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2020年  第5卷  第5期

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矿区非线性沉降的GM(1,1)预计残差改进模型及应用
阎跃观 , 代文晨 , 牛永泽 , 谯震
2020, 5(5): 475-481. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.001
摘要(382) PDF(101)
摘要:
矿区地表移动变形关系到矿区安全生产和地面建(构)筑物的安全,对矿区地表进行定期监测并预测具有重要现实意义。矿区地表沉降由于持续时间长,观测数据具有长时序且表现为非线性变化的特征,因此存在建模数据区间难以选取、GM(1,1)模型预测精度不高的问题。针对以上问题,本文建立了基于残差加权改正的GM(1,1)改进模型,提出了先阶段后截尾的建模数据区间选取方法、预测流程和模型精度评定标准。经过实例应用验证,GM(1,1)预计残差改进模型预测精度优于GM(1,1)模型,且先阶段后截尾的建模数据区间选取方法能够提高预测精度。
采动影响下逆断层冲击地压矿震时空分布规律分析
任政 , 姜耀东
2020, 5(5): 482-489. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.002
摘要(498) PDF(80)
摘要:
为了分析开采扰动下逆断层冲击地压矿震活动时空分布规律,根据G-R地震活动幂次分布规律,结合现场微震监测数据与数值模拟方法,通过矿震活跃度b值以及地震矩值M 0对井下矿震活动分布规律以及高震级事件能量释放水平进行了分析。研究结果表明:在时间跨度上,井下矿震事件频次分布规律符合G-R分布规律,b值越小,高震级矿震事件在整个矿震事件中频次越高,对工作面冲击危险性影响越严重。b值受原岩应力、开采扰动、断层性质的影响:最大与最小主应力差值越大、开采速率越快、断层倾角越小、落差越大,b 值越小;逆断层地震矩M 0在空间分布上有着明显的差异性。靠近高位岩层附近断层面区域的地震矩值为整个断层面上的峰值区域,随着工作面不断逼近断层面,断层面上的高峰值区域会不断增大且向下部区域蔓延,使得整个断层面上的地震矩不断增大。断层面地震矩值的增大意味着可释放能量水平不断提高,对工作面造成的扰动也会更加剧烈,进一步增大冲击地压事故的危险性。
单侧开半圆孔PMMA试件Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹动态扩展及数值模拟研究
李成孝 , 张渊通 , 安晨
2020, 5(5): 490-501. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.003
摘要(392) PDF(56)
摘要:
为研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展问题,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对含有预制裂纹的单侧开半圆孔(Unilateral Semicircular Hole,USH)PMMA 试件进行冲击,得到了Ⅰ型裂纹和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹,同时采用动态焦散线实验方法研究了裂纹扩展时程关系及裂纹扩展尖端动态应力强度因子的变化规律,利用ABAQUS 软件对试验过程进行数值模拟,研究其扩展路径。结果表明:通过试验得到的Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹轨迹和数值模拟的结果基本相似,证明了利用数值方法模拟裂纹扩展轨迹的可行性;两种类型的裂纹在扩展过程中尖端均会出现停顿,最终都会朝着试件中轴线方向移动;使用单侧半开圆孔试件进行SHPB以及动态焦散试验可以有效研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展过程,为后续研究裂纹扩展提供思路。
早龄期混凝土动态力学性能实验研究
李胜林 , 凌天龙 , 张会歌 , 张明悦
