中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 王学滨辽宁工程技术大学 2006年博士导师: 潘一山共353页

摘要 : 本文在下列四个方面开展了研究工作： (1)微结构效应引起的局部化带物理、力学量的非均匀性研究。根据考虑微结构效应的非局部理论，利用各向同性假设、边界条件、实际的剪切带厚度对应局部塑性剪切应变的最大值假设及峰后线性应变软化的本... 展开本文在下列四个方面开展了研究工作： (1)微结构效应引起的局部化带物理、力学量的非均匀性研究。根据考虑微结构效应的非局部理论，利用各向同性假设、边界条件、实际的剪切带厚度对应局部塑性剪切应变的最大值假设及峰后线性应变软化的本构关系，推导了剪切带厚度及剪切带内部的局部(塑性)剪切应变、应变率、变形及速度分布的表达式。建立了局部(塑性)剪切变形梯度与局部(塑性)剪切应变分布之间的关系及速度梯度与应变率分布之间的关系。给出了剪切带两盘的相对(塑性)剪切变形及速度的表达式。剪切带内部的局部(塑性)剪切变形及速度分布呈现非线性特征，这对传统的线性分布假定提出了挑战。提出了常剪切应变点的概念。研究了应变率、刚度劣化(损伤)及水致弱化效应对剪切带内部的局部(塑性)剪切应变及变形分布的影响。在剪胀条件下，分析了剪切带内部的局部体积应变增量及由于剪胀而引起的剪切带的法向变形。对考虑刚度劣化时的常剪切应变点进行了讨论。在剪胀条件下，提出了剪切带内部的局部孔隙度、孑L隙比、孔隙度增量及孔隙比增量的解析式。建立了剪切带内部的最大孔隙比、平均最大孔隙比增量、平均最大孔隙比及平均最大孔隙度的解析式。理论结果较好地解释了若干实验现象。提出了拉伸局部化带内部的局部塑性拉伸应变分布的解析式，将其和前人的数值解进行了比较。根据非局部理论，推导了拉伸局部化带内部的局部损伤变量的解析式。提出了非局部损伤变量及其时间导数以及它们最大值的解析式。对于线性软化的韧性金属材料，在单轴拉伸条件下，提出了颈缩区域不同位置直径的解析式：在直接剪切条件下，提出了考虑峰前残余塑性剪切应变时及形变剪切带传播过程中线性软化的韧性金属材料形变剪切带内部的局部塑性剪切应变及变形分布的解析式。在Johnson-Cook本构关系中引入应变梯度效应以考虑微小结构之间的相互影响和作用，计算了线性软化的韧性金属材料绝热剪切带内部的温度分布及演变。使用Johnson-Cook模型及梯度塑性理论，分析了绝热剪切带内部的局部塑性剪切应变及变形分布规律，研究了静态剪切强度、功热转化因子、应变硬化指数、热软化指数、熔点、比热容、密度、应变率敏感系数及应变硬化模量的影响。绝热剪切带内部的总温度被划分为初始温度、应变硬化阶段的温升及由于微结构效应引起的温升之和。计算了n-6A1-4V在不同加载应变率条件下的剪切带内部的温度分布及峰值温度。目前的结果支持许多实验观测(在Ti-6Al-4V中可观测到相变带及形变带)。当形变剪切带中部的最大温度达到相变点温度时，于形变剪切带中心处形成相变剪切带。推导了相变剪切带宽度的理论公式。研究了初始温度、功热转化因子、熔点、密度及比热容对相变剪切带形成及相变剪切带宽度在流动剪切应力降低过程中的演变的影响。 (2)拉伸、压缩及剪切条件下试样的峰后变形及能量消耗研究。推导了局部化启动之后剪切应力与剪切带错动位移(或变形)之间的关系。提出了剪切带-带外弹性体系统的剪切应力-位移曲线的方程。提出了试验机-岩样(由剪切带及带外的弹性体构成)系统的剪切应力．剪切变形曲线的方程。采用位移法及能量守恒原理推导了准脆性材料(岩石及混凝土等)在单轴压缩剪切破坏条件下的应力-轴向应变曲线的解析式。该解析式能反映峰后应力-轴向应变曲线的尺寸效应规律，得到了前人普通混凝土实验结果的定量验证。推导了试样的轴向速度与应力率之间的关系，得到了试样发生II类变形行为的条件。对材料的本构关系及试样的结构响应之间的区别和联系进行了讨论。得到了单轴拉伸、直接剪切及单轴压缩剪切破坏条件下试样的统一应力-应变曲线的解析式。建立了剪切带内部的局部损伤变量与单轴压缩试样全局损伤变量之间的联系。提出了单轴拉伸条件下的拉伸应力-拉伸应变曲线的方程。区别于传统的损伤模型，给出了拉伸应力、拉伸应变及非局部损伤变量之间的新定义，讨论了这种定义方式的优越性。将三点弯梁模型受拉边中部的致密分布的微裂纹带替换为拉伸局部化带。由于微结构效应，在拉伸局部化带内部存在着不均匀的塑性拉伸应变。研究了本构参数及结构尺寸对真实裂纹出现之前及之后的拉伸局部化带的长度、中性轴到梁中部横截面上具有最大承载能力的点的距离、拉伸局部化带的张拉位移及转角的影响。提出了准脆性材料试样在单轴压缩剪切破坏条件下的应力比-轴向塑性变形曲线的解析式。推导了峰后塑性剪切断裂能及全部断裂能的解析式。提出了准脆性材料试样在单轴压缩剪切破坏条件下的应力．侧向应变曲线的解析式。提出了利用不同尺寸的应力-轴向应变曲线得到应力-侧向应变曲线的方法。反算了不同尺寸试样的剪切带条数。研究了应力-侧向应变曲线软化段的尺寸效应。提出了试样体积应变的解析式。提出了纯体积应变的概念，推导了仅考虑剪胀效应的纯体积应变的解析式。将应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线及侧向应变-轴向应变曲线的解析式与前人混凝土的实验结果进行了比较。研究了峰后泊松比随压缩应力的变化规律，解释了有些峰后泊松比大于0.5的实验现象。计算了剪切带在塑性变形过程中消耗的能量。计算了侧向及轴向塑性变形消耗的能量。将单轴拉伸试样的塑性伸长量分解为颈缩发生之前的均匀塑性伸长量、峰后不考虑横截面收缩而引起的均匀塑性伸长量及横截面收缩而引起的不均匀塑性伸长量，提出了伸长量及伸长率的解析式。将伸长率的解析式与Barba定律(经验公式)进行了比较。将载荷与伸长量之间的关系及伸长率与标定长度之间的关系与低碳钢的实验结果进行了比较。 (3)拉伸、压缩及剪切条件下局部破坏试样的结构稳定性研究。当直接剪切试样发生局部剪切破坏时，利用能量原理分析了系统的稳定性，提出了系统的失稳判据的解析式。对应变局部化、岩爆及II类变形行为之间的关系进行了讨论，发现了系统的失稳判据等价于系统II类变形行为的重要结论。共采用6种方法判别系统稳定与否。对岩样的失稳回跳与试验机．岩样系统的失稳回跳之间的关系进行了讨论，解释了若干实验现象。研究了应变率、刚度劣化(损伤)及水致弱化效应对剪切带．带外弹性体系统在直接剪切条件下的稳定性的影响。利用位移法及能量原理，提出了考虑应变率效应的岩爆准则。得到了剪切带之外弹性岩石在单轴压缩条件下的剪切刚度。根据刚度比理论，得到了试样的失稳判据的解析式。建立了剪切带之外弹性岩石对剪切带所作的功、剪切带的弹性势能及塑性耗散能的表达式。利用能量原理，提出了系统的失稳判据的解析式。对该失稳判据的优越性进行了讨论。得到了单轴拉伸、直接剪切及单轴压缩剪切破坏条件下试样的统一失稳判据的解析式。当试样端部受到剪切应力及压缩应力联合作用时，利用刚度比理论提出了系统的失稳判据的解析式。提出了单轴压缩剪切破坏条件下侧向失稳及回跳的概念。对单轴压缩剪切破坏条件下试样轴向回跳与侧向回跳之间的关系进行了研究。根据刚度比理论，对试样轴向及侧向变形的稳定性进行了分析，提出了失稳判据的解析式。利用刚度比理论，考虑矿柱的渐进剪切破坏，得到了矿柱-顶板或底板岩层系统的失稳判据的解析式。根据能量原理，提出了弹性梁-应变软化矿柱系统的失稳判据的解析式，并发现该失稳判据等价于上覆岩层作用于梁上的分布载荷对梁跨中挠度的导数小于零。 (4)平面应变试样的变形、破坏过程、前兆及回跳的数值分析。模拟了弹性岩石与弹性-应变软化煤体所构成的两体模型的破坏过程，岩石高度对模型及煤体全程应力-应变曲线、煤体变形速率、破坏模式及剪切应变增量分布的影响。对若干矩形地块构成的块体地震模型进行了数值模拟研究，揭示了块体地震模型的共轭剪切破裂规律。利用材料缺陷激发了不均匀的变形场，模拟了缺陷岩样的单一剪切破坏。深入考察了不同加载阶段岩样的变形、破坏特征。测量了剪切带倾角，与前人的理论解进行了对比。考察了剪切带内部单元的剪切应变率及剪切应变增量的演化规律。研究了网格加密后岩样的变形、破坏特征及宏观力学行为。模拟了压缩条件下缺陷岩样变形局部化的启动、传播及剪切带图案的形成、全程应力-轴向变形曲线、应力-不同位置的侧向位移曲线及不同位置的侧向位移-时步曲线。提出了通过检测岩样不同位置的侧向位移-时步曲线的分离来识别变形局部化启动时刻的方法。发现了试样侧向位移的非均匀性及非对称性、侧向位移变化的非同步性、由于端面效应而引起的剪切带方向的转折现象及应力-侧向位移曲线的快速回跳现象。通过在岩样左边界及右边界的不同位置预制材料缺陷，从剪切应变增量二维等值线图出发，研究了右缺陷位置不同时的剪切带图案的启动、演化及全程应力-变形曲线。发现了剪切带的转折及反射现象，对剪切带图案与应力-变形曲线软化段之间的关系进行了探讨。采用FLAC内嵌语言编制了计算岩样全部变形特征的FISH函数。研究了剪切扩容及孔隙压力对岩样破坏过程、模式、前兆及全部变形特征(岩样的轴向、侧向、体积变形特征及泊松比)的影响。模拟了断层．围岩系统的形成过程及快速回跳现象。采用FLAC和梯度塑性理论揭示了横跨剪切带的剪切应力及位移的分布及演变。模拟了孔隙压力对剪切带-围岩系统的宏观力学行为(应力-应变或位移曲线)、塑性区分布、横跨剪切带的位移及速度分布、塑性区贯通时及发生快速回跳时的时步、剪切应变增量分布及快速回跳距离的影响。收起

