冲击震动波在砂岩介质中传播规律的试验研究

在采用钻头震动波的方法进行丛式井浅层防碰监测时,迫切需要掌握钻头破岩时在井底产生的冲击震动波在地层中的传播规律,为准确预警报警提供理论依据。本文选取钻井过程中最常遇到的砂岩地层作为研究对象,从幅值、频率两方面分析了冲击震动波在砂岩介质中的传播规律。结果表明：砂岩冲击震动波信号幅值与其传播距离呈负指数关系衰减,呈初始衰减快、一定距离后衰减明显减弱的特征;同时呈现出高频段衰减快,低频段衰减较慢,且可以长距离传播的特征。为进一步研究冲击响应特征与井间距之间的关系奠定了理论基础。     

岩巷围岩介质中冲击震动波传播效应数值模拟及频谱特性分析

为了研究冲击矿压发生时岩巷围岩介质中冲击震动波传播衰减规律以及巷道围岩响应特征,以传播效应分析模型为基础,采用FLAC3D模拟软件建立数值模型,在模型内部加载冲击震源动力条件,并分别在指定位置布设冲击震动波监测点,利用Dynamic动力分析模块进行模拟运算,运用MATLAB软件对各测点采集的冲击震动波信号进行频谱特性分析,进而研究岩巷围岩介质中冲击震动波传播效应。研究结果表明:(1)冲击震动波能量沿巷道走向与震源的距离呈幂关系衰减,短距离内震动波能量衰减很快,达到一定距离后能量衰减不明显。(2)顶板监测到的冲击震动波能量最大,肩窝受到的震动影响次之,帮部和底板区位受到的震动影响相对最小。这些结论为进一步研究冲击矿压发生过程中冲击震动波传播规律以及对煤矿巷道的损伤破坏特点提供理论基础。     

散体介质中弹性波的传播规律

非理想散体介质是现非均质性,各向异性和层状分布等特点,且有气,,固三相,其波的传播比较复杂,当应当值ε＜10^-4时,可认为散体介质为弹性介质,其发生的变殂为弹性变形,分析给了各向同性散体介质中弹性波的波动议程,传播速度和波动能量的表达式,和横观各向同性介质中的弹性波的波动方程和能量透过系数表达式,并试验验证了能量衰减与分层介质密度有关。     

粗粒花岗闪长岩中应力波的传播衰减规律

 利用轻气炮平板碰撞试验, 对新加坡Bukit Timah 花岗岩试样进行冲击压缩试验研究, 根据实验数据研究了应力波的传播, 用四次多项式表示了应力波峰值随传播距离的衰减规律, 讨论了应力波峰值的衰减率η和不同应力范围的衰减指数α。     

煤矿冲击矿压动静载的“应力场–震动波场”监测预警技术

为提高煤矿冲击矿压监测预警的针对性与准确性,基于煤岩破坏的不同裂隙发展阶段与微震、应力、声电等参量响应的关系,建立煤岩冲击破坏的多信息归一化预警力学模型,并将冲击矿压危险分为无、弱、中等与强4个等级。提出动静载叠加诱发冲击矿压的原理,结合弹性波CT成像技术与煤岩震动的微震采集,提出定期反演空间应力场(静载)的"震动波CT"预警方法,选取震动波波速异常和波速梯度异常作为预警指标;基于微震监测,分别构建了时间与空间序列的冲击变形能指数,提出短临预测时空震动场(动载)的"冲击变形能"预警方法;以此,形成了基于时空架构的冲击矿压"应力场–震动波场"综合监测预警技术。该技术在义马矿区和大屯矿区等开展工程应用,实现了冲击矿压危险的时间与空间、定期与短临相结合的分期分级预警,综合预测准确率达到了80%以上。     

岩土介质中应力波传播问题的有限元分析

本文以八节点等参数有限单元法研究了二维时空域岩土介质内弹性平面应变波的传播问题,以及波与地下结构相互作用的动力反应。当荷载对时间的导数有间断时,在求解上述波传播问题的有限元数值计算中将普遍出现所谓的“初始病态”和“超越现象”。本文从变分原理和波动理论出发,对出现以上情况的原因作了分析;提出了考虑加速度间断特性来改进数值解精度的方法。并作了详尽的讨论。若干算例均与理论解作了比较,其结果是满意的。     

