大寒岭倒转背斜复杂煤层结构冲击地压研究

受大寒岭倒转背斜的影响,大安山煤矿14槽煤后槽形成了极为复杂的煤层结构,其轴部及附近和两翼形成的急倾斜煤层是高应力区,具有冲击倾向性。首先用ANSYS有限元软件建立了包括复杂煤层结构在内的矿山模型,利用单元生死技术模拟轴部及右翼开挖;在此基础上,分析了采场围岩的应力场和位移场,圈定了冲击地压发生的危险区域,分析了冲击地压发生的机理;预测了14槽煤后槽开采的冲击倾向性,并指出在实际开采时,必须采取防冲措施,为避免冲击地压事故的发生提供了技术支持,具有一定的参考价值。     

复合填料热传导过程数值模拟

复合填料由废铸砂、粉煤灰、聚苯乙烯(EPS)颗粒、水泥和水按一定质量比例混合制成,具有低导热性、抗冻胀和轻质特性。根据热阻力法则和比等效导热系数相等法则,将材料视为由大量正方形单元体组成,其中心为一个球形EPS颗粒,这种单元体与总体的导热系数相等。运用AN SY S软件对复合填料单元体的传热过程进行了有限元模拟,根据瞬态法导热系数测试原理,推求不同EPS掺入比情况下的复合填料导热系数,分析EPS颗粒与导热系数的关系,发现材料导热系数随着EPS掺入比的增加而快速降低。将材料导热系数数值模拟与实测结果作比较,发现有限元模拟值与实测值接近,说明采用有限元方法可以实现对材料传热过程的模拟。     

下穿式箱涵顶进施工过程土体受力规律研究

为了研究下穿式箱涵顶进过程中土体应力变化规律,以新长铁路丁溪河中桥的疏浚拓宽工程为背景,实时监测了箱涵顶进开始到就位过程中桥台处土体的应力变化。基于ABAQUS建立了箱涵与土的三维有限元模型,定义了箱涵底板、侧墙与土之间的法向接触对和切向接触对,从而将实际箱涵顶进施工的过程等效为给定箱涵初始位移的接触分析问题。根据实际施工中土层切土高度的变化情况,模拟了切土高度分别为4.51 m和6.51 m的两种箱涵顶进工况。计算结果表明,数值模拟得到的侧向土压力整体要大于实测土体的压应力,这主要是由于数值模拟中采用的是接触压应力,而顶进过程中可能出现箱涵侧墙与土体分离而导致的空顶。切土高度为6.51 m时数值模拟得到的箱涵摩阻力与箱涵的实际顶力非常接近,实现了二者的近似平衡,而切土高度为4.51 m时计算的摩阻力要小于实际顶力。     

纯弯荷载下厚型钢结构防火涂层破损的试验研究和数值分析

厚型钢结构防火涂层因其耐火性好、性能稳定而成为最常用的防火保护形式之一,但厚型防火涂层易在地震和冲击等作用下发生破损和脱落,这将影响钢结构的抗火性能。为了认识厚型钢结构防火涂层的破损模式,本文对涂有厚型防火涂料的钢板件进行了纯弯荷载试验,运用有限元分析软件AN SY S对试验全过程进行了模拟分析,并与试验结果相对比。结果表明:受弯构件压区涂层的破损模式主要为涂层-钢板界面破损,拉区涂层的破损模式与涂层厚度有关,当涂层厚度较薄时,主要为涂层内部拉裂,涂层厚度较厚时,主要为涂层-钢板界面破损;涂层厚度越厚,界面破损出现得越早;若在涂层上贴置应变片,会使涂层的界面裂缝和横向裂缝提早出现。     