关键词 : 微结构效应剪胀效应能量消耗矿柱剥离岩样系统失稳刚度损伤

2. 煤矿巷道与采空区岩体结构地震动力灾变及地面建筑抗震性能劣化研究

[学位论文] 魏晓刚辽宁工程技术大学 2015年博士导师: 刘书贤；戴君武共307页

摘要 : 中国矿区由于煤炭资源持续高效的开采形成了大量形式各异、大小不一、纵横交错、立体分布的采空区，而随着土地资源的日益紧张及工程建设的迅猛发展，越来越多的建筑物、桥梁、输电塔以及隧道等各类基础设施不可避免的要建在煤矿采空区场地上，但是煤... 展开中国矿区由于煤炭资源持续高效的开采形成了大量形式各异、大小不一、纵横交错、立体分布的采空区，而随着土地资源的日益紧张及工程建设的迅猛发展，越来越多的建筑物、桥梁、输电塔以及隧道等各类基础设施不可避免的要建在煤矿采空区场地上，但是煤矿采空区场地的稳定性是否满足建造建筑物的条件值得商榷，并且煤矿采空区岩层的移动变形导致地表塌陷以及地面建筑损伤倒塌现象异常严峻.煤层开采过程中不可避免的要面临各种扰动荷载的动力破坏效应，但矿山建设设计中较少考虑地震等各种动力灾害对矿区地下工程结构的影响及破坏.中国有80％以上的矿区处于在强地震区，但却没有专门细致化的矿山地下结构抗震计算方法及抗震设计规范标准，地震作用下煤矿采空区的稳定性、煤矿巷道结构与周围介质、采空区与地面建筑动力响应的相互影响问题是研究煤矿采空区的地震安全不可回避的重要问题。本文基于弹塑性力学、结构动力学、地震工程学及矿山开采沉陷学，采用现场调研、试验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法，围绕煤矿采空区及地下结构的地震动力响应及地面建筑抗震性能劣化问题开展研究工作，本文主要进行了以下研究工作并取得了一些有益的研究成果: (1)通过建立煤矿采空区上覆岩层移动变形的弹塑性力学分析模型，得到了煤矿采动覆岩移动变形破断的力学判据;探讨了煤矿采动影响下的煤矿采空区岩层的位移变化与应力分布演化区域，指出了裂隙岩体的卸压保护原理:煤炭开采过程中岩体中的弹性能会及时释放，既及时释放了岩体的灾害能量避免了矿井动力灾害的发生，又可以起到降低岩层的矿山压力保护巷道结构的作用。 (2)建立了煤柱的地震动力响应模型，重点探讨了地震作用下煤矿采空区煤柱内力响应、应力场演化规律，得到了煤柱的地震损伤破坏规律:在上覆岩层的自重作用下，在煤柱的内部明显形成了弹性区、塑性区、破裂区;地震作用下煤柱的塑性区不断向内部演化发展，破裂区逐渐增大，核心弹性区减小，导致煤柱破坏面的摩擦阻力及岩层内部的黏聚力减小，降低了对煤岩的约束作用，煤柱出现剥离脱落，最终整体失稳破坏现象;煤矿巷道不同部位的初始损伤对其失稳破坏的模式有较大影响与区别，对于煤矿巷道结构的顶板、帮部属于高应力集中易损伤破坏位置，需要予以重视采取合理的防护措施。 (3)研究了煤矿巷道同一截面不同区位（顶板、底板、帮部）地震动力响应的差异，探讨了不同截面形状的煤矿地下巷道结构的地震动力破坏特征及影响因素，得到了煤矿巷道地震动力响应特征及破坏模式:浅埋煤矿巷道的抗震性能相对较差，但深埋煤矿巷道的抗震性能受地应力的影响较大，其安全稳定性能不易保证;圆形巷道的抗震性能相对最好，半圆拱形巷道次之，矩形巷道的抗震性能最弱;低频率的地震动对巷道围岩结构体系的影响较大，随着地震荷载频率的增加，煤矿巷道顶板和帮部的峰值位移响应上呈现出“先增加后减小最终平缓变化”的变化趋势;地震波在地表的放大效应加剧了近地表浅埋煤矿巷道的动力响应;煤矿巷道的埋置深度较深时，围岩介质具有较强的约束作用，可以降低煤矿巷道结构的地震动力响应。 (4)探讨了岩体损伤后考虑强度降低刚度劣化的损伤区域应力场分布，对比分析了损伤效应对煤矿地下巷道结构的地震动力灾变的影响，研究表明地震波的冲击作用在引起煤（岩）层发生振动的同时又增加了巷道围岩的附加荷载，严重降低了巷道围岩的承载能力;地震作用下煤矿巷道结构的顶侧部和帮部是高应力集中区域，考虑强度降低刚度劣化的损伤效应的煤矿巷道围岩结构体系的岩层塑性破坏区域明显低于不考虑损伤的巷道围岩的塑性破坏区域;地震作用下煤矿巷道及围岩的受迫振动形式与地震波的基本振动形式接近，围岩介质的主要作用是传播效应、能量吸收与迁移效应;考虑损伤效应的煤矿巷道结构同一截面不同部位的加速度、峰值位移和内力响应有所降低，考虑损伤效应的煤矿巷道围岩介质的“减震层”效应可以减缓和协调岩层的变形，其耗能能力得到提高，有效降低了地震的传播能量以及围岩的变形量.地震横波对煤矿巷道结构的动力破坏主要体现在水平剪切作用，纵波对煤矿巷道结构的破坏作用主要以拉伸压缩的形式体现，在一定程度了增加巷道结构的荷载;总结了考虑围岩损伤效应的煤矿采动裂隙围岩介质的卸压—耗能—减震特性控制煤矿采动损伤岩层地震动力响应的原理。 (5)探讨了地震波作用于岩体时应力波性质的改变;重点分析了地震波在考虑充填效应的煤矿采空区围岩介质与充填材料不同介质之间的传播衰减特性，指出了充填后煤矿采空区的地震动力稳定性的条件，研究发现:地震波对岩体（煤柱）的动力破坏效应主要体现在压缩破坏、拉伸破坏、共振破坏;稳定性较好的煤矿采空区在采用充填材料进行充填后，充填岩体的强度需要满足σb+kσa≥σ'的条件就可以保持煤矿采空区的地震动力稳定性;煤矿采空区的存在可以减缓地表的地震动力响应，但强震作用下煤矿采空区则成为加剧地表大面积坍塌动力失稳的隐患;地震发生后煤矿采空区地表的地震动力响应相对较小，充填后煤矿采空区充填材料及移动破断的岩层的强度降低、刚度劣化、阻尼和耗能能力得到增加，有效的吸收了地震波的灾害能量;地震作用下煤矿采空区群场地的危险性要高于单一煤矿采空区的场地。地震作用下煤矿采空区加速响应的振动形式与原激励震源相近，但存在着在时间上滞后并有所延长;在此基础上提出了“煤矸石充填+裂隙岩体复合减隔震层”保证煤矿采空区地震动力稳定性及地面建筑抗震安全的理念。 (6)矿区复杂多变的灾害演化系统是涉及到固体、液体、气体等多相耦合的致灾系统，矿区复杂环境下建筑物抗震性能劣化主要受环境与荷载、材料、构件与结构四方面的因素影响:恶劣自然环境与复杂力学环境的耦合效应是矿区建筑抗震性能劣化的驱动力，材料的破坏是矿区建筑物抗震性能劣化的根本原因，构件的破坏是矿区建筑物抗震性能劣化的宏观表现，结构性能的劣化是建筑物抗震性能劣化的直接原因。对于多煤层重复开采影响下的建筑物的损伤破坏，煤矿重复采动是产生高强度采动灾害应力的起因。 (7)探讨了煤矿采动损伤建筑的地震灾变演化机制，指出了地震作用下煤矿采动损伤建筑抗震性能劣化致灾的过程，分析了煤矿采动损害与地震动力破坏这两种灾害荷载对建筑物的成灾机理，研究发现地下煤炭开采改变了煤矿采空区的地震波动场，煤矿采动损害对建筑物的损伤主要集中于下部楼层，地震作用下煤矿采动损伤建筑物的结构薄弱层可能会形成塑性铰，降低了结构的抗震性能，提出了基于能量耗散理论的煤矿采动损伤建筑的抗震性能评估方法，探讨了地震作用下煤矿采动损伤建筑的能量耗散演化过程，说明了煤矿采动损害加剧了地震灾害荷载对建筑物的破坏性，提出了“地下开采充填—地面建筑抗开采沉陷隔震”的保护策略，既能控制煤矿采空区的岩层移动变形，又能实现煤矿采动建筑的抗震抗开采沉陷变形保护。收起

