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工程科学学报 2025年第4期47卷 583-593页

作者：杨仁树肖成龙左进京李国营王浩许鹏丁晨曦李永亮王雁冰赵勇游帅刘朕张渊通北京科技大学未来城市学院北京100083 北京理工大学机电学院北京100081 北京科技大学资源与安全工程学院北京100083 山东能源集团有限公司济南250014 北京科技大学数理学院北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083

钻爆法施工中,爆破成型的关键在周边,周边爆破的效果决定了地下工程的爆破成型质量与围岩损伤程度.本文基于分形理论,建立了爆破损伤“宏观-细观-微观”与“点-线-面-体”的“三观四维”综合评价体系.“三观”评价体系以损伤的几何尺度... 详细信息

钻爆法施工中,爆破成型的关键在周边,周边爆破的效果决定了地下工程的爆破成型质量与围岩损伤程度.本文基于分形理论,建立了爆破损伤“宏观-细观-微观”与“点-线-面-体”的“三观四维”综合评价体系.“三观”评价体系以损伤的几何尺度为划分依据,宏观尺度(>10^(−3) m)主要关注爆破后岩石的破碎块度;细观尺度(10^(−6)~10^(−3) m)侧重评价爆炸裂隙的扩展范围;微观尺度(<10^(−6) m)着重分析爆炸裂纹的微观断口形貌.“四维”评价体系基于损伤的空间分布进行划分,点维度表示围岩内部某一点位钻孔取心后CT扫描;线维度代表围岩内部钻孔窥视;面维度关注爆破表面成型,包括超(欠)挖尺寸与壁面轮廓平整程度;体维度利用声波测试进行围岩损伤评估.应用“三观四维”综合评价体系可精准获取围岩的爆破损伤程度与范围,对爆破损伤机理的揭示与损伤的精细控制有重要的指导意义.

关键词：岩石爆破损伤评价 “三观四维”评价体系分形理论损伤变量

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基于DBO-VMD滤波的煤岩爆破电磁信号时-频特征

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工程科学学报 2025年第3期47卷 441-453页

作者：王立涛邱黎明韦梦菡宋大钊苟仁涛刘琳钟时强谢天逸北京科技大学资源与安全工程学院北京100083 炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室平顶山467000

井工开采爆破作业的常规振动监测易受周围环境或监测系统影响,使煤岩破裂信号提取困难,本文提出一种基于电磁信号的爆破监测方法,并研究了爆破电磁信号时频特征.首先,提出了基于蜣螂优化算法(DBO)寻优变分模态分解(VMD)参数的降噪模型,... 详细信息

井工开采爆破作业的常规振动监测易受周围环境或监测系统影响,使煤岩破裂信号提取困难,本文提出一种基于电磁信号的爆破监测方法,并研究了爆破电磁信号时频特征.首先,提出了基于蜣螂优化算法(DBO)寻优变分模态分解(VMD)参数的降噪模型,得到了此类信号的最佳适应度函数为包络熵,该函数可迅速锁定最优参数组合,避免模态混叠现象,且基于DBO-VMD的降噪模型性能优于基于经验模态分解(EMD)的降噪模型;其次,提出了基于经验法的中心频率准则降噪方法,并证实了该方法降噪性能在信噪比表现上约是EMD的2倍;最后,发现煤岩破裂期的偏度大于0、峭度介于0.9~4.6,脉冲指标介于3.7~6.1,频段在20 kHz以下,主破裂事件发生时信号能量最大,主频段在5 kHz以下,并随着频率上升信号分量幅值迅速下降,非破裂期的低能脉冲则集中于0~3 kHz频段.本文的研究结果明确了爆破电磁辐射信号的时-频特征,为井工开采过程中爆破的电磁辐射监测奠定了理论基础.