高阻尼混凝土梁板结构动力特性分析

通过提高混凝土材料的阻尼比,有效地改善混凝土结构自身的阻尼性能,从材料的角度出发实现结构高阻尼化已成为一种新的结构振动控制方法。根据结构动力学原理,分析了提高系统阻尼比在结构发生共振时,对降低结构振动响应的有效性;利用有限元软件AN SY S模拟了普通混凝土结构、局部高阻尼混凝土结构以及整体高阻尼混凝土结构的动力响应,主要包括模态分析和谐响应分析,并对3种不同组成材料的结构响应结果进行比较。有限元分析表明:高阻尼混凝土结构的动力特性较普通混凝土结构有了显著的改善,而且当高阻尼混凝土仅用于结构的柱中时,其改善效果与整体结构都与使用高阻尼混凝土的效果比较接近。这对研究结构局部高阻尼化,降低结构在地震等动荷载作用下的响应有参考价值。     

基于煤岩流变特性的狭窄煤柱冲击地压孕育过程研究北大核心CSCD

工程实践表明,冲击地压发生有一个孕育过程,即具有时间上的滞后性。借鉴基于流变模型的地震孕育过程研究成果,将Burgers-Senvitorve-Bengarm模型应用于狭窄煤柱流变特性研究,结合义马矿区耿村煤矿开采实际情况,重点研究狭窄煤柱冲击地压的孕育过程。结果表明:狭窄煤柱冲击地压孕育过程的前期阶段,弹性变形能的累积大于煤体损伤造成的能量耗散,以弹性变形能的累积为主;狭窄煤柱冲击地压孕育过程的后期阶段,弹性变形能的累积小于煤体损伤造成的能量耗散,以能量耗散为主。软岩孕冲过程中能量的累积和耗散能力较弱,孕冲时间较长,冲击地压发生时释放的能量较小;硬岩孕冲过程中能量的累积和耗散能力较强,孕冲时间较短,冲击地压发生时释放的能量较大。     

基于煤岩流变特性的狭窄煤柱冲击地压孕育过程研究

工程实践表明,冲击地压发生有一个孕育过程,即具有时间上的滞后性。借鉴基于流变模型的地震孕育过程研究成果,将Burgers-Senvitorve-Bengarm模型应用于狭窄煤柱流变特性研究,结合义马矿区耿村煤矿开采实际情况,重点研究狭窄煤柱冲击地压的孕育过程。结果表明:狭窄煤柱冲击地压孕育过程的前期阶段,弹性变形能的累积大于煤体损伤造成的能量耗散,以弹性变形能的累积为主;狭窄煤柱冲击地压孕育过程的后期阶段,弹性变形能的累积小于煤体损伤造成的能量耗散,以能量耗散为主。软岩孕冲过程中能量的累积和耗散能力较弱,孕冲时间较长,冲击地压发生时释放的能量较小;硬岩孕冲过程中能量的累积和耗散能力较强,孕冲时间较短,冲击地压发生时释放的能量较大。     

考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质超低摩擦效应理论分析

深部开采条件下,岩体块系介质超低摩擦效应与深部岩体动力灾害密切相关。基于我国矿山深部开采的实际情况,建立了法向荷载冲击作用下,考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质模型,理论推导了含岩层深度参数h的块体运动函数和位移时间函数的解析表达式,据此给出了地下800m煤系地层,岩体超低摩擦效应发生的最大载荷降速率为1.06×105N/s,岩体法向荷载波动周期为0.1 s。研究结果表明:随着岩体法向荷载的显著波动,岩体相对压紧程度趋于减弱,岩体超低摩擦效应易于触发,载荷降速率急剧增大,这可以作为岩体超低摩擦效应的重要表征指标之一。     

混凝土动态力学性能数值模拟研究

数值模拟是研究混凝土动态力学性能主要手段之一。编写二维混凝土多边形粗骨料随机分布程序,利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA对直径74mm、高70mm混凝土在不同冲击速度下的动态响应进行模拟,分析冲击速度、粗骨料最大粒径、最小粒径和体积含量对多边形粗骨料混凝土动态特性影响,考察多边形粗骨料混凝土动态破坏模式。数值模拟表明:混凝土表现出明显的率敏感性;随着粗骨料颗粒最小粒径增大,多边形粗骨料混凝土峰值应力逐渐减小;随着粗骨料颗粒最大粒径增大,多边形粗骨料混凝土峰值应力呈现先增大后减小趋势;当粗骨料体积含量小于40%时,随着粗骨料体积含量增加,多边形粗骨料混凝土峰值应力逐渐增大,当粗骨料体积含量大于40%时,随着粗骨料体积含量增加,多边形粗骨料混凝土峰值应力逐渐减小。     