关键词 : 煤矿采空区岩体结构地震动力灾变地面建筑抗震性能

3. 刚—柔耦合支护防治冲击地压机理研究

[学位论文] 吕祥锋辽宁工程技术大学 2012年博士导师: 潘一山共268页

摘要 : 世界范围内浅部资源正日益枯竭,深部资源开采迫在眉睫。然而,随着深井采矿、深埋隧道和硐室等人类活动的不断深入地下,地应力呈非线性增加,地温升高,地质环境更加复杂多变,冲击地压发生频次和破坏程度也愈加强烈,释放大量冲击能造成支护围岩体破坏,给... 展开世界范围内浅部资源正日益枯竭,深部资源开采迫在眉睫。然而,随着深井采矿、深埋隧道和硐室等人类活动的不断深入地下,地应力呈非线性增加,地温升高,地质环境更加复杂多变,冲击地压发生频次和破坏程度也愈加强烈,释放大量冲击能造成支护围岩体破坏,给人民生命、财产和生产安全带来极大危害,亟待在防冲支护材料和方法方面做出重大突破。因此,建立刚-柔耦合支护模型,对多孔金属材料动态力学特性和吸能性能进行实验研究,分析不同支护巷道冲击破坏规律,揭示刚-柔耦合吸能机理,提出刚-柔-刚耦合支护方法,为防治巷道冲击破坏提供一种防冲支护材料和方法,具有重要的理论研究意义和实用价值。采用理论分析、材料实验、相似模拟试验和数值计算相结合的研究方法,对刚-柔耦合吸能机理及防冲支护进行研究。实验研究准静态和冲击载荷条件下多孔金属材料的力学行为、吸能特性和防冲支护的吸能效果;理论分析冲击地压巷道围岩破坏发生的应力判据和能量条件,建立刚-柔耦合吸能模型(刚-柔-刚耦合支护体系:R-F-R)并进行防冲理论研究;相似材料试验研究冲击地压发生和破坏过程及不同支护巷道变形规律,分析不同支护效果;数值模拟研究高速冲击载荷作用下冲击地压巷道变形破坏规律,分析不同支护条件下巷道破坏程度,检验刚-柔耦合防冲支护的合理和有效性;基于防冲机理,进行防冲支护装置研制,对防冲装置提供初撑力大小和缓冲吸能作用进行理论分析和实验研究,将柔性体+强力支护手段应用到跃进煤矿25110工作面下巷,对比分析传统支护和防冲支护冲击破坏结果,初步验证刚-柔耦合防冲支护的可靠性。1.多孔金属材料及防冲支护吸能机理研究:利用准静态压缩实验、高速冲击实验和SHPB实验方法,结合细观结构和宏观力学两方面对不同多孔金属材料动态力学特性和防冲支护吸能性能进行实验分析,研究材料参数、细观结构变化对材料动态力学特性和防冲吸能性能的影响,揭示刚-柔耦合防冲支护吸能机理。(1)不同基体材料对泡沫金属动态力学特性的影响研究采用高速冲击实验方法,借助电镜扫描(SEM)技术手段,从细观结构和宏观力学两方面出发,对闭孔Al基、Al-Si12基、Al-Si6基、泡沫镁及泡沫铝-纤维合金和泡沫铝-稀土合金等泡沫金属系列材料进行冲击实验,得到不同材料应力-应变曲线和吸能曲线,研究材料基体对其动态力学特性的影响,进而优选冲击吸能性能良好的多孔金属材料。(2)材料参数影响的泡沫金属动态力学特性分析材料参数对其冲击吸能性能影响较大,选择材料尺寸相同,不同材料密度、不同孔隙度以及材料孔径的闭孔Al-Si6基泡沫材料,利用高速冲击实验和SHPB实验研究方法,考虑材料参数对吸能性能的影响,研究材料密度、孔隙度和孔径与材料动态力学特性的关系,从而确定合适的材料参数。(3)考虑试件尺寸效应影响的多孔金属材料动态力学特性分析考虑尺寸效应对材料吸能性能的影响,利用冲击载荷实验系统,选择实验材料均为闭孔Al-Si6基泡沫材料,研究试样形状和尺寸效应对其动态力学特性的影响,进而选择合理的吸能材料尺寸高宽比。(4)多孔金属材料及防冲支护吸能机理研究根据落锤冲击实验和SHPB实验结果,利用电镜扫描(SEM)技术,对基体材料(Al基、Al-Si12基、Al-Si6基、泡沫镁及泡沫铝-纤维合金和泡沫铝-稀土合金)破裂细观形貌特征进行分析,研究细观结构变化对材料吸能影响;利用冲击实验系统,对钢支架、底脚式支架和顶端式支架吸能性能进行分析,揭示刚-柔耦合支护防冲机理。2.刚-柔耦合模型及防冲理论解析:从能量吸收的角度出发,研究冲击地压巷道围岩破坏发生的应力判据和能量条件,建立刚-柔耦合吸能模型并进行防冲理论解析,提出刚-柔-刚耦合支护方法。(1)从能量角度出发,对冲击地压巷道围岩破坏机理进行研究,研究支护巷道围岩冲击破坏发生的应力判据和能量条件。(2)基于应力波的冲击破坏理论,建立围岩-吸能材料-钢支架刚-柔耦合吸能支护力学模型,揭示刚-柔耦合吸能支护的耦合关系,进而研究吸能支护冲击波耗散机理和支护耗能机理,得出防冲支护能量耗散标准。(3)对R-F-R支护结构进行简化,根据材料力学和冲击波理论相关知识,进行冲击波作用下R-F-R支护结构衰减冲击波性能理论解析,得到多孔金属材料厚度和材料性能对其衰减冲击波的影响,对比分析设置多孔金属材料前后支护结构的缓冲和吸能效果。(4)提出刚-柔-刚耦合支护方式,并对不同支护进行防冲实验分析,研究防冲支护方法,进而提出建立柔性支护体+强力支护耦合支护手段,提高巷道安全程度,降低冲击型动力灾害。3.冲击巷道支护模拟试验研究:利用爆炸加载方式模拟高速冲击载荷作用,借助数字散斑光测技术手段,研究巷道围岩破坏过程及不同支护条件下巷道变形规律;同时,在实验室研究冲击地压发生过程及锚杆、U型钢、棚索协同支护以及刚-柔耦合支护(巷道衬砌吸能材料+强力支护)条件下巷道冲击破坏规律。(1)利用低能爆炸加载方式,借助高速采集数字散斑光测装置,对高速冲击载荷作用下巷道动态破裂规律进行相似试验研究,并研究锚杆支护和刚-柔耦合支护巷道冲击破坏规律。