花岗岩颗粒流模型循环压缩作用下裂纹特征分析

为了分析花岗岩颗粒流模型循环作用下的裂纹特征，基于花岗岩单轴压缩试验得到的应力应变曲线，完成了PFC3D数值试验的参数标定，探讨了不同循环次数下数值试件内部裂纹数目、分布和角度的变化规律。研究结果表明:平行黏结模型能够正确表达花岗岩的主要力学性质；在数值试验加载至破坏过程中，裂纹数目以应力应变曲线峰值点为分界，峰后阶段产生的裂纹数占总裂纹数的60%~90%;张剪裂纹最初产生于试件两端，随着加载进行，裂纹向着试件中部发展贯通，最终形成宏观剪切破坏带；剪切裂纹的角度分布方向明显，与轴向加载方向相同；张拉裂纹角度分布则在轴向加载方向和水平方向上略显集中。研究结果可为矿山安全回采矿柱提供依据。     

构造煤分层对煤单轴压缩力学特性影响的颗粒流模拟

为了研究构造煤分层对煤的力学特性影响程度,采用颗粒流数值模拟方法研究不同赋存参数的构造煤分层对煤的单轴压缩力学特性的影响规律,从受荷后的裂纹分布和试样破坏形式2个方面分析试样压缩过程中细观力学响应机制。研究结果表明:构造煤分层厚度和倾角是影响煤的单轴压缩力学特性的重要参数,其中倾角主要影响内部裂纹的类型和分布,构造煤厚度主要影响煤的单轴抗压强度;单轴压缩下煤的破坏类型主要包括沿交界面的层裂破坏、拉伸破坏和复合破坏3种类型,构造煤分层倾角较小时,更容易由于构造煤挤出效应导致的失去承载能力,随倾角增大,挤出效应减弱,单轴抗压强度有增大趋势。     

高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析

高水巷旁充填材料在煤矿沿空留巷工程中得到了广泛应用,水灰比对其力学性质关系密切。首先通过扫描电镜分析了高水材料的微细观形貌,其次通过 RMT-301伺服试验机对1.3~2.5∶1等6种水灰比的高水材料试样进行了单轴压缩试验,得到了各水灰比试样的全应力-应变曲线,分析了试样的变形特征、强度及破坏特征、能耗特征随水灰比变化的规律。结果表明,高水材料的微观结构为固、液、气构成的多孔海绵状结构;高水材料的变形特征与岩样相似,也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段,弹性模量、割线模量和峰值强度等随水灰比提高多呈指数函数关系下降;随着水灰比增大,试样由脆性破坏逐渐过渡到延性破坏;随着水灰比增大,试样吸收的总应变能与可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降,而耗散能变化幅度不大。     

高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析北大核心CSCD

高水巷旁充填材料在煤矿沿空留巷工程中得到了广泛应用,水灰比对其力学性质关系密切。首先通过扫描电镜分析了高水材料的微细观形貌,其次通过RMT-301伺服试验机对1.3~2.5∶1等6种水灰比的高水材料试样进行了单轴压缩试验,得到了各水灰比试样的全应力-应变曲线,分析了试样的变形特征、强度及破坏特征、能耗特征随水灰比变化的规律。结果表明,高水材料的微观结构为固、液、气构成的多孔海绵状结构;高水材料的变形特征与岩样相似,也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段,弹性模量、割线模量和峰值强度等随水灰比提高多呈指数函数关系下降;随着水灰比增大,试样由脆性破坏逐渐过渡到延性破坏;随着水灰比增大,试样吸收的总应变能与可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降,而耗散能变化幅度不大。     

基于能量流系统的事故致因与预防模型构建

为完善事故致因理论体系,论述并解析能量流系统定义,分析系统能量流流向, 构建基于能量流系统的事故致因概念模型,并从能量串发、发散、集中和混合四方面解 析其内涵。对能量流的聚集、耦合、转换、释放,以及意外释放能量的防控效果、破坏 强度和伤害程度等进行数学描述。基于此,构建基于能量流系统的事故预防概念模型, 并提炼减灾措施。研究结果明晰了事故发生的物理本质,从能量流系统的视角为事故致 因的定量分析或半定量半定性分析提供理论参考,并可为事故预防与控制提供理论指导 。     

基于能量理论的冲击地压细观过程研究

为了解冲击地压细观发生过程,从而分析冲击地压不同阶段特点,从能量消耗角度对该过程进行了研究。认为冲击地压是岩体系统由于外界扰动引起的能量释放过程,总释放能量理论上等于岩体形成期间残余弹性势能。由于该弹性势能和岩体形成后裂隙发育的不同,导致岩体受开采扰动后经历的能量释放形式有所不同。大体上能量释放形式可分弹性变形、可产生裂隙的大变形、岩体破碎飞石、广义变形集中区岩体失稳和伴随裂隙产生的机械振动5种。过程可分三部分:初期变形和裂隙、中期飞石-变形-破碎-飞石的循环破坏过程(岩爆)、末期广义应变失稳破坏。使用颗粒流理论的PFC3D对上述过程进行了模拟,结果表明:-120 m、-220 m、-320 m时开采面岩体只发生变形和裂隙;-420 m、-520 m、-620 m岩体先经历变形和裂隙,然后发生岩爆;-720 m和-820 m岩体经历变形和裂隙、岩爆和广义应变区失稳坍塌。     

