富水软弱层联络通道冻结温度场研究

以某富水软弱地层地铁联络通道冻结工程为研究背景,采用室内三维模型试验、ANSYS有限元数值分析及解析求解相结合的方法,研究了联络通道冻结工程中的土体温度场演化规律。室内三维模型试验研究结果表明,冻结试验开始后12 h达到预设温度-25℃,19 h后土体冻结帷幕形成,可得现场的积极冻结时间为50 d,维护冻结时间为29 d;土体冻结过程中,温度变化大致分两个阶段,第一阶段土体温度呈线性快速下降至0℃,第二阶段土体相变放热后,温度继续下降,最低温度为-15.2℃～-16.8℃,整个过程土体降温速度呈现先快后慢态势;在冻土融化阶段,土体温度随时间逐渐升高至室温,整个融化过程所需时间为冻结时间的3～4倍。有限元数值分析结果表明,在联络通道开挖后,冻结管圈内冻结壁平均温度有显著升高,而冻结管圈外冻结壁温度受影响较小。推导得到了双管冻结温度场解析解。     

干燥-饱和循环作用下砂质泥岩抗剪性能劣化试验研究

西部生态脆弱矿区煤炭开采过程中的地下水资源保护与利用是实现该区域煤炭绿色开采的前提和必要条件。其中,保水开采与地下水库技术的广泛应用为解决煤水共采问题提供可能。本文以煤矿地下水库煤岩边界在水反复浸入条件下稳定性变化为研究背景,以神东矿区乌兰木伦矿3-1号煤层顶板砂质泥岩为研究对象,通过无损浸水试验获得试样的自然吸水性规律,获得试样含水率到达饱和状态的浸水时间。根据浸水时间,对试样进行干燥-饱和反复浸水,得到不同循环浸水试样含水率随浸水次数呈指数增加关系,而试样抗剪强度和浸水次数呈指数降低关系。黏聚力随浸水次数的增加呈下降趋势,而内摩擦角先增加后减小,表明材料的均一性以及破裂面的形态及裂隙发育的形态、尺寸、方向变化造成了内摩擦角增加,而后期循环浸水占主导因素,表现为内摩擦角减小。根据黏聚力、内摩擦角与干燥-饱和循环次数的关系,建立了基于干燥-饱和循环次数的Mohr-Coulomb准则。声发射计数曲线与剪应力曲线有较强的对应性,在试样破坏时刻声发射事件明显增加,对应声发射累计计数曲线的明显上升阶段。试样在破坏过程中以低RA值为主,破坏时刻对应高RA值,即试样破坏过程中的基础裂隙类型是张拉裂隙,破坏时刻对应明显的剪切裂隙。研究结果表明,地下水库边界煤岩柱在地下水库蓄水-抽水过程中,在浸水-失水作用下其强度发生显著变化,建议在构建地下水库时应考虑水作用引起的边界煤岩柱强度弱化作用。     

不同热破裂温度下煤岩的孔裂隙演化特征研究

为了研究不同温度下煤页岩的细观孔隙结构,对经过20、100、300、500℃热破裂温度下的煤岩试样进行微米CT扫描试验,基于阈值分割算法得到了三维孔隙重构模型,并分析了孔隙率、孔喉尺寸参数和孔隙连通度的量化指标随温度变化的关系。结果表明,利用CT扫描技术获得煤岩的二维切片,经过重构可得到三维孔隙结构模型;表征孔隙含量的孔隙率与温度呈指数型函数关系;最大孔喉长度L和平均孔喉半径R随温度上升的增速呈先慢后快的特点;煤页岩的孔隙连通度随环境温度的升高保持初期迅速上升,在中期缓慢上升,到后期有所下降的变化。     

