井田突出危险性分形预测研究

为准确预测煤与瓦斯突出灾害,作者以某矿井田为例,采用分形几何学手段研究了井田地质构造的分形特征,并将构造分维数与突出危险性作了对比分析;结果表明,该矿井田地质构造具有分形特征,构造分维数能够定量地描述地质构造的复杂程度,构造分维数与瓦斯涌出量及突出危险性间存在正相关关系.     

井田突出危险性分形预测研究

为准确预测煤与瓦斯突出灾害,作者以某矿井田为例,采用分形几何学手段研究了井田地质构造的分形特征,并将构造分维数与突出危险性作了对比分析;结果表明,该矿井田地质构造具有分形特征,构造分维数能够定量地描述地质构造的复杂程度,构造分维数与瓦斯涌出量及突出危险性间存在正相关关系.     

升温氧化过程煤表面介观特征和分形参数研究

将原子力显微镜（AFM）用于煤表面结构研究,提出介观尺度下煤表面结构研究方法. 得出基于分形理论和AFM观测结果计算分形维数D的方法.实验分析证明,煤表面有明显的分形特征,在煤样的升温氧化过程中,分形维数随温度的升高趋于增大.     

橡胶混凝土梁裂缝分形理论分析

通过实验研究橡胶混凝土梁和普通梁在集中荷载下受弯性能,探讨橡胶粉对混凝土梁的承载力、裂缝宽度的影响。实验结果表明:两种梁表面裂缝分布都具有统汁意义上的自相似性;在同一荷载等级下橡胶混凝土梁的最大裂缝宽度小于普通混凝土最大裂缝宽度,胶粉的加入改善混凝土材料抗裂性能;利用分形理论求出各荷载等级下表面裂缝分维值,并建立起表面裂缝分维值与最大裂缝宽度间关系。     

采空区上覆岩体裂隙分形规律的实验研究

以山西省霍州矿务局辛置煤矿2204采掘工作面为原型,利用相似材料模拟实验模拟采空区上覆岩体裂隙的形成过程扣分布状态,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙的分形规律。实验结果表明：上覆岩体裂隙分形维数随工作面推进经历了由小→大→小并趋于稳定的变化过程,开采结束且岩层基本稳定之后,其分形雏数为采动前分维值的0．5％-5％,且模型采空区边缘地带“三带”的分形维数值较采空区中心的分形维数值大。     

基于固气耦合的煤岩-瓦斯二相介质相似材料及其力学特性

含瓦斯煤是具有多孔特性和气固耦合特性的二相介质复合材料。为了精准模拟含瓦斯煤的物理力学属性,基于相似准则和主控参数相似比尺,进行了80余组材料配比试验和力学参数试验,研制了煤岩-瓦斯二相介质相似材料。对比了相似材料和原煤的相似性,并基于新材料进行了三维煤与瓦斯突出相似模拟试验。主要结论如下：1）煤粉和腐殖酸钠水溶液为骨料和胶结剂配制的煤岩相似材料的弹塑性参数和吸附性参数均与原煤相似;2）适当体积比的CO2和N2二元混合气体的膨胀能和CH4膨胀能一致,CO2和N2二元混合气体可作为CH4相似气体,且安全性高;3）研制的煤岩-瓦斯二相介质相似材料与含瓦斯原煤的物理力学参数具有高度相似性,实现了气固耦合特性模拟;4）三维物理模拟试验再现了石门揭煤引发煤与瓦斯突出现象,得到与现场接近的突出孔洞形态和突出粉煤质量,验证了相似材料的合理性,也为进一步研究煤与瓦斯突出规律,监测突出前兆信息提供了科学手段。     

用气体吸附法研究煤的分形维数

用气体吸附法测定了包钢生产用宁夏无烟煤的比表面积，发现现场煤与原煤的比表面积较大，且计算出的分形维数有较大的差别。对实验结果进行了分析。     

中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

为明确韩城、保德区块煤岩孔隙结构分形特征,基于火柴棍模型,推导了新的分形特征表征方法,并利用扫描电镜实验和压汞实验数据对新方法进行验证,在此基础上研究了中、低煤岩孔隙结构分形特征。结果表明,火柴棍模型更能精确表征中、低煤阶煤岩的双重孔隙结构特征。在双对数坐标中,进汞饱和度与毛管压力成双线性关系,即以半径1 μm为界,中低阶煤岩孔隙结构具有分段分形特征,孔隙和裂缝具有不同的分形区间和分形维数。韩城、保德区块裂缝分形维数和孔隙分形维数分别在2.80~2.98和2.17~2.33,且裂缝分形维数随孔隙分形维数增加而增加,两类分形维数均随平均孔隙半径、孔隙度和渗透率的增加依次降低。表明煤岩分形维数可以作为储层评价的关键指标,分形维数越小,储层物性越好。煤岩分形维数能够表征其孔隙结构的非均质性,分形维数越大,孔隙结构非均质性越强。韩城、保德区块割理、裂缝的分形维数远远大于孔隙分形维数。     