不同雷诺数下隔水管绕流模型仿真

为了研究深海钻井过程中不同海况下海流对隔水管振动情况的影响,利用COMSOL软件,建立了圆柱绕流二维仿真模型,对刚性圆柱展开绕流仿真,研究了不同雷诺数(2.5×104Re4.0×105)下隔水管绕流的漩涡脱落形态、升力系数和阻力系数、涡泄频率,斯特哈尔数(Strouhal)的变化规律。结果表明,随雷诺数增大,升、阻力系数减小,涡泄频率增大且近似呈线性关系,斯特哈尔数(Strouhal)在亚临界流区域及亚临界流向临界流过渡区域内基本不变。仿真结果与相关文献及经验值吻合良好,验证了仿真方法对隔水管振动研究的适用性。     

不同应力循环路径下砂岩的能量演化特征

为从能量角度探究砂岩在循环应力作用下的力学响应,开展10 MPa初始峰值应力逐级递增、80 MPa初始峰值应力逐级递增及恒定100 MPa峰值应力3种循环路径下的加卸载试验,结合应力应变曲线和能量计算结果,分析砂岩各项能量随循环次数和峰值应力的演化特征。结果表明：随循环次数和峰值应力增加,初始峰值应力80和100 MPa时滞回环仅在第2次循环时向应变增大方向明显迁移。不同应力循环路径下单位体积耗散能表现出不同的阶段性演化特征,分级循环加卸载时,砂岩各项能量值随峰值应力增加由二次函数向线性函数增长特征转变,而峰值应力恒定为100 MPa等幅度循环加卸载时,随循环次数增加,砂岩单位体积能和单位体积弹性能呈开口向下的二次函数趋势下降,单位体积耗散能呈指数趋势下降。不同应力区间内循环路径对砂岩的能量影响有较大差异,分级循环加卸载与单次加卸载相比,峰值应力为80 MPa时各项能量相差均小于10%,峰值应力为100 MPa时各项能量相差达到22.74%～62.58%。     

低围压下含瓦斯煤三轴压缩变形时的能量变化规律

为探究煤体在受压过程中的能量特征及临界破坏点能量变化规律,基于常规三轴压缩下含瓦斯煤的应力-应变曲线,分析含瓦斯煤破坏过程中弹性应变能和耗散能随应变变化的规律,据此给出含瓦斯煤在不同围压、含水率下变形破坏时的能量解释。研究结果表明：有效能比在同一围压下随着含水率的增大先增加后减小,表明含水率的增大会降低煤样强度。建立围压和含水率对含瓦斯煤三轴压缩变形过程中临界破坏点总能量耦合关系的多元线性回归方程,取得了较好的拟合度。     

基于两相流模型数值研究可燃颗粒燃烧爆轰的特性

粉尘爆炸是工业爆炸灾害的重要形式。建立可燃颗粒非均相系统的燃烧爆轰模型,基于Eulerian-Eulerian数值描述方法,采取有限差分方法编制非均相系统燃烧和爆轰发展的数值模拟程序,对封闭空间内两相非定常爆轰过程进行研究。数值分析可燃颗粒尺度、颗粒浓度对非均相系统燃烧、爆轰特性的影响。结果表明:在一定的范围内,当可燃颗粒的体积分数为10%,粒径0.5mm时,流场的燃烧爆轰效应最强。即10.6ms时刻,流场压力值达到28MPa,温度高达2600K,颗粒燃烧效率最高。     

单向循环加载下花岗岩力学特性及红外分析

为了探究单向循环加卸载作用对花岗岩力学特性的影响,开展了室内循环加卸载试验。选择5次和10次循环及12%,24%,36%,48%和60%的强度振幅对花岗岩进行循环加卸载预处理,进而测试其强度,并同步进行红外AIRT检测、红外热成像分析及温度场的频数直方图分析。研究结果表明:循环加卸载对岩石起先加强后削弱的作用,36%振幅10次循环预处理条件下的花岗岩综合性能较好;岩石破坏由局部应力集中所致,并揭示出岩石破坏伴随着能量积聚到释放过程。说明循环加卸载在一定条件下存在积极效应,且红外检测对岩石破坏的应力集中特性及灾害演化研究有较好的优越性。     

单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征研究*

为研究单轴压缩条件下预制裂纹红砂岩试样声发射特征,运用伺服压力机、声发射系统对砂岩试样进行单轴压缩试验,结合声发射特征参数与应力时间关系,对砂岩试样变形失稳破坏过程进行分析,并在相同加载方式下分析不同裂纹角度对砂岩试样变形破坏特征的影响。结果表明:砂岩试样破坏过程按力学性质可分为压密、弹性变化、塑性变化及峰后残余4个阶段,预制裂纹对试样的峰值应力有显著降低作用;声发射信号可分为平静期、上升期、波动期3个阶段,信号与砂岩试样破坏过程存在良好对应关系,不同角度预制裂纹对应的声发射信号特征不同,平静期45°裂纹试样声发射事件相对较活跃,振铃累积率相对最高,0°裂纹试样最早进入声发射波动期;在相同加载方式下,声发射信号参数RA值受裂纹角度影响较大,可以利用声发射信号RA值的演化判断岩石材料中裂纹方向与荷载方向的关系。     