关键词：井下爆破电磁辐射蜣螂优化算法变分模态分解特征分析

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岩石爆破基础理论研究进展与展望Ⅲ——波纹关系

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工程科学学报 2025年第1期47卷 1-12页

作者：许鹏杨仁树陈程丁晨曦王雁冰北京科技大学数理学院北京100083 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北方工业大学土木工程学院北京100144 中国矿业大学(北京)力学与土工工程学院北京100083

岩石爆破“三大关系(本构、动静、波纹)”是爆破理论研究的重要内容,爆炸应力波与裂纹的相互作用是影响岩石破碎效果的关键因素.本文围绕“炸药爆炸能量释放与爆炸裂纹扩展的精细控制原理”这一关键科学问题,聚焦爆炸应力波与静止裂纹(... 详细信息

岩石爆破“三大关系(本构、动静、波纹)”是爆破理论研究的重要内容,爆炸应力波与裂纹的相互作用是影响岩石破碎效果的关键因素.本文围绕“炸药爆炸能量释放与爆炸裂纹扩展的精细控制原理”这一关键科学问题,聚焦爆炸应力波与静止裂纹(岩体中既有缺陷)的相互作用、爆炸应力波与爆炸裂纹的相互作用、爆炸应力波作用下裂纹间的相互作用、地应力与爆炸应力波耦合作用下的裂纹扩展等四个方面,深入探讨了不同爆炸应力波的传播方向和强度对裂纹扩展行为(包括裂纹扩展方向、速度和长度)的影响规律.现有研究发现爆炸应力波在静止裂纹处发生反射和衍射,产生“双马赫锥”现象,致使爆炸能量较多地积聚在静止裂纹周围,诱导静止裂纹周围产生损伤和破坏;爆炸膨胀波对迎面爆炸裂纹的扩展有抑制作用,剪切波对其扩展有促进作用,而在爆炸应力波与同向爆炸裂纹的相互作用过程中,爆炸膨胀波和剪切波对裂纹扩展速度的影响则相反;爆炸荷载下相向扩展的两条裂纹互为自由面,产生“咬合效应”,形成相互勾连的形状;地应力场能够促进平行最大主应力方向的爆炸裂纹扩展,抑制垂直最大主应力方向的爆炸裂纹扩展,且地应力场的主应力差值越大,爆炸裂纹沿最大主应力方向的扩展长度越长.研究成果可为优化爆破炮孔间距、延期时间等参数,实现精细调控爆炸裂纹扩展提供理论依据.

关键词：岩石爆破爆炸应力波静止裂纹爆炸裂纹裂纹相互作用

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风积沙胶结充填体力学特性与破坏特征研究

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采矿与安全工程学报 2025年第2期42卷 418-429页

作者：王树帅杨仁树李永亮岳中文辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新123000 北京科技大学资源与安全工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

风积沙胶结充填体的力学特性对充填效果具有重要影响,其力学特性具有尺寸效应,且在充填过程中会形成分层结构。从内部因素(材料配比)与外部因素(尺寸及分层层数)两方面对风积沙胶结充填体力学特性进行研究,分析风积沙替代率(风积沙替代... 详细信息

风积沙胶结充填体的力学特性对充填效果具有重要影响,其力学特性具有尺寸效应,且在充填过程中会形成分层结构。从内部因素(材料配比)与外部因素(尺寸及分层层数)两方面对风积沙胶结充填体力学特性进行研究,分析风积沙替代率(风积沙替代矸石的质量比)对矸石-风积沙胶结材料性能的影响,并在替代率试验的基础上,采用响应面法从“单因素—双因素交互作用—三因素耦合效应”3个层面揭示水泥含量、灰_((粉煤灰))沙_((风积沙))比和质量浓度对充填体强度的影响。结果表明:充填体强度随三因素增加均增大,在交互作用中,一因素的增加会促进另一因素的增强效果;充填体力学性能随高宽比与分层层数的增加而降低;随着高宽比的增加,充填体破坏形式表现为“多条裂缝—单条裂缝—无裂缝贯穿充填体上下表面”,裂纹逐渐集中于充填体中下部;高宽比较大的充填体在局部裂纹作用下即失去承载能力;分层充填体在分层面处先产生裂纹,而后裂纹向分层面两侧基质内延伸。研究结果可为风积沙胶结充填工艺选择合理的材料配比及充填结构提供相应的理论依据与指导。

关键词：风积沙充填力学特性破坏特征尺寸效应分层结构

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深部煤矿“以爆抑灾”机理与技术研究进展

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煤炭学报 2025年第1期50卷 132-149页

作者：杨仁树左进京李永亮马鑫民张渊通于冰冰王波北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

作为“三高一扰动”中的典型特征,高地应力与采动应力叠加作是深部矿山地质灾害频发的主要原因之一,极易引起厚硬顶板强矿压、冲击地压与采动巷道大变形等问题,是深部煤矿安全高效开采的重大隐患。为解决深部矿井厚硬顶板强矿压、冲击... 详细信息

