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中南大学学报（英文版）
中南大学学报（英文版）

黄伯云

月刊

2095-2899

zngdxb@mail.csu.edu.cn

0731-88879765

410083

湖南省长沙市中南大学内

中南大学学报（英文版）/Journal Journal of Central South UniversityCSCDCSTPCD北大核心EISCI
查看更多>>《Journal Central South University of Technology》（即《中南大学学报（英文版）》ISSN 1005-9784,CN43-1231/TD）是国家教育部主管、中南大学主办的以材料、选矿、冶金、化学化工、机电、信息、地质、采矿、土木等专业学科为主的科技期,1994年创刊,双月刊。自2007年第1期起与世界著名德国科技出版集团施普林格(Springer-Verlag)联合出版。本刊已被《科学引文索引》（SCI-E）；《EI Compendex》(即EI核心版)；《化学文摘》；《金属文摘》；《铝工业文摘》等知名检索刊物收录：
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    花岗岩断裂预测与临界转变机制:来自临界慢化理论的启示

    王春来周宝坤李长峰文志杰...
    2748-2764页
    查看更多>>摘要：岩石断裂前临界过渡的前兆信息是岩石工程地质灾害预测的关键.基于此,对花岗岩试样进行了真三轴和同步声发射试验.采用临界慢化(CSD)理论,选取合适的窗口长度和滞后长度,研究了花岗岩断裂前声发射信号的特征.花岗岩经历了从稳定阶段到断裂阶段的过渡,表现出明显的CSD现象,其特征是方差和自相关系数显著增加.与声发射时序参数和自相关系数相比,方差突变点更容易识别,且前兆点在时间上达到了总时间的90％以上,具有较好的时效性.此外,方差的计算受窗口长度和滞后长度的影响较小,更适合作为预测花岗岩断裂前兆信息的主要准则.当三轴加载下花岗岩系统趋于断裂的临界点时,其从小扰动中的恢复速度越来越慢,具有低恢复力、低恢复速率的特征,这意味着岩石的断裂是不可逆的,表现为CSD因子的增加.与声发射时序参数相比,CSD因子在阐明花岗岩断裂临界转变的潜在机制方面具有更大的潜力.在此基础上,综合分析声发射特征参数的异常变化模式和CSD因子等预测信息,提出了一种新的岩石断裂多参数协同预测方法,该方法提高了对岩石断裂相关地质灾害的认识和预测.

    花岗岩三轴压缩声发射岩石断裂临界慢化理论

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    水-力耦合作用下煤岩宏细观力学行为及渗流特性研究

    高明忠高政杨本高谢晶...
    2765-2779页
    查看更多>>摘要：了解水-力耦合作用下的煤岩物理力学行为及渗流特征,对矿山围岩稳定性和瓦斯突出防治具有重要意义.通过开展电镜扫描、单轴、三轴等试验,综合分析了不同浸水时长下煤岩的宏细观物理力学特征;并通过在室内还原保护层开采应力路径和注水条件,探究了煤岩采动力学行为与渗流演化规律.结果表明,在水的作用下煤岩微观表面出现剥落现象,微裂隙得到扩展发育;随浸水时长的增加,煤岩单轴和三轴强度呈非线性趋势逐渐降低,在浸水240 h后分别下降63.31％和30.95％;在不同注水压力条件下,煤岩渗透率在开采加载过程中经历三个阶段并最终增大;煤岩峰值应力、渗透率激增点的偏应力及应变均随注水压力的升高而逐渐减小.本研究成果有助于加深对水-力耦合作用下煤岩力学性质和渗流演化规律的理解,为类似条件矿井开采提供指导.

    煤岩浸水力学特性渗透率宏细观特征

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    关闭/废弃矿井新型加固矿柱的抗压性能

    李剑白锦文冯国瑞王善勇...
    2780-2793页
    查看更多>>摘要：矿柱与关闭/废弃矿井地下空间的稳定性和可靠性密切相关.本研究介绍了一种通过纤维增强聚合物(FRP)条带加固方形水泥砂浆柱的新技术,以验证FRP对矿柱的强化效果.与完全包裹FRP护套相比,FRP条带的优点是成本较低且易于施工.通过一系列压缩试验和理论分析,探讨了 FRP条带局部加固方形水泥砂浆试样的力学性能.试验结果验证了 FRP条带增强水泥砂浆柱峰值应力和应变的有效性.与无侧限水泥砂浆试样不同,FRP加固水泥砂浆试样具有双峰特性,主要是因为其应力状态从一维向三维应力状态转变.结果表明,试样的峰值应力随着FRP条带宽度的增加而增加.此外还观察到了其脆延转化特征.随着FRP条带宽度的增加,水泥砂浆试样的极限延性逐渐降低.本研究为遗留煤柱失稳加固提供了新选择.

