基于VMD和GA-SVM的矿井地震自适应噪声压制方法

煤矿井下地震信号往往呈现出复杂的波场特性且伴随着大量噪音干扰,导致地震信号的初至拾取精度降低,从而影响地震数据的反演与解释。针对复杂干扰环境下采集的低信噪比地震信号,提出了基于变分模态分解(VMD)和遗传算法优化支持向量机(GA-SVM)的地震噪声压制与初至提取方法,以提高煤矿井下复杂噪声条件下的地震信号质量。采用变分模态分解对含噪地震信号进行自适应分解,得到数个的变分模态分量(IMF);对VMD分解得到的IMF分量进行特征提取,将提取所得的信号特征作为信号有效性判别的依据;利用遗传算法对支持向量机模型进行优化,得到最优的惩罚因子c与核函数参数g;利用优化后的支持向量机模型对IMF分量进行有效性判别并将有效分量重构成高信噪比信号;通过对人工加噪的地震信号应用噪声压制算法,煤矿井下常见的不同类型噪声被有效地压制,验证了算法的可行性;对矿井巷道实采的地震记录进行噪声压制处理,有效地压制了数据中的干扰噪声,极大程度地提高了地震记录的信噪比,使初至拾取得更加准确。结果表明,基于VMD和GA-SVM的地震噪声压制方法可以很好地提取含噪地震记录中的有效信号,提高初至拾取精度,在矿井复杂干扰条件下具有显著的应用潜力,对解决矿井复杂干扰条件下的地震勘探问题有重要意义。

钢粒子迟滞重复冲击破岩硬岩损伤破裂特征研究

粒子冲击辅助破岩技术凭借其快速、高效等优点,对硬质岩体有着较好的破岩效果。通过粒子冲击试验和离散元模拟相结合的方法研究单、双粒子冲击速度、双粒子间距等因素对高强度花岗岩表面、三维及剖面形貌特征的影响,探寻冲击坑深度、冲击坑体积及冲击坑表面面积随冲击参数的变化规律,统计粒子冲击破岩裂纹的分布规律,并且从能量吸收率的角度评价双粒子迟滞冲击破岩的效能。结果表明:冲击坑深度与冲击速度呈正相关;随着粒子间距的增大,冲击坑由相交逐渐相离,形貌随之变化,冲击坑体积随之减小,而冲击坑表面面积增大;通过模拟发现,裂纹主要分布在斜长石与钾长石的晶界处,以拉伸破坏为主;当选用5mm直径的钢粒子破碎强度200MPa左右的极坚硬花岗岩时,双粒子迟滞冲击破岩的能量吸收率曲线随粒子冲击速度增大趋于平缓,在双粒子迟滞冲击破岩的粒子间距为8~10 mm且冲击速度400 m/s左右时能达到最佳的冲击辅助破岩效果。

循环剪切作用下三维粗糙裂隙非线性渗流特性数值模拟研究

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪切位移和循环次数下接触面积和开度分布情况,发现当循环次数一定时,随着剪切位移的增加,原本吻合的上下表面发生错动,平均开度和各向异性增大,接触面积减小;剪切位移一定时,随着循环次数的增加,上下表面起伏在剪应力作用下被磨平,接触面积增大,平均开度减小。将模型导入数值模拟软件进行计算得到流量数据,结果表明,水力梯度随流量变化规律符合Forchheimer定律。循环1次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了88.3%,非线性Fochheimer系数减小了95.2%;循环2次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了95.4%,非线性Fochheimer系数减小了99.7%,两系数减小的幅度随循环次数增大而增大。进一步分析发现,剪切位移的增加对裂隙渗透性有促进作用,循环次数增加对渗透性起抑制作用。此外,归一化渗透系数随雷诺数变化规律与Zimmerman等提出的预测公式相吻合,且本研究数值模拟计算结果与其公式的拟合系数趋近1,公式中的Fochheimer系数β随剪切位移增大而减小,随循环次数增大而增大。

基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单/三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:(1)微波照射下,试样出现2个相对低温区域和1个热点区域。在低照射功率(≤2 kW)情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。(2)对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。(3)对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。