(2)利用相似理论,按照一定的配比制作脆性材料,采用单轴加载的方法,借助数字散斑光测方法,对制作标准试件进行压缩冲击破坏试验研究,确定合适作为冲击地压相似模拟的材料配比和强度。(3)考虑尺寸效应的影响,模拟不同巷道尺寸条件下冲击破坏规律,确定模拟巷道冲击破坏的合理巷道形状及尺寸,对不同支护条件下巷道冲击破坏过程进行试验研究,对比分析不同支护巷道冲击破坏规律,检验刚-柔耦合支护的合理和有效性。4.支护巷道冲击破坏非线性动力学分析:将冲击波作为离散的动态冲击载荷施加在模型内部节点上,利用FLAC3D进行煤岩巷道冲击变形破坏过程的三维数值计算,实现先加载后开挖及合理动力加载方式,分别研究裸巷、锚网锚杆、U型钢支护和防冲支护等条件下的巷道冲击破坏规律,并从能量角度出发,对不同支护方式的支护效果进行分析,进一步说明防冲支护的有效性。5.根据防冲结构设计的基本依据,研究了可实现提供较大初撑力,又起到良好缓冲吸能作用的防冲结构,并进行了防冲装置的研制。利用理论分析和试验研究相结合的研究方法,对防冲装置提供初撑力大小和缓冲吸能作用进行了研究,得到了消除装置自锁发生的合理角度,弹簧压缩量与装置提供初撑力之间的关系,也说明刚-柔耦合防冲支护的可靠性,为防冲支护设计和应用提供了科学依据。6.基于刚-柔耦合支护防冲机理,跃进煤矿25110工作面下巷采用锚网索+36U椭圆型棚封闭柔性支护加刚性支护耦合防冲支护手段,对比了传统支护与防冲支护冲击破坏结果,初步验证了刚-柔耦合防冲支护在防治冲击地压灾害方面的可行性,为优化和改进防冲支护材料和结构提供指导,可望进一步改善防冲支护性能,降低冲击地压灾害危害。收起

关键词 : 冲击地压多孔金属材料动态力学性能 R-F-R支护结构吸能机理柔性体强力支护刚-柔耦合防冲支护

4. 采空和多层岩土体中球面波传播规律和正反演方法研究

[学位论文] 王帅辽宁工程技术大学 2016年博士导师: 张向东共249页

摘要 : 均匀介质中点源球面波的弹性动力学模型是工程中重要的力学模型。在实际应用中，如果球面波传播的距离很远，相对于球面波波阵面扫略过的范围，波源所在范围很小，则波源就可以近似看成一点。例如矿山微震等就可以归结为点源球面波模型。研究矿山微震... 展开均匀介质中点源球面波的弹性动力学模型是工程中重要的力学模型。在实际应用中，如果球面波传播的距离很远，相对于球面波波阵面扫略过的范围，波源所在范围很小，则波源就可以近似看成一点。例如矿山微震等就可以归结为点源球面波模型。研究矿山微震的传播规律，地下岩土介质的非均匀性也是必须考虑的问题。研究复杂介质中球面波的传播规律有重要的理论和应用价值。例如矿震震波等经过煤矿采空区后的传播规律，是矿震传播机理研究中的重要课题。多层分布是地下岩土体复杂性的另一种体现，球面波在多层平行介质中传播，波阵面会演变为双曲面，研究多层平行介质中球面波的正反演方法，并将其应用于多层水平或倾斜介质中的微震源定位问题，该研究有理论和应用价值，将为充分利用矿区岩土体三维速度结构来提高微震源定位精度奠定基础。采用理论推导、模型试验和数值计算方法，研究均匀介质中和煤矿采空区中点源球面波的传播规律。建立矿震震波经煤矿采空区后地表沉陷机理和地表建筑物破坏机理的试验模型。为了得到球面波在连续、均匀、各向同性介质中的传播规律，基于二维点源横波与点源球面纵波微分方程的达朗贝尔解，将中心对称点源位移场表示为位移通量源与位移说涡源的叠加，作为任意中心对称点源位移场的解析表示和产生机理。为了得到球面波经煤矿采空区后的传播规律，建立了带孔圆板敲击试验模型。采空区孔洞所在的半径，被采空区孔洞分隔为两段，一段连接圆心，一段远离圆心。模型试验显示，远离圆心的一段监测到指向圆心的负加速度。在垂直震源与圆孔之间连线方向的圆板边缘处，不但产生径向加速度，而且产生切向加速度。研究结果可以作为矿震震波经煤矿采空区后，地表沉陷加剧、采空区中夹岩柱产生水平加速度、地表建筑物破坏加剧等问题的试验依据。拟基于P波初至时刻建立多层水平或倾斜介质中的矿震震源定位方法。为了研究应力波在多层介质中的传播特性是否会对定位算法产生影响，设计了二层混凝土介质的敲击试验，基于试验结论，证明了基于纵波初至时刻的定位方法的合理性和有效性。通过推导点源球面波在多层水平介质中的正反演公式，采用震源参数的反演、多层介质中球面波波前曲面正演相结合的方法，提出专门针对多层介质的矿震定位方法:几何平均法、正反演联用法、波前正演法。基于惠更斯原理推导折射定律过程中的等时线概念，得到了限定条件下二层水平介质中震源深度的解析确定方法——几何平均法。基于二层水平介质中发震时刻反演和球面波波前曲面正演的联合应用，提出了确定二层水平介质中震源三维坐标的方法——正反演联用法，新方法在保持几何平均法定位精度的基础上，不但能够确定震源深度，而且能计算震源水平坐标，且水平坐标和震源深度的计算精度均不低于几何平均法中震源深度的计算精度。将发震时刻作为未知数引入球面波波前曲面非线性方程，基于监测台站到时时差，提出了多层介质中基于任意观测系统的震源定位方法——波前正演法。该法基于台站监测到时时差建立定位方案，是基于任意观测系统的定位方法，在定位误差分析中，几何平均法和正反演联用法定位效果不佳的几种定位条件中，波前正演法的定位效果均良好。波前正演法有效解决了多层水平介质和多层平行倾斜介质中的震源定位问题。研究以采空及多层岩土体中球面波的传播规律和正反演方法为理论基础，与试验验证相结合，得到均匀介质中纵波横波的传播机理，含采空区岩土体中矿震波的传播规律，以及多层岩土体中的震源定位方法，为相关问题的解决提供了新思路。收起