中尺度复杂岩体应力波传播特性的微震试验研究

采用全数字型多通道微震监测系统,对深部复杂采空区岩体和上部露天台阶絮渣岩体分别进行了现场爆破应力波传播特性试验,利用P波触发时间和传播距离组成的离散点进行线性拟合,得出应力波传播速度,结果显示深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体明显出现两个层状速度模型。利用应力波振幅和传播距离组成的离散点进行曲线拟合,并对应力波信号进行频谱分析和滤波处理,研究应力波的衰减特性。试验结果表明,应力波振幅随传播距离的增加而减小,且在数值上呈乘幂衰减;应力波衰减系数和应力波频率成正比,数值上呈三次多项式关系,高频成分应力波衰减更加明显。利用试验数据,分别计算出深部复杂采空区岩体和上部絮渣岩体的平均品质因子,计算结果分别为4.055和2.478,两者远小于一般原岩的岩体品质因子,说明复杂采空区和絮渣的存在对应力波的传播有很大影响。     

静动力排水固结法中冲击震动传播规律及应用研究

在静动力排水固结法加固淤泥软基时进行场地震动加速度的原位测试,分析了该条件下冲击震动加速度的传播衰减规律及求得夯击安全距离,并利用该规律确定收锤标准以及提供夯后淤泥软基处理效果评估依据。     

饱和多孔介质中热弹性波传播特性研究

在饱和多孔介质热流固耦合动力响应模型基础上,建立了饱和多孔介质热流固耦合热弹性波动理论,研究了热物性参数对波的传播特性的影响。通过引入势函数,推导了饱和多孔介质体中热弹性波的弥散方程,重点分析了热膨胀系数对p_{1、p2、T和S波的波速的影响,结果表明:热膨胀系数对p1和p2的影响较大,热流固耦合效应不可忽视。与饱和多孔介质中弹性波的传播特性对比分析验证了本文结果的正确性。}     

刚–柔–刚支护防治冲击地压理论解析及实验研究

 冲击波在巷道围岩–多孔金属材料–钢支护构成的刚–柔–刚(R-F-R)支护结构的传递过程可简化为一维应力波在结构中传播问题,通过对R-F-R支护结构防治冲击地压理论分析,得到岩块冲击多孔金属材料–钢支护结构时多孔金属材料对冲击波压力的衰减情况以及多孔金属材料厚度、密度对冲击波压力衰减的影响。采用落锤冲击实验方法,对3种类型支护结构进行冲击实验研究,分析冲击波在R-F-R支护结构中的传播和衰减规律,实验结果表明,R-F-R支护结构具有良好的缓冲和吸能作用。理论计算与冲击实验结果对比可知,计算结果表明钢板冲击R-F-R支护结构时作用在钢支架表面的冲击波压力为钢板直接冲击钢支架时的30.7%,钢板冲击R-F-R支护结构时可吸收能量值约为总能量的94.8%;冲击实验结果表明,作用在R-F-R结构钢支架表面的冲击波压力为钢板直接冲击钢支架时的50%左右,钢板冲击R-F-R支护结构时吸收能量值约为总能量的70%以上。     

地形地貌对爆破振动波传播的影响实验研究

爆破振动波在岩土介质中的传播规律主要受岩体介质特性以及装药参数的影响,但在地形起伏较大的情况下,地形地貌对爆破振动波传播具有非常大的影响。结合广东岭澳核电站二期工程爆破负开挖振动监测,分析凹、凸形地貌对爆破振动波的传播影响。分析结果表明:凹形地貌对爆破振动波具有衰减效应,其衰减系数不仅与其宽度和深度有关,还与最大段药量和爆源距有关;凸形地貌不仅对爆破振动波具有放大效应,而且放大效应具有方向性,振动速度垂直向较水平向放大效应明显;凸形地貌对振动波的放大系数随相对高程增大而增大,而随爆源比例距离增大而减小。另外,凸形地貌的放大效应还与岩性、岩石构造和节理发育程度有关。     