作为“三高一扰动”中的典型特征,高地应力与采动应力叠加作是深部矿山地质灾害频发的主要原因之一,极易引起厚硬顶板强矿压、冲击地压与采动巷道大变形等问题,是深部煤矿安全高效开采的重大隐患。为解决深部矿井厚硬顶板强矿压、冲击地压与采动巷道大变形等灾害治理难题,基于爆破技术提出了深部矿山“以爆抑灾”机理与防治新方法,实现地下矿山治灾“解连接、削峰值、控变形”的目标。首先,提出“点-线-面-体”的爆炸裂隙场原位监测方法,揭示了煤矿爆破现场爆炸裂隙网的形成机制,阐明了爆破卸压的围岩应力调控机理,从而为爆破技术在卸压防冲工程的现场应用提供了理论依据。其次,从参数设计、先进装备和效果评价3方面指出深部矿井爆破卸压的关键技术,涵盖参数设计、钻孔冲孔、装药封堵和综合评价的爆破卸压整体流程。然后,以淮南矿区(张集煤矿)、鲁西矿区(新巨龙煤矿)和宁东矿区(梅花井煤矿)作为典型工程案例,开展“以爆抑灾”指导爆破卸压的现场针对性研究,分别形成了松动预裂控制爆破,高位巷精细化控制爆破和采动巷道爆破的卸压应力调控技术。最后,围绕爆破参数的智能化设计,施工装备的无人化控制和超长炮孔的集约化装药3方向展望“以爆抑灾”的发展趋势,基于智能化、数字化和信息化的角度提出未来爆破卸压工程可能出现的研究重点和挑战性问题,对于深部煤炭资源开采过程中的灾害治理具有重要的理论和实际意义。

关键词：冲击地压以爆抑灾点-线-面-体应力调控卸压关键技术智能化

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基于二维孔隙网络模型的悬浮颗粒微观尺度滞留规律及渗流场特征

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工程科学学报 2025年第3期47卷 411-418页

作者：王世玺崔连可俞晓鸾宋智勇王中楠北京科技大学资源与安全工程学院北京100083 中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院南阳473000

油气田开发是典型的多相渗流过程,在长期并持续的开发过程中,注水、气驱、化学驱及压裂等技术都会导致携带来的矿物颗粒及储层内原有喉道的砂体颗粒逐渐松散并脱落,造成储层孔隙中的迁移及堵塞,继而影响储层的动用及最终采收率.因此,研... 详细信息

油气田开发是典型的多相渗流过程,在长期并持续的开发过程中,注水、气驱、化学驱及压裂等技术都会导致携带来的矿物颗粒及储层内原有喉道的砂体颗粒逐渐松散并脱落,造成储层孔隙中的迁移及堵塞,继而影响储层的动用及最终采收率.因此,研究悬浮颗粒在多孔介质中迁移与滞留过程及流场特征有重要意义.然而,现有针对悬浮颗粒在多孔介质中迁移与滞留的研究主要关注颗粒的迁移和滞留对渗透率的损害,没有体现颗粒运移的过程,也不能反应孔隙网络中颗粒堵塞和流场变化的关系.为探究悬浮颗粒在多孔介质内的流场特征,本研究利用微观可视化模型及微观粒子图像测速技术(MicroParticle image velocimetry,简称为Mirco-PIV)分析了在二维孔隙网络中悬浮颗粒的滞留特征及相互关系,并揭示了流场的变化规律.实验结果表明,初期主通道流速更高,但由于主通道颗粒滞留量(6.5μg·μm^(-2))比边界区更多(2.4μg·μm^(-2)),颗粒续注入导致主通道流速降低,扰乱原有流场导致“斑”状流场出现,也使主通道(110μm·s^(-1)降低至41μm·s^(-1))在中期流速低于边界区(67μm·s^(-1)降低至45μm·s^(-1)).这也表明高流速区更有效的输运了颗粒.滞留的分布特征观察到主要滞留在了边壁附近,较高浓度条件下还会在主通道内产生聚集现象,这些都导致了对孔隙的有效封堵.本文首次提供了颗粒和流场互动过程,给出二维孔隙条件下可视化的直接的证据.此外,本文还得出了颗粒分布特征,并总结出滞留靠近边壁、流动有效半径变窄及主通道高浓度的聚集问题,是导致封堵的核心机理,为进一步颗粒滞留理论的完善提供参考.

