西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征 被引量：49

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作者 孙利辉 纪洪广 杨本生 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第3期865-873,共9页

西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法,研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律,选取新疆矿区大井南一井和苇... 西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法,研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律,选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据,分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区,岩石成岩不充分,岩石强度普遍偏低,具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩,胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关,随埋深增加呈线性递增,岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性,循环次数越多,崩解后的粒径越小越均匀,弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。 展开更多

关键词 西部矿区 保水采煤 弱胶结岩石 物理力学性能 煤系地层

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千米级竖井全断面科学钻进装备与关键技术分析 被引量：48

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作者 刘志强 宋朝阳 +3 位作者 程守业 纪洪广 谭杰 荆国业 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第11期3645-3656,共12页

千米级竖井全断面钻进技术是我国深地开发的重要技术支撑。围绕机械高效破岩与智能安全钻进这一主题,阐述了机械破岩钻井装备和无人化钻井的研究进展,梳理得出以竖井钻机、竖井掘进机和反井钻机3种钻机构成的机械破岩科学钻井技术、工... 千米级竖井全断面钻进技术是我国深地开发的重要技术支撑。围绕机械高效破岩与智能安全钻进这一主题,阐述了机械破岩钻井装备和无人化钻井的研究进展,梳理得出以竖井钻机、竖井掘进机和反井钻机3种钻机构成的机械破岩科学钻井技术、工艺及装备体系,并凝练出竖井全断面科学钻进过程中破岩、排渣、智能监控、支护和辅助钻进5项核心技术及其涵盖的12项关键技术;提出千米级竖井全断面机械破岩钻井需要攻克的关键技术问题与科学问题。针对深部高应力、高岩温和高水压条件下岩石强流变、强扰动等特点,以破岩与围岩控制技术、高效排渣技术、装备钻进与支撑技术的“三位一体”协同控制为核心,将重点攻克:①深部破岩机理和井帮围岩控制理论研究,以及辅助机械破岩的高效破岩技术;②多相流流动理论研究,优化多相比、提升高度、多相流速等参数,建立低能耗高效循环排渣模式;③围岩智能感知、判识与精准钻进轨迹的智能化控制理论研究,开发深部地层钻进多信息融合的钻机自适应钻进技术。为解决机械破岩、多相流循环排渣、钻井智能推进3者之间的协调性和匹配性问题,从基础理论分析、装备性能、工艺研究3个方面,构建了机械破岩科学钻井参数动态优化设计体系,基于以上机械化全断面钻井技术和装备现有条件和尚待攻克难题的梳理,为国家千米级竖井全断面钻进成套技术与装备的开发与升级提供借鉴。 展开更多

关键词 千米级竖井 破岩理论 竖井钻井 竖井钻机 反井钻机 竖井掘进机

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深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术 被引量：47

3

作者 刘志强 宋朝阳 +4 位作者 纪洪广 刘书杰 谭杰 程守业 宁方波 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第3期826-845,共20页

深部矿产资源开采是我国资源持续供给和保障经济高速发展的重要物质支撑,井巷工程作为进入深部开采的安全通道是进入深部开采的咽喉,因此,深部矿井建设关键技术是实现深部矿产资源开采的重要技术支撑。基于深部矿产开采矿井工程设计与... 深部矿产资源开采是我国资源持续供给和保障经济高速发展的重要物质支撑,井巷工程作为进入深部开采的安全通道是进入深部开采的咽喉,因此,深部矿井建设关键技术是实现深部矿产资源开采的重要技术支撑。基于深部矿产开采矿井工程设计与装备制造先行的理念,深部矿井建设模式、优化设计与理论、矿井建设技术与智能装备、智能监控技术体系、矿井建设与生态环境互馈等方面亟待取得突破。系统分析了矿井赋存地质条件探查、数据融合反演与透明化重构技术及其亟待攻克的科学问题;梳理了深部矿井井巷优化设计方法、建设模式、建井提运装备的发展现状和面临的难题;基于深部井巷围岩"应力调控-改性-支护"理念,提出了围岩应力调控技术,地面预注浆加固、抗渗、降-隔-保温技术等围岩改性技术,以及矿井工程支护结构等围岩控制理论与及其关键技术;提出了深井智能掘进装备与智能控制系统研发体系,梳理了机械破岩掘进装备制造与发展趋势,从高效破岩与排渣、装备构成与空间优化、精确智能钻井控制3个方面分析了上排渣竖井掘进机设计与制造亟需攻克的科学问题与技术难题;围绕破岩掘进复杂工序智能监控、围岩与井壁结构稳定智能监控、井筒内运行设备智能监控,提出了深部矿井全生命周期智能监控系统与关键技术体系。基于以上深部矿井开拓模式的优化设计、建井装备及其相应关键技术工艺的深入思考和分析,有望为深部矿井安全高效绿色建设提供解决思路。 展开更多