沉积相变岩体声波速度特征的试验研究

声波测试技术发展至今已有30多年的历史,但对声波速度与岩石力学特性相关联的问题研究还只是处于起步阶段。以淮南潘三矿区地质条件为研究背景,以相似物理模拟试验和数值模拟技术为主要研究手段,研究潘三矿区沉积相变岩体声波速度特征及其影响因素,得出岩体中相变体的存在改变岩体应力分布特征:在相变体上部一般为承压区,端部为应力集中区。相变体的存在也使模型中声波速度产生新的分布,相变体上部声波速度较其下部速度大,相变体中声波速度一般较低,经过相变介质声波速度受相变体影响速度变小。研究结果对地下工程声波探测及煤田地震进行精细构造勘探具有重要意义。     

华丰煤矿煤柱冲击地压发生规律及防治

煤矿冲击地压是世界采煤国家面临的共同难题，介绍了华丰煤矿煤岩体的地质条件和历年冲击地压的发生情况，描述了华丰煤矿发生的几次煤柱冲击地压的过程，分析了冲击原因和冲击特征，提出了在巷道掘进期间和工作面回采期间防治煤柱冲击地压的措施，并在现场应用中取得了较好的效果。     

块煤含水率对其吸附性影响的试验研究

 为研究地下水对煤吸附性影响,针对潞安屯留煤矿3#煤层,进行大块煤样在干燥及含水状态下的吸附特性研究,试验发现：(1) 采用定容吸附时,瓦斯压力随时间衰减具有对数关系,衰减系数随含水率增大而降低;(2) 瓦斯吸附量与吸附时间之间为幂指关系;(3) 煤的瓦斯吸附量与含水率之间具有线性关系,二者之间关系与粉煤的研究结果不同。     

采动岩体裂隙分形相关规律的实验研究

利用相似材料模拟实验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态，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分布的分形规律。实验结果表明：采动岩体裂隙分形维数随开采宽度的增加而增大，岩体碎胀系数、覆岩下沉系数随采动岩体裂隙分形维数的增大而增大。     

论岩土材料屈服准则的基本特性和创新

从岩土材料的基本力学性能出发,讨论岩土材料屈服准则的基本特性和屈服准则的创新。根据国内外学者的大量实验结果,岩土材料屈服准则的基本特性为:拉压异性(SD)效应、正应力效应、静水应力效应、中间主应力效应、中间主剪应力效应、双剪应力正应力效应、双剪应力围压效应、应力角效应(应力偏张量第三不变量效应)和屈服面的外凸性。屈服准则应该满足这些基本特性,Tresca准则不符合这些条件,Mohr-Coulomb理论只能够满足部分条件,Drucker-Prager准则不能满足应力角效应。屈服准则的创新应该满足科学创新的3个要素:(1)新,前所未有;(2)比原来的准则更好;(3)能够实施、便于实际应用。总结各种力学单元体模型的发展,并以一个新的力学模型为依据,对统一强度理论补充一个拉伸破坏条件,它类似于Mohr-Coulomb准则的拉伸截断。从而将统一强度理论扩展到三向拉伸区,更能适用于岩土材料和岩土工程,也使统一强度理论在理论上更趋完整。     

带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论，研制了部分典型材料的固-流耦合相似配比，研制了三维固-流耦合相似模拟试验台，完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固-流祸合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟，得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律；得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程，分析了其变化的频度与幅度及其原因，为带压开采突水防治提供理论依据。     

放炮震动诱发煤矿巷道动力失稳机理分析

发展了J.Litwiniszyn关于震动波诱发巷道动力失稳理论,分析了炮采震动诱发煤层巷道稳定性的影响,从理论上解释了放炮震动诱发冲击地压的根本原因。结合赵各庄矿实际生产情况,利用有限差分软件FLAC2D,对比分析了无支护和两种不同柔性支护条件下,巷道受放炮震动影响后的变形破坏情况。研究表明:放炮震动不仅增加了巷道围岩荷载,同时震动波的传播在围岩内产生了裂纹并在煤层和顶底板间诱发摩擦滑动,从而降低了围岩体的承载能力;柔性支护能有效吸收放炮震动的能量,降低巷道变形量;炮采影响下的防冲柔性支护,“U”型钢可缩支架略优于锚网支护。