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基于CT三维重构的深部煤体损伤演化规律 预览
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作者 江城 王子辉 +3 位作者 王路军 赵家巍 任伟光 周宏伟 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期1482-1494,共13页
为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴... 为研究不同应力条件下深部煤体损伤演化规律及破坏机理,以平煤十二矿己15-17220工作面的深部煤体为研究对象,进行了单轴压缩的实时CT扫描实验,结合细观统计损伤力学,提出了一种基于CT图像灰度值定义损伤变量的方法,定量分析了煤样单轴压缩过程中损伤演化规律。通过CT扫描实验、压汞实验和室内基本力学实验,建立了能够反映固体基质分布的深部非均质煤样的三维数值几何模型,进行了合理的网格划分,确定了不同材料组分的本构模型及其物理力学参数,在位移控制加载条件下开展了煤样单轴压缩的数值模拟,定性研究了煤样单轴压缩过程中的损伤演化规律及破坏机理。进一步,在单轴压缩数值模拟基础上,通过对煤样施加不同的环向应力,进行了5种不同围压条件下煤样三轴压缩的数值模拟,从应力-应变曲线形态、煤样破裂形态及破裂角大小等方面定性分析了三轴压缩条件下深部煤体损伤演化规律。结果表明:单轴压缩数值模拟的应力-应变曲线及损伤演化特征与CT实时扫描实验得到的结果具有较好的一致性。随着轴向应力的逐渐增加,煤样损伤依次经历了零损伤阶段、局部损伤产生阶段、损伤线性和非线性稳定增长阶段和损伤加速增长致使完全破坏阶段。试件最终破坏时其最大剪切应变率区域及塑性区都近似平行或垂直于煤基质和煤杂质的交界面,且损伤发生的两个主破坏面相互垂直。单轴压缩的整个过程煤样主要发生拉伸破坏,屈服应力后由于煤样的不均匀变形才发生剪切破坏。基于CT重构的煤样三轴压缩的数值模拟得到的损伤演化特征和经典的岩石损伤演化的6个阶段能够很好的吻合,煤样主要发生剪切破坏;随着围压的增大,峰值强度、扩容点应力和残余强度均逐渐增大,破裂角逐渐减小,破裂角与围压之间近似呈负线性相关。在数值模拟� 展开更多
关键词 深部煤体 损伤演化 损伤变量 CT实时实验 单轴压缩 三轴压缩
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循环荷载下深部煤层工作面顶板砂岩的渗透率演化规律 预览
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作者 赵阳 周宏伟 +2 位作者 任伟光 江城 刘迪 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期1495-1507,共13页
随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,... 随着技术的进步以及浅部矿产资源的枯竭,深部矿产资源开发与利用将成为常态。深部岩石的物理力学性质复杂,往往处于循环加卸载的应力条件。深部地下水的压力较大,是深部煤矿的重大安全隐患之一。顶板砂岩是工程最为常见的岩石种类之一,研究其力学性质及渗透规律对深部空间开发利用及矿产资源开采等都具有重要意义。以埋深约1050m的平煤12矿顶板砂岩为研究对象,采用循环加卸载声发射渗透实验对其渗透率演化规律进行研究。从应力-应变及损伤特征、耗散能密度占比、累计声发射事件数的增长速度、不同围压条件下的破裂面特征4个方面进行分析,总结了循环荷载下深部工作面顶板砂岩不同应力阶段的渗透率演化特征。实验结果表明:循环应力对深部顶板砂岩的作用可以分为压密作用与压裂作用2种机制,应力水平较低时主要起压密作用,应力水平增大到屈服强度的60%以上时则表现为压裂作用。岩样的渗透率在应力的压密作用下降低,在应力的压裂作用下升高。逐级增大的循环应力作用下,岩样的损伤以及耗散能密度占比均表现为先因压密作用减小,再由压裂作用而增大的演化规律,并且两者与渗透率演化呈正相关关系。