关键词 矿井建设 智能化 围岩支护 注浆 掘进 风险监控

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弱胶结砂岩遇水软化过程细观结构演化及断口形貌分析 被引量：32

4

作者 纪洪广 蒋华 +4 位作者 宋朝阳 刘志强 谭杰 刘阳军 武亚峰 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期993-999,共7页

对西部鄂尔多斯红庆河矿区的弱胶结砂岩采用饱水实验、SEM扫描电镜、QEMSCAN扫描电镜和力学实验等试验手段,分析其软化过程细观结构演化及其细观断裂形貌和断裂机理。研究表明:弱胶结砂岩的成岩特性决定了其遇水软化、崩解的特性与其矿... 对西部鄂尔多斯红庆河矿区的弱胶结砂岩采用饱水实验、SEM扫描电镜、QEMSCAN扫描电镜和力学实验等试验手段,分析其软化过程细观结构演化及其细观断裂形貌和断裂机理。研究表明:弱胶结砂岩的成岩特性决定了其遇水软化、崩解的特性与其矿物组成和结构特征密切相关;证实了弱胶结砂岩遇水软化过程中细观结构破坏的主要方式为胶结物质的破坏,且发生破断的位置为物颗粒与颗粒的接触界面或者颗粒与胶结物质之间界面;弱胶结砂岩的宏观力学行为主要由颗粒间接触决定,当边界荷载发生变化时,砂岩的最终断口发生在黏土胶结物上及其与矿物颗粒的交界处,少数发生在矿物颗粒上,颗粒体系内部结构的变化总体上可以分为颗粒破碎、颗粒或颗粒簇脱离母体结构、沿颗粒裂纹扩展及微裂隙呈弥散分布、胶结物质破坏等四大类;胶结物质力学性质是其破坏形式的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。 展开更多

关键词 弱胶结砂岩 软化过程 细观结构 演化 断口形貌

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深部矿产和地热资源共采战略研究 被引量：30

5

作者 蔡美峰 多吉 +7 位作者 陈湘生 毛景文 唐春安 刘志强 纪洪广 任奋华 郭奇峰 李鹏 《中国工程科学》 CSCD 北大核心 2021年第6期43-51,共9页

深部矿产和地热资源共采是实现深部采矿可持续发展的重要举措,也为深部高温岩层地热开采提供了全新技术手段。本文分析了深部矿产和地热资源共采的重要价值,梳理了国内外地热资源的开发利用现状,总结了我国在深部矿产和地热资源共采方... 深部矿产和地热资源共采是实现深部采矿可持续发展的重要举措,也为深部高温岩层地热开采提供了全新技术手段。本文分析了深部矿产和地热资源共采的重要价值,梳理了国内外地热资源的开发利用现状,总结了我国在深部矿产和地热资源共采方面的基础研究进展;在剖析深部矿产和地热资源共采面临的技术与管理挑战的基础上,论证形成了实施综合开发利用亟需的技术体系构成,涉及深部矿产资源与深部地热开发利用调查及前景研判、高温坚硬岩层地下巷道与硐室掘进及建造、深部矿产资源开采系统和地热开发系统“共建-共存-共用”的关键理论与技术体系、深部高温岩层地热能交换和输送理论与技术。研究提出了地质勘查、科技创新、扶持政策、顶层规划与科研示范基地等方面的发展建议,以期为我国矿业和地热产业可持续、高质量发展提供参考。 展开更多

关键词 深部矿产 地热资源 矿-热共采 高温岩层 地热能交换和输送

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干湿循环作用下弱胶结砂岩声发射特征及其细观劣化机理 被引量：25

6

作者 宋朝阳 纪洪广 +3 位作者 蒋华 刘志强 王桦 刘阳军 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第B06期96-103,共8页