关键词 : 矿山微震震源定位多层介质球面波传播规律正反演方法

5. 考虑土-结构相互作用的煤矿采动对RC框架结构模型抗震性能影响与分析

[学位论文] 白春辽宁工程技术大学 2020年博士导师: 刘书贤;麻凤海共248页

摘要 : 煤炭作为我国的重要战略资源，由于多年来一直被高强度开采，故而形成了大量的采空区。随着中国工业化发展进程的加快，我国土地资源日趋紧张，诸如建筑物、工业厂房、道桥等工程建设逐渐向采空区边缘地带推进。但我国多数矿区位于有抗震设防烈度要求... 展开煤炭作为我国的重要战略资源，由于多年来一直被高强度开采，故而形成了大量的采空区。随着中国工业化发展进程的加快，我国土地资源日趋紧张，诸如建筑物、工业厂房、道桥等工程建设逐渐向采空区边缘地带推进。但我国多数矿区位于有抗震设防烈度要求的地带，地震作用下采空区边缘地带建筑结构遭受煤矿采动灾害与地震灾害的不利影响。目前关于煤矿采动灾害与地震灾害影响下，RC框架结构地震模拟振动台的试验鲜有报道，本文依托国家自然科学基金项目“《地震作用下采动区岩层动力失稳与建筑安全控制研究》项目编号(51474045)”，根据《建筑抗震试验规程》(JGJT101-2015)及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，利用PKPM软件设计原型六层钢筋混凝土框架结构。基于开采沉陷学、结构动力学、地震工程学，通过现场调研、试验研究与数值模拟相结合的方法，以采空区边缘地带RC框架结构为研究对象，结构在经过采动灾害长期影响下产生双向不均匀沉降后，对结构在地震灾害作用下其抗震性能劣化机制及动力灾变规律开展研究工作，本文主要在以下几个方面进行探讨，主要研究成果如下： (1)煤矿采动影响下RC框架结构振动台试验设计。为了模拟采动灾害引起的不均匀沉降，设计采动模拟试验台。基于一致相似率理论，设计几何相似比为1/10的强度模型，横向与纵向均为两跨，高宽比为2.25。选用微粒混凝土和镀锌铁丝模拟原型混凝土与钢筋，为了进一步提高振动台试验的精确度，考虑非结构构件自重及活荷载的影响。 (2)通过振动台试验，研究试验模型在7度设防、8度设防地震激励下的动力响应，结构破坏形式及破坏机理。煤矿采动扰动下结构产生不均匀沉降，对结构产生初始损伤，结构自振频率降低。不均匀沉降量越大，结构的自振频率降低越多，采动初始损伤会加剧结构在地震作用下的震害。采动影响程度增大，结构底部容易过早的发生塑性损伤，消耗地震传到上部结构的能量，不利于地震能量向上层传递与分散，结构底部极易形成塑性损伤薄弱区。强震扰动下煤矿采动损伤建筑最大层间位移角超过规范限值，薄弱层位置从一层扩展到二层，存在薄弱区向上扩展现象，底部结构塑性铰急剧增加。角柱损坏最严重，中柱损害最小，抗震稳健性降低。动力破坏试验表明，采动损害影响最大的结构，其抗震稳健性衰减速率越快，角柱AI最先发生破坏失稳，倒塌范围逐渐扩大形成竖向倒塌区域，且存在P-△二阶效应作用对结构倒塌的贡献，最终导致整个底部结构的垮塌。 (3)单向与双向不均匀沉降对建筑物的损害。两种不均匀沉降影响下，共同点是：首层构件附加应力或附加变形最大，应力集中主要位于梁端、柱端、框架节点处；随着楼层位置增加，采动影响作用大幅度衰减。不同点是：单向不均匀沉降影响下，柱沿建筑物倾斜方向以单向偏心受力为主，梁以弯曲变形为主。而双向不均匀沉降影响下，柱沿对角线方向呈双向偏心，梁存在弯扭变形。 (4)双向地震激励下，分别考虑土-结构相互作用与刚性地基假定，对煤矿采动损伤建筑结构抗震性能的影响。为减少数值模拟计算成本，提高结构仿真分析效率，对地基土体的影响范围进行了多种计算，提出了确定有限元模型地基土体有效范围的方法。与刚性地基假设对比可知，考虑土-结构相互作用后，结构的约束相对减弱，表现为柔性体系，结构自振周期变长。与刚性地基相比，结构在X与Z向的顶层加速度反应减弱，煤矿采动影响越大，加速度降低幅值越大。考虑土-结构相互作用后的结构顶点位移要大于刚性地基，加速度时程曲线变化较柔，X方向的动力反应要强于Z向。煤矿采动对建筑物的影响作用越大，结构顶点位移变化越显著。当考虑土-结构相互作用后，结构的最大层间位移角普遍比刚性地基要偏小，层间位移角的变化趋势比刚性地基要缓，尤其是对于不均匀沉降影响下的结构，这种变化更为显著。与刚性地基相比，考虑土-结构相互作用后，水平层间剪力随楼层位置增加而减小。 (5)对不同土层下的煤矿采动影响下框架结构倒塌破坏规律进行了研究。不同土体条件下，结构的破坏时间所有差别。基于刚性地基假设下的结构破坏时间多数要早于硬土和软土地基，土质越软，这种破坏延迟效果越显著。在采矿采动影响相同的条件下，软土地基结构整体破坏情况要小于硬土地基，小于刚性地基。地基土体越软，不均匀沉降量越大，结构在地震动力作用下沉入土体的深度越大，结构侧向变形越严重。倒塌破坏过程表明结构的破坏既有“柱铰”破坏，又有“梁铰”破坏，存在“混合倒塌”机制现象。考虑土-结构相互作用后，上部结构反应较大，构件不同程度形成塑性损伤，耗散掉部分地震输入能，底部整体倒塌概率降低。收起