高温作用后砂岩-混凝土黏结界面拉伸力学特性研究

热灾害频发对地下工程的安全性提出了挑战,尤其围岩-衬砌黏结界面作为地应力传递的“纽带”,对支护结构的稳定至关重要。文章对不同界面粗糙度的砂岩-混凝土组合圆盘开展25~800℃高温处理后的劈裂试验,结合单一材料性能、界面黏结机理和组合圆盘的破裂演化过程,分析了粗糙程度、温度效应对界面拉伸强度和劈裂模式的影响。结果表明:组成围岩-衬砌结构的混凝土和砂岩的物理力学性能均随温度的升高出现一定程度的劣化,且前者受热损伤程度远大于后者。高温作用下,热裂隙并不局限于界面过渡区,而是主要汇集在砂岩和混凝土结构内部;同时,组合体的拉伸强度基本介于两种材料强度之间,说明岩-混凝土黏结界面未必是组合结构的薄弱面。存在以JRC=5.86的阈值粗糙度,砂岩-混凝土组合试样的拉伸强度以此为界先降低而后增强,这种强度变化趋势在25~400℃温度范围内相当显著(降幅介于49.11%~59.31%,增幅达56.13%~69.79%),而600℃和800℃加热后强度变化基本趋于平缓(降低24.09%~28.85%,无明显回升)。破裂演化过程表明,随着加热温度的提高,组合试样的劈裂模式由端部压剪破坏向中部拉伸破坏过渡;增大界面粗糙度使得界面从端部单点起裂向多点复合断裂转变。

济南多要素城市地质调查成果及应用浅析

济南市于2009年被列为山东省首批开展城市地质工作的城市,目前已形成诸多较为丰富的调查成果。以济南自贸区为试点,采用遥感解译、野外调查、建构筑物调查、钻探、物探、水文地质试验、水土测试、三维可视化模型建设等综合手段,开展高精度、全要素城市地质调查,查明了区内地质资源与地质条件,开展了工程建设适宜性评价和地质环境综合质量评价,搭建了地上地下三维一体化模型,开发了城市地质信息服务与决策支持平台,对自贸区国土空间规划、重大工程建设及地下空间资源开发利用提供技术支撑。

千米深井解放层开采卸压机理及效果分析——以华丰煤矿为例

解放层开采是煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿动力灾害防治的重要措施,以山东泰安千米深井华丰煤矿2613、2412工作面为背景,采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,围绕解放层开采卸压机理、卸压效果评价等工程科学问题开展研究,明晰解放层开采后上覆岩层运动规律及矿压变化特征,厘清被解放层采动过程中采场应力与岩层位移演化规律,进而对解放层开采卸压效果和被解放层开采可行性进行指标化评价。结果表明:(1)解放层开采过程中,上覆岩层逐渐垮落形成漏斗状、非对称的多固支梁状结构,解放层开采结束后,采场左右两端分别形成对被解放层起永久性卸压保护的类悬臂梁结构,左右保护角分别为54°、60°。(2)解放层上覆岩层划分为“永久性卸压保护区”和“采空触矸压实区”,两种应力分布区对应解放层顶板应力最大值约20、36 MPa,对应被解放层内最大应力值约29、24 MPa,被解放层受两种应力区的叠加影响。(3)解放层开采结束后,工作面两端出现应力积聚,其他区域上覆岩层整体处于卸压状态,“采空触矸压实区”的持续发育已影响到被解放层,被解放层50~100 m区域沉降量约等于采高。(4)被解放开采过程中,覆岩板裂指数f为0.5,小于临界值0.7,不具有发生强矿压动力灾害的倾向,上覆岩层扰动范围较开采前变化极小,同时结合覆岩破坏形态,可知,被解放层开采始终处于解放层卸压范围内,解放层卸压充分,被解放层开采具有可行性。

化学腐蚀下节理花岗岩法向刚度演变规律试验研究

通过开展侧限条件下完整试样及不吻合节理试样法向荷载压缩试验,研究了节理花岗岩法向应力及法向闭合的变化特征,揭示了不同化学溶液酸碱值pH(1、3、7、12)和不同腐蚀时间t(10、30、100 d)条件下含不同初始开度b的节理试样法向刚度演变规律。试验结果表明:不吻合节理试样的应力随应变变化特征不同于完整试样及吻合节理试样,由于节理表面微凸体的崩解,在应力-应变曲线整体增长过程中产生了局部应力降现象。不吻合节理法向闭合曲线呈现非线性的特点,法向位移增加速率随法向应力先增大后减小;相同法向应力下,试样法向位移及节理闭合速率随初始开度的增大而变大。通过引入经典节理闭合模型,分析得出节理试样法向刚度同时受初始开度、pH值及腐蚀天数的影响,其中受初始开度的大小影响最为明显。当pH=1、t=10 d时,法向位移从1~3 mm,b=1.65 mm的试样法向应力较b=3.4 mm的试样提高46.26%~149.46%;节理法向应力及刚度随着酸性溶液pH值的减小而减小;随腐蚀时间增加,不同化学溶液下的部分节理法向刚度先减小后增大。