针对弱胶结砂岩遇水软化和泥化现象,采用饱水实验、QEMSCAN扫描电镜以及声发射试验,对不同干湿循环次数作用下弱胶结砂岩的物理力学性质及其细观结构特征变化进行了探讨。研究表明:弱胶结砂岩遇水软化宏观特性分为4类,其宏观特性的差异... 针对弱胶结砂岩遇水软化和泥化现象,采用饱水实验、QEMSCAN扫描电镜以及声发射试验,对不同干湿循环次数作用下弱胶结砂岩的物理力学性质及其细观结构特征变化进行了探讨。研究表明:弱胶结砂岩遇水软化宏观特性分为4类,其宏观特性的差异主要取决于弱胶结砂岩细观颗粒胶结方式、胶结物成分和含量相关等细观参数;弱胶结砂岩遇水软化细观特征,一方面在饱水过程中胶结物溶蚀逐渐减少、颗粒自身膨胀产生细粒碎屑,另一方面饱水过程中导致岩样内部次生孔隙率增大;随着干湿循环次数的增加AE事件计数率与能量释放率也不断的降低,主要是干湿循环次数增加,砂岩内部骨架颗粒与胶结物质均得到不同程度的软化,颗粒胶结性能变差,裂纹发展速度较缓,规模较小,释放的能量较小,因此,随着干湿循环作用增加砂岩破坏时出现较低的试件计数率和能量释放率,反映出干湿循环次数增加后应力扰动敏感性降低进而导致破坏程度降低,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。 展开更多

关键词 弱胶结砂岩 水岩作用 劣化 细观结构 声发射

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我国地下矿山凿岩装备应用现状与凿岩智能化发展方向 被引量：17

7

作者 吴昊骏 纪洪广 +1 位作者 龚敏 刘翔宇 《金属矿山》 CAS 北大核心 2021年第1期185-201,212,共18页

数字化、智能化是凿岩台车等大型设备未来的发展趋势。为明晰国产凿岩台车的研究方向,结合我国地下矿山钻爆施工中凿岩台车的应用现状,定量对比评价了现场使用凿岩台车在钻孔精确度、钻孔效率、人员安全性、环保指标等方面的技术优势及... 数字化、智能化是凿岩台车等大型设备未来的发展趋势。为明晰国产凿岩台车的研究方向,结合我国地下矿山钻爆施工中凿岩台车的应用现状,定量对比评价了现场使用凿岩台车在钻孔精确度、钻孔效率、人员安全性、环保指标等方面的技术优势及问题。结果表明:使用凿岩台车钻孔,一般单孔凿岩时间为2~3 min,凿岩效率为同等条件下使用气动凿岩机钻孔的2~4倍;配合合理的爆破手段,月进尺能提高50%~70%;现场使用凿岩台车时,面临机械性能和钻爆工艺不匹配、较气动凿岩机开挖超挖量大以及人员培训落后于实际需要等问题。在此基础上,总结了现阶段凿岩台车智能化发展进展。研究表明:通过补偿技术,国内一些钻孔定位平均定位精度在5 cm以下,可满足施工要求;借助视觉辅助定位与导航方法、5G技术及物联网等先进技术,能够实现少人化、无人化的作业目标。最后进一步分析了研发、推广国产凿岩台车面临的不足与挑战,总结并展望了国产凿岩台车的发展路线。 展开更多

关键词 地下矿山 矿山建设 凿岩台车 凿岩机器人 巷道掘进 钻爆法

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干湿循环作用下弱胶结岩石声发射特征试验研究 被引量：17

8

作者 宋朝阳 纪洪广 +3 位作者 刘志强 张月征 王桦 谭杰 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第4期812-819,共8页

弱胶结岩石具有强度低、胶结弱、易风化、易水解和含水丰富等特点,针对干湿循环作用后引发工程岩体失稳的问题,通过弱胶结岩石单轴压缩试验和AE监测技术,对比分析了不同干湿循环作用次数后的岩样的变形破坏特征及破坏过程中声发射事件... 弱胶结岩石具有强度低、胶结弱、易风化、易水解和含水丰富等特点,针对干湿循环作用后引发工程岩体失稳的问题,通过弱胶结岩石单轴压缩试验和AE监测技术,对比分析了不同干湿循环作用次数后的岩样的变形破坏特征及破坏过程中声发射事件数、能量释放率、b值及熵值等参数的变化特征。研究结果表明:在干湿循环作用下弱胶结岩石强度劣化效应明显,弱胶结岩石到达峰值强度时轴向应变明显增加;不同干湿循环作用下弱胶结岩石破坏过程中声发射事件数和能量释放率变化趋势一致,在初始阶段较少,弹塑性阶段缓慢增加,峰值阶段达到最大值,而对于声发射b值在初始阶段相对较高,随之降低,弹塑性阶段再次升高,峰值阶段迅速降低,而峰后阶段b值依然相对较高,声发射熵值变化与b值变化恰好相反;随着干湿循环次数的增加,声发射参数的整体量发生明显变化,声发射事件数、能量释放率和熵值均随之降低,而声发射b值随之增加。在不同干湿循环次数作用条件下,弱胶结岩石破坏过程中的声发射多参数变化特征能够反映水对其宏观强度和细观结构物质的劣化作用及影响程度。 展开更多