关键词：多孔介质颗粒滞留时空分布流场可视化

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主动避让和紧急度对双向行人流影响的实验研究

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清华大学学报(自然科学版) 2025年第4期65卷 750-758页

作者：周郑叶艳超蒋慧灵王远声叶龙海黄国忠邓青北京科技大学大安全科学研究院北京100083 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京科技大学金属冶炼重大事故防控技术支撑基地北京100083 华北水利水电大学郑州 450045 安阳工学院安阳455099

为了探究主动避让和紧急度对双向行人流的影响,该文通过搭建实验场景和招募被试进行疏散实验,分析了行人运动轨迹以及疏散过程中的典型行为、疏散时间和疏散速度。主动避让实验结果表明,主动避让行为可以有效减少行人冲突,逆向行人的疏... 详细信息

为了探究主动避让和紧急度对双向行人流的影响,该文通过搭建实验场景和招募被试进行疏散实验,分析了行人运动轨迹以及疏散过程中的典型行为、疏散时间和疏散速度。主动避让实验结果表明,主动避让行为可以有效减少行人冲突,逆向行人的疏散效率提升了11.75%,疏散速度提升了18.25%,分层现象会随着主动避让行为的出现而更加明显;与非紧急情况相比,紧急情况下人流量大的一方的疏散速度比人流量小的一方增加得更多。此外还观察到了超车、跟随和并排行为等,并且发现在逆行人员中,靠边界的行人疏散速度更快。该文实验结果对紧急情况下双向行人管理具有一定的指导意义,同时也为双向行人流的建模研究提供相关依据。

关键词：疏散实验双向行人流主动避让行为紧急度

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掺塑性膨胀剂的全尾砂胶结充填体体积变化率试验研究及机理分析

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采矿与岩层控制工程学报 2025年第1期7卷 167-178页

作者：张敏哲王贻明吴爱祥王剑王志凯刘树龙北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 中冶集团铜锌有限公司北京100028

为解决矿山充填采场接顶率偏低和接顶效果较差的问题,采用响应面法,研究了在充填料浆中掺加塑性膨胀剂时,料浆质量分数、胶固粉掺量和塑性膨胀剂掺量对全尾砂胶结充填体体积变化率的影响规律;并利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM),分析... 详细信息

为解决矿山充填采场接顶率偏低和接顶效果较差的问题,采用响应面法,研究了在充填料浆中掺加塑性膨胀剂时,料浆质量分数、胶固粉掺量和塑性膨胀剂掺量对全尾砂胶结充填体体积变化率的影响规律;并利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM),分析了塑性膨胀剂对充填体的作用机理;通过现场工业试验,验证了掺塑性膨胀剂充填体的膨胀接顶效果。研究结果表明:塑性膨胀剂掺量对充填体体积变化率的影响程度最大,料浆质量分数次之,胶固粉掺量最小;不掺塑性膨胀剂的充填体在所有龄期均是沉缩的;塑性膨胀剂掺量存在一个临界值,使充填体由沉缩特性转变为膨胀特性;塑性膨胀剂可使充填体在塑性阶段产生膨胀,补偿充填体早期沉缩;膨胀变形主要发生在养护龄期3 d以内, 3 d以后趋于稳定;掺加塑性膨胀剂未改变充填体水化产物种类,但能使充填体内部生成大量的膨胀性矿物钙矾石,导致内部结构疏松而引起膨胀;现场实测值与试验实测值较吻合,不掺塑性膨胀剂的充填体体积变化率为–3.45%,塑性膨胀剂掺量为6×10^(–4)的充填体体积变化率为3.04%。研究成果可为矿山充填接顶技术及应用提供参考。

关键词：充填接顶塑性膨胀剂响应面法体积变化率微观结构

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一种X构型的负刚度NES抗震性能研究

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东南大学学报(自然科学版) 2025年第1期55卷 171-182页

