后阶段主要为变形集中带的加速滑动;(2)煤试件温度场演化在加载峰前由于受压应力作用,内部质点间距发生改变的热力耦合效应引起温度上升,在加载峰后阶段由于变形集中带内煤体受拉剪作用及变形集中带的滑动,引起温度降低;(3)煤试件在变形破坏过程中存在明显的温度场变化,且变形集中带内、外温度演化特征相似,加载峰前阶段温度增加,加载峰后阶段温度降低,但变形集中带内温度总体高于带外温度。

冲击地压预测的煤岩变形局部化方法

冲击地压预测是冲击地压防治的前提和基础,是冲击地压研究中的一个重要内容,针对目前冲击地压前兆和冲击地压孕育过程之间内在的本质联系不清问题,从煤岩变形破坏的固有特征及冲击地压的失稳问题本质出发,借鉴经典力学中的能量原理,提出了以煤岩变形局部化为前兆的冲击地压预测方法。根据虚位移原理和稳定性理论,推导并得到了冲击地压发生临界条件和煤岩变形局部化发生条件,分析煤岩变形局部化与冲击地压内在联系。采用梯度塑性理论,通过引入内部长度参数,构建煤岩变形局部化模型,分析了变形局部化带宽带的影响因素。给出了测量内部长度参数的实验方法,对变形破坏向某一区域集中,且集中区具有一定尺度的现象进行理论解析。根据变形局部化的时空演化特点,引入描述变形局部化的空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标,从“时间演化”属性和“结构演化”属性对变形局部化状态进行识别。对变形局部化预测方法进行初步的应用研究,分别采用实验的声发射数据和现场的微震数据,预测煤岩试件破坏区域和煤矿冲击地压危险区域。研究表明:煤岩变形局部化开始条件和冲击地压发生的临界条件相同,即冲击地压孕育演化过程和煤岩变形局部化的过程具有一致性;煤岩变形局部化带宽度与材料内部长度参数和煤岩冲击能指数有关,随着材料内部长度增大,变形局部化带宽度线性增大,随着煤岩冲击能指数增大,变形局部化带宽度非线性减小;根据实验和现场初步应用结果,表明空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标能够描述和追踪变形局部化时空演化特征,变形局部化预测冲击地压危险区域方法具有可行性。

混凝土硬化变形特征与破坏规律相关性实验研究

通过CCD相机搭建试验的数据采集系统,以数字散斑相关方法对试验中采集的散斑图像数据进行分析,研究混凝土试件硬化过程中试件表面变形场演化特征及其对后期受载破坏规律的影响。试验结果表明:(1)混凝土硬化变形时空演化表现为变形缓慢增加、变形快速增加、变形稳定3个阶段特征;混凝土硬化变形时空演化过程是一个从拉、压区域不断调整到最终稳定的动态过程,调整过程中在受拉区形成损伤集中区;混凝土硬化变形场空间演化特征表现为由不均匀分布演化为拉、压应变区域呈条状相间的分布状态。(2)受载过程中裂纹在硬化变形受拉较大的区域开始发育,随着荷载的增加裂纹沿着硬化过程中形成的条状受拉区域扩展成宏观裂纹且试件表面裂纹具有等距分布特征。

原油/三元复合体系乳状液渗流规律的理论和试验研究

通过原油 /三元复合体系乳状液渗流规律的试验研究 ,得出了原油 /三元复合体系乳状液在多孔介质中的渗流曲线 ,通过理论分析 ,建立了原油 /三元复合体系乳状液渗流的数学模型 ,理论分析与试验结果比较吻合。

地质体裂隙等间距性的理论研究

为了预测断裂可能发生的空间位置及其规律,断裂等间距性即要模拟材料的弹性性质又要模拟材料的断裂性质,决定了建立其定量理论的复杂性。对断裂等间距性进行了初步理论研究,采用非欧模型,建立断裂等间距的一维理论模型,通过对模型的求解,给出一维条件下应变不协调张量有解条件及相应单轴拉伸条件下的应力分布规律,并对方程中拟和系数影响进行了讨论。理论分析对相关的断裂等间距问题研究提供参考。