关键词 弱胶结岩石 干湿循环 变形破坏 B值 熵值

原文传递

我国大直径钻井技术装备发展的挑战与思考 被引量：15

9

作者 刘志强 陈湘生 +2 位作者 蔡美峰 纪洪广 宋朝阳 《中国工程科学》 CSCD 北大核心 2022年第2期132-139,共8页

“向地下要资源、要空间”是解决人类面临的能源、资源和生存空间基本问题的有效途径。井筒是从地面进入地层中的咽喉工程,其安全、高效、绿色、智能化建设是保障地下矿产资源开采和地下空间开发利用的必由之路。本文分析了发展大直径... “向地下要资源、要空间”是解决人类面临的能源、资源和生存空间基本问题的有效途径。井筒是从地面进入地层中的咽喉工程,其安全、高效、绿色、智能化建设是保障地下矿产资源开采和地下空间开发利用的必由之路。本文分析了发展大直径钻井技术装备的需求和必要性,对比分析了国内外相关装备的发展现状;从基础科学问题研究、应用技术研发、高端装备制造、工程示范等角度,剖析了我国钻井技术装备发展面临的挑战,提出了井筒建设技术与装备的发展方向。研究建议:确立智能钻井发展理念,明确智能钻井发展路径与任务,建立和完善大直径钻井相关标准规范,推动智能钻井平台与示范工程建设,以期为矿山、水电、交通、城市建设等领域井筒建设技术发展提供支撑。 展开更多

关键词 地下工程 井筒建设 矿产开采 地下空间利用 钻井技术装备

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饱和水弱胶结砂岩剪切断裂面形貌特征及破坏机理 被引量：16

10

作者 宋朝阳 纪洪广 +1 位作者 刘志强 谭杰 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第9期2444-2451,共8页

剪切破坏断面是弱胶结砂岩在破坏过程中断裂后所形成相匹配的表面,断面形貌特征根据受力方式和饱水条件的不同形成差异显著。利用3D激光扫描对剪切破坏断面进行精确测量,结合地理信息系统(GIS)技术对不同受力方式和饱水条件下的破坏断... 剪切破坏断面是弱胶结砂岩在破坏过程中断裂后所形成相匹配的表面,断面形貌特征根据受力方式和饱水条件的不同形成差异显著。利用3D激光扫描对剪切破坏断面进行精确测量,结合地理信息系统(GIS)技术对不同受力方式和饱水条件下的破坏断面形貌进行三维可视化处理和定量分析,并采用扫描电镜从细观角度对产生的断面形貌特征差异及其破坏机理进行研究。试验结果表明:随夹具角度的增加,破裂面法向力降低,法向力的减小是导致破裂面扰动较大以及剪切断裂面粗糙度和起伏度增加的主要原因之一;通过饱水岩样细观结构的分析发现,弱胶结砂岩骨架颗粒自身吸水膨胀软化,骨架颗粒之间的黏连性变差,胶结程度降低,直接导致试件抗剪强度降低,同时,水对剪切破坏面扰动影响也降低,致使在相同受力条件下饱水试件断裂面粗糙度和起伏度相对较小;胶结物质的遇水软化的特性是决定弱胶结砂岩剪切破坏断面形貌的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩损伤演化过程及破坏机理提供可靠的试验依据。 展开更多

关键词 弱胶结砂岩 软化过程 断面形貌 地理信息系统

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西部典型弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的类相变特征研究 被引量：16

11

作者 宋朝阳 纪洪广 +2 位作者 曾鹏 孙利辉 谭杰 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第5期1027-1036,共10页

以西部弱胶结粗粒砂岩为研究对象,采用细观测试、力学测试、声发射监测和理论分析等研究方法,获得了弱胶结粗粒砂岩细观结构形态和矿物成分,分析了弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的声发射信号频率组合模式。研究表明:弱胶结粗粒砂岩在细观... 以西部弱胶结粗粒砂岩为研究对象,采用细观测试、力学测试、声发射监测和理论分析等研究方法,获得了弱胶结粗粒砂岩细观结构形态和矿物成分,分析了弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的声发射信号频率组合模式。研究表明:弱胶结粗粒砂岩在细观结构上是以颗粒物质、胶结物质及孔隙胶结而成的颗粒胶结体系,颗粒接触特性和矿物成分是其物理现象与力学机制发生的内因;在应力峰值前,声发射信号的峰频频段3(31.25~46.875 kHz)占比先迅速减小,后趋于平稳,而频段10(140.625~156.25 kHz)占比先增加,后趋于稳定,存在低频信号向高频转化的现象;弱胶结粗粒砂岩在单轴压缩破坏过程中存在"类相变"临界状态,即弱胶结粗粒砂岩细观结构上的颗粒接触状态由连续接触状态转变为离散状态的类相变过程;且弱胶结粗粒砂岩达到某一应变状态时,试件对振动或者扰动异常敏感,微小的应变Δε极易导致弱胶结粗粒砂岩达到类相变状态。 展开更多