人工冻黏土单轴无侧限抗压强度试验研究

对祁南矿井3个不同层位的原状冻土样及同含水率下的重塑冻土样进行单轴无侧限抗压强度试验。试验分析表明:原状冻土试样破坏时均发生沿斜向下45°～55°方向的剪切破坏,而重塑冻土试样破坏时表面产生网状裂纹,呈塑性破坏;试验过程中原状冻土和重塑冻土试样的应力-应变曲线均呈现出软化现象,采用改进后的软化模型能够较好拟合试验曲线的发展趋势;同一土样在相同含水率下,负温对重塑土抗压强度的影响程度大于原状土,且负温越大,影响程度越大,当负温达到一定值后,重塑冻土的抗压强度接近原状冻土的抗压强度;试验建立了以温度为变量的指数函数强度模型以及幂函数峰值强度比模型。     

用彩色图像基色变化实时检测煤机零件淬火温度试验研究

根据煤机零件淬火过程中彩色图像基色变化实时检测零件的温度。将零件加热至高温红热状态后移至室温环境,在相同图像背景、不同时间的自然光条件下分别空冷,在不同时间间隔实时监测零件温度并用CCD相机同步采集零件彩色图像。用综合滤波法对高温零件测温图像预消噪处理后,对图像的R、G、B值与温度值用最小二乘法进行拟合,得到图像R、G、B值与温度关系拟合曲线。通过试验数据分析得出所测零件图像基色随零件温度及环境光变化及测温误差变化的规律。研究结果为测试误差修正、提高煤机零件淬火温度实时检测精度提供基础。     

万福矿深部黏土冻结状态的蠕变性状及其参数

根据万福矿井深部黏性土层冻土的蠕变试验结果,确定出-15℃,-20℃及-25℃冻土温度下深部3层黏性土试样的蠕变参数.对比结果表明,-20℃及-25℃冻土温度下,土的蠕变性明显降低,蠕变幅度达到20%的承压能力高于6 MPa,可以其作为深部黏性土层冻结施工的最低控制标准.     

原生层理结构影响下煤岩组合体超声波及CT扫描分析

为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响,并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性,在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据,获取了原生层理结构影响下煤岩组合体不同层位的波速及波速比变化特征;结合CT扫描及三维重构技术,应用煤岩灰度分布频数数据,提出了不同层位CT灰度均值的计算方法,获得了不同原生层理倾角下煤岩组合体不同层位灰度及煤岩含量的变化规律,建立了煤岩CT灰度均值与波速、力学参数的关系;构建了考虑层理倾角与煤岩含量效应的煤岩组合体纵波波速计算模型,并应用测试数据进行了对比验证。结果表明：(1)含原生层理的煤岩组合体波速及波速比与层理倾角线性相关,随层理倾角增加,组合体的纵波波速近似线性减小,而波速比的分布范围增大;(2)不同层理倾角下组合体的CT灰度均值与波速线性相关,随CT灰度均值增高,煤岩组合体波速线性增加;(3)煤岩组合体的密度随CT灰度均值增加线性增高,其动态弹性模量及剪切模量则与CT灰度均值均呈三阶多项式关系,并随CT灰度均值增高趋于增大;(4)层理倾角与煤岩含量相比,组合体波速对煤岩含...     