2020, 5(5): 502-510. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.004
摘要(382) PDF(52)
摘要:
采用75 mm 的SHPB 实验装置对5种不同龄期的C20和C40混凝土分别进行单次和重复冲击实验,从养护龄期和应变率两方面系统研究了冲击荷载作用下早龄期混凝土的力学性能。单次冲击实验结果表明:相同应变率条件下混凝土的动态抗压强度与龄期呈对数关系,峰值应变随应变率的增加而增大;每一龄期的单轴抗压强度与应变率为幂函数关系,峰值应变则随冲击龄期的增加而减小。重复冲击实验结果表明:龄期小于3 d 的混凝土试件受到冲击作用,达到标准养护龄期后其变形能力有所减弱,龄期超过5 d后,早期冲击作用则使其变形能力增强;当首次冲击的应变率超过25s-1,达到标准养护龄期后混凝土的动态抗压强度随早期冲击应变率的增加而减小,龄期越大,降低幅度越大。结合C20和C40混凝土实验结果分析认为,混凝土强度等级越低,其力学性能受应变率和冲击龄期的影响越大。
两侧采空巷道挤压变形机理与控制对策
李永亮 , 王宇轩 , 林海 , 朱晔 , 李炜煜 , 王梓旭
2020, 5(5): 511-518. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.005
摘要(487) PDF(42)
摘要:
为解决两侧采空巷道挤压大变形控制难题,以山西丰汇煤矿布置在两采空区之间的工作面轨道巷为工程背景,综合采用现场监测、理论计算和数值模拟等方法,分析巷道变形破坏特征,研究巷道覆岩结构特点与不同采动条件下围岩塑性区分布形态和应力环境,揭示两侧采空巷道挤压变形机理,并提出以“强化关键部位、注浆改性围岩”为核心的锚固加注浆联合支护方案。现场监测结果表明,新支护方案对两侧采空巷道挤压变形控制效果好,可为类似条件下巷道围岩稳定控制提供参考。
断层保护煤柱下采煤工作面保留巷道破坏分析及其控制
李臣 , 李鹏 , 鲁时雨 , 罗茗 , 刘玉磊 , 左明辉
2020, 5(5): 519-527. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.006
摘要(356) PDF(53)
摘要:
针对布尔台煤矿2-2煤断层保护煤柱下方4-2煤开采导致其保留巷道产生剧烈变形破坏的情况,通过现场实测、理论分析、数值模拟等方法对断层保护煤柱下采煤工作面保留巷道的破坏特征及致灾机理进行了研究。研究表明:①保留巷道变形破坏区域性特征明显,断层保护煤柱下更为剧烈,超前影响范围可达100 m;②多次采动造成断层保护煤柱下保留巷道位置处垂直应力叠加和水平应力卸,最大垂直应力为原岩应力的1. 8 倍,水平应力普遍小于原岩应力;③多次采动后,保留巷道塑性区在煤柱下方可达2 ~3 m,在采空区下方多在1 ~1. 5 m。针对性地提出水压致裂并结合锚索补强支护的治理方案,效果良好。
大采高综采煤壁动静载稳定性及采高的尺度效应研究
范志忠 , 潘黎明
2020, 5(5): 528-535. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.007
摘要(379) PDF(51)
摘要:
针对大采高工作面动静荷载引发的片帮冒顶等围岩失稳问题,通过理论分析、数值模拟和实验室试验,对动载作用下大采高工作面煤壁失稳机理及特征进行了研究;建立了PFC 2D双轴压缩数值试验模型,将裂隙植于模型内,研究了煤体和煤样在静载作用下的尺度效应规律,认为煤层中天然缺陷的数量、贯通性及其分布规律对尺寸效应有明显影响,试样越大,其强度越低,其变化呈对数曲线变动趋势;进一步采用霍普金森试验研究了煤样动静载条件下的力学特性,得出峰值强度与煤壁稳定性存在较好的一致性关系,一定程度上反映采动影响下细微节理构造和缺陷对煤壁稳定性的影响程度。以阳泉矿区为例,分别将一矿、二矿、五矿和新景矿 15 号煤样动、
静峰值强度与现场实际的煤壁稳定性进行对比,认为煤样动态峰值强度能较好地反映采动应力对煤壁稳定性的影响,为强扰动下科学采高的界定提供了理论依据。
矿用高压变频器中IGBT模块在阶跃脉冲下局部放电特性
王彦文 , 冯琛 , 陈鹏 , 高志宣 , 孙燕盈 , 王乐
2020, 5(5): 536-545. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.008
