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科学通报 2023年第4期68卷 380-398页

作者：毛灵涛毕玉洁刘海洲陈俊王建强彭瑞东刘红彬吴昊孙跃鞠杨中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

在采矿工程、边坡工程、隧道工程、水利水电工程及新兴的岩体工程如深埋油气储库、地下核废料处置库、地热开发等生产开发过程中,岩石是主要工程对象.直观观测与定量表征应力场、渗流场和温度场等多物理场耦合作用下岩石内部非连续结构... 详细信息

在采矿工程、边坡工程、隧道工程、水利水电工程及新兴的岩体工程如深埋油气储库、地下核废料处置库、地热开发等生产开发过程中,岩石是主要工程对象.直观观测与定量表征应力场、渗流场和温度场等多物理场耦合作用下岩石内部非连续结构演化始终是岩石力学重要和具有挑战性的研究内容.高精度微CT能够在微细观甚至纳米尺度上观测岩石内部结构,通过与数字体图像相关法结合,可实现岩石内部变形场的透明可视化与定量解析,为岩石的非连续结构与多物理场效应的透明解析和推演提供了新的有效途径.本文回顾了近年来微焦点CT在岩石内部结构检测、数字岩心和内部变形场量测方面的应用,详细阐述了CT原位扫描实验与数字体图像相关法的原理及主要进展,分析了岩石微细观结构对应变场测量精度的影响及数字体图像相关法在岩石内部变形测量中的典型应用,探讨了数字体图像相关法测量岩石内部变形场面临的挑战.

关键词：岩石力学三维变形场测量 X射线CT 数字体图像相关法

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考虑硬化和损伤效应的盐岩蠕变本构模型研究

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岩土力学 2023年第10期44卷 2953-2966页

作者：杨俊涛宋彦琦马宏发杨江坤邵志鑫鲍伟中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

盐岩是储存化石能源和高放射性核废料的理想介质,研究盐岩蠕变力学特性对地下盐岩储库的安全营运具有重要意义。为合理反映盐岩蠕变过程存在的损伤和硬化两种机制,以元件组合模型为基础,结合分数阶微积分理论建立了一种考虑损伤和硬化... 详细信息

盐岩是储存化石能源和高放射性核废料的理想介质,研究盐岩蠕变力学特性对地下盐岩储库的安全营运具有重要意义。为合理反映盐岩蠕变过程存在的损伤和硬化两种机制,以元件组合模型为基础,结合分数阶微积分理论建立了一种考虑损伤和硬化效应的盐岩蠕变本构模型。该模型采用考虑时效损伤的弹性元件描述盐岩加载初期的损伤变形,采用分数阶村山体描述盐岩衰减蠕变阶段的黏弹塑性蠕变力学行为;通过引入描述盐岩屈服强度随时间强化的硬化函数来反映盐岩硬化机制;采用瞬时塑性元件描述不可恢复的瞬时变形。基于Kachanov蠕变损伤定律与Lemaitre应变等价原理构造了一种带有应变触发的非线性黏壶元件,该元件能够较好描述盐岩加速蠕变阶段的非线性变形特征。基于组合模型理论推导了考虑硬化和损伤效应的盐岩一维、三维蠕变方程;通过分析已有盐岩单、三轴蠕变试验等时应力-应变曲线特征,确定了村山体启动应力阈值;结合等时应力-应变曲线和蠕变试验数据对模型中的参数进行了辨识。结果表明:建立的蠕变本构模型仅用一组参数即能描述不同应力状态下盐岩的蠕变力学特性,可为预测盐岩蠕变变形特征提供一定的理论依据。

关键词：盐岩蠕变损伤塑性硬化分数阶导数本构模型

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水力压裂分段射孔簇多裂缝空间偏转模拟研究

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煤炭科学技术 2023年第9期51卷 160-169页

作者：王永亮刘娜娜王昊中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083

深部致密油气储层水力压裂工程形成复杂缝网形态是影响油气采收率的关键因素,需要准确评估和优化压裂裂缝扩展行为。水平井多射孔簇分段压裂涉及储层和孔隙−裂隙内流体之间的热扩散、流体流动与岩体基质变形,热扩散效应和多物理场耦合... 详细信息