基于分形纹理分析的蛋壳裂纹识别

为了实现蛋壳裂纹的精确识别,设计了蛋壳裂纹识别装置。针对微小裂纹识别难的问题,使用空气压力调节来适度增大微小裂纹。根据完好蛋图像具有均匀光滑表面和裂纹蛋图像具有不规则纹理的特点,使用分形维数对图像进行分析。用4个方向的剖面分割灰度图像曲面,得到具有分形规律的曲线,计算曲线的维数与图像整体盒维数,作为神经网络的特征向量。对284个样本进行训练之后,用240个样本进行验证,正确识别率为98.36%。     

煤孔隙结构对煤层中CO扩散的影响

针对开滦集团煤业公司3个煤矿CO长期超标的现象,测定了CO在煤层中的扩散量和煤的孔隙结构,分析了不同孔径对煤层中CO扩散量的影响,讨论了煤的分形维数、比表面积与煤层中CO扩散量的关系.结果表明,CO在煤层中的扩散主要为Knudsen扩散及过渡型扩散方式,过渡孔的增加有利于其扩散,而微孔的增加则不利于其扩散.CO扩散量与煤内比表面积呈二次曲线关系,随着内比表面积增加,CO的扩散量先减少后增加,与分形维数呈二次曲线关系,随着分形维数的增加先增加后减少.     

混凝土亚临界裂纹扩展的分形效应

通过三点弯曲断裂SEM试验，获得了混凝土断裂全过程的扫描电镜图像．采用分形几何方法对裂纹扩展路径进行了考查，并对获得的数据点进行了回归分析和回归结果的相关性检验，论证了裂纹亚临界扩展的分形性质，得到了细观裂纹路径的分形维数D，此外，还探讨了分维D与断裂能GF之间的关系。     

初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯压力的关系

根据突出模拟实验中出现突出时初始释放瓦斯膨胀能的临界值，可以确定煤层发生突出需要达到的瓦斯压力临界值．本文通过现场钻取煤样，并在试验室进行了不同瓦斯压力下的初始释放瓦斯膨胀能测定，发现煤样的初始释放瓦斯膨胀能与煤中的瓦斯压力呈线性关系．根据这一发现，石门揭煤之前的预排瓦斯过程中，只要用少量的实验就可以确定局部煤层瓦斯压力应该降到多少就可以安全揭开煤层，为石门揭煤进行突出预测和预排瓦斯过程中定量检测其防突效果提供了一种方便可靠的方法.     

煤对钙离子的吸附及其表面分形研究

采用静态吸附法研究了Ca~(2+)在煤表面的吸附动力学和热力学,用Langmuir和Freundlich方程对吸附等温线进行了拟合,并用Freundlich吸附分形模型计算了不同温度下煤颗粒表面的分形维数.动力学曲线表明Ca~(2+)在煤表面的吸附量先逐步增加,吸附50 min后吸附量趋于平衡;相关热力学函数(△G,△H,△S)计算结果表明煤对Ca~(2+)的吸附是一个熵增吸热过程;Ca~(2+)在煤表面的吸附等温线遵循Langmuir方程和Freundlich方程,但Freundlich方程拟合的线性相关性更好;在温度为298,308和315 K下,运用Freundlich吸附分形模型计算煤颗粒表面的分形维数分别为2.640,2.841和2.879.     

基于断层影响因子与断层分维特征的断层突水危险性定量化分析

断层是诱发矿井突水事故的重要影响因素,新汶煤田受奥灰岩溶突水威胁严重,针对断层诱发突水问题,在系统总结新汶煤田矿井断层构造分布特征基础上,建立了断层对奥灰岩溶突水影响定量化分析体系。引入断层影响因子概念,对底板突水危险性进行了定量分析;采用非线性理论对煤矿地质构造发育特征进行定量化研究,揭示了矿井断层分维特征,提出了断层分维特征及其对突水影响危险性分区的原则及方法。采用断层影响因子等值线和断层分维等值线相互融合技术,得到新汶煤田协庄煤矿奥灰岩溶裂隙分布规律。根据不同单元岩溶的富水性,圈定出煤层突水危险区,对煤炭开采防治突水灾害具有指导意义。     

Fracture characteristics of iron ore under uncoupled blast loading

A blasting experiment was conducted on iron ore samples by considering multiple coupling charge coefficients. The resulting internal fracture and damage characteristics were quantitatively analyzed via computerized tomography (CT), scanning, and three-dimensional (3D) model reconstruction. The results show that the iron ore primarily displayed radial and circumferential cracks along the blast hole under an explosive load. When the decoupling coefficient was small, the crack surface was dominated by transgranular fractures in the form of intracrystalline fractures. As the uncoupling coefficient increased, the crack surface exhibited transgranular and intergranular coupled fracture modes. Using fractal theory to analyze crack distribution characteristics, as the decoupled coefficient increased, the body fractal dimension tended to decrease, and the degree of damage gradually decreased. The degree of damage reached a turning point when the decoupling charge coefficient was approximately 1.33. A numerical simulation suggested that the explosion energy transmitted to the iron ore and the effective stress decrease sharply when the decoupling coefficient exceeds 1.33. In some optimal uncoupling coefficient range, excessive fragmentation of the ore body is prevented, thereby allowing full use of the explosive energy.     

