2020年, 第39卷, 第04期　
刊出日期：2020-08-15

  

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  地下工程安全建设面临的机遇与挑战

  李利平, 成帅, 张延欢, 屠文锋

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 1-13. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.001

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  21世纪是地下空间资源大力开发利用的新纪元,以深长隧道为代表的地下工程建设蓬勃发展,不断向"长洞线、大埋深、高应力"方向发展,我国交通隧道建设规模和难度均居世界首位。由于人们对地下工程突发灾害灾变机理缺乏系统的科学认识,缺少有效的监测和预警方法,导致重大地质灾害长期处于被动防治局面。重大地质灾害防控已成为隧道安全建设面临的重要挑战。在系统整理国内外研究资料的基础上,以突涌水和围岩垮塌灾害为代表,系统阐述灾变机理、灾变演化过程模拟方法、灾害监测预警与灾害主动调控技术,结合世纪工程川藏铁路与渤海湾通道工程,论述了中国地下工程建设面临的机遇和挑战,并对地下工程重点突破方向进行了相关探讨,可为地下工程灾害领域的研究提供借鉴。
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  深埋隧道强烈岩爆孕育微震主频演化规律

  肖亚勋, 李小亮

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 14-19. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.002

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  岩爆是深埋隧道施工过程中常见的一种地质灾害,严重制约深埋隧道开挖的安全和效率。本研究从岩爆孕育相关的岩体破裂所释放微震波频率的角度出发,建立了基于微震波频率衰减特征的隧道岩体破裂微震主频计算方法。分析了锦屏二级水电站引水隧洞群大埋深大理岩洞段,隧道掘进机(TBM)和钻爆法两种施工方法下的典型强烈岩爆案例。研究结果表明:TBM强烈岩爆孕育时岩体破裂微震主频由高向低交替变化,且在岩爆发生当日降低到最小,钻爆法强烈岩爆的微震主频演化则是无序的;TBM和钻爆法强烈岩爆孕育过程中单日最小微震主频一般低于200Hz,且TBM单日最小微震主频呈逐渐降低的趋势。微震主频的演化规律可为深埋隧道岩爆预警预测提供参考。
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  深部矿井应力主导型煤岩瓦斯动力灾害声发射监测预警方法

  李建功

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 20-27. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.003

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  矿井深部开采条件下,传统预测方法难以准确预测应力主导型煤岩瓦斯动力灾害的发生。为提高动力灾害预测的准确性和可靠性,以平煤十矿己15-24080采面为研究对象,采用声发射监测预警技术对工作面回采进行实时监测。研究发现,应力主导型煤岩瓦斯动力灾害发生前,声发射指标整体上呈现逐渐升高的趋势,且动力灾害发生在声发射指标演化曲线的下降段;声发射前兆模式呈现为指标"先上升后下降"的模式。基于此提出了"静态临界值与动态趋势预警"相结合的煤岩瓦斯动力灾害声发射判识预警方法,并建立了工作面应力主导型煤岩瓦斯动力灾害声发射判识预警准则,实现了对深部矿井应力为主导型煤岩瓦斯动力灾害的超前监测预警,确保了工作面安全高效开采,完善了声发射监测预警技术体系。
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  完整岩石单轴抗压强度确定方法研究

  薛东杰

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 28-36. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.004

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  完整岩石单轴抗压强度是传统和普适Hoek-Brown(HB)强度准则中的关键参数,其与岩石软硬程度和岩石破碎程度具有强关联性,而理想值或理论值严格意义上并不等同于单轴测试值。真值的唯一性确定直接影响HB强度准则的准确性,由此提出一种新的思路解决这一难题。首先明确了岩石软硬程度和岩石破碎程度的确定应基于分布特征而非单一样品,这可使完整岩石单轴抗压强度、岩石软硬程度和岩石破碎程度三个参数力学意义上自洽。进而证实了传统HB强度准则表达式的不确定性,本质原因是三个参数无法从单一曲线中唯一确定,明确问题的关键核心是完整岩石单轴抗压强度值的唯一性。由此提出了确定HB强度准则新的线性解决方案,将三个参数改为两个参数,可简单快速唯一地确定HB强度准则曲线。最后为了提高精度,引入四种误差评判方式:绝对误差绝对值和、绝对误差平方和、相对误差绝对值和以及相对误差平方和,可显著缩小预测值与实验值的偏离误差。新的线性方案匹配任意一种误差形式可确保完整岩石单轴抗压强度的唯一性,研究工作为深入理解HB强度准则提供了新思路。
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  动力灾害过程中锚杆支护的极限承载能力数值模拟研究

  魏明尧, 张守文

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 37-45. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.005

