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应力路径影响下高应力岩石力学特性颗粒流模拟 被引量：7
1
作者 荣浩宇 李桂臣 +2 位作者 梁东旭 许嘉徽 胡亚桥 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第1期163-173,共11页
结合不同应力路径下岩石真三轴试验与PFC^(3D)数值模拟,研究高应力岩体在不同加卸载路径下的变形破坏特征并探讨其细观机制。结果表明,真三轴压缩条件下,试件内部能量释放较缓慢,破坏形式有剪切破坏、劈裂破坏和张拉-剪切复合破坏。真... 结合不同应力路径下岩石真三轴试验与PFC^(3D)数值模拟,研究高应力岩体在不同加卸载路径下的变形破坏特征并探讨其细观机制。结果表明,真三轴压缩条件下,试件内部能量释放较缓慢,破坏形式有剪切破坏、劈裂破坏和张拉-剪切复合破坏。真三轴卸荷条件下岩石脆性特征更加明显,试件内部能量释放迅速,破坏主要发生在卸荷面附近,破坏形式有劈裂破坏和张拉-剪切复合破坏。真三轴卸荷条件下试件内微裂隙总数小于三轴压缩条件下,而声发射事件数峰值大于三轴压缩条件下,试件内声发射定位点分布更为集中。真三轴压缩条件下整体颗粒速度较小,黏结沿水平方向开裂。而卸荷条件下,越靠近卸荷面颗粒速度越大,整体颗粒速度大于三轴压缩条件下,内部微裂隙一般沿卸荷方向开裂。 展开更多
关键词 真三轴 应力路径 高应力 PFC^(3D) 花岗岩
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不同应力水平与初始水化损伤下软岩锚固剂耦合结构剪切力学特性
2
作者 荣浩宇 李桂臣 +2 位作者 赵光明 许嘉徽 梁东旭 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期1936-1951,共16页
以砂岩锚固剂组合试样为研究对象,基于不同法向应力与浸水时间下三轴剪切试验,分析应力水平与初始水化损伤影响下软岩锚固剂耦合结构承载特性。研究表明,水化损伤加剧会显著削弱岩石与胶结面的抗剪能力,增大试样变形量并使其承载能力发... 以砂岩锚固剂组合试样为研究对象,基于不同法向应力与浸水时间下三轴剪切试验,分析应力水平与初始水化损伤影响下软岩锚固剂耦合结构承载特性。研究表明,水化损伤加剧会显著削弱岩石与胶结面的抗剪能力,增大试样变形量并使其承载能力发生劣化,法向应力相同时,浸水30 d条件下试样剪切强度分别降低23.14%~35.46%。法向应力增大会约束试样内微裂隙的聚结贯通,提升其承载能力,浸水时间相同时,试样剪切强度随法向应力增大分别增加97.15%~137.12%。组合试样剪切破坏模式受应力水平与初始水化损伤共同制约,呈沿胶结面剪切滑动、混合剪切破坏与沿岩石部分破坏3种类型。随浸水时间增加,试样总应变能、弹性应变能与耗散能均不断降低,试样破坏所需能量减少。浸水时间相同时,试样耗散比随法向应力的增大分别降低54.38%~57.56%,法向应力增加会提升试样的能量存储能力,裂隙发育所需外部输入的能量提升,进而增强结构的承载能力。根据组合试样剪切力学响应,建立不同浸水时间与法向应力下软岩锚固剂耦合结构剪切模型。 展开更多
关键词 岩石力学 应力水平 软岩 岩石锚固剂耦合结构 三轴剪切 能量演化
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巷道松软煤体流变参数反演的BAS-ESVM模型与应用 被引量：1
3
作者 孙元田 李桂臣 +2 位作者 钱德雨 张苏辉 许嘉徽 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第S01期106-115,共10页
深部煤体巷道变形具有明显的流变特性,准确高效地获取煤体的流变参数是研究巷道流变机理的重要基础。基于典型的煤巷流变工程案例,经分析认为,巷道帮部的松软煤体的长时变形具有两阶段流变特征,即前期的减速大流变阶段和后期的等速大流... 深部煤体巷道变形具有明显的流变特性,准确高效地获取煤体的流变参数是研究巷道流变机理的重要基础。基于典型的煤巷流变工程案例,经分析认为,巷道帮部的松软煤体的长时变形具有两阶段流变特征,即前期的减速大流变阶段和后期的等速大流变阶段,获得煤体的流变参数对于进一步研究巷道失稳具有重要意义。基于人工智能算法支持向量机(SVM),采用天牛须算法(BAS)高效获取SVM的核函数参数σ和罚参数C,形成改进型进化支持向量机(ESVM),提高SVM的学习和泛化能力。进一步地,明确围岩的流变模型和弹塑性力学参数,基于正交设计原理,构建松散煤体流变参数样本数据。建立数值模拟模型,对构建的流变参数样本进行模拟计算,得到含有时序性的计算巷道位移,进而将每一组流变参数及其通过数值计算得到的与时间相对应的两帮移近量位移作为一组样本,形成样本数据库。将上述数据通过ESVM模型不断学习,以现场位移数据为目标,再利用BAS搜索得到最佳的煤体流变参数,最终构建得到BAS-ESVM煤体流变参数反演模型。得到的流变参数经过正算验证,结果显示计算位移与实测值吻合较好,证明了该方法的有效性与流变参数的正确性,该方法为研究煤体巷道流变机理奠定了参数基础。 展开更多