Signal characteristics of coal and rock dynamics with micro-seismic monitoring technique

In this study,differences of signal characteristics between mine shocks and coal and gas outbursts in coal mines were examined with the micro-seismic monitoring technique and time–frequency analysis.The duration of the mine shock is short while the coal and gas outburst lasts longer.The outburst consists of three stages:the pre-shock,secondary shock and main shock stage,respectively.The velocity amplitude of the mine shock is between 10~(-)5and 10~(-3)m/s,which is higher than that of the outburst with the same energy level.In addition,in both cases,the correlation between the velocity amplitude and energy is positive while the correlation between the signal frequency band distribution and energy is negative.The signal frequency band of the high energy mine shock is distributed between 0 and 50 Hz,and the low energy mine shock is between 50 and 100 Hz.The fractal characteristics of mine shocks were studied based on a fractal theory.The box dimensions of high energy mine shocks are lower than the low energy ones,however,the box dimensions of outbursts are higher than that of mine shocks with the same energy level.The higher box dimensions indicate more dangerous dynamic events.     

白皎矿煤与瓦斯突出的地质因素研究

通过对白皎矿煤与瓦斯突出资料的综合分析，找出了瓦斯突出与煤层围岩特征、煤层间距变化及断层、褶曲、层滑构造、地表地形特征（悬崖峭壁、山谷沟底）、地应力等的关系，据此编制、完善了矿井瓦斯地质图。瓦斯地质图运用于矿井生产中，有效地遏制了突出加剧的势头，取得了良好的经济效益和安全效益。     

干湿循环作用下膨胀土裂隙开展室内试验研究

为了解裂隙开展演化规律,以合肥黑色中膨胀土为研究对象,对模型试样进行一系列干湿循环试验,研究降雨蒸发作用下膨胀土裂隙演化规律。利用图像识别程序对面积裂隙率等进行定量分析并观测土样侧面裂隙开展形态以及深度。结果表明:单次脱湿情况下,土体的面积裂隙率、裂隙分形维数等形态参数和裂隙深度随时间逐渐增加,且土体表面形态参数存在极限值;干湿循环作用表现为裂隙的反复开裂、愈合使得土体结构趋于松散,裂隙率、裂隙分维趋于稳定;由侧向剖面观测得到边坡失稳是横向裂隙发展贯通而引起的。     

单轴压缩条件下花岗岩声发射事件空间分布的分维特征研究

基于声发射事件空间分布的柱覆盖分形模型,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-2声发射（AE）三维定位实时监测系统,对瀑布沟水电站地下厂房花岗岩单轴压缩损伤破坏过程中声发射事件空间分布的分形特征进行了研究。结果表明,声发射事件随应力增加逐渐活跃,加载初期声发射数量较少,应力接近峰值强度时,声发射事件累计数曲线呈指数上升。声发射事件的空间分布随应力增加是一个降维过程,其空间分维D在3~2内变化,峰值强度时,其值最小。弹性阶段后期,岩石内部微破裂开始向破坏面集聚,声发射空间分维D下降幅度明显增大。声发射空间分维恰当地表征了声发射事件空间分布的复杂程度。研究结论揭示了岩石声发射事件空间分布的分形特征,室内试验结果与文献对岩爆研究结果相吻合,可为现场监测应用提供理论指导。     

压实膨胀土表面裂隙参数之间的关系分析

利用图像处理软件对干湿循环后不同压实度的膨胀土试样表面裂隙参数进行提取,并通过曲线回归和拟合得到了裂隙参数之间的函数关系.结果表明:1)裂隙网络相关参数及块区个数、裂隙率、分形维数随干湿循环次数增加而增大,而块区平均面积逐步减小.提高膨胀土的压实度,可有效地抑制土样的开裂.2)裂隙条数、裂隙总长度、块区个数与裂隙率和分形维数都具有良好的指数关系,裂隙平均宽度和块区平均面积与裂隙率分别具有较好的二次多项式关系和对数关系,裂隙平均宽度与分形维数却具有很好的线性关系,区块平均面积与分形维数则具有较好的幂函数关系.实验结果可以简化裂隙的量测,推进裂隙的定量化表述和裂隙的数值模拟化.