整个实验过程中围压对岩样起压密作用,且随着围压的增大,渗透率减小的程度更大。顶板砂岩的破坏形式对破坏时的渗透率具有显著影响。岩样的破裂面角度随着围压增大而减小,岩样破坏时产生的贯通裂隙有轴向与横向2种形式,产生轴向贯通裂隙时的渗透率远大于岩样的初始渗透率,而产生横向贯通裂隙时的渗透率变化较小。综合5个岩样的渗透率演化情况,得到岩石渗透率在逐级增大的循环荷载下具有4个明显的阶段特征。渗透率在较低应力的循环中因压密作用减小;随着循环应力的增大,在压裂及损伤作用下增大;在应力 展开更多
关键词 循环加卸载 渗透率 声发射 CT扫描
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黏土配比对人工砂岩渗透率影响规律的实验研究 被引量:1
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作者 赵阳 周宏伟 +1 位作者 江城 王睿 《岩石力学与工程学报》 CSCD 北大核心 2018年第A01期3253-3262,共10页
黏土是影响砂岩渗透率的重要因素,研究不同黏土含量砂岩的渗透规律对工程的安全与效益具有重要意义。由于天然岩样成分复杂,岩性差异较大,为了研究黏土含量在围压加卸载条件下对疏松泥质砂岩气体渗流规律的影响,制作不同黏土(蒙脱石与... 黏土是影响砂岩渗透率的重要因素,研究不同黏土含量砂岩的渗透规律对工程的安全与效益具有重要意义。由于天然岩样成分复杂,岩性差异较大,为了研究黏土含量在围压加卸载条件下对疏松泥质砂岩气体渗流规律的影响,制作不同黏土(蒙脱石与伊利石)与石英砂配比的人工岩样,采用TOP实验机进行相同应力路径下的围压加卸载气体渗流实验。实验使用氮气作为渗流流体,在渗透压力1 MPa,轴压1 MPa,围压加卸载路径为4,6,8,10,12,15,12,10,8,6,4 MPa的应力条件下,得到不同黏土含量的人工岩样力学性质及渗透率随围压变化的规律。结合达西定律与泊肃叶渗透模型,建立不同黏土含量的人工岩样的渗透率围压关系模型。研究结果表明,所制人工岩样的黏土含量及孔隙度与其初始渗透率满足Boltzmann函数。岩样黏土含量较低时其应力–应变关系表现为线性特征,渗透率与围压满足幂律型关系;黏土含量较高时应力–应变关系表现为非线性特性,渗透率与围压满足负指数型关系。围压的压密作用能够使岩样的应力–应变关系向线性变化,表现为渗透率与围压从负指数关系向幂律关系转化。岩样中黏土含量的增高,使得内部结构强度减弱,在应力作用下更容易产生使渗透率增大的贯通裂隙。 展开更多
关键词 岩石力学 人工砂岩 黏土配比 围压加卸载 渗流实验 渗透率模型
基于CT图像灰度分布的含杂质煤体三值化方法 预览 被引量:2
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作者 江城 周宏伟 +2 位作者 任伟光 王子辉 陈吉 《力学与实践》 北大核心 2018年第2期140-147,共8页
煤体CT图像阈值分割是其三维真实结构重构的前提.基于单轴压缩状态下煤体的CT图像,提出了一种基于图像灰度分布的孔隙度计算方法,结合灰度直方图,利用实测孔隙度反推法对煤体CT图像进行了裂隙-煤基质-煤杂质三值化,同时与最大类间方差... 煤体CT图像阈值分割是其三维真实结构重构的前提.基于单轴压缩状态下煤体的CT图像,提出了一种基于图像灰度分布的孔隙度计算方法,结合灰度直方图,利用实测孔隙度反推法对煤体CT图像进行了裂隙-煤基质-煤杂质三值化,同时与最大类间方差法和最大熵法的三值化结果进行了对比分析.结果表明,最大熵法对于煤基质和煤杂质不能较好区分;最大类间方差法对于图像微小区域灰度的突变(裂隙的产生)敏感性低,无法有效区分裂隙与煤基质;本文改进的灰度直方图法避免了最大类间方差法和最大熵法的劣势,具有较好的图像三值化效果,且煤基质与煤杂质间的阈值基于实验结果得到,具有更高的可信度和准确度. 展开更多
关键词 CT图像 三值化 孔隙度 最大类间方差法 最大熵法 改进的灰度直方图法