不同应力比的循环荷载下砂岩变形损伤特性研究*

为探究循环荷载下砂岩试件的变形损伤特性,开展3种不同幅值下的循环加卸载试验,分析应力比对砂岩变形损伤与能量耗散特性的影响规律。结果表明:应力比越大,相邻加载段应变差越大,部分高应力下不可恢复的变形在低应力时有所恢复;当应力比为0.50和0.67时,各循环泊松比相差不大,介于0.231~0.247之间,而当应力比为0.88时,泊松比随循环数有增加趋势;应力比越大耗散能占比越大,试件吸收并转化为用于自身损伤的能量越大。高应力循环荷载下试件损伤逐渐积累,在衡量试件损伤变化时采用的耗散能只考虑了轴向残余应变与应力,忽略了径向变形的影响。     

基于颗粒流数值方法的岩石压剪破坏细观特征研究

压剪破坏是影响岩体工程安全的主要因素,基于颗粒流程序的伺服控制原理,采用等效晶质模型模拟了粉砂质板岩的压剪破坏过程,通过与室内试验对比验证了其适用性,并从细观角度揭示了岩石在压剪过程中的破坏机理。结果表明:裂纹增长速率与试件压剪过程中经历的弹性、塑性和破坏3个阶段具有相关性;张拉、剪切裂纹呈同步增长趋势,但峰后张拉裂纹增长速率快于剪切裂纹,即试件峰后以张拉破坏为主;随剪切角增大,由沿晶和穿晶断裂向以沿晶断裂为主转变,裂纹数量减小且扩展方向向断裂面集中;穿晶断裂的扩展更容易导致局部失稳,即在宏观上表现为塑性阶段;穿晶裂纹主要沿断裂面扩展、贯通,一定程度上可以抑制断裂面附近较大破裂块体的产生。     

基于CFD-DEM的旋风除尘器内气固流动特性研究

为了研究旋风除尘器内气固流动特性,采用CFD-DEM耦合算法研究不同入口气体速度下旋风除尘器内颗粒流态、静压、径向速度及轴向速度分布特征。结果表明:煤屑颗粒在离心力和径向曳力的作用下以螺旋颗粒条带靠近除尘器的壁面稳定向下移动,随着入口风速的增加煤屑颗粒条带变宽,条带与除尘器的第1次接触的拐点上移,螺距减小;除尘器内部压力轴向变化较小,径向变化较大,随着入口气体速度增加,除尘器壁面附近高压区范围和压力也随之增加,除尘器上方和下方的负压区变宽并朝轴向方向延伸;随入口气体速度增加,除尘器内径向速度和轴向速度逐渐增加,煤屑颗粒在除尘器中部聚集较多,煤屑停留时间变长,入口气体速度为15 m/s时,煤屑颗粒在除尘器内停留时间最长。     

花岗岩蠕变特性及分数阶黏弹塑性模型研究

为了解花岗岩蠕变特性,采用全自动岩石三轴伺服仪对其开展试验研究,在常规三轴压缩试验基础上进行多级加载蠕变试验,系统分析花岗岩蠕变过程中整体蠕变规律和同围压不同应力水平下的轴向及环向蠕变变形量、蠕变速率随时间的变化规律。基于分数阶微积分算子及损伤力学理论,在Scott Blair黏壶基础上,考虑蠕变参数的非定常性,建立花岗岩黏弹塑性蠕变本构模型,并推导出其在恒应力情况下的三维黏弹塑性蠕变本构模型。结合花岗岩室内多级加载蠕变试验结果,采用Quasi Newton（BFGS）法对三维蠕变模型参数反演。结果表明,提出的模型与试验数据拟合较好并克服Nishihara模型不能描述蠕变非线性加速特征的不足,能够很好地反映花岗岩三阶段蠕变过程。     

隧道竖井外流场模拟及风塔外型结构优化研究

为提高长大隧道施工及运营通风过程中竖井通风效率,实现隧道节能通风。依托实际隧道工程,基于Fluent软件,选用RNG k-ε湍流模型,对无竖井风塔、圆柱风塔、矩形风塔和凸台状风塔4种结构、不同环境风速工况下的流场进行数值模拟,并对模拟结果进行交叉比对分析,提出最优化的竖井风塔结构形式。研究结果表明:采用风塔结构竖井出流量要远大于无风塔结构竖井出流量;对于不同竖井风塔外型结构,竖井出流量与环境风速关系呈多项式函数;当倾斜角为45°、圆心角为90°时,凸台结构对应竖井出流量最大,且受环境风影响波动较小,通风稳定性较好。建议竖井出口结构选用矩形或凸台状,实现对环境风的高效利用,提高竖井通风效率。