关键词 弱胶结粗粒砂岩 类相变 临界状态 声发射

原文传递

单轴压缩荷载下含黏结面花岗岩能量演化研究 被引量：14

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作者 苏晓波 纪洪广 +3 位作者 裴峰 权道路 张同钊 高宇 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第8期161-167,共7页

为探究能量演化在含黏结面不完整岩石受载过程中的规律,选取带有矿物质黏结斜面的花岗岩进行单轴循环加卸载压缩试验,同时在试验过程中进行声发射检测.得到以下结论:"有效能比"(累积弹性能/输入岩石的总能)可以作为岩石储能... 为探究能量演化在含黏结面不完整岩石受载过程中的规律,选取带有矿物质黏结斜面的花岗岩进行单轴循环加卸载压缩试验,同时在试验过程中进行声发射检测.得到以下结论:"有效能比"(累积弹性能/输入岩石的总能)可以作为岩石储能水平的表征,也可间接反映岩石内部结构随应力状态的改变;从整个加载过程来看,黏结面部位破坏的声发射释能短促、强烈,峰值强度时声发射持续时间较长,但声发射释能率相比黏结面破坏时较低;应力水平较低时,卸载过程中一般不会有声发射现象或声发射现象基本可以忽略,但当应力水平达到一定值时,即花岗岩积聚的弹性能超过了黏结面部位破坏的耗散能时,花岗岩在卸载时会发生短促、强烈的脆性破坏;由于声发射能量属于耗散能的一部分,定义"声发射检测效率"(声发射累积能量/累积耗散能),对于本次试验对象而言,"声发射检测效率"在压密阶段降低,弹性阶段升高,黏结面局部破坏时达到峰值,之后直至峰值强度该值呈现持续降低趋势;从能量角度分析,卸载破裂所对应的应力水平低于加载强度,但不应低于与峰值强度时耗散能大小相等的弹性能所对应的应力水平. 展开更多

关键词 含黏结面 花岗岩 能量演化 循环加卸载 声发射

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不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识 被引量：12

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作者 宋朝阳 纪洪广 +2 位作者 张月征 谭杰 孙利辉 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期4028-4036,共9页

研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性,可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源,是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验,得到了弱胶... 研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性,可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源,是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验,得到了弱胶结砂岩破坏全过程中的应力与AE特征参数随时间演化规律,分析了AE振铃计数与绝对能量、幅值和持续时间参数之间的分布特征,获得了不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源特征,并基于AE峰值频率的演化特征分析,给出了弱胶结砂岩临界破坏前兆信息识别方法。研究表明,随着弱胶结砂岩粒度的减小,其峰值强度增加,岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显,AE振铃计数的峰值呈现数量级增加,能量集聚效应更加明显,岩样的自蓄能能力更强,且产生更高的AE幅值及更长的AE持续时间。弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段初期最先出现更低频段(10~20 kHz);弱胶结粗粒砂岩在塑性变形阶段AE峰频出现更高频(275~285 kHz),且AE峰频由2个主频段演化为5个;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前,两个主频段(40~50,145~155 kHz)累积计数最大;AE峰频的更高频、更低频及主频累积计数值等变化特征可以作为鉴别不同粒度弱胶结砂岩单轴压缩破坏过程中声发射信号源的判识依据。岩样进入塑性变形阶段时,AE峰值频率表现为由初期的2个主频演化为4个或5个频段,频段增加特征亦可作为不同粒度弱胶结砂岩破坏前兆信息判识的依据。 展开更多

关键词 弱胶结砂岩 声发射 峰值频率 前兆信息 变形破坏

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西部矿区弱胶结地层工程围岩稳定性控制研究进展 被引量：8

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作者 纪洪广 孙利辉 +3 位作者 宋朝阳 张月征 王九红 孟志强 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期117-127,共11页