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三轴循环加卸载下深部煤体损伤的能量演化和渗透特性研究 被引量:2
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作者 王向宇 周宏伟 +3 位作者 江城 张雷 王超圣 安露 《岩石力学与工程学报》 CSCD 北大核心 2018年第12期2676-2684,共9页
为了分析煤矿开采过程中煤体损伤的能量演化规律和渗透特性,采用控制围压、加卸载轴压的方式开展三轴循环加卸载渗流试验,分析在不同围压下弹性参数(弹性模量、泊松比)、能量密度随着轴向应变的演化特征,并引入弹塑性材料的损伤变量,进... 为了分析煤矿开采过程中煤体损伤的能量演化规律和渗透特性,采用控制围压、加卸载轴压的方式开展三轴循环加卸载渗流试验,分析在不同围压下弹性参数(弹性模量、泊松比)、能量密度随着轴向应变的演化特征,并引入弹塑性材料的损伤变量,进而探讨损伤变量和渗透率的关系。结果表明:在加卸载过程中,进入屈服阶段后,弹性模量开始降低,耗散能密度、耗散能比例以及损伤变量逐渐增大,进入峰后阶段后演化加剧,说明岩石破坏是一个能量耗散的损伤演化过程;以应力屈服点为分界点,屈服前渗透率和损伤变量呈现幂函数关系;屈服后二者具有较好的指数函数关系,并拟合出不同围压下二者的关系公式;渗透率随围压的增加而减小,说明围压对渗透有抑制作用。 展开更多
关键词 采矿工程 循环加卸载 破坏 能量演化 损伤变量 渗透率
采动应力路径下深部煤体扰动特征 预览 被引量:1
6
作者 郭依宝 周宏伟 +4 位作者 荣腾龙 王路军 江城 任伟光 陈吉 《煤炭学报》 CSCD 北大核心 2018年第11期3072-3079,共8页
为研究采动条件下工作面前方煤体应力变化规律与扰动破坏特征,以平煤十二矿己15-31030工作面为研究对象,通过现场原位实验与三维数值模拟研究,给出了不同应力状态下的扰动强度判别指标,以煤体主应力为中间量,将采动应力与工作面前方煤... 为研究采动条件下工作面前方煤体应力变化规律与扰动破坏特征,以平煤十二矿己15-31030工作面为研究对象,通过现场原位实验与三维数值模拟研究,给出了不同应力状态下的扰动强度判别指标,以煤体主应力为中间量,将采动应力与工作面前方煤体破坏特征联系起来,得到了采动应力演化规律及采动应力路径下煤体变形特征。原位单轴实验表明工作面前方煤体采动应力不是单纯的增加,而是经历了原岩应力、缓慢上升、急剧升高、突然卸荷4个状态,而三维数值实验得出侧压力系数大小与扰动状态具有一定的相关性。根据已有的应力路径,数值再现了单向、三向采动应力状态下煤样的变形规律和塑性分布状态。 展开更多
关键词 原位实验 采动应力 扰动系数 应力状态 变形破坏
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人工砂岩物理力学性质的实验研究 被引量:1
7
作者 赵阳 周宏伟 江城 《实验力学》 CSCD 北大核心 2018年第3期385-394,共10页
在40MPa的成型压力下,选用环氧树脂作为粘结剂,采用不同配比的石英砂、粘土为材料制作了37个直径25mm、高度50mm的泥质人工砂岩。通过声波测量实验与单轴压缩实验得到其力学性质:人工砂岩的动静弹性模量测量结果均随粘土质量分数的增... 在40MPa的成型压力下,选用环氧树脂作为粘结剂,采用不同配比的石英砂、粘土为材料制作了37个直径25mm、高度50mm的泥质人工砂岩。通过声波测量实验与单轴压缩实验得到其力学性质:人工砂岩的动静弹性模量测量结果均随粘土质量分数的增加而降低,其中动态弹性模量的测量结果相对较高。通过CT扫描实验得到其结构性质:人工砂岩中石英砂与粘土分布均匀,石英砂颗粒作为岩体的骨架结构,粒间存在丰富的孔隙空间,粘土则以填充的形式分布在粒间孔隙中。当粘土质量分数大于10%时,部分粘土将代替石英砂成为岩样骨架的一部分。通过覆压渗透实验得到其孔隙及渗透性质:人工砂岩渗透性质近似满足Poiseuille等效管道渗流模型。孔隙度及渗透率均与粘土质量分数呈负相关,其中孔隙度与粘土质量分数符合线性关系,渗透率与粘土质量分数满足负指数关系。 展开更多