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  通过对深部巷道遭受冲击扰动的应力动态演化和围岩破坏的过程进行数值模拟,分析了锚杆与围岩的耦合体系承载冲击的能力,得到了深部锚杆支护巷道抵御动力冲击能力的规律。研究结果表明:水平方向的冲击应力波对巷道底脚和顶板破坏最严重,造成巷道断面挤压变形,同时引起冲击扰动壁面岩块受应力波叠加作用产生弹射;一定的锚杆支护结构在其承载范围能够抵御相应强度的动力冲击,但在更强冲击荷载下对巷道造成的破坏严重加剧,致使锚杆大量失效,并最终导致整个支护体系完全失去支护能力;冲击扰动对靠近扰动源壁面破坏严重,对其他壁面影响较小;原岩应力大小对冲击破坏影响明显,采深越大,冲击扰动造成围岩变形幅度越大,锚杆支护体系破坏更严重。研究结果为进一步开发深部巷道抗冲击破坏稳定性控制技术及制定方案提供了依据。
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  冲击载荷作用下端锚锚杆动态力学性能模拟研究

  张玉宝, 赵晨, 张子健

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 46-54. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.006

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  为研究端锚锚杆在冲击载荷作用下的动力响应,采用ABAQUS/Explicit软件对锚杆开展动态冲击数值模拟试验,分析不同冲击能量条件下端锚锚杆的抗冲击力学性能。研究结果表明:随着冲击能量的增大,锚杆最大冲击力和伸长率逐渐提高,锚杆全过程动力响应时间也相应增加;在冲击载荷作用下,锚杆自由端受力存在一个传递过程,即冲击瞬间靠近冲击位置的自由端杆体先受力,然后逐渐向靠近锚固端一侧传递,之后锚杆受力逐渐调整,最终趋于稳定;锚杆锚固端轴应力和剪应力分布可划分为冲击初期、中期、末期三个阶段,当冲击能量增大时,锚固端轴应力和峰值剪应力逐渐增大,锚杆更容易进入塑性屈服状态,杆体与锚固剂界面破坏也越严重。
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  高杂质盐矿已有溶腔大规模储气技术研究进展

  施锡林, 马洪岭, 章雨豪

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 55-65. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.007

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  加快建设大型地下盐穴储气库是保障我国能源安全的迫切需求,但在现有的盐岩储库建设标准和技术体系下,我国高杂质盐矿水溶开采形成的溶腔难以用于建设大型地下储气库。为摆脱这一困境,在广泛调研我国盐矿地质和水溶采矿特点的基础上,综合采用水溶采矿理论分析和现场声纳探测等研究手段,摸清高杂质盐矿采卤溶腔的三维形态,研究发现盐矿不溶物沉渣堆积散体的空隙率高且连通性良好,具备大规模储气的基本条件。基于这些发现提出了从溶腔底部排出空隙卤水的新思路,进而形成了高杂质盐矿已有溶腔改建大型地下储气库的技术体系。相关理论和技术成果突破了盐矿品位对建库可行性的限制,建库可选范围及建库规模扩大数倍,可为天然气储存及压缩空气储能等能源储备工程提供重要参考。
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  垂直管道内液-固两相流动的压降和相分布特征

  张健, 张栋, 邱月

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 66-71. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.008

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  为得到垂直管道内液-固两相的流动特征,采用电阻层析成像方法对流动的相分布和含率等进行测量,并采用无量纲参数对流动的压降进行分析。研究表明,垂直管道内液-固两相流动中固相颗粒均呈非均匀分布,且浓度呈近似轴对称分布;不同颗粒粒径的液-固两相流动中的相间速度滑移程度不同;液-固两相流动中,粒径较小固相颗粒的掺入可有效降低流动的摩擦压降,具有湍流减阻的作用,而由于粒径较大固相颗粒间存在频繁碰撞,会增加流动压降;对于相间速度滑移较小的液-固两相流动,可采用均相流模型对流动的压降等参数进行精确计算,为准确预测液-固两相流动的压降,合理设计海洋资源生产及输送系统提供理论依据。
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  盐穴储气库垫底气利用方案研究

  马洪岭, 施锡林, 章雨豪

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 72-78. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.009

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  为保证盐穴的安全,盐穴储气库运行过程中留有垫底气,这是盐穴储气库的特点之一,也是盐穴储气库的缺点。为充分利用盐穴储气库的垫底气,首先介绍了紧急工况下的最小运行压力概念,并给出基于屈服-扩容-破坏复合强度理论的设计准则,该方法能够采出部分垫底气;其次,为了置换出全部的垫底气,提出饱和卤水置换盐穴储气库垫底气的技术方案,该方案能够置换出全部的垫底气,但该方案需要大量的饱和卤水;然后,提出采用高压空气置换盐穴储气库垫底气,利用饱和卤水作为隔离介质,高压空气推动饱和卤水,饱和卤水推动天然气来置换出全部垫底气,该方案仅需一口溶腔的饱和卤水作为隔离介质,就可以用空气置换出全部的垫底气,但置换效率受制于液体的流动速度;最后介绍了一种内胆式盐穴储气库,该型储气库为无垫底气式储气库,能够高效采出全部的天然气,并能保持盐穴内压在一个较高的压力水平,有利于盐穴的稳定,能够延长其使用年限。
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  超临界CO₂吸附诱发煤力学性质劣化的双重损伤效应分析