水下隧道流固耦合模型试验与数值分析

我国水下隧道蓬勃发展,对其进行相似材料试验研究非常必要。通过改装由高强PVC板和型钢组成的试验架,开发光纤监测系统和渗流量计量器,并改进研发的新型固流耦合相似材料,在此基础上以青岛胶州湾海底隧道为工程背景开展流固耦合模型试验。试验过程中记录渗流量和关键点的位移、应力及渗透压力等多元信息。为了相互对比验证,采用软件FLAC3D进行与物理试验相似的数值模拟。代表性工况多元信息的空间分布情况符合一般规律,这说明试验采集的结果是可靠的。与数值模拟相比,物理试验能够考虑开挖扰动、水位波动以及海水浸泡、渗流造成的围岩弱化等因素的影响,其结果更接近于工程实际。

青岛小净距海底隧道爆破振动响应研究

介绍青岛胶州湾海底隧道的工程概况和邻近隧道爆破控制的研究现状。由位于断层破碎带f3-1中的典型断面ZK5+607的几何参数和地质资料构建三维尺寸为215m×86.1m×60m的数值计算模型,对后行隧道上台阶掏槽眼的爆破效应进行分析。采用国际上常用的计算模式模拟爆破荷载,根据FLAC3D动态计算的特点,将爆破荷载以等效应力的方式加载于模拟炮孔之上。以控制点振速峰值和塑性区体积为标准对施工方案进行优选,分析认为施工中应尽量减小各掌子面纵向间距、严格控制掘进进尺和装药不耦合系数、施作中空孔。用优选的方案进行研究并得出结论:爆破施工对海底隧道岩石覆盖层的影响范围在15m之内;施工洞和服务洞的围岩振动影响较大,且爆破工作面前方的爆破振动强度大于后方,在其影响范围内应注意加强监控量测并推迟二次衬砌的施作;施工洞拱部、先行洞迎爆面边墙是爆破振速峰值最大的部位,施工洞拱部出现了应力集中现象和拉应力区,施工中应加强支护。

海底隧道流固耦合相似模拟试验

研制以石蜡为胶结剂的憎水型流耦合相似材料,制作由高强PVC板和型钢组成的试验架,开发光纤监测系统和渗流量计量器,在此基础上以青岛胶州湾隧道为工程背景开展流固耦合相似材料试验。根据海水深度、开挖面积和覆盖层厚度等条件的不同,进行20种工况的试验,记录涌水量和9个关键点的位移、应力及渗透压力等多元信息。研究结果表明:拱顶以上约15 m岩层内开挖卸载效应明显,在施工中应注意加强支护和监控量测;海底段施工时宜采取有效的注浆加固措施;选择水深较小的线路有利于保证隧道的渗透稳定性;设计者应尽量增加隧道空间利用率,减小开挖面积。

基于复变函数方法的水下隧道围岩弹性分析

水下隧道属于浅埋隧道,故其围岩的应力位移分析从力学角度可简化为含圆孔半平面弹性体在水平边界上受任意分布荷载的问题。与深埋隧道不同,浅埋隧道围岩分析在数学处理上历来存在较大的困难。借助Verruijt提供的共形映射函数,把含圆孔半无限平面映射为圆环域,然后将像平面上的解析函数展成Laurent级数,利用Muskhelishvili的复变函数解法,求得问题的应力场和位移场,最后用Fortran语言编写了计算程序。利用该程序给出一个水下隧道算例的围岩应力、位移结果,并分析了其受力变形特点。

青岛小间距海底隧道施工优化的有限差分分析

介绍青岛胶州湾湾口海底隧道的工程概况和国内小间距隧道的研究现状。由位于断层破碎带f3-1中的典型断面ZK5+607的几何参数和地质资料构建三维尺寸为215.0m×86.1m×100.0m的数值计算模型,考虑混凝土衬砌,而钢拱架则以等效方法折算给混凝土衬砌。根据各条隧道开挖支护施工步的空间时间关系、工作面开挖方法、掘进进尺、各掌子面空间间距和覆盖层厚度等多种因素制定12种施工方案并用FLAC3D进行相应的三维数值计算。分析特定方案下3条隧道工作面后拱顶下沉量随与相应掌子面距离逐渐增大时的变化曲线后得到有益于施工和现场监测的结论。通过对比各方案的隧道工作面拱顶下沉量、衬砌最大压应力、相互扰动情况以及塑性区体积等因素,对施工方案进行优选。给出多个覆盖层厚度情况的对比,从而验证覆盖层厚度建议值的合理性。最后,通过分析小间距隧道施工相互扰动程度最大断面的服务隧道洞周关键点的位移和最大主应力的分布情况,明确施工、监测中应该重点关注的部位。

