单轴压缩湿土样最大剪切应变场数字图像相关方法结果的统计分析

研究了单轴压缩湿土样沿剪切带方向的最大剪切应变的均值和标准差以及剪切局部化区域尺寸的演变规律。为了深入揭示土样剪切带萌生的过程,根据纵向应变较高时清晰剪切带所处位置在土样上布置测线,对由数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得测线上光滑性较好的最大剪切应变分布。研究发现,随着纵向应变的增加,沿剪切带方向的最大剪切应变由低值多峰向高值少峰转变。测线上最大剪切应变发生突增的点、局部高值点及低值点均有可能发展成为主峰。测线上最大剪切应变的均值和标准差随纵向应变的演变规律在总体上均呈上凹形,但当纵向应变较低时,二者均呈线性。以上述两种统计量线性规律丧失所对应的平均最大剪切应变作为剪切带萌生的条件。随着纵向应变的增加,土样中发生剪切局部化的区域越来越大。欲达到相同的剪切局部化区域尺寸,含水率高的土样所要求的纵向应变较高。当纵向应变较高时,含水率高的土样的剪切局部化区域尺寸比含水率低的土样要大,这与其塑性变形阶段较长有关。     

采空区垮落岩体空隙储水分形计算及应用研究

 为了计算采空区垮落岩体空隙储水量,引入分形理论对陕北榆神府煤田采空区垮落岩体储水空隙相关参数展开研究。基于采空区垮落岩体空隙分形维数测定数据,选用Menger海绵分形模型建立采空区垮落岩体空隙结构模型,推导采空区垮落岩体空隙率和残余碎胀系数公式,计算采空区垮落岩体空隙储水量,并以神南矿区某矿32301面为工程背景进行现场应用研究。研究结果表明：采空区垮落岩体空隙分形维数为2.93,储水性能良好。分形计算最大储水量为3848231.93m3,与采空区垮落岩体空隙实际储水量较为一致。利用分形方法计算采空区垮落岩体空隙储水量是可行的,对于干旱-半干旱矿区有效利用有限水资源具有重要的现实意义。     

基于响应能量和无响应时间的冲击危险性动态评价技术

煤岩冲击危险性评价的研究在煤矿安全生产领域引起广泛关注,已有多种静态评价方法指导现场防冲工作。一方面,对于冲击地压的致灾机理和影响因素目前尚未完全掌握;另一方面,伴随着开采活动,煤岩冲击危险性是动态变化的,因此静态评价方法不足以解决井下煤岩冲击危险性评价的问题。而基于现场监测的冲击危险性动态评价技术对于井下安全生产活动具有更强的参考性。依据统计损伤力学原理,对煤岩受载条件下的能量演化行为进行分析,发现累积能量释放速率对时间的响应具有临界敏感性,即在煤岩临近灾变时,累积能量释放速率会激增。此外,依据统计学原理,复杂系统处于正常状态(无危险性)的行为应该占据较大概率,非正常状态(有危险性) 的行为应该占据较小概率,故某一时刻系统行为偏离正常状态的程度实际上反映了其自身所处危险状态的变化。基于以上原理,初步建立了以响应能量异常系数和无响应时间异常系数为指标的冲击危险性动态评价的微震技术,对短期预警或临震预警展开尝试。最后在典型冲击地压矿井已有微震数据基础上,进行了现场验证。研究结果表明,微震累积能量释放速率可直接反映煤岩所处冲击危险状态;缺震时间频次分布规律满足正偏态分布;在此基础上构建的两个异常系数指标相互结 合能够实现对现场冲击危险性的实时连续评价;基于统计学原理,随着开采活动的进行,对冲击危险性指标的阈值进行动态修正,保证动态评价结果更为灵敏、准确,这一思想可应用于其他动态评价技术中。     

基于RELM的时间序列数据加权集成分类方法

时间序列数据通常是指一系列带有时间间隔的实值型数据,广泛存在于煤矿、金融和医疗等领域。为解决现有时间序列数据分类问题中存在的含有大量噪声、预测精度低和泛化性能差的问题,提出了一种基于正则化极限学习机(RELM)的时间序列数据加权集成分类方法。首先,针对时间序列数据中所含有的噪声,利用小波包变换方法对时间序列数据进行去噪处理。其次,针对时间序列数据分类方法预测精度低、泛化性能较差的问题,提出了一种基于RELM的加权集成分类方法。该方法通过训练正则化极限学习机(RELM)隐藏层节点数量的方法,有效选取RELM基分类器;通过粒子群优化(PSO)算法,对RELM基分类器的权值进行优化;实现对时间序列数据的加权集成分类。实验结果表明,该分类方法能够对时间序列数据进行有效分类,并提升了分类精度。     

采动影响下软岩巷道松动圈的联合测试方法研究

为进一步研究软岩巷道在受采动影响下的围岩松动圈大小及发展规律,为锚杆锚索支护技术提供科学的依据,选取内蒙古鄂尔多斯市高家梁煤矿受采动影响的软岩巷道为研究对象,运用孔壁检视法和地震波反射法联合现场测试,然后用分形理论来预测比较围岩松动圈大小的方法来测定围岩松动圈;现场实测结果表明:受采动影响的巷道的松动圈是一个不断扩展的过程,最终稳定在1.7～1.9m之间,而且用分形理论预测的结果和现场测试的结果几乎相同;该联合测试方法为软岩巷道的支护参数选择提供了依据,为其他类似矿井的松动圈测试提供了一种新方法而且具有重大的指导意义.     