    纤维增强聚合物(FRP)单轴压缩部分强化双峰行为脆延转化

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    适用于寒区隧道的铁铝酸盐基复合水泥性能及其改良

    彭有李莉谭贤君邱鑫...
    2794-2809页
    查看更多>>摘要：注浆是抽水蓄能电站输水隧洞施工中控制围岩变形、防止水泥侵入的重要技术.但在注浆工程中,低温严重阻碍了注浆材料强度的提高.此外,在低温条件下加入早强增效剂优化注浆材料性能的研究还很匮乏.为了开发适用于寒冷地区输水隧洞的注浆材料,本文首先研究了铁铝酸盐基复合水泥(FSAC注浆材料)在20 ℃和3 ℃下的性能演变.结果表明,低温只会延迟FSAC注浆材料在水化前3天的强度发展.随后评估了四种典型的早强增效剂对FSAC注浆材料早期性能的影响,以优化3 ℃下的早期(≤1d)强度.基于强度和流动性测试选择出了最有效的早强增效剂为甲酸钙,它可以在不影响流动性的情况下提高低温条件下的早期强度.最后采用XRD、TG和SEM等方法对其微观机理进行了分析.实验结果表明,最合适的甲酸钙掺入量为0.3 wt％-0.5 wt％.适当添加甲酸钙改变了水化产物的晶体形态,减小了孔径,通过互锁和重叠形成了更致密的水化产物.然而过量添加甲酸钙则抑制了水化反应,导致水化产物结构简单疏松.本研究成果对寒区隧道开挖过程中控制围岩变形、防止突水突泥灾害具有参考价值.

    铁铝酸盐水泥寒区早强增效剂力学性能微观结构抽水蓄能

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    破碎岩体注浆加固后的承载特性与能量演化

    吴旭坤赵光明孟祥瑞刘崇岩...
    2810-2825页
    查看更多>>摘要：为探究破碎岩体注浆加固对其承载特性的影响,对不同粒径、岩性的注浆结石体进行单双轴压缩试验,研究其力学特性及能量演化机制,并采用能量耗散比k及峰后应力跌落速率AV评价注浆结石体承载的稳定性.结果表明,相比单轴加载,双轴加载下花岗岩结石体(GRM)的强度及延展性高于砂岩结石体(SRM);在单双轴加载下,注浆结石体的能量演化特征主要分为初期、中期及后期三个阶段,初期注浆结石体总能量W、弹性能WE及耗散能WD较小,曲线较为平缓;中期WE迅速增加,WD缓慢增加;后期耗散能WD急剧增加;注浆结石体容纳变形能力与k、AV有关,单轴加载下,k随粒径增大而增大,峰前塑性变形范围增大,而AV随粒径增大而减小,峰后容纳变形的能力增大,承载能力提高;双轴加载下,k随粒径增大而减小,峰前塑性变形范围缩小,AV随粒径增大而增大,峰后容纳变形的能力降低,承载能力降低.本研究结果对不同岩性注浆提高巷道围岩稳定性具有一定的指导意义.

    注浆结石体粒径大小能量耗散比峰后应力跌落速率承载特性

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    动-静超载下大型地下洞室群整体稳定性分析方法与应用

    陈朋飞江权刘健李邵军...
    2826-2843页
    查看更多>>摘要：地下能源与资源开发、深地储能等工程都涉及内外动力扰动下多个相互连通的洞室群整体稳定性问题.本文提出了基于静力超载和地震动力超载的地下洞室群整体稳定性系数定量评价方法.首先以多洞室之间等效塑性应变贯通为判据定义了洞室的整体破坏准则;然后对洞室群模型进行边界地应力和地震烈度的超载计算,通过超载过程中的塑性应变贯通准则来识别洞室群的临界失稳状态.因此,根据相应的超载系数,可以得到多洞室在静力开挖和地震作用下的整体静-动稳定系数.将静-动超载稳定性分析应用在西部强震区硬梁包水电站地下厂房洞室群,结果表明,该方法不仅可以有效获得静力和地震动力下的洞室群整体稳定性系数,还能通过超载下围岩塑性应变空间分布识别洞室局部易失稳的高风险区.本研究对地下洞室群布置设计与抗震优化具有一定的参考价值.

    地下洞室群整体稳定性系数静-动超载局部失稳

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    软弱富水地层承压水对掌子面极限支护力的影响

    李运发伍国军陈卫忠袁敬强...
    2844-2859页
    查看更多>>摘要：软土地层盾构隧道前方存在承压含水层会对掌子面的稳定性构成重大威胁,因此,考虑承压水对掌子面极限支护力的影响至关重要.首先,采用有限元数值软件分析了不同承压水头、隔水层厚度、埋深、盾构直径、土体黏聚力以及内摩擦角条件下掌子面的失稳模式,并统计了各个条件下的极限支护力.随后,结合上述影响因素,采用多元线性回归方法,推导出计算掌子面极限支护力的简明公式.最后,结合事故案例,将本文提出公式的结果与以往传统理论解对比,验证了其有效性.分析得出以下结论:1)承压水影响软土地层隧道掌子面的失稳模式,当承压水头较小时,掌子面前方水力梯度也较小,塑性区失稳形状呈螺旋状,随着水头升高,螺旋倾角增大,失稳形状向圆柱形转变.2)统计各工况下的结果发现,隧道掌子面稳定所需的极限支护力随承压水的水头、隧道尺寸和埋深近似线性增加,与隔水层厚度、土体内聚力和内摩擦角成反比.3)通过工程案例研究分析,本文公式结果与传统理论方法的结果吻合较好,验证了本文所提公式的合理性.此外,所提出的方程克服了传统理论方法在考虑不透水层厚度变化影响方面的局限性,可以准确描绘盾构隧道掘进过程中保持隧道工作面稳定性所需的极限支护力的动态变化,从而更好地反映工程实际.