关键词 : RC框架结构土-结构相互作用煤矿采动地震作用振动台试验抗震性能

6. 煤矿城市经济转型研究

[学位论文] 李成军辽宁工程技术大学 2004年博士导师: 王志宏共248页

摘要 : 　目前，我国共有煤矿城市90座，占我国城市总数的近15％。我国的煤矿城市大都是伴随着煤炭资源的开发而诞生的，城市经济的一个先天不足就是产业结构单一，伴随着煤炭资源的深度开发，资源趋于萎缩，受资源产业发展规律支配，城市必然走上转型之路。... 展开　目前，我国共有煤矿城市90座，占我国城市总数的近15％。我国的煤矿城市大都是伴随着煤炭资源的开发而诞生的，城市经济的一个先天不足就是产业结构单一，伴随着煤炭资源的深度开发，资源趋于萎缩，受资源产业发展规律支配，城市必然走上转型之路。本文运用实证分析的方法，对煤矿城市经济转型涉及到的一系列问题进行了系统研究，试图全面系统地回答煤矿城市经济转型的理论与实践问题。 1、本文对煤矿城市作出如下的定义：即因煤炭资源开采而形成，煤矿及基础能源产业占城市经济主导地位，矿区人口占城市人口1/3以上的国家行政区划县级以上的城市。煤矿城市在我国基础产业的形成、推进全国的城市化进程、促进区域经济发展等方面都作出了巨大贡献，但自身在发展中也付出了深重的资源环境代价。煤矿城市经济转型是指运用体制、机制和科技创新手段对城市经济结构和经济运行机制等各方面进行深刻调整、全面转换，形成新的接续主导产业，替代单一的煤炭经济，使煤矿城市从煤的“黑”影中走出来，发展成新型的现代化城市。 2、理论是指导实践的强大武器，煤矿城市经济转型也离不开基础理论的指导。 3、西方发达国家实施资源型城市转型起步较早，对于我国实施煤矿城市经济转型都具有很好的借鉴意义。 4、从操作层面上对经济转型战略和转型模式进行了研究。提出了经济转型战略目标的四个特征，即宏观性、系统性、现实性和兼容性特征。经济转型的模式由转型的调控手段与转型路径构成。 5、为了实现经济转型的目标任务，付出相应的成本代价是必要的，煤矿城市经济转型成本是指在实现城市经济转型目标过程中，政府、企业、社会和个人所需要支付的代价。转型成本主要由实施成本和风险成本构成。 6、把经济转型看作是城市经济社会发展的一种特殊运动形式，本文对运动的动力进行了研究。从精神动力、物质动力、外部动力、内在动力等不同方面，对转型的动力机制作了系统分析，煤矿城市干部群众的思维观念创新、国家宏观调控政策、各方面资本与科技的投入构成了推动经济转型的系统动力。 7、煤矿城市经济转型需要政府主导与市场调节相结合，政府的主导作用集中表现为政策的制定和实施。政策具有层面性、差别性和时空性特征。我国煤矿城市群体的广泛性决定支持煤矿城市经济转型的政策层面应主要来自于中央政府，地方政府可以搞配套政策，但作用空间有限。收起

关键词 : 煤矿城市经济转型理论基础战略模式成本动力政府行为

7. 超音速汲水式气动雾化细观动力学特性及捕尘机理研究

[学位论文] 张天辽宁工程技术大学 2021年博士导师: 王继仁；葛少成共245页

摘要 : 目前，湿式治理方法存在对呼吸性粉尘捕集效率低、能耗成本高、喷头易堵塞、现场适用性差等问题，而气液两相雾化降尘是一种不易堵塞、成本低廉的强动力方式，但目前国内外此类技术及理论对呼吸性粉尘的治理缺乏针对性。尤其，涉及低气、水压力下的超... 展开目前，湿式治理方法存在对呼吸性粉尘捕集效率低、能耗成本高、喷头易堵塞、现场适用性差等问题，而气液两相雾化降尘是一种不易堵塞、成本低廉的强动力方式，但目前国内外此类技术及理论对呼吸性粉尘的治理缺乏针对性。尤其，涉及低气、水压力下的超音速气动雾化相关理论研究较少，细观动力学特性及捕尘机理还未明确，相关基础理论和研究手段有待进一步丰富和发展。基于此，本文提出对超音速汲水式气动雾化细观动力学特性及捕尘机理进行研究，采用了理论分析、数值模拟、实验室实验与现场工程实验等研究手段相结合的方法，研究的主要内容及所得成果如下: 首先，通过理论分析建立了高速气流中单颗粒雾-尘碰撞耦合三相流数值模型、可压缩气流管内跨音速流动模型、二维轴对称管内跨音速雾化模型，并与雾化实验相结合，研究揭示了传统湿式降尘方法对呼吸性粉尘效率低的原因;得到了以水-煤尘为基质的最佳润湿雾-尘粒径比k;粉尘表面线积分润湿度随雾-尘相对速率、撞击角度、接触角的变化规律;气动喷雾降尘对呼吸性粉尘达到高效润湿的雾滴分散度、速度及空间分布特征参数。其次，利用所建立的可压缩气流管内跨音速流动数学模型研究得到了四种典型拉瓦尔喷管在不同气动总压下的气流速度、压力、密度等流场特性参数的分布规律;0.3～0.6MPa低压喷射时，喷管达到高效稳定运行效果的最佳缩扩比、膨胀角和形状参数。再次，建立了二维轴对称的可压缩气流管内跨音速流动中液滴雾化的数值模型，并提出区别于传统“孔式”的“探针式”液相离散方式，研究得到入口气动总压力、喷管结构参数及液相离散方式对液滴破碎雾化过程的影响规律;确定了雾化效率高且稳定的最佳喷管结构参数。根据范式空间不同基底间的关系，推导了以之为基础的维度转换的可压缩气流跨音速流动中液滴破碎雾化场特性参数方程组，并建立数值模型，实现了对拉瓦尔管内及近场区域超音速雾化及雾滴喷射过程的三维表征和定量分析。通过对比研究探针式与孔式喷管内及近场区域的雾化喷射过程，分别得到两种离散方式的雾场特性的三维空间分布规律;揭示了拉瓦尔喷管内及近场跨音速雾化喷射机理。然后，经雾化实验研究确定了探针在管内的最佳离散位置。在对跨音速流场特性分布及雾化破碎过程模拟、实验结果分析的基础上提出超音速汲水虹吸式气动雾化方式，将传统雾化方式的“以高压射流穿透超音速气流雾化”转变为“利用超音速气流高速负压区汲水虹吸雾化”。以最佳结构参数的探针喷管为核心研发了超音速汲水虹吸雾化装置，并通过实验得到该雾化装置的雾滴细观动力学特性分布规律;确定了超音速汲水虹吸气动雾化方式的能耗参数和防堵机制。接着，通过与超声干雾抑尘方式的控尘对比实验，确定了超音速汲水虹吸式气动雾化方式的雾化效率、粒径分布、降尘效率、捕尘细观动力学特性及对不同分散度粉尘的分级效率。解决了因干雾抑尘方式所喷射雾滴柔软无力，对PM10以下的煤尘难以形成高效捕捉，降尘效率有限的问题;根据超音速汲水虹吸式气动雾化方式的雾化特性和控尘特性，揭示了其捕尘细观动力学机理。最后，在对超音速汲水虹吸式气动雾化特性与捕尘细观动力学机理研究的基础上，在煤矿选煤厂准备车间一楼进行了现场工程的适用性研究。依据所建立的风流-煤尘污染数值模型研究得到受现场风流运移、生产工艺影响下的煤尘污染规律，并依据前期对雾化特性及捕尘细观动力学机理研究结果的基础上，设计实施了控尘系统;对比研究了系统运行前后的雾化降尘效果，全系统凭借低能耗、低润湿度和良好的雾化效果，实现了以高速气雾对胶带机落料口、机尾、胶带走廊链接处内外侧等区域，以及上煤道百余米煤流运输的全覆盖，验证了该技术的节能、高效的煤尘综合治理应用效果。收起

