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岩石力学与工程学报 2014年第9期33卷 1852-1862页

作者：赵延林张盛国万文王卫军蔡璐彭青阳湖南科技大学能源与安全工程学院湖南湘潭411201 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221008 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

引入承压溶洞突水的管道流折算渗透系数,构建耦合非线性渗流–管道流于一体的承压溶洞突水全过程分析模型,在此基础上建立巷道前伏溶洞突水过程的流固耦合–强度折减法联动分析方法,研究承压溶洞突水全过程的流态转换机制。以七一煤矿... 详细信息

引入承压溶洞突水的管道流折算渗透系数,构建耦合非线性渗流–管道流于一体的承压溶洞突水全过程分析模型,在此基础上建立巷道前伏溶洞突水过程的流固耦合–强度折减法联动分析方法,研究承压溶洞突水全过程的流态转换机制。以七一煤矿石坝井承压溶洞突水事故为例,探讨防水岩柱的力学失稳机制和突水演化过程。研究表明:防水岩柱失稳前岩溶水非线性渗流,随着岩柱折减系数的增加,工作面渗水量增大,防水岩柱失稳后,溶洞水体突出,涌入巷道形成管道流。采用管道流模拟得到突水量在较短时间内达到峰值,由于溶洞水体储量供给约束,突水量逐渐减少,由突水初期的粗糙紊流最终变为管道层流。引入防水岩柱安全系数的概念,研究防水岩柱安全系数与溶洞内压、岩柱厚度的关系,将安全系数为1.5的岩柱厚度作为防水岩柱的计算安全厚度,提出防水岩柱工程留设厚度等于炮眼深度、爆破扰动深度和防水岩柱计算安全厚度之和的设计方法。将岩体流–固耦合理论、流态转换理论和强度折减法结合起来研究承压溶洞突水的非线性力学响应,为研究承压溶洞突水全过程提供了一种新的研究方法。

关键词：岩石力学溶洞突水防水岩柱流固耦合强度折减法

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综采工作面旋转风幕隔尘实验研究

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环境工程学报 2015年第8期9卷 3895-3901页

作者：王鹏飞刘荣华汤梦张文桂哲湖南科技大学能源与安全工程学院湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湘潭411201

为了研究综采工作面旋转风幕隔尘机理及其隔尘效率,对旋转风幕隔尘下的综采工作面粉尘浓度分布及其隔尘效率开展了模型实验研究。研究结果表明,(1)在相同工况下,旋转风幕对全尘和呼吸性粉尘的隔尘效率高于普通空气幕,且对呼吸性粉尘的... 详细信息

为了研究综采工作面旋转风幕隔尘机理及其隔尘效率,对旋转风幕隔尘下的综采工作面粉尘浓度分布及其隔尘效率开展了模型实验研究。研究结果表明,(1)在相同工况下,旋转风幕对全尘和呼吸性粉尘的隔尘效率高于普通空气幕,且对呼吸性粉尘的隔尘优势更为明显;(2)出口风速对隔尘效果的影响较大,存在一个最佳的出口风速,在该风速下旋转风幕对全尘和呼吸性粉尘均保持较高的隔尘效率;(3)当出口风速低于最佳风速时,旋转风幕对全尘和呼吸性粉尘的隔尘效率均随着风速的增加而显著提高;当出口风速高于最佳风速时,随着出口风速的增加全尘隔尘效率不断下降,且呼吸性粉尘隔尘效率提升不明显;(4)旋转风幕对于不同粒径的粉尘的隔尘效率存在差异,随着粉尘粒径的增加,旋转风幕的隔尘效率不断下降。

关键词：综采工作面旋转风幕粉尘隔尘效率模型实验

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高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合机制与数值实现

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岩土力学 2014年第2期35卷 556-564页

作者：赵延林彭青阳万文王卫军张盛国湖南科技大学能源与安全工程学院湖南湘潭411201 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221008 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型... 详细信息