我国西部矿区开采地层主要由侏罗系、白垩系地层构成,该地层岩石总体表现为强度低、胶结性差、易崩解等特性,属于弱胶结岩石。弱胶结地层工程围岩与中东部矿区地层岩石差异性较大,工作面顶板控制、巷道围岩控制等采用传统的控制技术很... 我国西部矿区开采地层主要由侏罗系、白垩系地层构成,该地层岩石总体表现为强度低、胶结性差、易崩解等特性,属于弱胶结岩石。弱胶结地层工程围岩与中东部矿区地层岩石差异性较大,工作面顶板控制、巷道围岩控制等采用传统的控制技术很难有效保障工程的安全性,常出现巷道大变形失稳、工作面压架、突水、溃沙、冲击地压等灾害。通过大量的调研和室内试验,获得弱胶结岩石抗拉、抗压等力学指标远小于中东部矿区同类岩石力学指标,建立了多因素耦合作用下的弱胶结岩石的变异程度评估指标体系,初步获得了典型矿区弱胶结岩石的变异性程度。以红庆河煤矿弱胶结岩石为例,发现了弱胶结岩石在力、水等载荷作用下,具有“类相变”现象,分析了胶结度对类相变现象的影响,给出了弱胶结粗粒砂岩的“类相变”状态特征及其敏感性参数。分析了导致工作面支架压架、突水溃沙灾害发生的覆岩垮落带、断裂带动态发育规律以及巷道围岩大变形规律,推演了弱胶结地层大采高工作面不同开采阶段垮落带动态变化表达式,建立了支架-围岩相互作用模型,给出了工作面来压和非来压期间支架工作阻力;针对弱胶结地层的松散弱特性,提出了巷道围岩双壳加固技术,可为工作面安全开采和巷道围岩控制提供保障。 展开更多

关键词 弱胶结岩石 围岩控制 围岩稳定性 岩石力学 双壳支护

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基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析 被引量：6

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作者 朱明德 王照亚 +6 位作者 张月征 李文光 侯奎奎 纪洪广 尹延天 付桢 郝英杰 《地质力学学报》 CSCD 北大核心 2023年第3期430-441,共12页

山东省三山岛西岭矿区拟建2000 m深副井,属于超深井建设工程。揭示建井工程区地应力场特征是开展竖井设计、建设施工的必要先决条件之一,研究中采用水压致裂法开展了深部竖井地应力现场测量工作,测量深度达到1899.00 m,通过数值仿真模... 山东省三山岛西岭矿区拟建2000 m深副井,属于超深井建设工程。揭示建井工程区地应力场特征是开展竖井设计、建设施工的必要先决条件之一,研究中采用水压致裂法开展了深部竖井地应力现场测量工作,测量深度达到1899.00 m,通过数值仿真模拟方法反演了竖井工程区2017.56 m深的地应力场。结果表明:在水压致裂测试的钻孔357.76~1899.00 m深度范围内,最大水平主应力(SH)为23.16~70.86 MPa,最小水平主应力(Sh)为15.24~47.06 MPa;主应力随深度近于线性增加,地应力测量孔实测最大水平主应力方向分别为NW55.5°、NW60.4°、NW58.4°,为近北西方向;竖井工程区应力场主要以水平应力为主导,1200.00 m以下铅直主应力(Sv)为中间应力,SH与Sv之比平均值为1.53;通过FLAC 3D软件的反演分析获得了建井工程区内地应力场随深度、地层变化的分布规律,测试点的反演结果与实测值基本一致。近2000 m超深地层地应力状态及其分布规律,为竖井工程的井筒井壁设计和工程风险评估提供了基础科学依据。 展开更多

关键词 深竖井 深部地层 水压致裂法 地应力测量 地应力反演

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高应力高水压下深部花岗岩力学响应联动机制 被引量：10

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作者 由爽 李飞 +2 位作者 纪洪广 王洪涛 张乘菡 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S01期219-229,共11页

深部高应力环境下,岩体通常处于应力峰后段,裂隙发育,岩石破碎,在这样的环境下,高水压对岩体性能的影响将更为明显。本研究针对千米以深的岩体峰后特性开展试验研究工作。采用水力耦合条件下的三轴循环加卸载试验,获得全应力-应变曲线... 深部高应力环境下,岩体通常处于应力峰后段,裂隙发育,岩石破碎,在这样的环境下,高水压对岩体性能的影响将更为明显。本研究针对千米以深的岩体峰后特性开展试验研究工作。采用水力耦合条件下的三轴循环加卸载试验,获得全应力-应变曲线。通过获取起裂应力、扩容应力、峰值应力、残余应力等应力阈值,对岩石各个应力应变阶段进行划分。通过计算各变形参数及渗透率获取岩石水力参数的演化规律;针对高围压、高渗透压环境下花岗岩破坏后表现出的较高残余强度,对比分析不同围压等级下残余强度与峰值强度的比值,获得不同高围压等级对于花岗岩石峰值破坏时强度衰减的影响曲线;通过分析峰后残余段初始渗透率较峰值处渗透率的损失值,揭示岩石受围压因素影响从峰值处至残余段渗透性能变化过程,获得不同高围压等级与渗透率波动的相关性。最后通过拟合岩石扩容阶段、残余阶段损伤变量与渗透率演化曲线,研究两者之间的相关性。结果表明:碎裂质花岗岩受高围压、高水压耦合作用下,表现出无压密段、起裂点低、较长的屈服阶段与扩容阶段以及破坏后保留较高承载能力的力学特性;弹性模量在峰前阶段呈现下降趋势,在峰后残余阶段表现出先上升后下降的趋势,泊松比的演化规律正好相反;岩石的损伤变量随峰前循环次数增加表现先下降后上升趋势,在峰后残余阶段损伤变量稳定上升,渗透率也呈现相似规律。扩容阶段岩石的渗透率与损伤变量呈现对数函数关系,而残余阶段则两者呈现出良好的指数函数关系;残峰比与围压等级呈负相关性,而渗透率损失率随围压呈正相关性。 展开更多