深部致密油气储层水力压裂工程形成复杂缝网形态是影响油气采收率的关键因素,需要准确评估和优化压裂裂缝扩展行为。水平井多射孔簇分段压裂涉及储层和孔隙−裂隙内流体之间的热扩散、流体流动与岩体基质变形,热扩散效应和多物理场耦合作用是深部致密岩体压裂的典型特征;同时,压裂缝网扩展与裂缝间的扰动作用有关,压裂工艺中的射孔簇间距、起裂顺序等造成平行裂缝发生不同程度的非稳定扩展。理解多物理场耦合、裂缝间扰动等内外因素的影响机制,对有效评估压裂缝网具有重要意义。综合考虑深部储层的热−流−固耦合效应,研究水力压裂缝网三维扩展之间的应力阴影效应和多裂缝扰动偏转行为。研究建立水平井分段压裂的工程尺度三维数值模型,利用典型工况计算分析了压裂裂缝三维扩展的热扩散效应影响、不同射孔簇间距以及不同压裂方案(顺序、同步、交替压裂)下裂缝网络的扩展扰动行为。结果表明:深部致密油气储层压裂裂缝扩展引起的应力扰动区域在多裂缝中存在叠加、覆盖行为,形成应力阴影效应、造成裂缝空间偏转;水平井多射孔簇间距的减小,将增大应力阴影区,加剧裂缝间相互干扰;相比多射孔簇顺序压裂,同步压裂将增大应力阴影区,交替压裂可减小应力阴影区,交替压裂成为缓解压裂缝网三维扩展扰动、优化空间缝网形态的有效方案;深部致密油气储层岩体裂缝内的压裂液与岩体基质进行热交换,各压裂方案下的裂缝扩展面积、体积均有提升,表明热效应对裂缝扩展有促进作用,成为影响压裂裂缝扩展的重要因素。

关键词：三维压裂裂缝多裂缝扰动偏转应力阴影效应热−流−固耦合有限元−离散元模型

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基于N-M曲线的盾构隧道正截面承载性能加固评价及演化规律

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中国矿业大学学报 2023年第1期52卷 76-85页

作者：刘德军张杨左建平戴庆庆中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

由于运营环境的复杂性,如何评价管片承载性能尚未形成统一的认识.首先提出将轴力-弯矩曲线(N-M曲线)与坐标轴围成的面积作为管片正截面承载性能的评价指标;进一步建立了内表面粘钢加固的正截面承载性能计算理论,并采用数值模拟验证了计... 详细信息

由于运营环境的复杂性,如何评价管片承载性能尚未形成统一的认识.首先提出将轴力-弯矩曲线(N-M曲线)与坐标轴围成的面积作为管片正截面承载性能的评价指标;进一步建立了内表面粘钢加固的正截面承载性能计算理论,并采用数值模拟验证了计算理论的合理性;最后综合考虑混凝土劣化和钢筋锈蚀,采用建立的计算理论系统分析评价了管片正截面粘钢加固的承载性能及其演化规律.研究结果表明:受压侧粘钢加固,正截面承载力随着钢板厚度的增加而提高,受拉侧粘钢加固,随着钢板厚度的增加,正截面承载力先快速增长,后逐渐降缓,最后趋于稳定;当盾构隧道采用整环钢板加固时,建议钢板厚度不宜超过20 mm;运营期早期,管片内表面拉、压侧粘贴钢板均可获得较好的加固效果,而运营后期,管片受拉侧粘贴的钢板对提升正截面承载性能几乎无效果.研究成果对于盾构隧道的性能评估和运营安全具有一定的指导意义.