采用渗流力学、断裂力学理论结合Monte Carlo方法描述岩体裂纹的随机分布,研究高水压作用下岩体原生裂纹的变形和翼形裂纹的萌生、扩展、贯通的渗流-断裂耦合作用机制,建立高水压作用下岩体裂纹的渗流-断裂耦合数学模型,给出该数学模型的求解策略与方法,在Fortran95平台下开发高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合分析程序***。高水压下岩体裂纹扩展的渗流-断裂耦合体现在岩体裂纹网络和渗流初始条件都随渗流时步变化。对高压注水岩体裂纹扩展过程进行渗流-断裂耦合分析。结果表明,高压注水条件下,岩体裂纹扩展存在起动水压力,当水压力大于起动水压力时,裂纹尖端开始萌生翼形裂纹,随着裂纹水压力的增加,翼形裂纹扩展,进而与其他裂纹搭接贯通,停止扩展。渗流-断裂耦合分析考虑了裂纹动、静水压力对裂纹产生的法向扩张效应及翼形裂纹的扩展而形成新的渗流通道两方面的影响,连通裂纹数随渗流的发展而增加。岩体裂纹的渗流-断裂耦合分析,能较真实地再现岩体裂纹的水力劈裂现象,描述岩体裂纹的扩展、贯通过程及与之相耦合的渗流响应。

关键词：岩石力学高水压渗流-断裂耦合数值实现水力劈裂

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内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘效率研究

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煤炭学报 2019年第5期44卷 1570-1579页

作者：王鹏飞李泳俊刘荣华谭烜昊田畅湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害治理安全生产实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

为了掌握内混式空气雾化喷嘴喷雾特性及降尘性能,借助自主研发的喷雾降尘实验平台,对内混式空气雾化喷嘴与X旋流型压力喷嘴流量、雾化角、射程、雾滴体积分数、雾滴粒径、雾滴速度等喷雾特性参数及降尘效率进行了实测,并对实验结果作对... 详细信息

为了掌握内混式空气雾化喷嘴喷雾特性及降尘性能,借助自主研发的喷雾降尘实验平台,对内混式空气雾化喷嘴与X旋流型压力喷嘴流量、雾化角、射程、雾滴体积分数、雾滴粒径、雾滴速度等喷雾特性参数及降尘效率进行了实测,并对实验结果作对比分析。结果表明:随着供水压力的增加,内混式空气雾化喷嘴水流量和气流量分别呈指数形式递增和递减,气液质量流量比不断下降;压力喷嘴水流量随着供水压力的增大而增大,水流量与供水压力的1/2次方成正比。随着供水压力的增加,2种喷嘴的雾化射程、雾滴体积分数及雾滴速度均增大。X旋流型压力喷嘴雾化角明显大于空气雾化喷嘴,其喷雾作用范围更宽;随着供水压力的不断提高,空气雾化喷嘴雾化角呈现先增大后减小的变化规律,而压力喷嘴则一直以较小的幅度不断减小。空气雾化喷嘴由于有压缩空气作为助力,在供水压力较低时能获得较为理想雾滴粒径,且随着供水压力的增大,雾滴粒径不断增大;普通压力喷嘴的雾化粒径随着供水压力的提高而减小,且需在较高的供水压力下才能获得理想的雾滴粒径。在相同的供水压力下,空气雾化喷嘴雾滴粒径和水流量均小于压力喷嘴,而雾滴体积分数、雾滴速度及降尘效率均高于压力喷雾。气水喷雾较压力喷雾具有明显的优势,获得相同的降尘效率,气水喷雾耗水量仅约为压力喷雾的一半。

关键词：空气雾化压力喷嘴雾化特性降尘效率

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岩石黏弹塑性应变分离的流变试验与蠕变损伤模型

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岩石力学与工程学报 2016年第7期35卷 1297-1308页

作者：赵延林唐劲舟付成成万文王卫军罗世林湖南科技大学能源与安全工程学院湖南湘潭411201 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221008 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点试验室湖南湘潭411201

基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬... 详细信息

基于目前未能对岩石蠕应变的内涵进行分类研究,提出岩石黏弹塑性应变分离的蠕变试验方法和数据处理技巧。以金川二矿区的二辉橄榄岩为例,探讨该类岩石的三轴黏弹塑性变形特性。岩石的瞬时应变分离为瞬弹性和瞬塑性应变,二辉橄榄岩的瞬弹性响应近线性,而瞬塑性模量随偏应力水平的增加而增大;蠕应变分离为黏弹性和黏塑性应变,岩石黏弹性应变曲线呈现衰减蠕变的特性,而黏塑性应变曲线呈现出衰减蠕变,稳定蠕变,甚至加速蠕变的特性,黏弹性应变、黏塑性应变和定常蠕变率与受载偏应力水平之间表现为非线性关系;侧向黏弹塑性应变特性与轴向相似,在未破坏级偏应力下侧向蠕变应变为轴向蠕变应变的25%～30%。将Burgers模型和非线性M-C塑性元件串联组合建立新的BNMC蠕变损伤模型,该模型认为加速蠕变是岩石强度迅速降低和黏塑性变形高度发展,塑性失稳的阶段。依据FLAC3D所提供的二次开发程序接口,采用VC＋＋编程方法实现BNMC蠕变损伤本构模型的二次开发,提出BNMC蠕变损伤本构模型参数的辩识方法。