  刘力源, 马文成, 王卫东

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 79-86. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.010

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  将CO₂注入到深部不可采煤层中提高煤层气采收率和CO₂长期地质封存,CO₂吸附将会诱使煤微观结构及力学性质发生显著改变。深部煤层赋存环境下CO₂将会相变为超临界CO₂,诱发煤微观结构发生更大程度改变,强度和变形特性变化更显著。大量实验结果表明,不同压力下的饱和CO₂煤样强度和弹性模量发生不同程度的劣化,煤样峰值强度和峰值应变演化不协调。基于此,引入双重损伤本构关系用以描述超临界CO₂吸附诱发煤强度和变形特性变化,并构建了裂隙中游离CO₂流体的有效应力和吸附诱发的膨胀应力耦合分析模型。通过对比验证,数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性。数值模拟结果表明,饱和CO₂压力越大诱发的煤损伤越大;特别是,超临界CO₂诱发煤单轴抗压强度和弹性模量劣化更显著。
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  着陆器足垫与月壤竖向冲击简化动力学模型

  钟世英, 凌道盛

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 87-92. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.011

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  月面软着陆过程中足垫在冲击条件下的动力响应是着陆缓冲机构设计的重要依据。月壤颗粒受压易碎和散体材料特性对足垫与月壤动力相互作用起控制作用。参考NASA提出的动力控制方程,引入月壤阻尼效应建立足垫-月壤一维竖向冲击数力模型。结合室内试验、数值模拟和模型试验结果,建立月壤状态特性相关力学参数计算模型,构建冲击质量累积模型,采用精细时程积分算法将冲击过程中参数变化纳入方程求解,最终得到不同给定条件(冲击质量、冲击速度)下足垫受力和位移时程曲线和峰值。同时,以冲击质量1.5kg、冲击速度1m/s为例验证了模型计算结果与实测结果具有较好的一致性,可以作为缓冲机构设计冲击力、位移、作用时间输入值的估算模型。
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  竖向抗压桩承载机理与受力特性分析方法

  张乾青

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 93-105. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.012

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  桩基础具有竖向承载力高,基础沉降小,调节不均匀沉降能力强等优点,成为大型建构筑物的主要基础型式。桩基承载力与沉降分析是桩基设计中的主要内容。本研究基于桩身布设钢筋应力计的单桩现场静载试验结果,分析了竖向抗压单桩荷载-沉降关系、桩身轴力分布规律、桩侧摩阻力和桩端摩阻力发挥特性等,总结了不同桩侧和桩端荷载传递模型,明确了荷载传递模型中各参数的意义和取值方法。以桩侧和桩端荷载传递双曲线模型为例,考虑群桩中各基桩间的相互作用,提出了群桩中各基桩的双曲线荷载传递函数,结合荷载传递法形成了考虑桩-土体系渐进变形的桩基承载特性迭代计算方法。
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  界面性能对层状结构材料力学行为的影响

  彭志龙, 杨爽, 陈少华

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 106-112. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.013

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  自然界生物材料(贝壳、骨头、龟壳等)大都具有人工材料不可比拟的优异力学性能,主要由于该类生物材料由大量基本组成单元通过桥联界面构筑而成。为了揭示界面性能对整体材料力学行为的影响,建立了相应的有限元模型,数值模拟了不同界面性质对材料强韧机制的作用,主要考虑了界面强度、界面刚度及界面最大分离位移等影响因素。结果表明,界面性能对材料力学行为有重要影响,当基本组成单元材料性质一定时,根据界面性能的不同,整体材料破坏分为界面失效、界面和组成单元混合失效以及组成单元失效三种形式,进一步对影响整体材料强度和韧性的主要因素进行了讨论。研究结果对设计力学性能优异的层状复合材料具有重要的指导作用。
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  块体可动性判断的几何算法研究

  徐栋栋, 李波

  山东科技大学学报（自然科学版）. 2020, 39(04): 113-120. https://doi.org/10.16452/j.cnki.sdkjzk.2020.04.014

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  在地质素描图上人为地搜寻可动块体是岩石块体稳定性分析的一种技术手段,但这依赖于较强的工程经验。全空间赤平投影是一种纯几何分析的方法,提供了块体可动性判别所需的相关信息。但仍处于需要人为判断的初级阶段,尤其当开挖面过多时,这种处理方式显得更为繁琐且更容易出错。为了解决这一问题,提出一种块体可动性判断的计算机自动识别算法。首先离散化各投影圆,然后采用拓扑几何搜索算法确定节理锥和开挖锥的具体几何形态。进而采用计算几何的理论来判断两者之间的交割关系,实现块体可动性的自动化分析。针对这一算法,编制了相应的计算程序,通过工程案例分析,证实了方法的正确性。