关键词：盾构隧道承载力 N-M曲线性能演化内表面加固

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主动围压下岩石爆破裂纹扩展及邻近巷道动态响应

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兵工学报 2024年第12期45卷 4323-4338页

作者：毛翔何成龙陈大勇杨可谞霍子怡中北大学机电工程学院山西太原030051 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

为研究围压作用下岩石爆破和相邻巷道的破坏过程,采用带有炮孔含城门洞形巷道结构岩石试件进行实验,利用动态测试技术和高速摄像等方法,得到岩石动态破坏过程。基于HJC本构模型建立含有巷道和单爆破孔的岩石模型,将无围压下的仿真结果... 详细信息

为研究围压作用下岩石爆破和相邻巷道的破坏过程,采用带有炮孔含城门洞形巷道结构岩石试件进行实验,利用动态测试技术和高速摄像等方法,得到岩石动态破坏过程。基于HJC本构模型建立含有巷道和单爆破孔的岩石模型,将无围压下的仿真结果与实验结果进行对比,验证数值模拟方法的可行性。在仿真软件平台中引入应力初始化的方法模拟围压下岩石的破坏过程,分析不同围压环境对岩石爆破裂纹扩展的影响以及偏围压系数k对巷道结构破坏过程的影响。研究结果表明:在双向等围压条件下,随着围压水平的提高,对裂纹的抑制作用越显著,对于巷道有更好的保护作用;在单向围压条件下,随着水平围压的增大,巷道遭到破坏程度越大,随着竖直围压的增大,巷道越不容易发生破坏;偏围压条件下,围压对于爆生裂纹扩展具有明显的导向性,裂纹会朝着主应力的方向扩展,随着围压的增大,裂纹导向性越显著;当偏围压系数k<1时,裂纹主要沿竖直方向扩展,巷道并未发生破坏,当k>1时,随着k的增大,巷道迎爆面左拱肩的破坏程度越大,巷道稳定性越差。

关键词：岩石爆破围压工程爆破巷道防护

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近距离煤层群预掘回撤通道应力叠加特征及顶板结构调控

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煤炭科学技术 2024年

作者：傅孜钊柏建彪闫帅张栋郑晓东孙广军王永杰中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室矿业工程学院新疆工程学院矿业工程与地质学院

近距离煤层群预掘回撤通道应力扰动及顶板情况复杂，回撤通道施工期间围岩破坏严重，巷道围岩控制难度大。以某矿1205工作面回撤通道为背景，构建近距离煤层群回撤通道顶板力学模型，估算上部煤层工作面底板破坏深度，模拟反演下部煤层... 详细信息

近距离煤层群预掘回撤通道应力扰动及顶板情况复杂，回撤通道施工期间围岩破坏严重，巷道围岩控制难度大。以某矿1205工作面回撤通道为背景，构建近距离煤层群回撤通道顶板力学模型，估算上部煤层工作面底板破坏深度，模拟反演下部煤层回撤通道顶板围岩裂隙演化规律，揭示该类巷道失稳机理，提出一种围岩综合稳定控制技术并进行现场工程验证。结果表明：①通过建立末采期间回撤通道顶板力学模型，确定在该矿地质条件下，工作面与回撤通道贯通后可以保证回撤通道围岩稳定的回撤通道巷内支护阻力P1≥0.126MPa；②采用多元线性与非线性回归分析优化后的经验公式估算上部煤层工作面底板破坏深度大于8.41m，小于层间距13.3m；③利用UDEC数值计算模型反演了回撤通道顶板裂隙演化规律，确定了采空区下回撤通道顶板提前10m采取加固措施，煤柱下回撤通道顶板提前15m采取加固措施；④提出回撤通道锚杆索+单体支柱主被动联合支护与煤柱下部通道内顶板超前预裂围岩综合稳定控制技术，应用于回撤通道不同应力影响区域。矿压监测结果表明：工作面回撤通道施工期间，围岩变形量小，锚杆锚索受力变化较小，围岩控制效果良好，保证了1205工作面安全高效回撤。

关键词：近距离煤层回撤通道数值模拟水力压裂巷道围岩控制

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CO_(2)泡沫混凝土碳封存潜力分析

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环境科学 2023年第9期44卷 5308-5315页

作者：张源他旭鹏覃述兵郝佑民中国矿业大学新能源科学与工程研究中心徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院徐州221116 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室徐州221116

