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安全 2025年第4期 74-78页

作者：周刚牛琛茜杨文宇山东科技大学安全与环境工程学院山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心

为应对安全工程领域的快速发展以及行业对高素质创新型人才的迫切需求，本文以山东科技大学安全工程专业为研究对象，通过整合专业实验课程、优化实践教学模式、提升教师及学生的工程实践能力，以及构建实验课程与实践教学质量评价体系... 详细信息

为应对安全工程领域的快速发展以及行业对高素质创新型人才的迫切需求，本文以山东科技大学安全工程专业为研究对象，通过整合专业实验课程、优化实践教学模式、提升教师及学生的工程实践能力，以及构建实验课程与实践教学质量评价体系等措施，系统性地推进教学改革。结果表明：这些改革措施显著提升了学生的跨学科学习与创新思维能力，增强了教师的实践教学水平，同时师生通过接触实际工程问题提升了实践能力；构建的教学质量评价体系形成了全面、科学且动态的评价方法，增强了评价的指导性和操作性，为教学过程的持续改进提供重要工具。本文提出的改革措施为安全工程专业教学改革提供了可借鉴的实践经验，也为培养适应现代工程需求的高素质人才提供了重要参考。

关键词：安全工程教学改革实验课程实践教学质量评价体系

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基于RSM的高浓度膏体充填材料配比优化试验研究

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矿业研究与开发 2025年第2期45卷 57-65页

作者：张培森鞠照强胡昕许大强肖鹏徐泽林方家鑫山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛市266590 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛市266590 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司陕西西安710075

为优化充填材料性能的同时降低充填成本,开展充填材料配比研究。基于RSM-CCD法设计4因素5水平试验,构建粉煤灰质量分数A、水泥质量分数B、碳酸钙质量分数C、料浆质量分数D为因子,充填料浆坍落度及充填体7 d、28 d单轴抗压强度分别为响... 详细信息

为优化充填材料性能的同时降低充填成本,开展充填材料配比研究。基于RSM-CCD法设计4因素5水平试验,构建粉煤灰质量分数A、水泥质量分数B、碳酸钙质量分数C、料浆质量分数D为因子,充填料浆坍落度及充填体7 d、28 d单轴抗压强度分别为响应值的响应曲面回归模型,分析单因素及各因素交互作用对材料性能的影响,并在满足性能要求的基础上寻求成本最低的充填材料配比方案。结果表明:(1)高浓度充填料浆坍落度仅受线性单因素影响,交互作用对其无显著影响,坍落度随A、B、C增加先增大后减小,随D的增加而减小;(2)线性及交互作用对高浓度充填体7 d、28 d强度均有显著影响,交互作用AC与充填体强度不存在显著关系,AB、CD为一种因素的增加会促进另一种因素对充填体28 d抗压强度的增强作用,交互作用AD、BC、BD为一种因素的增加会抑制另一种因素对充填体28 d抗压强度的增强作用;(3)考虑性价比的充填材料最优配比方案为粉煤灰质量分数为18.0%,水泥质量分数为10.9%,碳酸钙质量分数为1.3%,料浆质量分数为84.0%,该配比方案满足工程实例膏体充填设计标准。

关键词：膏体充填响应面法材料配比优化交互作用高浓度

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不同应力状态下底板岩体渗流特性分析研究

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煤炭科学技术 2022年第1期50卷 127-133页

作者：张培森侯季群赵成业李腾辉山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590

为研究煤层开采过程中底板渗透性变化规律,利用Rock Top多场耦合试验仪,采用稳态和瞬态2种方法测得不同应力作用下红砂岩渗透率,对红砂岩加载过程中内部裂纹发展变化规律及渗流特性进行分析,结果表明:对岩样进行应力差20 MPa等梯度加载... 详细信息

为研究煤层开采过程中底板渗透性变化规律,利用Rock Top多场耦合试验仪,采用稳态和瞬态2种方法测得不同应力作用下红砂岩渗透率,对红砂岩加载过程中内部裂纹发展变化规律及渗流特性进行分析,结果表明:对岩样进行应力差20 MPa等梯度加载,全应力-应变曲线呈台阶状,根据裂纹体积应变法确定应力-应变各阶段的应变阈值,可将其划分为5个阶段:压密闭合阶段—线弹性阶段—裂纹稳定扩展阶段—裂纹非稳定扩展阶段—峰后应变与破坏阶段;利用渗流进、出水口双泵设计,在5个渗透压差下利用稳态法测试不同应力作用下岩石渗透率,结果表明在不同渗透压差下岩石渗透率均经历缓慢下降—缓慢增加—快速增长3个阶段,与全应力-应变-渗流曲线规律一致,并与试件内部裂纹发展规律相对应;采用瞬态法测试得不同应力差下渗透率变化规律,与稳态法-渗流规律相一致,由于测试方法不同,瞬态法比稳态法测得岩样渗透率高出1~2个量级,均表明红砂岩属于低渗类岩石;通过对完整岩样施加不同应力差模拟底板岩体状态,发现煤层底板压缩区渗透性减小,膨胀区渗透性增大,随着工作面推进,底板渗透性呈现先减小后增大的趋势,试验结果进一步揭示了随工作面推进底板岩体的渗流特性,为底板突水防治提供了重要的理论依据。

