隧道模型材料的研究

对国内外隧道模型材料的研究和使用现状进行了阐述,介绍了模型试验相似原理、模型材料、围岩体模型材料、支护结构模型材料以及几个典型的模拟技术,并分析了模型材料存在的问题,提出了应根据相似准则选取相似程度最好的模型材料。     

隧道模型材料的研究

对国内外隧道模型材料的研究和使用现状进行了阐述,介绍了模型试验相似原理、模型材料、围岩体模型材料、支护结构模型材料以及几个典型的模拟技术,并分析了模型材料存在的问题,提出了应根据相似准则选取相似程度最好的模型材料。     

黏土隔水层仿真模拟实验加水因子影响规律研究

隔水层的采动隔水性研究是实现浅埋煤层保水开采的关键,物理相似模拟是研究的重要手段。通过选取加水因子,对黏土隔水层物理模拟实验中加水量对模型的影响程度进行了研究,得出加水因子影响规律,为实现仿真模拟奠定了基础。     

基于3D打印技术的建筑物采动变形物理模拟试验

井下大规模开采将导致覆岩产生移动、变形乃至破坏,并在地表形成大范围的沉陷区,形成不良地基,在沉陷区上兴建建(构)筑物将存在着较大的安全隐患,掌握建(构)筑物与地表的移动变形相关规律是确保建筑安全的前提。以沉陷区建筑物为研究对象,分别采用3D打印技术模拟建筑结构、砂石材料模拟岩土结构,构建建筑与岩土的耦合物理模拟实验,研究了煤层开采造成的地基移动变形对建筑物二楼顶部、一楼顶部等各部位的采动响应。研究结果表明：3D打印技术能够较好地实现几何相似与力学强度相似相匹配的建筑模拟,3D打印建筑模拟材料力学强度影响因素：填充率>材料性质>打印角度>打印厚度。     

“三软”煤层综采工作面覆岩运移和裂隙演化规律实验研究

针对“三软”煤层综采工作面卸压瓦斯治理问题，采用物理相似模拟和UDEC数值模拟实验研究了工作面受采动影响后采场覆岩运移规律。同时，采用现场仰斜注水钻孔法和高位钻孔瓦斯抽采浓度监测法对实验结果进行验证。结果表明：在相似材料模拟实验中，对观测面刷白后，能更加清晰地观测到裂隙发育情况；相似材料模拟和UDEC模拟结果基本吻合，垮落带和断裂带最大高度分别为12和38 m，则高位钻孔最佳布孔垂距为20~26 m；现场仰斜注水表明垮落带和断裂带最大高度分别为10和39 m；现场高位钻孔瓦斯抽采浓度监测结果表明，1-2和1-3高位钻孔瓦斯抽采浓度最大，其垂距分别为24.4和20.5 m，验证了物理相似模拟和数值模拟实验方法和结果的正确性和科学性。     

胶结剂对“固-气”耦合相似材料特性的影响

实验室开展"固-气"耦合相似模拟实验,是研究卸压瓦斯运移规律的主要方法之一,煤岩瓦斯"固-气"耦合相似模拟材料的开发是"固-气"耦合相似模拟实验的基础。借助正交实验方法,将已选胶结材料石蜡和油作为影响相似材料的主要因素,对试件在改变胶结剂材料含量的条件下开展正交实验,分析石蜡和油对试件弹性模量E及渗流速度v的影响。从抗压强度σc、抗拉强度σt、弹性模量E、脆性参数E/λ及渗透性等方面,对不同配比条件下的相似材料试件开展实验研究。通过对实验数据的拟合,并结合渗透率计算公式,得到了渗透率随石蜡含量变化的方程,表明相似材料渗透率随着石蜡含量的增加,呈负指数函数变化。从而研制出能够应用于"固-气"耦合物理相似模拟实验的相似材料,为"固-气"耦合物理相似模拟实验的开展奠定了基础。     