煤自然发火过程颗粒堆积体结构形态演化实验研究

在煤炭开采、储存及运输过程中,煤炭常以颗粒堆积体的形式暴露于氧化环境之中,煤颗粒堆积结构直接影响了堆积体内高温火源的形成与蔓延规律,是形成非控制灾害的关键影响因素之一。煤自然发火过程中堆积结构形态演化规律研究对煤堆内高温火源预测及煤矿火灾防控具有重要意义。以马道头矿8404工作面的煤样为研究对象,制备了5组不同氧化温度下的堆积试样,利用微焦显微Computed Tomography (CT)实验平台对试样进行显微断层扫描。获得显微断层CT图像序列后,采用几何均值滤波算法与大津算法(Otsu Method)对显微断层序列进行图像处理,降低原始图像中的噪声并将其转化为二值图像序列。基于处理后的二值图像序列,应用三维重构算法重构了各组试样堆积结构。定量分析了煤颗粒堆积体孔隙率、颗粒体积、颗粒表面积等结构参数的演化规律。研究结果表明:随着氧化温度升高,煤颗粒堆积体孔隙率、颗粒数量与平均颗粒比表面积增大,平均颗粒体积与表面积减少,其中300～400℃温度段的变化最明显,300℃与400℃时堆积结构内平均颗粒体积分别为14.95与2.50 mm~3;平均颗粒表面积为36.17与9.13 mm~2;煤颗粒堆积体孔隙率变化与煤颗粒形态变化有关,实验煤样两者变化阈值均在300℃附近,当氧化温度高于此阈值时,煤颗粒堆积体内颗粒裂解加剧,孔隙结构连通性提高,氧化过程更加剧烈。     

煤与矸石图像特征分析及试验研究

为实现基于机器视觉的绿色高效、高智能化的煤矸分选。探讨了煤和矸石共420张图像的2个灰度特征和4个纹理特征的分布情况,并分别模拟生产中的光照、淋水、粉尘环境对煤和矸石进行了图像采集,研究其对煤矸图像特征的影响;此外,针对光照强弱、湿度、煤粉沾染程度和样品种类4个试验因素,对影响因素进行了量化处理,应用Box-Benhnken Design(BBD)试验设计理论设计四因素三水平试验,以样本灰度均值为响应指标,研究各因素对煤矸图像灰度值影响的显著性及其交互作用,从而得到区分煤和矸石的最明显特征。特征分析表明,煤和矸石的灰度特征比纹理特征具有更好的区分度,从灰度均值和峰值来看,6～36 W的光照条件对灰度均值影响有限,却使灰度峰值波动严重;样本表面喷雾量的增加使灰度均值和峰值大幅下降,以0.08 g的喷雾量为转折点,灰度均值呈现出先急后缓的对数曲线下降趋势;煤粉量与灰度均值呈一次线性反比关系,灰矸的线性比例约为块煤和黑矸的4～5倍;单因素试验表明灰度峰值对环境变化较为敏感,而响应面试验表明煤和矸石的灰度均值在同一水平下区分度明显。研究结果有利于推进机器视觉煤矸分选技术的应用,实现井下煤矸分选...     

SHPB试验中高低温作用后深部砂岩破碎程度与能量耗散关系分析

利用φ50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,研究了在常温下对经历-15~1 000℃温度处理后砂岩的动态破坏特性,得到了入射波能量、吸收能量、比能量吸收值、碎屑的质量分形维数与平均破碎块度之间的关系,分析了深部砂岩在破坏过程中温度对破坏程度和能量耗散的影响。结果表明,温度对岩石的破碎程度和能量耗散的影响十分显著。以20℃(室温)为分界点,碎屑的质量分形维数和平均破碎块度随温度变化趋势一致,-15~20℃随温度的上升而逐渐增大,20~1 000℃随温度的上升而逐渐减小。入射波能量、吸收能量和比能量吸收值随温度变化趋势一致,-15~20℃时,以-5℃为分界点,-5℃以下随温度升高逐渐增大,-5℃以上随温度升高逐渐减小;20~1 000℃时,以400℃为分界点,400℃以下随温度升高逐渐增大,400℃以上随温度升高逐渐减小。     

拱北隧道管幕冻结法现场原型试验解冻温度场实测研究

为了能够更加全面地掌握解冻阶段温度场变化规律,采用现场原型试验研究了在解冻阶段两种不同解冻方式(自然解冻和"自然+强制"解冻)下温度场变化规律。试验表明,由于冻土量较小,解冻时间相比于一般冻结工程来说较短,而且利用常温盐水强制解冻,就能达到很好的效果。在空顶管的防通风措施解除后,自然解冻条件下冻土融化速率较快,不需要开启加强管的热盐水循环。该试验作为系统研究管幕冻结法冻结效果动态控制研究的重要一环,探究了管幕冻结法解冻规律,为实际施工提供了可靠的研究依据,能够有效地降低融沉影响。     