关键词 煤体巷道 流变参数反演 人工智能 支持向量机(SVM) 天牛须算法(BAS)
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复杂条件下巷道围岩控制技术研究进展 被引量：24
4
作者 李桂臣 杨森 +2 位作者 孙元田 许嘉徽 李菁华 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期29-45,共17页
煤炭资源开采正不断向深部迈进,面临的复杂地质条件问题也日益突出。深部资源开采、地下空间开挖等深部岩石工程活动迅速增加,而这些工程活动的开展和巷道的稳定性密切相关。重点总结了复杂条件下煤矿巷道围岩控制领域的相关成果,梳理... 煤炭资源开采正不断向深部迈进,面临的复杂地质条件问题也日益突出。深部资源开采、地下空间开挖等深部岩石工程活动迅速增加,而这些工程活动的开展和巷道的稳定性密切相关。重点总结了复杂条件下煤矿巷道围岩控制领域的相关成果,梳理了当下巷道围岩控制面临的主要复杂条件,划分了工程地质条件和开采技术条件2类巷道复杂条件。阐明了各类复杂条件下巷道围岩的变形破坏特征,指出了围岩应力、围岩性质和支护结构是巷道围岩控制的3类基本对象,明确了围岩应力环境恶化、围岩性质劣化和支护体性能弱化3种失稳形式,在此基础上揭示了不同地质环境与采掘时空关系下回采巷道的失稳机制。分析了现阶段困难巷道围岩控制基本机理:改善围岩应力环境、改良围岩性质与强化围岩承载结构;详述了基于卸压、改性、支护与协同控制的围岩控制技术在不同复杂条件巷道的阶段性理论研究与技术应用现状。同时,分析了泥质采动巷道渗流失稳与围岩控制的典型工程案例,揭示了该类复杂困难条件的巷道围岩失稳机理,提出了疏水泄压、泥岩置换、分级注浆、高强度封层支护结构与底板结构等多种方法协同作用的高强度综合修复与控制技术体系。最后,基于上述4方面研究,结合工程实践,展望了未来复杂条件下巷道围岩控制技术的发展趋势。 展开更多
关键词 复杂条件 巷道围岩 失稳机理 围岩控制 巷道支护
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泥岩多尺度模型与水岩作用特性研究进展 被引量：18
5
作者 李桂臣 李菁华 +6 位作者 孙元田 孙长伦 许嘉徽 荣浩宇 杨森 沃小芳 卢忠诚 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期1138-1154,共17页
泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展,特别是在煤矿工程实践中,泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化,往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性与泥质胶结的强度低、塑性强特性,是富黏土矿物(>50%)泥岩遇水大变... 泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展,特别是在煤矿工程实践中,泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化,往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性与泥质胶结的强度低、塑性强特性,是富黏土矿物(>50%)泥岩遇水大变形与承载失效的内在本质。工程实践研究中承载持续大变形与泥岩遇水渐进劣化是关键防控和调控过程。针对泥岩研究尺度广、大变形力学机制与水岩作用机理复杂的特点,首先基于工程防控/调控技术研究焦点界定了多尺度研究范畴,划分出宏观岩体(mm)、细观矿物(μm)、微观晶胞(nm)3个研究尺度;其次阐明了不同尺度下的泥岩物理、力学、化学研究模型,讨论了不同尺度泥岩物力化性质分析方法与手段,厘清了泥岩物理力学和物理化学性质的多尺度特性,系统研究了不同尺度下的水岩作用机制,构建了考虑不同尺度相互作用关系的泥岩水岩作用多尺度关联体系;最后展望了泥岩多尺度研究中细观尺度研究的发展方向;指出多尺度水岩作用在多物理场耦合中的研究前景,提出基于多尺度分析的泥岩灾变防治技术研发体系,凝练人工智能方法辅助研究泥岩多尺度的关键科学问题。同时,开展多尺度研究有助于掌握与控制泥岩的物理、化学、力学响应特性,为解决泥岩灾变防治和核废料封存工程难题提供理论基础。 展开更多
关键词 泥岩 多尺度 模型构建 水岩作用 耦合机理
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基于纳米压痕技术的破碎煤样力学特性实验研究 被引量：15
6
作者 孙长伦 李桂臣 +2 位作者 GOMAH Mohamed Elgharib 许嘉徽 荣浩宇 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S02期682-691,共10页