关键词 水力耦合 深部岩石 循环荷载 力学性能 渗透特性 响应机制

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三轴卸荷条件下煤体力学特性和能量耗散演化 被引量：8

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作者 鲁细根 纪洪广 +3 位作者 余小妹 蒋华 高宇 吴浩源 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第2期90-98,共9页

孤岛工作面煤体和巷道受周边开采扰动影响,煤体受循环荷载作用存在卸荷力学行为而表现出动态破坏特性。为探讨不同路径下煤体力学特性,利用TAW-2000三轴电液伺服刚性试验机分别进行常规三轴(T)、三轴循环荷载(TC)以及相应卸围压试验(TU... 孤岛工作面煤体和巷道受周边开采扰动影响,煤体受循环荷载作用存在卸荷力学行为而表现出动态破坏特性。为探讨不同路径下煤体力学特性,利用TAW-2000三轴电液伺服刚性试验机分别进行常规三轴(T)、三轴循环荷载(TC)以及相应卸围压试验(TU、TCU),分析不同围压下煤体卸围压强度、变形、声发射事件以及能量耗散演化特征,开展扰动区域煤体卸荷特性研究。结果表明:三轴循环荷载卸围压(TCU)下拟合回归强度低于常规三轴卸围压(TU)下拟合回归强度,高于三轴循环荷载(TC)下拟合回归强度;卸围压(TU、TCU)应力路径下声发射峰值滞后应力峰值,AE振铃计数在煤样破坏点突增,高于常规三轴(T、TC)数值;循环过程(TC、TCU)中应力水平达到峰值强度的70%时,Kaiser效应逐渐消失,Felicity效应出现;循环加卸载(TC)试验中,相对应力水平达到60%,煤样损伤加剧,弹性应变能占比逐渐减小;围压越大,煤样破坏时冲击能指数越小,三轴循环荷载(TC)冲击能指数<常规三轴(T)冲击能指数<三轴循环荷载卸围压(TCU)冲击能指数<常规三轴卸围压(TU)冲击能指数;围压对煤样有横向束缚作用,减弱冲击能释放速率,降低煤样破碎程度。 展开更多

关键词 三轴循环荷载 卸围压 能量耗散 声发射 破坏特征

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劈裂条件下岩石应变空间变异性与b值关系 被引量：9

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作者 苏晓波 纪洪广 +3 位作者 权道路 耿景明 张改改 高宇 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S01期239-246,共8页

为更深入地了解岩石的破裂过程,研究了岩石在巴西劈裂条件下变形的空间差异性与声发射分数维间的关系。由于岩石具有非均质性和各向异性特征,花岗岩颗粒较大,组构复杂,能够较好地表现岩石的各向异性,灰绿岩组构较为细腻,可以和花岗岩形... 为更深入地了解岩石的破裂过程,研究了岩石在巴西劈裂条件下变形的空间差异性与声发射分数维间的关系。由于岩石具有非均质性和各向异性特征,花岗岩颗粒较大,组构复杂,能够较好地表现岩石的各向异性,灰绿岩组构较为细腻,可以和花岗岩形成对比。砂岩作为沉积岩的一种,可以验证试验结论的正确性,增加试验结论的普适性。以花岗岩、辉绿岩和砂岩为研究对象,通过在圆盘劈裂轴线的上、中、下3个区域布置应变片,采用3组应变片检测值的离散度统计,定义应变空间变异系数Cv,同时结合声发射监测数据,获得声发射幅值分数维b值。两者对比研究发现,岩样应变空间变异性与声发射幅值分数维关系如下:岩石劈裂过程中,应变空间变异系数Cv随加载进程的变化趋势与声发射幅值分数维b值的变化趋势相反,皮尔逊相关系数在-0.756^-0.9318,以试验的手段证明了声发射幅值分数维与变形离散度间存在显著的负相关性;b值是岩石区域间变形不协调性在破裂释能上的表现,变异系数增加的局部破裂或整体破裂阶段与b值降低阶段对应;变异系数基本不变阶段与b值基本稳定不变阶段相对应,表明空间变形处于自适应协调一致阶段,变异系数下降阶段对应b值上升阶段,表明各区域变形处于由不协调向协调一致性转变阶段;受限于统计方式,b值往往是一个时间段内的平均结果。在每次较大的破裂振动前,总会存在平静期,因此时间窗口选取不当,容易导致b值统计结果的起伏跳动,b值的跳动趋势往往给研究人员带来困惑。变形变异系数为实时监测值,其变化趋势平稳,可达到与b值同样的监测效果,且避免b值统计缺陷;岩石区域间应变的空间变异性与b值相互印证,二者皆可作为岩石破裂的一种表征,来反映岩石自身组构的均质性以及破裂的过程性。理论上,地震和矿山微震中的b值� 展开更多