关键词：岩石力学黏弹塑性蠕变损伤分级加卸载

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大倾角厚层坚固顶板巷旁支护体合理宽度及让压尺度研究

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第11期53卷 4494-4503页

作者：李鹏朱永建王平任恒张玉群王希之梅成成湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

为研究大倾角煤层切顶留巷巷旁支护体合理宽度及让压尺度,以四川柏林煤矿南段工作面为研究背景,综合运用理论分析、数值模拟和现场实测的方法,结合大倾角厚层坚固顶板覆岩垮落特征,分析大倾角煤层沿空留巷顶板活动规律,建立大倾角煤层... 详细信息

为研究大倾角煤层切顶留巷巷旁支护体合理宽度及让压尺度,以四川柏林煤矿南段工作面为研究背景,综合运用理论分析、数值模拟和现场实测的方法,结合大倾角厚层坚固顶板覆岩垮落特征,分析大倾角煤层沿空留巷顶板活动规律,建立大倾角煤层切顶留巷巷旁支护力学模型,提出针对巷旁支护体与采空区矸石协同压缩流变变形的巷旁让压支护机制,并采用Flac^(3D)软件计算分析不同巷旁支护体宽度及让压尺度下的沿空巷道变形特征。研究结果表明:巷旁支护体宽度对留巷稳定性影响显著,巷旁支护体宽度越大,沿空留巷越稳定,但考虑到矸石墙垒筑工作强度较大,巷旁支护体合理宽度设置为2.0 m;巷旁支护体让压尺度取决于采空区矸石的压实情况,让压尺度设置为3:5时,巷旁支护体让压量足以使得采空区矸石充分压实。工程实践表明,采用所确定的巷旁支护体设计参数,巷道变形能够满足生产需要,证明了所选参数的合理性。

关键词：大倾角煤层沿空留巷巷旁支护体合理宽度让压尺度

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岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合模型及应用

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中南大学学报（自然科学版） 2017年第3期48卷 794-803页

作者：赵延林曹平马文豪唐劲舟万文王卫军湖南科技大学能源与安全工程学院湖南湘潭411201 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221008 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采... 详细信息

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采用间接耦方法构建岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合数值模型。将模型应用于山西省长治市潞安王庄矿3号煤4309工作面高压注水软化顶煤工程,对高压注水下煤岩体的渗流-劈裂-损伤耦合响应规律进行研究。研究结果表明:所建模型反映了渗透压对岩体柔度张量的贡献和翼形裂纹扩展对裂隙岩体渗透张量演化的贡献;在高渗透压条件下,煤岩的应力场会发生很大变化,甚至可能改变煤岩应力拉压状态;高渗透压改变了煤岩裂纹结构,导致煤岩破裂是高压注水软化顶煤的基本原因;潞安王庄矿3号煤4309工作面的合理注水压力为7 MPa左右,这在现场注水现场试验中得到证实。

关键词：岩石力学高水压耦合分析煤层注水合理注水压力

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不连续面在双重介质热-水-力三维耦合分析中的有限元数值实现

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岩土力学 2010年第2期31卷 638-644页

作者：赵延林王卫军曹平王军赵阳升湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南科技大学能源与安全工程学院中南大学资源与安全工程学院太原理工大学采矿工艺研究所

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元... 详细信息

在建立双重介质热-水-力耦合微分控制方程的基础上,提出了裂隙岩体热-水-力耦合的三维力学模型,对不同介质分别建立以节点位移、水压力和温度为求解量的三维有限元格式,开发了双重介质热-水-力耦合分析的的三维有限元计算程序,在有限元数值分析中不连续面应力计算采用等厚度空间8节点节理单元进行离散,而不连续面渗流和热能计算时采用平面4节点等参单元进行离散,这样保证了不同介质之间的水量、热量交换和两类模型接触处节点水头、温度和位移相等。通过高温岩体地热开发算例,揭示了在热-水-力耦合作用下不连续面处于低应力区,其张开度随运行时间的延长呈非线性增加,非稳定渗流阶段不连续面显著地控制着渗流场的整体分布,它的水头远高于拟连续岩体介质的水头,而进入稳定渗流阶段不连续面的控渗作用不明显,由于高温岩体地热开发系统中存在大规模的热量补给,不连续面对岩体温度场分布的影响并不显著。