定向剪切应力路径下类弱胶结软岩椭圆各向异性强度准则

地下工程开挖卸荷引起的围岩应力重分布将影响弱胶结软岩强度,导致巷道围岩产生不均匀大变形,甚至造成塌方、冒顶等安全事故。以膨润土、风积砂、石膏粉和滑石粉为原料制备类弱胶结软岩试样,利用GDS SSHCA空心圆柱扭剪仪开展主应力定向剪切试验,研究大主应力方向对弱胶结软岩应力–应变曲线、峰值应力(变)和抗剪强度的影响规律,探索主应力方向诱导的弱胶结软岩强度各向异性特征。结果表明：当0°<α <45°时(α为大主应力与竖直方向的夹角),试样产生轴向压应变和剪应变,且随着α的增加,试样轴向应变占比逐渐减小,剪应变占比逐渐增加;当α=45°时,试样以剪应变为主,并伴随体积扩容现象;当45°<α <90°时,试样受侧向挤压产生轴向拉应变与剪应变。当0°≤α≤30°时,峰值剪应力比(τ_zθ/p’)max随α的增加逐渐增大;而当30°<α≤90°时,(τ_zθ/p’)max则随着α的增加逐渐减小;当α=30°时,(τ_zθ/p’)max=0.81,为最大值,这表明软岩具有显著的各向异性特征。基于峰值剪应力比演化特...     

不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。     

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0～70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。     

循环载荷作用下岩石材料变形场演化试验研究

 将岩石在动载荷作用下破坏过程的应力场直观地表现出来,从变形场演化的角度研究岩石试件的破坏规律是岩石力学变形观测领域一个有重要意义的课题。采用岩石材料破坏过程变形场监测(Geo-DSCM)系统,观测循环载荷作用下岩石材料破坏过程中的变形场演化。岩石试件采用大理岩加工而成,对岩石试件加载的循环载荷为正弦波,其下、上限载荷分别为10,130 kN,频率为0.04 Hz。通过对多个岩石试件的变形破坏过程的观测,从变形场演化的角度总结岩石材料在循环载荷下的破坏规律。试验结果表明：循环载荷作用下岩石的变形经历3个阶段,即均匀阶段、局部化阶段和破坏阶段。岩石在破坏过程中其变形场演化表现出一个规律,即在破坏前夕发生严重的变形局部化现象,形成变形局部化带;变形局部化带中的变形进一步集中,形成宏观裂纹,导致试件破坏。从而可用一种描述变形场局部化特征的统计量(如变形场的方差)来表征变形场演化过程,岩石破坏前发生变形局部化,此统计量会发生突跳。因此,此统计量可用以指示岩石结构的破坏,如果设计现场观测系统,应用此方法有望实现灾害监测与预报。     

煤矿地下水库坝基层间岩体破坏及突渗力学模型

煤矿地下水库技术为西部矿区矿井水资源储存和利用提供了新的途径。煤矿地下水库安全稳定的科学问题之一是开采扰动下煤岩体渗透特性突变机理及量化表征。以陕西大柳塔煤矿为原型开展了煤矿地下水库层间岩体裂隙演化的物理相似模拟试验和三轴循环加卸载渗流耦合试验。结果表明：下煤层工作面朝上部水库推进过程中层间岩层发生拉伸剪切破坏,裂隙逐渐向水库坝体方向延伸,采用数字散斑方法观测到坝基岩体裂隙网络由离散局部变形连通形成宏观裂缝,并贯穿至煤柱坝体;从几何和拓扑角度定量地分析了裂隙网络的幂律分布特征,证实了裂隙演化在空间上存在连通概率,岩层的裂隙网络连通属于渐进式,区别于岩石试件裂隙激增式扩展过程。综合考虑原岩应力、初始采动应力、循环加卸载等作用,发现采动应力导致煤体的体胀作用远大于砂岩,砂岩作为硬岩关键层有利于抑制裂隙扩展和渗透增加;采用基于分数阶理论的非达西渗透率公式计算瞬态法测试的渗透率,相比常规计算方法具有更好的灵敏性,渗透率突变伴随着应力突降、体应变激增、破裂信号陡增等行为,揭示了渗透率的本质是裂隙网络的拓扑连接,提出了突渗的力学定义和拓扑定义。采用逾渗理论将裂隙网络连通视为连续相至非连续相的跳跃行...