关键词：渗透特性裂纹扩展低渗底板突水岩石加载

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红砂岩三轴加载过程中波速变化及能量演化规律试验研究

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岩石力学与工程学报 2021年第7期40卷 1369-1382页

作者：张培森赵成业李腾辉侯季群张睿山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590

为研究红砂岩在三轴加载过程中的波速变化及能量演化规律,基于Rock Top多场耦合试验仪和JSR-DPR300超声测试系统,展开不同围压条件下红砂岩全应力-应变过程中的纵、横波速测试试验。研究表明:(1)纵、横波波速整体随围压增大呈幂函数关... 详细信息

为研究红砂岩在三轴加载过程中的波速变化及能量演化规律,基于Rock Top多场耦合试验仪和JSR-DPR300超声测试系统,展开不同围压条件下红砂岩全应力-应变过程中的纵、横波速测试试验。研究表明:(1)纵、横波波速整体随围压增大呈幂函数关系增大,非线性特征增强,波速数据点分布在一条狭长的区间内;围压仅对岩石宏观强度具有增益效果,微观差异依然十分明显。(2)三轴压缩过程中,纵波波速可分为连续增长、震荡、快速衰减3个阶段;横波波速在高围压环境下,波速阶段性特征不明显,曲线近似线型且较为平滑。围压越大,轴向加载过程对于波速增益越弱,纵、横波速的衰减具有同步性,其中纵波波速对应力差状态更为敏感,不同围压条件下,能量密度曲线总体形态一致,波速衰减区间对应耗散能主要增长区间。(3)岩石损伤应力之前,纵、横波速之间具有较好的线性相关性,纵、横波速曲线拐点可作为判断损伤应力的标志。(4)随轴向应变增大,不同围压条件下的动弹性模量总体呈先增大,后相对平稳,再急速下降的过程;动泊松比总体呈增长态势,进入IV阶段后曲线剧烈震荡,动泊松比迅速增大;两曲线的阶段性特征并不明显。

关键词：岩石力学静水压力三轴压缩纵、横波速能量演化

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应力-渗流耦合作用下不同卸荷路径对砂岩损伤特性及能量演化规律的影响研究

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岩土力学 2024年第2期45卷 325-339页

作者：张培森许大强颜伟张晓乐董宇航赵铭山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590

岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象,受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响,明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制,针对应力... 详细信息

岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象,受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响,明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制,针对应力-渗流耦合因素影响下岩石损伤特性及能量演化规律研究较少的特点,采用Rock Top多场耦合试验仪,在应力-渗流耦合作用下对砂岩开展了常规三轴(C组)、不同初始损伤程度常规卸围压(W组)及循环加卸围压(X组)3种应力路径下的岩石损伤特性及能量演化规律试验研究。试验结果表明:岩石能量演化规律与应力-应变曲线具有明显相关性,基于岩石弹性应变能演化特征,将常规三轴压缩(C组)下岩石应力-应变曲线分为5个阶段,并对每个阶段U_(1)、U_(3)、U_(e)、U_(d)及渗透率变化特点进行了详细阐释(U_(e)为弹性应变能,U_(d)为耗散能,U_(1)为轴向应力对岩石做正功转化的岩石应变能,U_(3)为做负功所释放的应变能);常规卸围压过程中,U_(1)、U_(3)演化规律与C组岩石基本一致,但U_(3)负增长更为显著,岩石输入能逐渐从以U_(e)为主导转变为以U_(d)为主导,初始损伤程度对该规律无明显影响,卸围压过程中渗透率呈波动上升趋势,围压与渗透率呈负相关;循环加卸围压过程中,各能量演化规律与W组岩石基本一致,仅因时间效应而导致能量积累量存有差异。整体来看,无论何种应力路径,峰前阶段岩石均以U_(e)为主导,以能量存储为主,峰后阶段则以能量释放及耗散为主,轴向应力加载是U_(e)得以快速积累的主要影响因素,围压改变不足以引起U_(e)发生较大变化,轴向载荷作用为工程致灾的主要影响因素。此外,岩石损伤变量与围压存在明显负相关,围压越大,岩石U_(e)释放比例越小,岩石损伤越小,围压束缚作用可有效提高岩石储能能力并抑制岩石能量的耗散与释放。