新型“固-气”耦合相似材料特性影响因素研究

"固-气"耦合相似材料的研制是"固-气"耦合相似模拟实验的基础,由于以砂子、石蜡、油为原料的相似材料抗压强度较低,变化范围不大,对于较高强度岩层的物理相似模拟效果不佳。在上述材料研究的基础上,以河砂为骨料,将已选胶结材料普通水泥和玉米淀粉作为影响相似材料的主要因素,进行配比设计、试件制作及参数测试,分析水泥及淀粉含量的变化对试件抗压强度σc及渗透率K的影响。实验结果表明:水泥在调节材料抗压强度方面起主要作用,淀粉在调节材料渗透性方面起主要作用,从而得到此新型材料的材料特性。运用此材料能够进行较高强度及低渗透率(在达西渗流范围内)的"固-气"耦合物理相似模拟实验,为"固-气"耦合物理相似模拟实验的开展进一步补充了实验基础。     

流-固耦合相似材料的研究

结合山东三山岛海下金矿的地质力学模型试验, 在借鉴了大量固相模型材料研究的基础上, 研制了流-固两相模型材料, 较好地解决了固体模型材料遇水容易崩解的问题。通过对相似材料进行试验, 重点研究了材料中不同骨料配比、骨料与胶结物的配比以及胶结物中胶结材料的配比等因素对试块强度的影响规律。通过调整材料配比可得到参数变化幅度较大的模型材料, 从而可用来更广泛地模拟不同的岩体材料。这些研究成果为岩石力学相似模型试验提供了参考。     

深立井硐室群动态二维物理模型实验

该文采用二维物理相似模拟实验的方法,模拟了淮南朱集煤矿副井纵剖面以及马头门和巷道的开挖。来寻求深井中硐室群系统在动态过程中的一般特征和规律。     

两井几何定向模拟实验系统建设及应用研究

为了缓解当前矿山测量实践教学中两井几何定向实习难以开展的困窘局面,文中提出了一种地面模拟实验系统建设思路,即利用本校教学附楼楼顶面模拟工业广场,教学附楼主体模拟地层,用附楼附近的地面模拟某开采水平。为了达到模拟实验系统对工程现场的逼真模拟,提出了模拟实验系统需要满足测量系统相似、测量方法相似和测量场景相似三个原则,并以此为准则对两井几何定向测量模拟实验系统进行了详细建设。最后通过教学实践证明:该模拟实验系统取得了良好的效果,文中研究成果对矿山测量实验教学具有较好的参考意义。     

煤层巷道顶板岩层锚固机理模拟试验

以剪胀锚固理论为指导,视矩形巷道顶板岩层为层状块体结构,根据锚固岩层结构面的剪胀力学特性,选用层状块体材料构建相似模拟试验模型。通过物理模拟实验,分析研究煤层巷道顶板岩层预应力锚固系统中锚杆的受力状态及其加固机理,得到预应力锚固系统中相关参数间的力学关系。     

煤与瓦斯突出物理模拟相似准则建立与分析

相似准则是物理模拟的理论依据,是研发相似材料确定试验条件的基本前提。煤与瓦斯突出物理模拟相似准则是制约模拟试验发展的瓶颈。针对描述煤与瓦斯突出全过程的力学模型尚未建立的现状,尝试采用描述突出孕育阶段的气固耦合模型进行相似准则推导。基于气固耦合方程,采用相似变换法推导了相似准数。该组相似准数可保证煤岩变形破坏规律相似,却难以发生突出现象。提出了采用能量模型推导煤与瓦斯突出相似准则的思路。改进了前人的能量方程,经过相似变换导出了新的相似准数。该组相似准数可保证试验模型与原型能量集聚、转移和释放规律相似。结合两组相似准数,在保证能量模型相似的基础上,考虑煤岩变形破坏规律相似,确定了煤与瓦斯突出物理模拟相似准则。与前人的物理模拟试验结果进行对照,验证了相似准则的合理性。     

顶板动载冲击效应的相似模拟及理论解析

研制了工作面覆岩破断预测实验平台,对浅埋薄基岩条件顶板动载冲击效应进行了模拟;建立了顶板破断的弹性地基梁理论模型,计算出了基本顶破断时与煤壁的相对位置,得到了动载冲击的作用范围;建立顶板动载冲击的力学模型,结合岩石压缩曲线,应用功能原理得到了不同条件下的最大冲击载荷和支架伸缩量的解析表达式,得到了不发生压架事故的判别准则,验证了相似模拟实验结果。结果表明：基本顶多超前直接顶支撑边界破断,且冲击易发生液压支架上方完成;冲击载荷大小与直接顶厚度与裂隙发育程度、支架刚度和初撑力大小等因素有关,其值远大于工作面静载荷形成对液压支架的压力,动载冲击效应模拟实验验证了理论分析结果。     