关键词：不连续面双重介质热-水-力耦合节理单元有限元

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含单一贯通破裂面岩石注浆试验及加固机制分析

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岩土力学 2022年第12期43卷 3221-3230页

作者：朱永建任恒王平李鹏王希之魏明星湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

针对单一贯通结构面注浆加固影响围岩承载力的问题,提出了一种制作含单一贯通破裂面岩样的方法,并对此种岩样分别注入超细水泥和环氧树脂材料,进而借助RMT-150 C试验系统探究了固结体单/三轴压缩下强度及变形特征,最后,采用理论分析结... 详细信息

针对单一贯通结构面注浆加固影响围岩承载力的问题,提出了一种制作含单一贯通破裂面岩样的方法,并对此种岩样分别注入超细水泥和环氧树脂材料,进而借助RMT-150 C试验系统探究了固结体单/三轴压缩下强度及变形特征,最后,采用理论分析结合电镜扫描手段,揭示了结构面注浆微观固结机制。研究发现,三轴加-卸载条件下制备的破裂结构面更接近工程实际,符合试验要求;从应力-应变特征曲线来看,注超细水泥试件表现出阶段性,注环氧树脂试件曲线较为平滑;从强度特征来看,围压影响程度明显高于注浆材料的选择;注浆加固手段可提高岩体的残余强度,随着围压的提高,残余强度提高系数越不明显,固结体峰值强度愈发接近完整岩石峰值强度;从破坏特征来看,注超细水泥试件主破裂面沿原始破裂面剪切滑移,注环氧树脂试件主破裂面为新的贯通破裂面;最后,以摩尔-库仑准则为理论基础,建立了注浆材料黏结力与结构面强度提高系数关系式,发现结构面强度提高系数与浆液黏结力呈线性关系。与试验结果的对比表明,该公式较为合理,可为深部围岩支护优化提供参考。

关键词：结构面注浆材料强度破坏特征加固机制

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三轴卸荷损伤砂岩单轴再承载力学特性及其破坏机制

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岩土力学 2024年第10期45卷 3047-3057页

作者：魏明星朱永建任恒李鹏王希之王平唐成湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

深部煤炭资源开采面临着高应力的地质环境和岩体开挖卸荷的工程环境,卸荷损伤岩体再承载力学特性及破坏机制研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律具有重要意义。通过控制三轴加载卸荷点制备损伤砂岩试件,采用RMT-150C岩石力学加载系统和东... 详细信息

深部煤炭资源开采面临着高应力的地质环境和岩体开挖卸荷的工程环境,卸荷损伤岩体再承载力学特性及破坏机制研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律具有重要意义。通过控制三轴加载卸荷点制备损伤砂岩试件,采用RMT-150C岩石力学加载系统和东华DHDAS应力-应变采集系统,监测三轴卸荷及单轴再加载过程中试件的横向应变和轴向应变。试验结果表明:根据加载前后波速差值,可将卸荷岩体分为压密岩体、低损岩体和高损岩体3类;随着卸载应力水平的升高,损伤砂岩由塑-弹-塑性体变形特征过渡为塑-弹性体变形特征最后转变为弹-黏性体变形特征;压密岩体单轴再加载裂纹体积应变曲线与标准砂岩基本一致,低损岩体弹性变形阶段明显缩短,高损岩体经历极小变形就发生破坏;压密岩体呈现Y型斜面剪切破坏特征,低损岩体在卸荷阶段出现的纵向裂缝和裂隙基础上发育并贯通形成主控裂纹造成破坏,高损岩体在Y型斜面剪切破裂基础上发育为X型斜面剪切破坏;建立了单轴压应力下裂纹力学分析模型,明确了岩石裂纹断裂角θ与裂纹角β和裂纹面摩擦系数f之间的关系。

关键词：损伤砂岩单轴再加载特征强度裂纹体积应变破坏机制

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