确定水下隧道覆盖层厚度的经验公式及其应用

覆盖层厚度是水下隧道纵断面线路设计的主要参数之一,直接制约着工程的安全和造价。为了应对我国大规模建设的水下隧道的浪潮,必须给设计者提供确定覆盖层厚度的简便方法。对于不同的水深和开挖面积,编程求解了日本最小涌水量法的基本公式,并拟合出了经验公式。在介绍挪威经验曲线的基础上,对不同基岩纵波速度提出了相应的回归公式。根据大量数值计算的结果,利用最小位移法判据,分别针对Ⅱ～Ⅳ级围岩条件推导出了覆盖层厚度和开挖面积、水深之间的函数关系。最后,对各种方法的适用性进行了评价。

循环加卸载损伤大理岩的动力学特性

利用MTS 815电液伺服岩石实验系统进行上限应力为80%、85%、90%、95%单轴抗压强度的大理岩单轴压缩循环加卸载实验,每种上限应力条件分别设置20、40、60、80次循环。再利用分离式Hopkinson压杆对损伤岩样进行动力学实验。分析了循环加卸载上限应力及循环次数对大理岩塑性应变的影响,揭示了大理岩动态力学参数和破碎吸收能随损伤变量的演化规律。实验结果表明:塑性应变与循环次数呈正相关,且上限应力越大,塑性应变趋于稳定所需的循环次数也会增大;动态单轴抗压强度、动态弹性模量随损伤变量增加呈指数衰减;破碎吸能占比以损伤变量D=0.343为临界点分为两个阶段,D<0.343时,破碎吸能占比稳定在10%左右,数值约为13 J,当D>0.343时破碎吸能占比随损伤变量增加不断增大。研究结果可为岩体工程的设计、施工及支护参数的选取提供参考。

舟山灌门水道海底隧道钻爆法施工稳定性分析

以舟山灌门水道海底隧道为背景,依据地质资料,选取隧道典型横断面来研究钻爆法施工时围岩的稳定性。由典型横断面的几何参数和地质资料构建数值计算模型,采用国际上常用的计算模式模拟爆破荷载,根据FLAC3D动态计算的特点,将爆破荷载以等效应力的方式加载于模拟炮孔之上。数值计算结果表明,各关键点的位移、振动速度、加速度-时程曲线均满足隧道爆破变形规律,且振动速度峰值均小于规范要求临界值,爆破作用影响范围小于岩石覆盖层建议厚度,验证了岩层覆盖厚度建议值和爆破方案的合理性。最后,为了弄清岩石覆盖厚度和炸药量对围岩稳定性的影响,给出了不同岩石覆盖厚度和炸药量情况下的计算结果。所得结论对后续施工和类似工程具有一定的指导意义。

面向“卓越计划”的岩石力学课程教学改革探讨

"卓越计划"是促进中国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。岩石力学作为典型的跨行业通用课程是一门应用性和实践性很强的应用基础学科,在目前的教学过程中存在轻视基础概念、标准混乱陈旧、忽视工程能力培养的问题,难以达到"卓越计划"的培养要求。从土木工程专业教学实践出发,提出了教学内容模块化,合理选择培养标准;强化基本概念理解,培养创新能力;深入工程现场,提升工程能力的教学改革方案,收到了良好的教学效果。

小间距海底隧道施工相互影响分析

介绍了青岛胶州湾湾口海底隧道的工程概况并采用软件flac3D对隧道开挖和支护进行了两种方案的二维数值模拟。通过分析隧道周边关键点位移和围岩塑性区,研究了小间距海底隧道开挖支护过程对各条隧道围岩稳定性的影响,得出了有益于设计和施工的结论和建议。

基于正态云模型的深埋地下工程岩爆烈度分级预测研究

岩爆是深埋地下工程开挖建设过程中常见的工程地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测一直是岩石地下工程的世界性难题。针对岩爆烈度评估过程中存在的模糊性和随机性问题,建立了基于德尔菲法和正态云的综合评判模型。在系统分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取岩石单轴抗压强度与抗拉强度比σc/σt、切向应力与岩石单轴抗压强度比σθ/σc、岩石脆性指数Is和弹性变形能指数Wet构建评价指标体系,通过德尔菲科学方法确定其权重系数。基于云模型理论计算各评价因子隶属于岩爆级别的云数字特征,生成正态云滴,实现了岩爆烈度与评价指标值之间的不确定映射,保留了评估过程中的随机性。最后,利用国内外典型岩爆工程实例对所建模型进行检验,其判别结果与实际岩爆等级相符,且准确率高于功效系数法和集对分析理论,表明采用云模型对岩爆烈度进行预测是可行的、有效的。该模型具有较高的准确性和可靠性,能满足工程应用需要,在深埋地下工程岩爆预测中具有良好的工程应用前景。

岩体裂隙网络非线性渗流特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件(CCD)照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络(DFN)模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes(简称N-S)方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时(比如J>0.1),通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时(比如J<10-4),Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。