基于土体等效线性黏弹性模型的地下综合管廊地震响应

以大连旅顺新区地下综合管廊工程为研究背景,利用ABAUQS有限元软件,建立了三维有限元模型,土体与管廊结构采用了三维实体全积分单元,采用等效线性黏弹性模型来模拟土体的动力非线性特性、线弹性模型模拟管廊结构。数值模拟考虑了土-结构相互作用,模型四周及底边设置黏弹性边界,地震动以等效节点力的形式输入,研究管廊在Kobe地震波四种不同地震动强度水平向(X向)作用下的结构响应,研究表明:(1)震中及震后管廊的应力、位移、相对位移都随地震动强度的增大而增大,在地震过程中,管廊的应力、位移最大值在0.05 g时为1.545 MPa、0.034 95 m, 0.10 g时为3.061 MPa、0.068 57 m, 0.15 g时为4.599 MPa、0.103 23 m, 0.20 g时增加到5.572 MPa、0.135 45 m。(2)震中及震后管廊的应力比、位移比说明了土体在大震中发生了更大的不可恢复的变形,也说明了管廊等地下结构的地震破坏主要是由土体变形引起。(3)管廊中隔墙上端部、下端部为管廊的抗震薄弱位置,在进行管廊抗震设计时,应采取有效措施提高这些部位的抗震性能。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能研究∗

为了研究大直径变截面钢管复合桩竖向承载性能,选取鱼山大桥37#桩开展了自平衡试桩试验,并利用数值模拟软件ABAQUS对实际工况进行模拟,在验证了数值模型正确性的基础上对模型施加桩顶竖向荷载,分析了其桩身轴力与钢管应力传递规律,并通过改变变截面位置参数建立不同工况模型,分析了变截面位置对桩基竖向承载性能的影响。研究结果表明:自平衡试桩试验Q-s曲线没有突变较为平缓,经计算该桩单桩承载力为120 056kN,为单桩设计桩顶最大竖向荷载38 212 kN的3.14倍,桩基足够安全;数值模拟结果与实测较为吻合,数值模拟方法以及参数选取得当;变截面位置以上桩身轴力减小较缓,变截面处桩身轴力存在突变,变截面以下桩身轴力减小较快,桩端有端阻力存在,钢管处于弹性变形阶段并未屈服;变截面位置以上桩段越长桩基抵抗竖向变形能力越强,但生产实际中应考虑材料用量以达到最优。     

煤巷高冒区遗煤自燃数值模拟分析

煤巷高冒区因遗煤易自燃而成为煤矿内因火灾的重要危险源之一。本文在分析高冒区遗煤赋存状态的基础上,结合平煤十三矿11111巷道高冒区实际情况,应用FLUENT软件,对高冒区漏风风速、温度、氧气浓度以及CO浓度的分布进行了数值模拟。模拟结果表明:高冒区中部漏风在自燃风速范围内;在高冒区内,高温点出现在中部;高冒区中部氧气消耗量最大,煤氧反应产物CO浓度在高冒区中部最高。根据高冒区温度、氧气浓度、CO浓度、漏风风速的分布规律,可将高冒区划分为"易自燃带"和"不易自燃带"。     

大型复杂采空区空间结构演化规律研究

随着地下矿山开采活动的进行,采空区已成为影响矿山安全的主要隐患之一。以某铜锌矿为背景,利用VS150空区精密探测系统对采空区进行精密探测,采用VoidScan-Geomagic-3Dmine耦合技术,分别建立了研究时段与设计时段采空区三维精细模型,进而对比分析了采空区空间结构演化过程,采用3Dmine-Midas GTS NXFLAC~(3D)耦合的数值模拟技术,结合矿区实际生产情况对设计时段空区进行数值模拟分析,并对空区空间结构演化过程中位移场、应力场及塑性区进行系统的研究,确定了空区顶板及围岩的稳定程度,并进一步揭示了未来时段空区的演化趋势。数值模拟结果与现场实测工作结果相吻合,研究结果为采空区后续的安全治理提供了科学依据。     