关键词 人工砂岩 配比实验 弹性模量 CT扫描 孔隙渗透
基于纵向超声导波的管道焊缝缺陷识别研究 预览 被引量:1
8
作者 王向宇 张伟伟 +1 位作者 张雷 江城 《西安科技大学学报》 北大核心 2018年第6期945-951,共7页
为了更有效地识别管道焊缝缺陷,提高焊接管道在使用过程中的安全性,采用数值计算和数值模拟相结合的方式,提出了一种基于纵向超声导波检测管道焊缝缺陷的检测方法,该方法通过观察导波在焊缝缺陷前后的传播特征,以入射波与透射波峰值点... 为了更有效地识别管道焊缝缺陷,提高焊接管道在使用过程中的安全性,采用数值计算和数值模拟相结合的方式,提出了一种基于纵向超声导波检测管道焊缝缺陷的检测方法,该方法通过观察导波在焊缝缺陷前后的传播特征,以入射波与透射波峰值点之比作为损伤指标,得到损伤指标的变化情况,同时识别出了焊缝缺陷的位置与大小。为了验证文中方法的有效性,利用ANSYS软件建立了含有不同缺陷的焊接管道模型,并模拟了超声导波透过焊缝区域时的传播过程,分析了其传播特性,得到不同损伤参数(厚度和角度)对损伤指标的影响规律。数值算例表明,该方法可以有效地识别出焊缝缺陷的位置并对其进行大小评估,所提出的损伤指标与损伤参数之间具有较好的线性关系. 展开更多
关键词 管道 超声导波 焊缝 缺陷 无损检测
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水对砂岩纵横波速及弹性参数影响的实验研究
9
作者 江城 赵阳 +2 位作者 任伟光 陈超凡 周宏伟 《实验力学》 CSCD 北大核心 2018年第2期228-238,共11页
水对含不同黏土矿物油气储层的纵横波速以及弹性参数有很大影响。为研究此影响,在相同条件下制作了三组(黏土成分分别为蒙脱石、伊利石和伊利石/蒙脱石混合)不同黏土含量(体积分数)的人造泥质砂岩岩样,并先后在常态、饱和及干燥... 水对含不同黏土矿物油气储层的纵横波速以及弹性参数有很大影响。为研究此影响,在相同条件下制作了三组(黏土成分分别为蒙脱石、伊利石和伊利石/蒙脱石混合)不同黏土含量(体积分数)的人造泥质砂岩岩样,并先后在常态、饱和及干燥三种状态下进行了纵横波速测量,在人工岩样黏土填隙分布模型下计算了孔隙度。首先,通过结合临界孔隙度模型和Gassmann模型,验证了人工岩样实验数据的合理性;然后,确定了影响岩样波速及弹性参数的主要因素,并在主要因素控制下对比分析了常态、干燥态岩样的纵横波速及剪切模量和体积模量。结果表明:对于含伊利石岩样,水对纵横波速及弹性参数影响较小,且孔隙度越大影响越小;对于含伊蒙混合岩样,水的影响较大,浸泡水后岩样纵横波速及弹性参数均明显变小,说明蒙脱石吸水膨胀后其内部微观孔隙不能被忽略。 展开更多
关键词 黏土 人造泥质砂岩 孔隙度 纵横波速 弹性参数
浅埋煤层开采突水溃砂两相流的耦合数值研究
10
作者 江城 周宏伟 +3 位作者 赵宇峰 刘亚群 易海洋 薛东杰 《工程力学》 CSCD 北大核心 2017年第12期229-238,共10页
为探究浅埋煤层开采上覆含水松散层水砂两相流动规律,采用基于离散元软件PFC3D和有限元软件GID的耦合数值方法,模拟了上覆岩层中预制理想单裂隙在不同开度和倾角条件下突水溃砂全过程,分析了裂隙通道所受接触力、水流速度、水砂间拖曳... 为探究浅埋煤层开采上覆含水松散层水砂两相流动规律,采用基于离散元软件PFC3D和有限元软件GID的耦合数值方法,模拟了上覆岩层中预制理想单裂隙在不同开度和倾角条件下突水溃砂全过程,分析了裂隙通道所受接触力、水流速度、水砂间拖曳力随时步的变化规律。结果表明:裂隙开度和倾角会改变突水溃砂过程中水砂突涌类型,对覆岩所受接触力、水流速度及其稳定所需时间产生较大影响,水砂间拖曳力主要受裂隙倾角的影响。裂隙通道入口处即上覆岩层的顶层在突水溃砂初期所受接触力最大,处于最危险状态;水流速度稳定值和流动稳定所需时间分别与裂隙倾角和开度成线性相关;对比裂隙通道底面侧,倾向侧水砂间拖曳力较大,水砂突涌更加剧烈。 展开更多
关键词 浅埋煤层 突水溃砂 离散元 有限元 裂隙 突涌类型