大倾角薄煤层开采模拟实验研究

针对大安山煤矿中区地质条件与煤的赋存状况,应用相似模拟理论和相似材料模拟实验方法,结合煤岩物理力学实验,通过观测煤岩失效过程,研究大倾角薄煤层回采时顶板冒落状况和矿压显现规律。实验结果以同状况对比的方式在安全性和经济性方面揭示了对大倾角薄煤层进行单一煤层开采的优点,对相关问题的理论研究和生产实践具有指导意义。     

深部巷道破坏过程相似模拟实验研究

地质力学模型实验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法,其研究的对象主要是岩体,如何有效模拟岩体的结构性特征和产状是地质力学模型实验设计中需要考虑的一个重要方面。此外,物理模型实验还存在周期长、费用高、材料不可重复利用等不足。为此,结合中国深部煤岩的赋存特点,利用自行研制的YDM-C型岩体工程与地质灾害模拟实验装置,提出了物理有限单元板模拟岩体产状及结构性特征的新方法,并可通过回收上一次实验中尚未破坏的物理有限单元板,留待下次实验继续使用来缩短实验周期,降低实验成本。实验结果表明：YDM-C系统能较好地满足模型边界的相似条件;使用板状结构单元可以很好地模拟岩体产状;所构建的物理模型能够很好地满足实际工程地质状况;再现了实际工程中的破坏现象和过程。     

Lehrstuhl für Umformtechnik

Main research areas are the physical and numerical simulation of metal forming processes, like rolling, forging, extrusion and cold forming, drawing etc., as well as the prediction of the microstructural development and mechanical properties and the characterization of the formability of metallic materials.     

将军戈壁二号露天煤矿外排土场软弱基底坐落-牵移式滑坡机理

以新疆天池能源有限责任公司将军戈壁二号露天煤矿外排土场软弱基底为研究对象,通过对研究区岩土进行常规力学实验及流变试验,确定了该露天矿排土场基底及排弃物料物理力学指标。结合理论分析,确定排土场边坡滑坡模式为坐落-牵移式并对滑坡机理进行分析。建立排土场稳定性分析数值模拟模型,模拟排土场边坡变形破坏形式,计算分析了排土场边坡稳定性,结果表明,排土高度为120 m时,潜在的滑移面贯穿排土场内部及软弱基底层,边坡稳定系数略低于安全储备系数。     

高压脉动水锤装置动态特性的仿真研究

介绍新型煤层注水设备高压脉动水锤装置的结构原理,进行受力分析,借助Matlab/Simulink构建仿真模型,将仿真结果与实验结果进行比较,验证仿真可行性。进一步仿真分析主弹簧刚度的影响,结果表明:主弹簧刚度从2 250 kN/m减小到1 000 kN/m,装置输出的峰值压力和稳定压力都增大。     

射孔对页岩水力裂缝形态影响的物理模拟实验

通过XRD、扫描电镜及力学强度测试等实验对龙马溪组页岩的物理力学性质进行分析,并采用真三轴压裂改造模拟器开展水平井水力压裂物理模拟实验,探究射孔参数及页岩物理力学性质对裂缝形态的影响规律。实验结果表明:(1)具有3种不同射孔类型的试样,在压裂后主要形成4种水力裂缝的形态模式,其中组合型射孔对于复杂裂缝的形成具有一定的促进作用。当射孔间相位角和间距过小时,缝间应力干扰增大,不利于扩大裂缝规模。(2)试样在压裂过程中的泵压-时间曲线,会因射孔类型的不同而呈现出明显的差异,曲线的波动程度和裂缝的复杂程度呈一定的正相关。(3)水力裂缝在延伸过程中与结构面相交时出现的穿透、分叉等现象是形成裂缝网络的前提。各向异性、微裂缝和微孔隙、脆性指数等页岩的物理力学性质会影响裂缝的扩展路径和迂曲度。     

利用表面硬度值间接获取镐形截齿钎焊层力学性能的方法研究

利用维氏硬度实验和数值模拟相结合的方法,间接得出了截齿表面各区域材料所对应的屈服强度值,建立了一种由实验硬度值HV获取截齿焊接接头等不易测量区域力学性能参数的方法。