关键词 : 呼吸性粉尘可压缩气流超音速雾化力学特性捕尘机理

8. 含瓦斯煤岩力学特性及其破坏过程的力--声--电荷信号机制研究

[学位论文] 丁鑫辽宁工程技术大学 2019年博士导师: 肖晓春共244页

摘要 : 煤炭资源的深地开采是我国煤炭工业现阶段的发展状态，安全、高效、稳定的能源产出既是国民经济高速发展的保障，也是国家可持续发展战略布局的根本需求。煤岩在高地应力、高瓦斯压力和高地温的特殊环境下所表现出的深部力学特性及灾变模式对现有的理... 展开煤炭资源的深地开采是我国煤炭工业现阶段的发展状态，安全、高效、稳定的能源产出既是国民经济高速发展的保障，也是国家可持续发展战略布局的根本需求。煤岩在高地应力、高瓦斯压力和高地温的特殊环境下所表现出的深部力学特性及灾变模式对现有的理论与工程技术提出了挑战。研究深部煤岩力学特性表征，形成有效的煤岩体灾变监测预警方法对改善深部矿井开采环境，确保煤炭资源持续产出具有重要的科学价值和工程意义。本文以深部日趋严重的高瓦斯矿井冲击地压为工程背景，围绕瓦斯和应力耦合作用下煤岩力学特性演化机制这一关键科学问题，利用自主研发的含瓦斯煤岩真三轴力学测试系统、含瓦斯煤岩流-固耦合试验系统与声发射-电荷感应信号监测系统，运用物理试验方法，开展了冲击倾向煤岩吸附解吸瓦斯及其渗流规律的研究工作，综合考虑了瓦斯与应力路径的影响，开展了复杂应力路径下含瓦斯煤岩力学性质变化及其破坏特征的研究工作，得到了多因素影响的煤岩力学性质、破坏分形维数及特征和渗透率变化规律;采用理论分析手段，建立了含瓦斯煤岩力学关系表征公式及损伤演化模型，得到了含瓦斯煤岩变形破坏过程的盈余能演化规律;基于数字信号处理方法，厘清了声发射和电荷感应信号的时-频域特性，建立了含瓦斯煤岩破坏力-声-电关系模型，揭示了含瓦斯煤岩力学特性影响的声-电荷信号演化机制。主要取得了以下成果: (1)冲击倾向煤岩瓦斯吸附规律遵循朗缪尔吸附理论，在物理吸附理论下，吸附与解吸是互逆的且总量均与瓦斯压力呈正相关变化。受滑脱效应影响冲击倾向煤岩气测渗透率随瓦斯压力升高呈“V”形特征，随围压升高渗透率呈负指数关系降低。瓦斯压力越高煤岩基质膨胀变形引起内应力改变而各向异性特征凸显，弹性模量与强度明显降低，围压对吸附引起的内应力具有削弱作用而使得承载结构显著增强。 (2)在应力峰值前冲击倾向煤岩的气测渗透率随加与卸荷呈反向降低-升高特征，循环加卸荷次数升高产生的疲劳效应增强了煤岩对瓦斯的通过能力，致密裂隙集中于峰后发育的损伤特征导致渗透率随载荷升高而降低和峰后急速上升的渗流特点是其与突出倾向煤岩的根本区别。随瓦斯压力升高煤岩力学特性由脆性向塑性特征过渡，且吸附态瓦斯的影响更加显著，在高应力场与瓦斯场的耦合作用下煤体孔隙率特征改变而引起的渗透率变化是冲击地压发生后瓦斯异常涌出现象的最直接原因。 (3)随侧压比系数升高，煤岩真三向应力特性凸显，强度与弹性模量降低其侧向变形更易沿最小主应力方向发展，峰后应力降模量增大，所形成的周围伴随有剪切滑移裂隙的“◇”型张开孔洞这一典型破坏特征越发明显，为瓦斯涌出提供了通道。处于卸荷路径下的煤体在较高的卸荷速率下，力学性质各向异性减弱，强度降低且应力降模量增大，脆性特征愈发明显，具有更多的应变能和更低的能量耗散，更多由盈余能转化为煤岩碎块动能抛向采掘空间，受载路径导致的碎块“富能”特性是巷道冲击地压多发的应力因素。 (4)地应力场与自身物质组成共同影响所形成的孔裂隙无承载能力而具有初始损伤，理论推导了由孔隙率表征的煤岩初始损伤表达式，以统计理论为基础，引入侧压比系数与各向异性系数，结合有效应力原理构建了考虑初始损伤的含瓦斯煤岩力学关系和损伤演化方程及煤岩压缩过程沿主应力方向的渗透率数学公式。高瓦斯压力导致煤岩非均匀性增强并使原生微裂纹发展，促进了损伤演化，相应的D-P准则锥形屈服面所包围的空间越小，更易在外载荷作用下产生塑性屈服，在力学特性上反映为煤岩强度降低，塑性特征显著，从而导致深部高瓦斯煤层冲击地压在低于常规判定指标情况下发生。 (5)理论推导了煤岩峰前应变能密度公式，弹性模量与均质度越大，其内部应变能越高。修正平均瓦斯扩散系数和平均孔隙率获得了煤岩破坏过程考虑吸附态和游离态的瓦斯膨胀能理论公式，随着孔裂隙发育程度和扩散系数升高煤体具有更高的瓦斯膨胀能，低瓦斯压力时，游离态瓦斯对总瓦斯膨胀能的贡献度占主导地位，随瓦斯压力升高，吸附态瓦斯成为瓦斯膨胀能的主要能量源，瓦斯膨胀能的主导能量源互换临界瓦斯压力值随孔隙率增加而逐渐减小。煤岩破碎后碎块分布隶属于统计分形范畴，其分形维数直接反映了其破坏特征，理论推导了基于统计分形理论的含瓦斯煤岩破碎耗散能公式和盈余能密度数学表达，较高的弹性模量和均质度系数使应变能在总能量中的占比升高煤岩冲击危险增加;随瓦斯压力和破坏过程孔隙度升高，破坏后转化为煤岩碎块动能的盈余能量主体由煤岩骨架变形转为高压瓦斯膨胀做功而具有瓦斯作用主导的突出危险。 (6)构建了含瓦斯煤岩裂纹扩展过程释放应变能与应力波转化的力-声关系式和煤岩块体摩擦滑移力-电荷关系函数，受高围压对煤岩体变形和摩擦滑移的抑制以及断裂韧度的升高，声发射为离散高幅值信号，电荷信号幅值降低;随着瓦斯压力升高，弹性能释放量减少破裂块体间摩擦滑移加剧，电荷信号波动程度增强而声发射幅值降低;真三向应力状态引起的应变指向性特征和循环加卸荷条件下的疲劳效应使应力峰值前煤岩裂化程度提升，较准静态受载声-电荷信号出现阶段前移，信号幅值与连续度显著增加。 (7)含瓦斯煤岩破坏过程声发射为主频范围1～50kHz的低频信号，电荷感应为主频带1～100Hz的甚低频信号，信号的时域波形与主频带信号分量幅值与连续度均随着煤岩劣化程度加剧呈升高趋势。二者具有异步性属非同源信号，声发射伴随裂纹的发育产生，电荷与应力跌落具有明显的同步性，声发射先于电荷信号产生。基于围压和瓦斯对裂纹扩展和块体间摩擦滑移的影响机制和声-电信号的分布规律，认为声信号的对监测高应力环境具有冲击危险煤层较为适用并以电荷信号为辅助判定手段，对于高瓦斯具有突出倾向煤层应以电荷信号监测为主并与声信号相结合判定煤层灾变倾向。收起