    软弱富水地层承压含水层极限支护力有限元法多元线性回归

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    中国废弃矿井抽水蓄能及多能源互补开发模式研究

    杨科吕鑫许潮水方珏静...
    2860-2871页
    查看更多>>摘要：随着中国地下能源的长期开采,废弃矿井数量将持续增加,为能源再利用和生态恢复带来新的挑战和机遇.将废弃矿井改造为抽水蓄能电站,并在矿井周边形成多能源互补开发模式,为矿区生态恢复和矿井再利用提供了一种绿色、经济的方案.本文总结了五个关键科学问题:水道系统和地下厂房的防渗、支护和加固,多巷道的引流和节流,人员与设备的安全保障,以及废弃矿井的水下传感和大数据系统.根据废弃矿井的开发场景,划分三种开发利用模式:露天矿坑全地表利用、塌陷矿井半地表利用和废弃矿井全地下利用.结合抽水蓄能电站规模和城市电网特性,提出四种电网模式,确保电能输送、调峰以及光伏电站的联合运行,充分发挥废弃矿井的资源潜力.通过全面梳理这五个关键科学问题和七种利用模式,本文为废弃矿井的多能源互补综合开发提供了明确的路径,并为中国未来废弃矿井的抽水蓄能和新能源电站开发提供了重要参考.

    废弃矿井抽水蓄能地下水库能源系统碳中和

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    废弃矿井抽水蓄能与地热利用系统开发潜力评估

    王蒙郭平业金鑫党冠杰...
    2872-2890页
    查看更多>>摘要：随着我国煤炭在一次能源消费结构中的比例逐年下降,关停矿井数量逐年增多,然而矿井直接关停或废弃会造成巨大的资源浪费,还有可能诱发安全、环境等问题.矿井地下具有丰富的水、热及空间资源,使得建立地下抽水蓄能(PHS)和地热利用系统成为废弃矿井开发再利用的重要手段.本文以徐州夹河废弃煤矿为案例背景,根据当地气象数据和煤矿地质条件,建立了 PHS和地热利用系统的评估模型,评估了夹河煤矿抽水蓄能和地热利用系统的开发潜力.结果表明PHS系统的平均效率超过70％,单位体积可调节能量超过1.53kW·h/m3.当风能/太阳能占比分别达到0.6和0.3时,PHS系统在日和年尺度上达到最佳性能.在地热利用系统中,出水温度和产热量受开采流量的影响显著.在较小的开采流量下,产热性能较为稳定,而在较大开采流量的初始阶段,产热效率较高.随着运行时间的增加,产热效率逐渐降低.循环储热模式在供热、制冷和可持续开发等方面均具有明显的优势.此外,本文以上述评估结果为依据,计算了PHS和地热利用系统的节能减排效益.

    废弃矿井地下储水空间风能/太阳能抽水蓄能地热

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    基于SMOTE过采样和GBDT框架下集成算法的岩爆风险评估

    王加闯董陇军
    2891-2915页
    查看更多>>摘要：岩爆是地下工程常见的一种地质灾害,严重威胁人员、设备和财产安全.利用机器学习模型评估岩爆风险正逐渐成为一种趋势,这对地质灾害预防具有重要意义.本文采用梯度提升决策树(GBDT)框架下的集成算法对岩爆倾向性开展评估和分类.首先,从案例数据库中获得301个岩爆数据样本,采用合成少数类过采样技术(SMOTE)对数据进行预处理;然后,建立包括GBDT、极限梯度提升算法(XGBoost)、轻量梯度提升算法(LightGBM)和类别特征梯度提升算法(CatBoost)的岩爆评价模型,并通过随机搜索网格及五折交叉验证获取模型的最优超参数;之后,使用最优超参数配置,拟合评估模型,并利用测试集对模型进行分析.为了评估模型性能,选取准确率、精度、召回率和F1-score等进行分析,并与其他机器学习模型进行比较分析.最后,利用训练好的模型,对位于陕西省某矿山不同的岩石试样进行了岩爆风险评估,为矿山的安全生产工作提供了理论指导.结果表明,GBDT框架下的算法模型在岩爆水平评估中表现良好,所提出的方法可为岩爆风险等级分析和安全管理提供可靠参考.

    岩爆评价SMOTE过采样随机搜索网格算法K-fold交叉验证混淆矩阵

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