CO_(2)捕集、利用与封存是碳中和技术体系的重要组成部分,混凝土在大规模吸收CO_(2)方面具有巨大的发展潜力.为了掌握CO_(2)泡沫混凝土的碳封存潜力,分析了CO_(2)泡沫混凝土的固碳机制,建立了CO_(2)泡沫混凝土固碳能力的数学模型,估算了... 详细信息

CO_(2)捕集、利用与封存是碳中和技术体系的重要组成部分,混凝土在大规模吸收CO_(2)方面具有巨大的发展潜力.为了掌握CO_(2)泡沫混凝土的碳封存潜力,分析了CO_(2)泡沫混凝土的固碳机制,建立了CO_(2)泡沫混凝土固碳能力的数学模型,估算了CO_(2)泡沫混凝土的固碳和储碳能力.结果表明,CO_(2)泡沫混凝土碳封存能力的99%以上是由混凝土骨架的化学碳化方式完成的,而泡孔的储碳能力较弱;按照30%碳化率估算,我国每年生产的混凝土在全生命周期内的碳封存量平均为2.18亿t,超过大兴安岭林区森林1 a的碳汇;近5年,我国CO_(2)泡沫混凝土的碳封存潜力为5.80亿t·a^(-1),在煤电一体化矿区的固废和废气资源化利用方面具有很好的应用前景.CO_(2)泡沫混凝土在凝固前的稳定性是下一步要重点解决的技术难题.

关键词：泡沫混凝土二氧化碳(CO_(2)) 碳固定碳封存 CO_(2)矿化碳化

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不同组构砂岩微观破坏特征分析

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东北大学学报（自然科学版） 2024年第4期45卷 584-591页

作者：孙大增赵文许兴亮王鑫东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

为了研究不同组构砂岩宏观-微观破坏特征的内在联系,对香花岭矿区三种砂岩开展物相分析、沉积相判别及单轴压缩和剪切试验,观察微观结构差异.研究结果表明:陆相沉积石英砂岩抗压强度最大,长石砂岩次之,海相沉积海绿石砂岩最小;单轴压缩... 详细信息

为了研究不同组构砂岩宏观-微观破坏特征的内在联系,对香花岭矿区三种砂岩开展物相分析、沉积相判别及单轴压缩和剪切试验,观察微观结构差异.研究结果表明:陆相沉积石英砂岩抗压强度最大,长石砂岩次之,海相沉积海绿石砂岩最小;单轴压缩试验宏观上石英砂岩、长石砂岩发生脆性破坏,而海绿石砂岩呈现出具有软化特性的延性破坏,微观上石英砂岩发生沿晶破坏,断面平整,长石砂岩发生沿晶和穿晶破坏,断面呈小扇贝状,表面附着少量碎屑,海绿石砂岩断面呈平板-花团复合状,晶粒破碎且擦痕明显,晶粒、胶结物质及结构弱面共同控制破坏特征;剪切试验微观上石英砂岩先发生沿晶破坏后发生穿晶破坏,断面不平整、擦痕及碎屑多,长石砂岩以沿晶破坏为主伴随穿晶破坏,断面部分平整、擦痕及碎屑较多,海绿石砂岩同时发生沿晶破坏和穿晶破坏,断面平整、几乎无擦痕和碎屑,砂岩微观破坏特征受晶粒和晶间胶结物质强度的共同影响.