作者：杨海旭刘可宁张茂花王海飙东北林业大学土木与交通学院哈尔滨150040 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

为拓宽非线性能量阱(NES)的控制频率范围,提出一种引入负刚度的NES,由附加质量通过X型环绕弹簧产生非线性恢复力,增加准零刚度特性,同时调整控制动力参数,降低系统固有频率,能够有效提高NES的非线性和鲁棒性。采用拟静力试验方法,对所... 详细信息

为拓宽非线性能量阱(NES)的控制频率范围,提出一种引入负刚度的NES,由附加质量通过X型环绕弹簧产生非线性恢复力,增加准零刚度特性,同时调整控制动力参数,降低系统固有频率,能够有效提高NES的非线性和鲁棒性。采用拟静力试验方法,对所提出的负刚度NES模型进行低周往复加载,同时采用ABAQUS有限元软件完成负刚度NES的数值模拟,系统分析弹簧运动行程长宽比、预压缩量和刚度3种参数对负刚度NES抗震性能的影响。研究结果表明:这种X构型负刚度NES比常规NES表现出更宽的频率范围;调整弹簧刚度、长宽比和弹簧预压缩量都能拓宽NES的负刚度和频率变化范围,提高NES的耗能能力和抗震性能,有助于推广非线性结构控制技术在工程中的应用。

关键词：结构被动控制非线性能量阱负刚度拟静力试验抗震性能

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浙东长屿破火山岩浆起源与穿地壳岩浆系统演化:锆石Hf同位素证据

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地质学报 2025年第2期99卷 428-444页

作者：贺振宇郭磊颜丽丽陆天宇北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 中国地震局地质研究所北京100029

硅质火山活动产物及其岩浆系统构成了大陆地壳的重要组成部分,记录了大陆地壳分异演化的重要信息。中国东南沿海广泛发育白垩纪火山活动产物,以流纹英安质和流纹质火山岩为主,为揭示大规模穿地壳岩浆系统的形成与演化提供了理想对象。... 详细信息

硅质火山活动产物及其岩浆系统构成了大陆地壳的重要组成部分,记录了大陆地壳分异演化的重要信息。中国东南沿海广泛发育白垩纪火山活动产物,以流纹英安质和流纹质火山岩为主,为揭示大规模穿地壳岩浆系统的形成与演化提供了理想对象。本文选取浙江东部温岭长屿破火山为研究对象,在已有研究基础上,通过系统的锆石Hf同位素研究,探讨其穿地壳岩浆系统的岩浆来源及演化过程。长屿破火山口形成喷发、破火山口形成后喷发及流纹岩穹隆等各阶段火山岩具有一致的锆石Hf同位素组成(锆石ε_(Hf)(t)值为-7.4~-0.2,Hf模式年龄为1.45~1.04 Ga),表明不同阶段火山岩之间具有密切的成因联系,岩浆主要由亏损地幔来源岩浆与华夏地块古老地壳来源岩浆混合形成。综合已发表的东南沿海晚侏罗世—白垩纪火山岩的锆石Hf同位素数据,其ε_(Hf)(t)值均远离亏损地幔演化线,并具有较大的变化范围,Hf模式年龄主要集中在1.8~1.0 Ga,基本缺乏太古宙的模式年龄,暗示华夏地块除了零星出露的前寒武纪基底外,政和-大埔断裂以东的火山岩区之下也应存在古老的地壳基底,古老地壳物质不同程度地参与了东南沿海白垩纪火山岩浆的起源。包括长屿破火山在内的中国东南沿海白垩纪破火山高硅流纹质岩浆的形成,反映了长期的穿地壳岩浆系统演化以及晶体-熔体分离过程,幔源岩浆不仅参与了硅质岩浆的起源和大陆地壳的生长,也为大规模硅质火山作用穿地壳岩浆系统的形成提供了必须的岩浆通量和热的地壳环境。破火山内、外部结构的精细解剖、成因类型和时空分布的综合编图研究、火山活动的详细喷发历史和过程等问题是未来中国东南沿海白垩纪穿地壳岩浆系统研究的关键基础和重要内容。

关键词：硅质岩浆起源穿地壳岩浆系统锆石Hf同位素长屿破火山中国东南沿海

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