摘要(525) PDF(60)
摘要:
针对矿用高压变频器常因 IGBT 模块内部发生局部放电而导致故障的原因和特性进行了研究。 本文从微观角度观察了 IGBT 模块局部放电发生位置的结构特点,发现其结构绝缘薄弱处在高斜率阶跃脉冲作用下易发生局部放电现象;建立了 IGBT 模块在阶跃脉冲作用下的局部放电过程模型,揭示其发生局部放电的机理;搭建实验平台,测试 IGBT 模块在单个脉冲作用下的局部放电特性。 实验结果表明,脉冲的上升时间、脉冲宽度是影响局部放电起始电压的主要因素;根据实验数据的分析,提出了预测局部放电起始电压的计算公式。 研究结果可为煤矿电力电子设备 IGBT 模块的绝缘设计和使用时的电压限制提供参考依据。
基于广义状态空间平均法的串联谐振三端口DC/DC变换器建模与控制
洪君 , 程红 , 沙广林 , 田昕 , 王聪
2020, 5(5): 546-555. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.009
摘要(480) PDF(71)
摘要:
三端口双向DC/ DC变换器的建模方法主要对谐振槽为单一电感或每个端口建模进行研究,缺少对谐振槽为LC谐振的拓扑建模。本文采用一种广义状态空间平均法对串联谐振三端口DC/ DC变换器进行建模,并对系统的工作模式、动态建模过程和控制策略进行了研究。通过在MATLAB/ Simulink中搭建仿真模型,对不同工作模式下功率流动进行仿真验证。结果表明,该建模方法设计的控制策略能够获得良好的系统动态响应特性。
ZTAp/Fe45复合材料的强韧性研究
王悦 , 付道仁 , 信振洋 , 陈华辉 , 潘永泰 , 朱长勇
2020, 5(5): 556-563. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.010
摘要(310) PDF(68)
摘要:
材料的强韧性与材料的耐磨性密切相关。本文研究了氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒(ZTA p )增强金属基复合材料的强度、韧性以及断裂机理,为改善ZTA p增强金属基复合材料耐磨性提供参考依据。首先通过真空烧结技术制备了不同粒径与不同体积分数的ZTA p / Fe45复合材料,测试了复合材料的拉伸性能、弯曲性能与冲击韧性,采用扫描电镜(SEM)观察了复合材料的断口,分析了复合材料的断裂机制。结果表明:ZTA p的加入使复合材料的强度降低、韧性提高。随着ZTA p 体积分数增加,复合材料的抗弯强度逐渐降低;ZTA p 粒径增大,复合材料的冲击韧性先增加后降低,ZTA p 粒径为2. 0mm 与2. 5mm(F14与F12)复合材料的冲击韧性高于Fe45 基体。ZTA p / Fe45复合材料的断口为脆性断裂,其中Fe45基体的断裂机理为解理断裂;ZTA p主要有2种失效形式:颗粒断裂和颗粒脱粘拔出。
MnFe2O4@硅藻土复合材料的制备与染料去除性能研究
宋俊颖 , 黄占斌
2020, 5(5): 564-574. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.011
摘要(380) PDF(52)
摘要:
印染工业生产中大量染料废水排放进入环境,对水生生物及人类健康造成威胁。为减少染料废水污染,本研究制备了一种MnFe 2 O 4@硅藻土复合材料吸附剂(MnFe 2O4@ DE),对废水中孔雀石绿(MG)染料具有优良去除效果且制备方法简单。通过多种方法对复合材料结构特性进行分析,研究了其对 MG 的吸附效果。试验结果表明,MnFe 2O4@DE中纳米铁锰颗粒均匀分布在硅藻土表面,其比表面积(112. 1m2 /g)及孔体积(0. 24cm3 /g)较两种单体材料明显增大。MnFe2O4@DE 对MG有较好去除效果,它对MG的最大吸附量为25. 70mg/ g,分别是硅藻土和MnFe2O4的1. 89 倍和1. 13 倍。MnFe 2O4@DE对MG的吸附过程是自发、吸热的,符合伪二级动力学和Langmuir 模型,且具有很好的再生性能,再生使用4次后仍具有87. 56%的去除率。可见,MnFe2O4@DE在染料污染治理领域具有较好的应用潜力。
煤矿地下水库DOM来源解析
韩佳明 , 于妍 , 郑然峰 , 李墨 , 张凯 , 蒋斌斌