关键词：砂岩矿物组成微观结构破坏特征强度

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基于迭代压缩U型网络的煤颗粒分割与粒度分析方法

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煤炭学报 2025年第2期50卷 1362-1375页

作者：程德强张瑞谢同喜刘敬敬郑丽娟寇旗旗江鹤中国矿业大学信息与控制工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学计算机科学与技术学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

煤中甲烷气体传播与煤粒的粒度分布特征紧密相连,进而影响煤炭的安全开采和利用。随着数字图像处理技术的不断发展,基于数字图像分割的煤粒形态检测方法已成为获取煤颗粒粒度分布特征的主流方法。在数字图像分割过程中,全局信息和边缘... 详细信息

煤中甲烷气体传播与煤粒的粒度分布特征紧密相连,进而影响煤炭的安全开采和利用。随着数字图像处理技术的不断发展,基于数字图像分割的煤粒形态检测方法已成为获取煤颗粒粒度分布特征的主流方法。在数字图像分割过程中,全局信息和边缘细节起着关键作用,直接影响分割结果的准确性。基于卷积神经网络架构的U型网络过于注重局部信息,忽视了全局信息的重要性,容易导致过分割现象。而基于Transformer的网络利用多头自注意力机制有效地建模了全局信息,但却没有充分利用边缘细节特征,导致煤颗粒漏分割问题。为了解决上述问题,本研究提出了迭代压缩U型网络(Iterative Squeeze UNet,ISUNet)用于煤颗粒粒度分析。ISUNet模型引入了压缩激励空洞空间金字塔池化模块和基于Transformer的多路迭代编码器。压缩激励空洞空间金字塔池化模块通过增强不同尺度特征的通道信息和全局上下文信息,解决了煤粒过分割问题。编码器中的多头自注意力模块将ResNet50的卷积特征作为其中一个输入,通过点乘自注意力机制不断强化重要的边缘细节特征,解决了煤粒漏分割问题。与5种经典图像分割模型和4种目前主流的分割模型相比,ISUNet表现出色。相较于经典的分割模型TransUNet来说,平均交并比提高了6.6%,准确率提高了0.3%,召回率提高了7.0%,相较于目前主流的图像分割大模型Segment Anything来说,平均交并比提高了4.6%,准确率提高了0.2%,召回率提高了4.9%。在煤粒粒度测量方面,准确率达到了97.49%。这些试验结果充分证实了ISUNet在煤粒粒度分析中的有效性和优越性。

关键词：煤粒粒度分析图像分割基于Transformer的多路迭代编码器压缩激励空洞空间金字塔池化 U型网络

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顶板定向压裂应力转移保护采动大巷

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采矿与安全工程学报 2023年第5期40卷 991-1002页

作者：黄炳香邵鲁英赵兴龙李浩泽陈树亮中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学低碳能源与动力工程学院江苏徐州221116

回采动压和采空区悬顶引起的高静压能够通过关键岩层较为完整地传递到采动大巷,引起动载和静载叠加,造成采动大巷的围岩结构失稳大变形。为减小采动大巷的变形,提出并实施顶板定向压裂应力转移保护采动大巷的方法。该方法通过切断基本... 详细信息

回采动压和采空区悬顶引起的高静压能够通过关键岩层较为完整地传递到采动大巷,引起动载和静载叠加,造成采动大巷的围岩结构失稳大变形。为减小采动大巷的变形,提出并实施顶板定向压裂应力转移保护采动大巷的方法。该方法通过切断基本顶阻断动压和切断悬顶降低静压的方式,解决大巷受静压和动压双重影响致使巷道围岩结构失稳大变形问题。通过施加动载应力波模拟分析动压对巷道变形的影响规律,认为偏应力和有效应力的增加是动压致使巷道变形的主要原因,并给出最优压裂位置参数。在顾北煤矿13321工作面进行顶板定向压裂工业试验,顶板定向压裂水压力为20~35 MPa,压裂半小时内,裂缝扩展范围半径超过10 m,压裂裂缝连通范围的平均半径达到20 m,贯通范围的最大半径可达到40 m。顶板定向压裂成功地阻断了采动应力和采空区高应力向采动大巷的传播,回采末期停采前微震事件数降低了77%,动压影响范围减少了约200 m,降低了64%,底板胶带机巷两帮移近量减少86%,顶底板移近量减少93%。顶板压裂应力转移保护大巷的方法可以有效减少采动大巷变形。

关键词：坚硬顶板采动大巷水压致裂裂缝扩展应力转移

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