关键词 古登堡-里希特公式 巴西劈裂 分数维 空间变异性 B值

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岩石非均质程度对水压致裂地应力测试方法影响的分析与讨论 被引量：3

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作者 陈东升 纪洪广 +1 位作者 袁永忠 李芹涛 《地质力学学报》 CSCD 北大核心 2023年第3期365-374,共10页

准确揭示原位地应力状态,对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作,获得了20个测段地应力状态;室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验,包括巴西劈裂试验... 准确揭示原位地应力状态,对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作,获得了20个测段地应力状态;室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验,包括巴西劈裂试验、单轴压缩试验及声发射监测试验,获得了岩石空间非均质度和强度分布特征,并分析了岩石非均质度与水压致裂测试结果的关系。结果表明:主应力大小随测量深度近似呈线性增大,测试孔的最大水平主应力值为20.78~45.20 MPa,最小水平主应力值为14.94~35.33 MPa,平均最大水平主应力方向为NW65°;测试孔岩芯各层位非均质度不同,变辉长岩非均质度系数为0.1~0.3,且岩石不同强度条件下声发射信号数量变化不显著,岩石离散度较小,花岗岩非均质度系数最高,可达1.0,以加载后期强相破裂产生的声发射信号为主;岩石非均质度影响水压致裂裂纹的扩展方向,扩展方向和最大水平主应力方向的夹角φ影响着最大、最小水平主应力的测量结果,且对最小水平主应力的影响尤为显著。分析水压致裂测量结果与岩石性质之间的关系,对精确探测非均质地层的地应力场分布规律具有一定的指导作用。 展开更多

关键词 深部地层 原位地应力 水压致裂法 岩石非均质度 岩石力学试验

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相似材料抗压强度正交试验与材料强度影响系数研究 被引量：2

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作者 宋春鹏 由爽 +1 位作者 纪洪广 孙利辉 《材料导报》 CSCD 北大核心 2023年第23期60-65,共6页

为了研究不同原材料对相似材料单轴抗压强度的影响规律,以ISO标准砂、细河沙为骨料,水泥、石膏、腻子粉为胶结材料,制备了砂水石体系、沙水石体系、沙粉石体系的相似材料,通过正交实验法、力学性能测试法、回归分析法、最小二乘曲线拟... 为了研究不同原材料对相似材料单轴抗压强度的影响规律,以ISO标准砂、细河沙为骨料,水泥、石膏、腻子粉为胶结材料,制备了砂水石体系、沙水石体系、沙粉石体系的相似材料,通过正交实验法、力学性能测试法、回归分析法、最小二乘曲线拟合法等实验手段,研究了三种相似材料配合比及不同配合比下的力学性能表征。结果表明,不同原材料的属性直接决定了相似材料的力学性能,胶结材料会对相似材料单轴抗压强度产生正相关影响,骨料会对相似材料单轴抗压强度产生负相关影响;沙水石体系的单轴抗压强度与砂水石体系的单轴抗压强度相差约42%,沙粉石体系的单轴抗压强度与沙水石体系的单轴抗压强度相差约344%。通过多元回归性分析得到了适用于砂水石体系、沙水石体系、沙粉石体系的单轴抗压强度经验公式,在此基础上,定义了一种影响相似材料单轴抗压强度的强度影响系数,实现了原材料与相似材料单轴抗压强度之间的量化表征,最终明确沙粉石体系为三种体系中最优体系。 展开更多

关键词 相似材料 单轴抗压强度 回归分析 强度影响系数

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