关键词：岩石力学应力-渗流耦合卸荷路径损伤特性能量演化

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不同初始卸荷水平下红砂岩波速变化及能量耗散规律试验研究

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煤炭学报 2021年第S1期46卷 157-173页

作者：张培森赵成业侯季群张睿李昊山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590

为研究红砂岩在不同初始卸荷水平(初始应力差水平与岩石对应围压条件下峰值强度的比率)下的波速变化及能量耗散规律,利用Rock Top多场耦合试验仪和JSR-DPR300超声测试系统,在同一围压条件下,开展三轴加载路径、应力差恒定卸围压与应力... 详细信息

为研究红砂岩在不同初始卸荷水平(初始应力差水平与岩石对应围压条件下峰值强度的比率)下的波速变化及能量耗散规律,利用Rock Top多场耦合试验仪和JSR-DPR300超声测试系统,在同一围压条件下,开展三轴加载路径、应力差恒定卸围压与应力差增大卸围压2种卸荷路径、3个初始卸荷水平下的红砂岩应力-应变过程中的纵、横波速测试试验。研究结果表明:围压加载过程中,纵、横波速均随围压的增大而增大,呈幂函数关系;孔隙度、密度随着围压的升高,对围压的敏感性降低,变化幅度减小;岩石内部不同类型的孔隙其闭合的应力阈值不同,波速受控于岩石的密实程度与岩石骨架性质。围压卸荷过程中,在不同卸荷路径下,随着初始卸荷水平的增大,极限应变增大,统一围压降参数均呈线性降低,应变围压增量比呈幂函数增大,环向变形对围压变形更为敏感,相较于卸荷路径的影响,初始卸荷水平对岩石卸荷变形过程具有控制作用;不同初始卸荷水平下,纵、横波速随轴向应变的变化曲线同应力-应变曲线基本对应,反映了岩样不同的劣化水平,纵、横波速各自整体上的增长衰减趋势具有一致性,卸荷路径对波速的影响较弱,在加载和卸荷2个区间内存在明显的阶段性特征,波速在卸荷起始点迎来大幅度偏转,纵波以此分为增长阶段和衰减阶段,横波分为稳定阶段和衰减阶段,纵波对轴向压力更为敏感,震荡性强烈。围压卸荷伊始,岩石由压缩迅速转为扩容或扩容加剧,应变能密度在卸荷起始点及应力跌落点迎来一次、二次偏转,后者偏转幅度远小于前者;应力差恒定卸围压过程中,弹性应变能近似稳定,其增长趋势和轴向应力-应变曲线是一致的,即轴向应力做功是其主要能量补充方式;能量的耗散集中在卸荷区间内,卸荷前期稳定增长,卸荷后期急速增长,弹性能的释放集中在应力跌落点之后,是岩石失稳破坏的内在动力。三轴加载过程决定了岩样的整体破坏形态,围压卸荷作用突出的扩容特性将导致岩样产生更多的纵向裂纹,导致岩石破坏形态多样化。

关键词：初始卸荷水平卸围压纵波横波能量演化

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高温与不同水压下深部砂岩渗透特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2020年第10期39卷 1117-1128页

作者：张培森赵成业侯季群李腾辉山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590

岩石的力学性质与渗透特性与应力,温度及渗透压力具有密切关系。运用Rock Top多场耦合试验仪对红砂岩进行100℃高温下不同静水压力与渗透压差条件下的温度-应力-渗流耦合试验研究。研究结果表明:(1)100℃高温下红砂岩全应力-应变经历裂... 详细信息

岩石的力学性质与渗透特性与应力,温度及渗透压力具有密切关系。运用Rock Top多场耦合试验仪对红砂岩进行100℃高温下不同静水压力与渗透压差条件下的温度-应力-渗流耦合试验研究。研究结果表明:(1)100℃高温下红砂岩全应力-应变经历裂隙压密→线弹性变形→微裂纹稳定发展→非稳定破裂发展→峰后变形与破坏5个阶段;(2)对应岩石应力-应变曲线,流量随应力差的增大呈现反向急速溢出段,反向稳定溢出段,急剧上升段,稳定增长段,此时渗透率随应力差的增大呈现先由初始值下降,保持水平常值,急速增长至伪峰值后衰落,稳定增长至真峰值等变化特征;(3)红砂岩在高温、高围压作用下的渗透率随围压的等梯度增长近似呈线性降低趋势,在高围压下渗透压差对渗透率影响并不明显,渗透率值趋于稳定,2种方法均显示红砂岩属于典型低渗类岩石;(4)相同围压与渗透压差下,瞬态法与稳态法2种渗透率测试方法所测结果相近,在30~60 MPa围压范围内,压力条件是影响渗透率的主要原因。

关键词：岩石力学渗透特性静水压力高温稳态法瞬态法

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不同围压不同损伤程度红砂岩渗流特性试验研究

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岩石力学与工程学报 2020年第12期39卷 2405-2415页

