基于贝叶斯神经网络的冲击地压预测与影响因素权重分析

针对华丰煤矿4#煤层冲击事故频发的问题,采用理论分析及现场实验相结合的方法,对于复杂开采技术类因素和多种典型性地质条件耦合作用下的冲击地压启动机理、能量来源及防治措施展开研究。首先分析4#煤层1411工作面冲击启动能量来源,通过建立工作面前方煤体及围岩结构承受动、静载荷的力学模型,得到冲击启动区煤体内部任意一点的应力解析解,其次基于弹塑性理论,通过主应力平面偏转变换得出的最大、中间和最小主应力求得冲击启动区任意处单元煤体储存的弹性应变能的解析解,并根据现场实际工程参数,分析各种因素对煤体内部应力和能量分布规律的影响。结合力学模型解析解、数值模拟实验和现场记录参数的结果对工作面前方冲击地压的启动、传递和显现进行预测和分析。通过对冲击地压影响因素权重的分析发现了通过水力压裂降低顶板强度或水射流切割顶板降低老顶悬臂梁长度等对工作面防冲治理的优先级应高于保护层开采卸压等手段。     

基于蝶形破坏理论的地震能量来源

地震发生时释放的巨大能量从何而来,一直以来都是还没有认识清楚的问题。考虑到两组地壳破裂带交叉部位强震频发的基本特点,基于蝶形破坏理论,构建以软弱异性体为中心的能量计算模型,提出了地震能量的计算方法。从软弱异性体围岩发生塑性破坏引发能量改变角度出发,数值模拟分析地震过程中有软弱异性体存在对地壳围岩能量分布的影响,探讨了自然地震触发的一般规律;以中国大陆西南地区含鲁甸ML6. 5级地震震中位置区域为地质背景,进一步对比分析有无软弱异性体条件下,地震震源能量与分布特征的变化规律。研究结果表明:地壳内部软弱异性体使其周围岩体应力重新分布,形成围绕软弱异性体的应力集中;随着挤压与张拉构造应力的加剧,软弱异性体围岩出现蝶形破坏区,蝶形破坏区蝶叶周围岩体集中的大量弹性能,是地震能量主要来源;软弱异性体使其周围岩体能量积聚特征呈指数型变化,且在软弱异性体围岩蝶形塑性破坏演化过程中会形成蝶形能量集中区,标志着系统由稳态向非稳态能量集中的转变;地震发生时软弱异性体周围岩体塑性破坏范围与积聚能量所处的状态决定了地震发生级别的大小,在蝶形塑性破坏的剧烈扩展阶段,微小的应力扰动即可引发整个围岩能量系统的灾变,引发大级别的自然地震。     

地下连续开采技术的动力学原理及应用研究

为了解决地下开采留设煤柱带来的回采率与离散位移致灾等问题,提出了将井田内工作面之间保护煤柱、末采大巷或上山保护煤柱一并采出的连续开采新思路。在全面分析现有工作面间无煤柱开采技术特征的基础上,提出工作面推进方向上工作面末采实现无煤柱贯通上山或大巷的新技术| 结合最低系统工作面的采煤方法与上一级系统的相关性,形成了“110/ N00工法末采无煤柱贯通上山或大巷”在内的连续开采新技术,应用复动力系统理论揭示了连续开采的动力学原理。最后,通过工程案例证实了连续开采技术思路的科学价值和应用价值,从而为井工开采在科研、设计与生产等环节提供新的技术范式。     

X型共轭剪切破裂-地震产生的力学机理及其演化规律

地震的发生是一个极为复杂且高度非线性的物理过程,基于乔建永、马念杰、马骥等提出的X型共轭剪切破裂-地震复合模型,进一步研究了共轭剪切破裂-地震发生的力学机理,阐明了共轭剪切破裂-地震发生及其演化的物理过程,从软弱异性体周围岩体应力、破坏形态与地震能量变化的角度出发,发现了共轭剪切破裂-地震具有"仿蝶存亡"规律,获得了共轭剪切破裂-地震生成的必要条件。研究结果表明:由于构造应力显现区域应力环境的剧烈变化,地壳岩体中会形成以软弱异性体为中心的性态极不稳定的蝶形破坏区,它的扩展最终会形成显性或隐性的共轭剪切破裂;蝶形破坏区蝶叶每次扩展释放的能量会在一定范围内引发地震,即地震是触发事件动载作用下蝶形破坏瞬态扩展所释放弹性能的非线性动力现象;共轭剪切破裂在不同应力状态下经历了圆形和椭圆形破坏、蝶形渐进破坏与蝶形剧烈破坏的孕育期、生长期与剧变期;依据地震里氏震级的强弱,在共轭剪切破裂动态生成过程中地震活动存在着弱震期,中强震期与强震期的"仿蝶存亡"特点;共轭剪切破裂—地震发生的必要条件主要有地壳中的软弱异性体存在条件,构造应力剧烈变化条件,软弱异性体及其周围岩体强度条件以及地震发生的应力触发条件。     

基于动力系统结构稳定性的共轭剪切破裂-地震复合模型

地壳中岩体破坏、断层形成与地震诱发具有成因联系,其中"X"型共轭剪切破裂与地震发生关系密切。为此,基于动力系统结构稳定性理论和孔洞岩体蝶形破坏理论,构建了"X"型共轭剪切破裂-地震复合模型,推导了破裂尺寸计算公式,给出了地震释放能量的计算方法。用动力系统理论解释了破裂扩展尺寸与地震能量释放存在的定量对应关系,从理论上完整阐述"X"型、"V"型和"Y"型共轭破裂特征的生成及演化力学机理,推演出共轭剪切破裂扩展和伴随地震发生的重要物理力学现象及规律。研究结果表明:在高偏差应力场作用下的地下软弱异性体周围岩体满足摩尔-库仑剪切破坏条件发生破坏,形成蝶形破坏区,即花瓣形破坏区,随着蝶形破坏区的扩展,会形成以软弱异性体为中心的显性或隐性X型共轭剪切破裂;软弱异性体周围岩体强度特征变化,使得共轭破裂表现出"X","V","Y"型共轭特征;在一定地应力和围岩环境中,地壳软弱异性体及其周围岩体构成的非线性动力系统,对于地应力和地层强度的变化具有敏感依赖性,即共轭剪切破裂的扩展尺寸和地震释放的能量具有相互伴生的指数型变化特征,相同的应力扰动在不同的构造应力场作用下引发共轭剪切破裂一次性扩展的尺度不同,会引发不同级别的地震,存在着非敏感依赖区域向敏感依赖区转化的特征拐点。     

岩石迭代损伤与膨胀演化规律研究

本文基于应变等效性假说的变形模量衰减损伤理论,通过分析岩石压缩变形过程中迭代的演化特征,得出了岩石损伤演化规律,并从迭代角度建立了模拟该损伤演化规律的方法,在此基础上推导了一种新的岩石损伤本构模型,进而分析了损伤演化过程的混沌特征;基于扫描电镜观察到的软岩微观结构,建立统计力学模型,分析了软岩膨胀的物理化学效应。研究表明：基于微缺陷迭代生长角度提出的损伤演化模型能够实现对岩石压缩变形全过程损伤演化规律统一、完整地描述,理论曲线与试验数据具有很好的一致性;软岩膨胀的物理化学效应既可能引起有限次物理相变,也可能引起无穷次物理相变,甚至使软岩进入异常复杂的玻璃态转变状态,这同软岩膨胀机理的复杂性高度契合。