火灾高温下CFRP加固钢筋混凝土梁温度场分析

综合国外CFRP加固混凝土结构抗火试验相关研究,总结了CFRP的高温热工性能参数。用ANSYS软件对火灾高温下不同情况(无防火保护层和有防火保护层)和不同工况(防火涂料涂抹形式)下CFRP加固后的钢筋混凝土梁进行了温度场数值模拟研究。结果表明,防火涂料厚40 mm时,梁耐火极限可达2.5小时以上,且底面和两侧面全面涂抹防火涂料的防火效果最好。本文研究有助于进一步深入认识CFRP加固钢筋混凝土结构在高温下的力学性能和耐火极限,且对CFRP加固后的结构防火设计具有一定的指导意义。     

混凝土箱梁桥零号块水化热过程分析研究

结合黄沙港大桥工程实际,以箱室内外温度测试数据作为边界条件,根据混凝土水化过程的热传导方程,应用有限元分析程序ANSYS,对浇筑期间预应力混凝土连续箱梁零号块结构的温度场进行了仿真分析,并将仿真计算结果与混凝土连续箱梁的实测结果进行了比较。然后,应用ANSYS软件,采用增量法,动态模拟浇筑过程中水化热温度场变化引起的结构应力变化,得到了施工过程中应力场的时间和空间分布规律。分析表明,由于顶板和底板厚度较薄、内外温差较大,温度引起的残余应力也相对较大,而腹板最终的残余应力较小。因此,应该通过覆盖保温材料,控制厚度较薄的底板和顶板的内外温差,以改善内部混凝土后期受力状况,同时要注意控制预应力张拉时间和张拉力的大小。     

基于最小二乘法的高抽巷CO浓度变化规律分析

我国许多煤矿的煤层同时具有高瓦斯和严重自燃倾向,在抽放瓦斯的同时,容易造成采空区遗煤自燃。因此,监测采空区指标气体的浓度变化对预防采空区自燃非常重要。本文采用最小二乘法对山西阳煤五矿8403工作面高抽巷CO浓度进行分析,拟合得出了高抽巷CO浓度变化曲线,并对拟合方法、拟合效果进行了分析。结果表明,用最小二乘法进行拟合是可行、有效的。结合现场实际条件,分析了高抽巷CO浓度偏高的原因和之所以选取分析高抽巷CO浓度来预测采空区自燃的原因。结果显示,分析高抽巷CO浓度变化可以较早地发现采空区自燃。最后,分析了CO浓度与CO2、O2浓度的相关性,验证了用CO浓度预测采空区自燃的准确性。     

采动过程中下被保护层煤体变形渗流规律研究

为得到采动过程中被保护层煤体的变形、渗流规律,进行了煤样在加卸载应力作用下的变形与渗流实验研究。以红阳三矿上保护层开采为工程背景,采用数值模拟得到保护层采动过程中下被保护层煤体的加卸载路径,依据该加卸载路径对被保护层煤体试样进行加卸载,得到应力—应变及应力—渗透率关系曲线。研究结果表明:加卸载过程中,轴向应变随加卸载表现为线性向非线性转变,且卸载过程中轴向应变未能恢复至初始值;环向应变随加卸载表现为非线性变化。相同应力值对应的加卸载渗透性变化规律为:一次卸载阶段渗透率小于一次加载阶段渗透率小于二次加载阶段渗透率。     

玄武岩纤维混凝土抗压试验有限元分析

利用ANSYS有限元软件建立细观层面上带有随机分布的玄武岩纤维,考虑纤维与混凝土界面粘结滑移的混凝土模型对抗压试验进行模拟,以考察玄武岩纤维在混凝土受力发生变形至开裂的过程中所起的作用及纤维的掺量对应力分布情况的影响。结果表明：直到材料发生塑性变形,纤维才开始分担受力,纤维掺量对应力应变关系的影响才开始凸显,混凝土发生开裂时,纤维体现了明显的阻裂效果;随着纤维掺量的增大,纤维对混凝土应力集中的分散效应逐渐增强。