为研究不同围压不同损伤程度红砂岩渗流特性,采用Rock Top多场耦合试验仪,进行不同围压条件下红砂岩水-力耦合试验研究。研究结果表明:(1)随围压等梯度增大,破坏形式由单一主控裂纹型劈裂破坏向多裂纹堆叠形成的树枝型破坏转变,且高围... 详细信息

为研究不同围压不同损伤程度红砂岩渗流特性,采用Rock Top多场耦合试验仪,进行不同围压条件下红砂岩水-力耦合试验研究。研究结果表明:(1)随围压等梯度增大,破坏形式由单一主控裂纹型劈裂破坏向多裂纹堆叠形成的树枝型破坏转变,且高围压状态下破裂面附近呈粉末状。(2)应力差水平相同时,渗透率随围压增大而减小,围压对渗流抑制作用显著;随应力差等梯度上升,围压增大导致岩石渗透率变化幅度减小;随围压等梯度增大,岩样的起裂应力及损伤应力均逐渐增大但变化幅度逐渐减小。(3)通过稳态法及瞬态法发现在不同围压条件下的渗透率在岩石峰前均经历缓慢下降-近似平稳-缓慢增加-快速增长4个阶段,与全应力-应变曲线相对应。基于试验结果,推导出岩石损伤指标与渗透率的关系式,揭示了渗透率随岩石损伤指标变化的演化规律。

关键词：岩石力学水力耦合不同损伤裂隙扩展渗透特性低渗

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顶板离层水突涌模式及预防技术模拟研究

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煤田地质与勘探 2021年第1期49卷 217-224,231页

作者：张文泉王在勇吴欣焘邵建立雷煜吴绪南山东科技大学矿山灾害预防控制重点实验室山东青岛266590 山东科技大学矿业工程国家级实验教学示范中心山东青岛266590

为预防顶板离层水突涌产生的安全事故,提出了部分充填方案进行模拟研究。首先通过现有资料总结分析全国发生的多种离层水害事故,深入研究离层积水致灾模式;然后以陕西某矿首采区1307工作面的离层水害事故为例,分析其水文地质条件、上部... 详细信息

为预防顶板离层水突涌产生的安全事故,提出了部分充填方案进行模拟研究。首先通过现有资料总结分析全国发生的多种离层水害事故,深入研究离层积水致灾模式;然后以陕西某矿首采区1307工作面的离层水害事故为例,分析其水文地质条件、上部含水层和离层水突涌的关系,利用3DEC数值软件模拟工作面顶板离层空间发育特征;最后根据该矿的实际情况,提出部分充填开采方式预防离层水突涌的技术措施,并对该矿的部分充填方案进行优化模拟研究。研究结果表明:根据发生条件的不同将离层水突涌划分为5种模式,离层积水过程分为初始积水期、积水至满期和裂隙扩展期;在保持充填率不变的情况下,随着走向采宽和充填宽度的同时同量增加,充填体对上覆岩层支撑作用逐渐增强,离层下部隔水层出现两侧应力增大现象,最佳部分充填方案为采宽80 m,充填宽度80 m,为顶板离层水害的预防提供新的思路。

关键词：离层水突涌模式数值模拟部分充填优化预防

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基于HOG特征的InSAR矿区开采沉陷盆地检测方法

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中国矿业大学学报 2021年第2期50卷 404-410页

作者：王志勇李路王建刘健山东科技大学测绘与空间信息学院山东青岛266590 测绘工程国家级实验教学示范中心(山东科技大学) 山东青岛266590

针对难以从大幅宽InSAR干涉图中自动识别与检测矿区采空区的问题,提出了一种基于方向梯度直方图(HOG)特征的InSAR矿区开采沉陷盆地检测模型,首先使用HOG算子提取样本中开采沉陷盆地和其他目标的边缘特征,用于训练支持向量机(SVM),得到... 详细信息

针对难以从大幅宽InSAR干涉图中自动识别与检测矿区采空区的问题,提出了一种基于方向梯度直方图(HOG)特征的InSAR矿区开采沉陷盆地检测模型,首先使用HOG算子提取样本中开采沉陷盆地和其他目标的边缘特征,用于训练支持向量机(SVM),得到用于检测InSAR开采沉陷盆地的SVM分类器,随后利用相干信息对分类器的检测结果进行筛选,排除疑似目标,提高开采沉陷盆地的检测精度.选取淮北矿区和济宁矿区为实验区,利用Sentinel-1A雷达数据进行了实验验证.结果表明:该模型能够在大区域的InSAR干涉图上有效地检测出矿区开采沉陷盆地,其正确率可达85%,可以为矿区沉降的精细化监测与分析提供参考.

关键词： HOG特征 SVM分类器矿区沉降雷达干涉测量

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