冻结壁形成特性预报与冻结调控机制在赵固二矿西风井中的应用

赵固二矿西风井井筒穿过冲积层厚704.6m,是我国第四个穿过700m冲积层的井筒。砂性土层最深控制层位冻结壁设计厚度10.3m,平均温度-21.5℃|粘性土层最深控制层位冻结壁设计厚度9.9m,平均温度-19.0℃,掘进模板段高2.5m。调控实现不同层位冻结壁设计厚度、平均温度、井帮温度,不仅能检验冻结方案设计的科学合理性,还对该井冻结段安全经济、快速施工具有重要意义。本文介绍了该井开展冻结壁形成特性实测分析、工程预报及对冻结过程调控,实现了冻结壁设计指标,取得超700m深厚冲积层冻结段安全快速施工成功案例。     

直线形单排管冻土帷幕平均温度计算

在人工地层冻结工程中,平均温度是评价冻土帷幕状态,进行冻土帷幕力学性能分析的基本参数,本文研究单排管冻结形成的冻土帷幕的平均温度计算。基于单排管冻结稳态温度场解析解,直接对温度场表达式进行积分运算,运用分部积分法和积分中值定理,得到了单排管冻结平均温度计算公式,根据工程中的实际参数取值进行了公式的简化。考虑到温度场解析解在冻结管区域的不适用,采用相同的积分策略求解冻结管区域对平均温度计算的影响,进行了平均温度计算公式的修正。使用A NSYS进行了单排管冻结的热学稳态数值模拟与平均温度计算公式的结果进行比对,考察管间距l=0. 4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 m,相对厚度ξ/l=0. 5,0.6,0. 7,0. 8,1.0,1.5共6种冻结发展状态,根据试验报告进行土质参数取值,冻结参数为工程中常用取值。对比计算结果显示,公式计算与数值计算的结果较为吻合。当相对厚度大于0.5时,随着冻土厚度的发展(相对厚度的增大),理论计算结果与数值计算结果的差值迅速减小到0.5以内,当相对厚度大于0.6时,差值小于0.2℃当相对厚度为1及以上时,差值小于0.1℃。通过数值模拟验证了平均温度计算公式的准确性,也说明公式简化和修正的合理性,公式计算的误差满足工程应用的要求。     

粒度≤300目高温煤沥青粉的制备及稳定性

利用DSC分析得到煤沥青的脆性温度,然后将煤沥青在脆性温度下充分冷冻,再经粉碎和筛分后制得粒度≤300目的煤沥青粉.将制得的煤沥青粉在20,30,40 ℃下分别保存30,60 d,运用粒度分布和SEM研究其稳定性.结果表明：随着保存时间的延长、保存温度的升高,煤沥青粉的团聚程度增大,稳定性变差;在40 ℃下保存60 d后的稳定性最差,而在20 ℃下保存60 d,30 ℃保存30 d煤沥青粉的团聚程度很小,有良好的稳定性.     

考虑土性参数不确定性的多圈管冻结温度场分析

为了深入研究土性参数空间变异性对环形多圈管冻结温度场的影响规律,将土体传热区域的导热系数、体积比热容及相变潜热模拟为随机场,基于随机场局部平均理论,建立了土性参数由点特性过渡到平面平均特性的方差计算方法。采用Neumann随机有限元法,自行研制了随机有限元程序,计算得到多圈管冻结温度场统计分布规律。结果表明:随机场及其局部平均理论能合理考虑土性参数空间上的不确定性;二维随机场三角形单元局部平均法能与三角形单元有限元法完美结合,随机场单元与有限元单元对应关系清晰,易于程序的编制;土性参数的随机性导致了冻结温度场分布的随机性;在本文条件下,形成的稳定冻结壁平均温度为-22.6℃,平均厚度为10.5 m,相应的变异系数均为0.224,井帮平均温度为-12.8℃,相应的标准差为2.4℃。     