关键词 : 含瓦斯煤岩力学特性冲击地压破坏过程力-声-电荷信号

9. 充填开采防治冲击地压研究

[学位论文] 尹万蕾辽宁工程技术大学 2018年博士导师: 潘一山共221页

摘要 : 传统采煤方法存在围岩局部应力高度集中问题，容易引起冲击地压灾害。充填开采法对减小煤层顶板下沉量及降低工作面超前支承压力具有有效性，能够有效抑制冲击地压发生，是有效控制冲击地压的合理采煤方法。为探索充填开采采场冲击地压发生条件及其影... 展开传统采煤方法存在围岩局部应力高度集中问题，容易引起冲击地压灾害。充填开采法对减小煤层顶板下沉量及降低工作面超前支承压力具有有效性，能够有效抑制冲击地压发生，是有效控制冲击地压的合理采煤方法。为探索充填开采采场冲击地压发生条件及其影响因素，验证充填开采防治冲击地压的有效性，达到合理设计充填方式与充填工艺及其充填参数、为有效防治充填开采采场冲击地压奠定理论基础、指导充填开采的工程实践探索之目的，本文选择集贤煤矿为试验矿井，采用理论分析、实验室试验、数值模拟、相似材料模拟与现场工程实践相结合的研究方法，对充填开采防治冲击地压理论及应用进行了研究。主要内容如下： 1．冲击地压扰动响应失稳理论及分类研究。基于煤岩动力系统稳定性理论，丰富发展了冲击地压扰动响应失稳理论，揭示了冲击地压扰动响应失稳机理，建立了冲击地压扰动响应失稳判据。根据冲击地压扰动响应失稳理论，进行了冲击地压分类研究。 2．无充填时井下煤岩体冲击地压研究。根据冲击地压扰动响应失稳理论，针对无充填时不同类型冲击地压，构建了不同类型的煤岩动力系统，建立了力学模型并进行了解析分析，得到了主要影响因素，为充填开采防治冲击地压研究奠定了理论基础。基于煤岩动力系统稳定性理论，通过建立圆形断面巷道－围岩－支护系统、煤层－采空区－顶底板系统、断层－煤柱系统，并进行解析分析，得到了不同类型冲击地压发生的临界条件及其主要影响因素。基于顶板剪切梁模型，通过对回采工作面推进过程中顶板破裂特征研究，提出了顶板断裂的C形板模型，揭示了顶板断裂诱发冲击地压的剪切失稳机理，明确了冲击地压的主要冲击源，提出了通过控制顶板剪切失稳断裂进而防治煤矿冲击地压的基本思想。 3．防治冲击地压的充填方法研究。对充填开采方法进行分类分析，在此基础上结合冲击地压三种基本类型及其影响因素，提出了针对不同类型冲击地压的充填开采方法。 4．防治冲击地压的充填材料研究。对充填材料及其力学性质进行分析，研制了一种具有刚柔耦合性能的混凝土充填体，下端为混凝土刚性材料，上端为柔性材料，并分别进行了混凝土材料、柔性材料及组合体的力学性质测试。混凝土充填体作为巷旁支护体，能够对顶板提供一定的初撑力，并起到切顶的作用；柔性充填体吸收顶板运动产生的动能，达到防治冲击地压的效果。 5．充填开采时井下煤岩体冲击地压研究。分别建立了采空区充填采场、沿空留巷巷旁充填采场理论分析结构模型，并进行了解析分析，得到了充填采场不同类型冲击地压发生的临界条件及其主要影响因素，并与无充填采场不同类型冲击地压发生的临界条件及其影响因素进行了对比分析，阐述了充填采场对顶板变形破坏的控制作用，建立了充填开采防治冲击地压理论分析模型，研究了充填体在充填采场防治冲击地压中的作用，建立了充填开采防治冲击地压理论，验证了合理充填开采方法防治冲击地压的有效性。通过解析分析，得到了顶板破裂位置对基本顶、直接顶、煤层和充填体的变形与应力的限制条件。由此限制条件，即可判别煤层冲击、顶板冲击、充填体冲击哪种情况可能首先发生。充填开采对不同类型冲击地压均具有有效控制作用。充填开采时发生煤体冲击的临界采空区宽度约为无充填时发生煤体冲击的临界采空区宽度的2倍。对于深部开采，虽然充填体能够有效控制冲击地压，但仍然不能完全杜绝冲击地压的发生，需要开发更加良好的防冲充填材料，提高充填体的强度，才能达到有效降低冲击危险性之目的。 6．充填开采防治冲击地压的数值模拟与物理模拟研究。为弥补解析分析的不足，采用RFPA数值模拟软件对采空区充填采场进行了数值模拟研究，采用FLAC3D数值模拟软件对沿空留巷巷旁充填采场进行了数值模拟研究，采用相似材料模拟试验对沿空留巷巷旁充填采场进行了物理模拟研究，并与无充填采场模拟结果进行对比分析，进一步验证了充填开采防治冲击地压的有效性。充填体强度与压实率足够大时，顶板应力集中程度减弱，可有效防治顶板断裂型冲击地压的发生。充填体与煤体共同承担采动应力，煤体应力集中程度减弱，可有效防治煤体压缩型冲击地压的发生。充填开采时断层压剪应力变化幅度降低，断层不易活化，有效控制了断层错动型冲击地压的发生。 7．充填开采防治冲击地压的工程实践。选择集贤煤矿为试验矿井，进行了充填开采防治冲击地压的工程实践。收起

关键词 : 冲击地压失稳机理充填开采混凝土充填体

10. 基于环境约束的我国钢铁企业技术效率评价及提升路径研究

[学位论文] 董晓东辽宁工程技术大学 2016年博士导师: 沈玉志共220页

摘要 : 在关注环境的同时，保持企业稳步持续发展，是当下钢铁企业研究领域中的重要问题。运用“技术效率”评价方法，评价环境约束下我国钢铁企业技术效率，这一做法有效地将环境与钢铁企业发展纳入统一架构。文章沿着“评价指标识别——评价模型构建——技... 展开在关注环境的同时，保持企业稳步持续发展，是当下钢铁企业研究领域中的重要问题。运用“技术效率”评价方法，评价环境约束下我国钢铁企业技术效率，这一做法有效地将环境与钢铁企业发展纳入统一架构。文章沿着“评价指标识别——评价模型构建——技术效率评价实证研究——技术效率制约因素研究及敏感性分析——技术效率提升路径”的逻辑主线进行研究。首先，基于环境约束、企业经营范式、效率评价等相关理论知识，严格遵循钢铁企业技术效率评价指标识别流程进行评价指标构建。应用变量分离及线性规划等数学方法量化钢铁企业所受到的自然环境、人工环境及社会环境三方面约束，并将其以“整体约束包”形式纳入约束条件以构建钢铁企业技术效率评价模型。然后，依托2014年全国30家钢铁企业投入与产出数据进行实证分析，分别评价基于传统模型与基于环境约束模型的钢铁企业技术效率值并进行对比分析。进而，以评价指标为基础，综合所有制性质等指标以构建制约因素体系，应用方差分析、多元回归分析等方法量化各制约因素对技术效率的制约度以挖掘主要制约因素，并进一步对不同污染物控制程度下钢铁企业技术效率值动态变化作敏感性分析，以剖析污染物控制程度对技术效率的影响。最后，以实证分析、制约因素分析及敏感性分析三方面结果为基础，分别开展技术效率提升路径研究。经论证分析得出以下研究结论: (1)详细解构钢铁企业“环境约束”内涵。从自然环境、人工环境和社会环境三方面入手，重新定义钢铁企业所受“环境约束”范畴。 (2)重新构建钢铁企业技术效率评价指标体系，引入隐性评价指标。如引入生态包袱、资源补偿成本等评价指标以评价钢铁企业技术效率。 (3)构建基于“整体环境约束包”的钢铁企业技术效率评价模型。重点对自然环境约束、人工环境、社会环境约束进行定量转化，并将其以“整体环境约束包”形式纳入到技术效率评价中，构建技术效率评价模型。 (4)分析得出钢铁企业技术效率主要制约因素包括自然环境中的煤炭资源耗用量及环境成本投入、人工环境中年度员工培训总人次所占比重及社会环境中的吨钢二氧化碳排放量。 (5)从三个角度提出了我国钢铁企业技术效率提升路径。以技术效率评价实证研究为基础，建议每个钢铁企业决策者明确各自在整个行业中所处的位置，并科学合理选择标杆企业加以效仿。以技术效率制约因素为基础，重点抓住煤炭资源耗用量、环境成本投入、年度员工培训总人次及吨钢二氧化碳排放量四个关键点以提出技术效率提升路径方案。以敏感性分析结果为研究基础，明确不同污染物排放程度下钢铁企业技术效率值，并依据投影分析方法整理出不同投入产出方案，形成技术效率提升路径。收起

关键词 : 钢铁企业环境约束技术效率评价指标体系