2020, 5(5): 575-583. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.012
摘要(441) PDF(83)
摘要:
为深入了解溶解性有机物(DOM)在煤矿地下水库水环境中的变化过程,本研究利用三维荧光光谱(EEMs)结合平行因子分析(PARAFAC)模型,分析了大柳塔煤矿地下水库进出水中DOM 组分的变化情况,并利用主成分分析法对影响水体 DOM 的主要因素进行了研究。 研究结果表明,煤矿地下水库有一定的净化作用,表征 DOM 的 TOC 和 UV 254 在出水处有明显降低;地下水库水体中 DOM 可分为紫外区类富里酸(240 nm/380 nm)、类蛋白色氨酸(275 nm/330nm)、紫外区类富里酸(255 nm/380 nm)、可见类富里酸(265 nm,355 nm/380 nm)4 个组分;通过主成分分析以及对 f 470/520 、HIX、BIX 3 个参数的分析,结果表明 DOM 的来源表现为内源输入与陆源输入共同作用,但以内源输入为主的特点,在地下水库的运行管理过程中应重点考虑内源污染的治理。
非金属(C、N、S、P)掺杂对锐钛矿TiO2性质影响的第一性原理研究
王冠宇 , 郭卫杰 , 刘迪 , 许德平
2020, 5(5): 584-591. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.013
摘要(364) PDF(77)
摘要:
利用 Materials studio软件建立了锐钛矿原胞模型,采用非金属C、N、S、P置换TiO2中O的方式进行掺杂,建立TiO1.X 0.125 (2×1×1)(X 为 C、N、S、P)超晶胞,采用基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的Castep 软件包对锐钛矿TiO2和TiO 1.875 X 0.125 的能带结构、态密度和光学性质进行分析。结果表明:非金属掺杂锐钛矿TiO2的带隙值较锐钛矿TiO2均减小,分别为0. 57eV (TiO 1.875 C 0.125 )、1. 93 eV ( TiO 1.875 N 0.125 )、1. 30 eV ( TiO1.875 S 0.125 ) 和 0. 21 eV(TiO 1.875 P 0.125 ),并且光吸收边界均出现了不同程度的红移( TiO1.875 P 0.125 > TiO 1.875 C 0.125 >TiO 1.875 S 0. 125 > TiO1.875 N0.125 )。 非金属(C、N、S、P)掺杂均会窄化锐钛矿 TiO 2 的禁带宽度且使能带变得致密,C、P 掺杂材料的价带和导带均向低能量区偏移,而N、S 掺杂材料的导带出现负移,价带偏移不明显。由于C-2p、N-2p、S-2p、P-3p 轨道与 O-2p 和Ti-3d 轨道的不同程度杂化耦合,禁带中不同位置出现了不同数量的杂质能级,进而形成新的可见光吸收区,并且可捕获价带电子,延长光生电子和空穴的复合时间,有利于提高光催化效率。其中,C和P掺杂锐钛矿TiO 2的带宽较窄、带隙值较小、红移程度高,在可见光区光催化活性较高。
全面发挥大学在国家创新体系中作用的战略思考
中国矿业大学(北京)-武汉大学“大学创新研究”课题组
2020, 5(5): 592-600. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2020.05.014
摘要(247) PDF(118)
摘要:
大学作为国家创新体系的重要主体,在我国推进创新驱动发展战略、建设世界科技强国中发挥关键作用。 大学是社会创新创业人才培养的主阵地,是基础研究与原始创新的重要源头,是创新文化与科学精神的重要塑造者。 同时大学通过与产业界协同创新,加速科技成果转化;通过参与全球科技创新合作,推动开放式国家创新体系建设。 新时代全面发挥大学的五维创新功能,促进国家创新体系治理能力提升。 本文认为要改革大学人才培养模式,加强大学优势基础学科建设,厚植大学创新文化基因、弘扬科学精神,围绕经济高质量发展深化大学与产业界创新互动、利益协同,加强与国际一流高校院所的科技创新合作交流。

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