基于物理信息神经网络的煤体黏滑冲击动力学分析

目前物理信息神经网络成为工程力学数值计算的新范式,其可以在无标签样本数据的情况下,通过融入神经网络物理机理进行偏微分方程的逼近求解,使用较小计算代价快速进行求解。阐明了物理信息神经网络(PINN)计算原理及进行煤体黏滑冲击控制方程求解框架,并通过算例与显式有限差分求解方法进行求解结果的对比,证实了其求解结果的有效准确性。以晋华宫矿12号煤层工作面为研究背景,进行了煤体黏滑冲击动力数值模拟,从数值模拟的手段得到了煤体黏滑变形过程出现时间间隔和波动性规律。通过数值模拟结果可知:当采场支承压力集中系数为2时,煤体黏滑位移(形变)的最大值有明显的增加;当采场支承压力集中系数为3时,采场煤体发生典型的黏滑现象,位移出现准周期性的变化,煤体黏滑系统储存弹性能逐渐增大以及出现煤岩黏滑过程的强度损伤;动摩擦因数对煤体黏滑动力学特性影响较大,当动摩擦因数变化时,煤体黏滑系统位移场数值变化明显。

煤体粘滑冲击的发生条件及动力学分析

为进一步研究冲击地压发生的机理,以煤体冲击作为研究对象,以粘滑导致冲击为切入点,运用弹性力学及弹性动力学理论,建立了煤体相对顶底板发生粘滑力学模型,根据此力学模型,研究了煤体粘滑发生的条件,建立了粘滑发生后煤体的动力学方程。合理假定边界条件,采用试探法得到了动力学方程的解析解。应用动力学方程的解析解分析了粘滑发生后弹性区煤体的破坏条件及煤体冲击发生的条件。

冲击地压震源机理研究

为了进一步理解冲击地压发生的机理,解释冲击地压发生的过程,本文在论述了冲击地压发生的刚度理论、能量理论和失稳理论的统一性的基础上,提出了冲击地压的震源机理,认为冲击地压是一个动力学过程,它包括冲击地压震源的形成,冲击地压应力波的形成及传播和在应力波作用下自由面处岩体的破坏及冲出三个子过程,冲击地压发生所需能量由震源提供,而冲击地压的破坏作用是应力波造成的。利用震源机理分析了冲击地压的发生过程,揭示了震源形成的规律,推导出了应力波最大应力峰值的计算公式,给出了应力波传播衰减规律,解释了应力波在自由面处对煤体的破坏作用。

虚拟煤矿开发工具的设计及实现

针对虚拟现实技术在采矿领域应用过程中所遇到的问题,在充分分析煤矿系统的基础上,运用虚拟现实理论和技术及软件工程技术,设计了一个虚拟煤矿开发工具。该工具通过调用参数化模型并赋予一定的参数和属性,可以很方便的构建出各种虚拟矿井环境。设计了系统的框架结构,主要由人机界面,人机交互,场景生成和管理及模型库四部分组成。研究了系统实现的关键技术,这包括空间位置坐标系统的确立,节点模型库的建立,虚拟场景的数据构建及安全规程的校验方法。利用此系统开发了两个简单的虚拟矿井场景,证明利用此系统开发虚拟煤矿是可行的。

长壁开采上覆岩层损伤范围及上行开采的层间距分析

针对长壁采空区上方岩层损伤影响范围及其遗弃煤层开采问题,用简化的平面力学模型,解析分析了煤层采出后长壁采空区上方岩层的损伤影响范围,并根据垂直方向上岩层的损伤影响程度按从大到小的顺序将采空区覆岩分为破损垮落带、损伤扰动带和无损变形带,获得了长壁采空区上方遗弃煤层上行开采的安全层间距计算公式.针对山西焦煤集团有限责任公司西山煤电集团公司白家庄煤矿8号煤层长壁采空区上方遗弃的6号煤层上行开采计算了其安全层间距.

接触单元法在层状顶板离层变形分析中的应用

为了正确处理岩层交界面的接触问题,准确掌握巷道顶板离层变形状况,根据非线性接触理论,提出采用接触单元法模拟层间接触面,在此基础上构建了分析层状顶板结构的数值计算模型.以山西亚美大宁煤矿全煤巷道为例,运用ANSYS有限元软件模拟分析了巷道开挖后的顶板离层变形特征.数值结果显示,顶板的离层范围为2.6 m,其中顶板1.8 m范围内顶板离层较为明显.FS-4200M钻孔窥视仪现场窥视表明,计算结果与现场实际基本吻合.

保水开采相似模拟高精度位移测量方法研究

针对保水开采相似模拟岩层大范围非线性位移特点和大量程高精度测量要求,提出了一种通过布设参考点提高位移测量精度的方法,并通过实验进行了分析验证。研究结果表明:测量精度随参考点个数及位移值的增加而提高;参考点个数增加可以减小系统误差,系统误差随着参考点个数的增加在一定范围内波动,测量值误差的正负决定波动趋势;当参考点个数大于15时,误差均值向有序过渡,大于25时,表现为有序状态;为保证测量精度,至少需要对25个参考点。本方法可为保水开采覆岩移动变形模拟观测提供借鉴。