在煤系地层中,与完整坚硬岩石不同,煤体松软破碎、强度低。受地应力和开采扰动的影响,松软破碎煤体内部裂隙进一步发育,强度进一步弱化,很难获得标准的完整煤样进行常规的拉压剪力学测试。煤体力学参数的缺失增加了采煤、掘进、支护和... 在煤系地层中,与完整坚硬岩石不同,煤体松软破碎、强度低。受地应力和开采扰动的影响,松软破碎煤体内部裂隙进一步发育,强度进一步弱化,很难获得标准的完整煤样进行常规的拉压剪力学测试。煤体力学参数的缺失增加了采煤、掘进、支护和瓦斯抽采等采矿活动的风险。因此,探究新的力学实验方法对于煤矿生产活动非常有必要。文章采用纳米压痕技术测试破碎煤体的硬度、弹性模量和断裂韧度,分析了不同力学参数之间的联系。纳米压痕实验设计4个峰值荷载,每个峰值荷载进行12次实验,阐述了煤的力学特性与峰值荷载之间的关系。结合X射线衍射和扫描电镜实验,讨论了煤样矿物组分对其力学性质的影响规律。实验结果表明,峰值荷载在1~30 mN,煤的硬度和弹性模量不随峰值荷载的增加而明显变化;然而,煤的断裂韧度随峰值荷载的增加有增大的趋势。峰值荷载为1,5,10和30 mN时,煤的平均断裂韧度为0.40,0.36,0.61和0.77 MPa·m0.5。煤的纳米压痕硬度、弹性模量和断裂韧度具有明显的线性关系。硬度和弹性模量之间的线性关系与峰值荷载无关;断裂韧度与弹性模量之间的线性关系受峰值荷载的影响。煤是以有机质为基体的非均质岩土材料,其力学性质和矿物组分密切相关。石英强度高,能够强化煤基质的力学特性;高岭石松软,使煤具有软弱大变形特性。采用纳米压痕技术研究破碎煤体力学特性,具有操作方便,数据可靠和测试精确的优点。 展开更多
关键词 破碎煤样 纳米压痕 力学特性 峰值荷载 矿物组分
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砂岩矿物组分流变特性纳米压痕实验研究 被引量：9
7
作者 孙长伦 李桂臣 +2 位作者 许嘉徽 荣浩宇 孙元田 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期77-87,共11页
深部地下工程中,关于岩石流变特性对工程结构施工设计和稳定性的显著影响研究较多,但主要是基于宏观非均质岩样进行的,很少涉及岩石细观尺度上的矿物流变特性。采用纳米压痕技术研究砂岩中矿物组分的流变特性和本构方程,结合X射线衍射(X... 深部地下工程中,关于岩石流变特性对工程结构施工设计和稳定性的显著影响研究较多,但主要是基于宏观非均质岩样进行的,很少涉及岩石细观尺度上的矿物流变特性。采用纳米压痕技术研究砂岩中矿物组分的流变特性和本构方程,结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)获得的矿物组分分布特征,砂岩中石英、钠长石、方解石和高岭石的弹性模量分别为87.74,59.85,32.30和17.31GPa,体现了砂岩的细观非均质性。砂岩的纳米压痕细观流变过程包括瞬时弹性变形、蠕变和弹性后效,可以采用伯格斯模型进行描述。在细观流变变形过程中,蠕变荷载保持阶段和卸载阶段会加剧矿物中孔、裂隙发育,使得拟合弹性后效获得的流变力学参数明显小于拟合蠕变过程获得的结果。砂岩宏观流变弹性参数可以通过细观矿物组分流变弹性参数尺度升级获得,为流变力学特性研究提供了一种方便、高效的方法。 展开更多
关键词 岩石力学 砂岩 流变特性 本构方程 纳米压痕 尺度升级
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岩石-锚固剂结构水化失稳微观力学特性 被引量：1
8
作者 荣浩宇 王伟 +2 位作者 李桂臣 许嘉徽 梁东旭 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期784-798,共15页
为研究岩石-锚固剂结构水化失稳微观机制,基于泥岩锚固试样SEM试验与纳米压痕试验,分析了不同含水率下岩石-锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明:干燥条件下岩石-锚固剂结构完整性好,界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大,结... 为研究岩石-锚固剂结构水化失稳微观机制,基于泥岩锚固试样SEM试验与纳米压痕试验,分析了不同含水率下岩石-锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明:干燥条件下岩石-锚固剂结构完整性好,界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大,结构内出现溶蚀孔洞与裂隙,黏结区域范围缩小,饱和含水率下岩石-锚固剂结构脱黏失效。低含水率下,受各组分间力学性质差异影响,压痕数据离散性较大。高含水率下,各组分间胶结能力劣化,结构整体力学性能降低,数据离散性变小。水化损伤加剧使泥岩胶结结构失效并导致宏观破坏,而锚固剂会填充水化作用下界面产生的微孔隙,使其力学性能相对岩石部分有一定提升,故界面微观参数衰减幅度小于泥岩部分。 展开更多
关键词 泥岩 岩石-锚固剂结构 水化失稳 微观力学特性 纳米压痕
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