冻融循环对风化花岗岩物理特性影响的实验研究

在冻结温度为-40 ℃,融化温度20 ℃的环境下对风化花岗岩进行0,10,20,30次冻融循环实验;并对岩样进行室温下岩芯核磁共振和常规单轴压缩实验,得到冻融循环后岩石的孔隙度、孔隙分布和单轴抗压强度,孔隙度与循环次数拟合多项式。实验结果表明：冻融循环后风化花岗岩饱和水状态下的质量均会增加;岩石内部的孔隙分布发生了明显变化;中小尺寸的孔隙数量增加且随循环次数增加而增长;花岗岩强度明显降低,冻融系数和单轴抗压强度随循环次数的增加而减小,弹性模量有所降低。最后利用损伤力学原理对岩样进行冻融损伤分析,得到有效应力与孔隙度表达式,为研究寒区岩体工程损伤破坏机理和稳定性评价提供参考数据。     

软岩材料冻融过程中的水热迁移实验研究

研究了寒区冻融环境条件下软岩的水热迁移规律,对两种不同类型的软岩材料进行了开放系统下具有温度梯度的水热迁移实验研究.实验结果表明：不同类型的软岩材料水热迁移程度不同,试样中的石英矿物含量越高,温度场重新分布时间越长;温度梯度是水分迁移的主要驱动力,当温度梯度越大时,水分场则越快达到重新分布状态;孔隙率越高,则冻结过程越长.探讨了软岩材料的水热迁移机理及与冻土材料水热迁移的一致性与差异性.     

露天爆破冻土层破断规律研究与解决措施北大核心

为揭示露天矿山冻土层在爆破荷载冲击下的破断规律,阐明冻土层爆破大块产生的原因,通过室内力学试验分析冻土的抗拉强度和抗压强度与温度间的动态关系,结合悬臂梁力学理论,建立爆炸荷载作用下冻土层破断简化悬臂梁模型,得到冻土层破断长度的理论计算公式,提出深、浅孔组合爆破技术,在甲玛铜矿开展实际应用。研究结果和现场应用表明:冻土的抗拉强度和抗压强度均随温度的降低而升高;在爆破过程中冻土层与下方岩层产生分离,冻土层形成悬臂梁结构,冻土层在悬臂梁结构的最大弯矩处断裂,随着土体温度持续降低,冻土层破断长度逐渐增大。成功在西藏甲玛矿区应用,将冻土层大块率控制在4%以内,有效减少了冻土层大块的产生。     

电加热下褐煤微观结构的演化研究及其工程应用

针对我国低变质煤层开采难度大、成本高的现状,利用电加热法对低变质煤中褐煤的微观结构进行了研究,利用精细显微CT系统分别观察了25℃、300℃、400℃、500℃后褐煤的微观孔隙,利用3D数字岩芯技术建立了三维孔裂隙骨架图,得到高温作用后,试样孔裂隙发育以及孔隙率都得到明显的提升,其中,400℃后,试样热解充分,孔隙发育完全,试样的孔隙率出现陡增,可见,持续高温作用下,有机质热解充分,加快了孔隙的发育。     

多排管直线冻土墙平均温度的等效梯形计算方法

为了确定多排管冻土帷幕的平均温度,进而确定冻土的力学参数和冻土帷幕的承载能力,为冻土帷幕的安全状态作出评价,介绍了基于巴霍尔金解析解的双排管冻土帷幕平均温度模型,并对该方法进行了适当的简化.以此为基础,采用拼接计算的方法, 推导得出在多排管冻结下计算直线形冻土帷幕平均温度的一种等效梯形方法.