低渗非达西渗流运动方程研究 被引量:1
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作者 王睿 周宏伟 +3 位作者 江城 易海洋 陈超凡 赵阳 《中国科学:物理学、力学、天文学》 CSCD 北大核心 2017年第6期74-80,共7页
低速非达西渗流现象广泛存在于高放废物地质处置库及能源开发领域,描述这种非线性过程具有重要的意义.本文利用分数阶微积分方法对幂函数型、指数型两种常用的非线性运动方程进行了研究.首先从达西定律出发,通过拉普拉斯变换得到了... 低速非达西渗流现象广泛存在于高放废物地质处置库及能源开发领域,描述这种非线性过程具有重要的意义.本文利用分数阶微积分方法对幂函数型、指数型两种常用的非线性运动方程进行了研究.首先从达西定律出发,通过拉普拉斯变换得到了与Hansbo幂函数型方程相一致的渗流运动方程.进而对Swartzendruber指数型方程进行研究,得到了分数阶导数意义下的Swartzendruber运动方程及其解析表达式.验证了在求导阶次为1的情况下,原Swartzendruber运动方程是分数阶Swartzendruber方程的一种特例.基于非饱和渗流实验数据,采用最小二乘法拟合获得了新运动方程中的相关参数,对参数变化趋势进行了分析.由曲线拟合结果可知,分数阶Swartzendruber方程精度较高,可以更好地描述非线性渗流过程. 展开更多
关键词 低速渗流 非达西模型 分数阶微分
采动岩体能量释放及灾变机制研究 被引量:7
12
作者 薛东杰 周宏伟 +1 位作者 江城 黄亚明 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第A02期3865-3872,共8页
岩石硐室开挖或巷道掘进过程中,材料的采动力学行为取决于应力场的真实转换过程,是对应力场的真实响应,区别于材料本征力学行为。由此,设计采动力学试验,依据开挖过程中煤岩体支承压力与水平应力响应过程,从理论上与传统常规三轴试验材... 岩石硐室开挖或巷道掘进过程中,材料的采动力学行为取决于应力场的真实转换过程,是对应力场的真实响应,区别于材料本征力学行为。由此,设计采动力学试验,依据开挖过程中煤岩体支承压力与水平应力响应过程,从理论上与传统常规三轴试验材料本征力学行为结果对比,讨论采动力学行为下应变软化过程能量释放特性及突发性。进一步对地应力在能量存储的构成进行讨论,认为采动力学试验破坏所需要的能量远小于传统试验,合理解释煤岩体发生动力破坏的机制,浅部也有可能发生动力破坏,高地应力是能量聚集的主导因素,是发生动力破坏的必要条件而非充分条件。 展开更多
关键词 岩石力学 采动力学行为 能量 应变软化 动力破坏
单节理岩体抗压强度的数值模拟 被引量:4
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作者 栗东平 王超圣 +2 位作者 薛东杰 易海洋 江城 《辽宁工程技术大学学报:自然科学版》 CAS 北大核心 2015年第2期150-154,共5页
为研究单节理岩体抗压强度随节理面倾角及围压变化时的变化规律,利用数值模拟软件UDEC对围压一定时不同节理面倾角的岩体进行了抗压强度实验.结果表明:围压一定,随节理面倾角的增大,岩体抗压强度先减小后增大,在倾角介于45°~60&#... 为研究单节理岩体抗压强度随节理面倾角及围压变化时的变化规律,利用数值模拟软件UDEC对围压一定时不同节理面倾角的岩体进行了抗压强度实验.结果表明:围压一定,随节理面倾角的增大,岩体抗压强度先减小后增大,在倾角介于45°~60°时抗压强度达到最低值,呈典型的"U"形趋势;节理面倾角一定,随着围压的增大岩体抗压强度也随之增大,整体呈线性变化趋势,可拟合为一次函数,与理论导出式一致;随节理面倾角增大岩体抗压强度增大幅度呈先减小后增大趋势,近似于围压一定时岩体抗压强度随节理面倾角变化规律. 展开更多
关键词 单节理岩体 抗压强度 数值模拟 节理面倾角 围压
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