Experimental study on seismic response of anchorage of bedding rock slope with weak layer
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摘要: 首次通过浇筑方式构筑大型相似边坡模型,并进行振动台相似模型试验,且首次测得了地震作用下两锚固界面上的应变,进而深入系统地研究了含软弱层顺倾岩体边坡锚杆杆体和砂浆的地震响应规律。研究发现：地震作用下边坡锚固发生变形,其锚固作用得以发挥,且随地震波的持续输入锚固应变增大,进而达到其峰值,最终锚固破坏失效；其中锚杆杆体的应变响应得到持续增强,而砂浆由于脆性产生裂隙,致使其受到的拉剪力减小,应变响应受到制约；地震作用下锚杆杆体的应变响应可分为拉压循环阶段、张拉阶段、强烈振荡阶段和残余应变阶段4个阶段；砂浆的应变响应可分为拉压循环阶段、张拉阶段和破坏阶段3个阶段；同时,分析了地震作用下锚固边坡中力的相互作用和传递。该研究对岩土锚固理论研究、数值模拟和抗震设计施工均具有重要意义。Abstract: A large-scale slope model is built by pouring for the first time, and the shaking table tests on the similarity model are conducted. The strain of two anchorage interfaces is obtained under the earthquake, and the seismic responses of anchor bolts and mortar of the bedding rock slope with weak layer are studied. The results show that responding to the slope deformation under the earthquake, the anchoring role of the anchorage systems works, the systems' strain increases with the continuous input of seismic waves and then reaches the peak value, and finally they fail. The strain response of anchor bolts is continuously enhanced, while the mortar cracks because of brittleness, which leads to a reduction in the tension and shear of the mortar, and a restriction on the strain response. The strain response of bolts under earthquake can be divided into four stages: tension-compression recirculation stage, tension stage, intensive oscillation stage and residual strain stage. The strain response of mortar can be divided into three stages: tension-compression recirculation stage, tension stage and failure stage. Besides, the role and the transfer law of force in anchored slopes under earthquake are analyzed. This research may provide important reference for the theoretical research, numerical simulation and seismic design and construction of ground anchorages.
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Keywords:
- dynamic response /
- shaking table test /
- weak layer /
- rock mass slope /
- strain
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0. 引言
随着浅部资源逐渐枯竭,深部开采逐渐成为煤炭资源开发的常态。近十年来中国的煤炭开采深度不断增加,超过1000 m的矿井达47对[1]。深部煤层面临高瓦斯压力、高地应力、高地温等特殊地质条件,严重威胁着深部矿山的安全开采,导致瓦斯事故发生率居高不下。据统计,2011—2016年期间煤矿发生较大以上瓦斯事故197起、死亡1667人[2]。深部煤矿开采过程中面临的瓦斯问题是影响煤炭安全生产的主要制约因素之一。
矿山瓦斯动力灾害的本质是开采卸压作用下,煤岩体内部出现微损伤破裂并诱发大规模宏观破坏的动力灾害事故。煤岩瓦斯动力灾害的发生,伴随着煤岩能量的大量释放。声发射监测技术可为研究煤岩瓦斯灾害的诱发机制及预测方法提供科学依据。秦虎等[3]对不同瓦斯压力作用下煤岩的声发射特征进行试验研究,分析了瓦斯压力对煤岩的软化机制,并基于声发射累计振铃计数演化特征构建了煤岩的损伤本构模型。丁鑫等[4]基于声发射时频特征和小波变换方法,对煤岩压缩过程中的应力波的振幅频率进行分析,研究了煤岩强度和信号频带分布之间的关系。陈亮等[5]基于不同压力条件下花岗岩的声发射试验,分析了花岗岩不同破裂阶段的声发射演化机制。熊飞等[6]进行了相交裂隙砂岩压缩试验,分析了不同裂隙角度条件下砂岩的声发射演化特征和裂隙演化贯通直接的对应关系。李宏艳等[7]对煤岩变形破坏过程中的累计振铃计数、声发射能量、频谱变化特征及冲击倾向特征进行了分析。
基于以上研究成果发现,学者们针对含瓦斯煤岩的力学特征研究主要集中在破坏机制和声发射演化机制,针对不同压力作用下煤岩的声发射非线性特征研究较少。基于此,本研究基于三轴渗流-应力耦合试验系统对不同瓦斯压力下煤岩的变形破坏机制及声发射特征进行了分析,对不同瓦斯压力作用下煤岩的声发射非线性演化特征进行研究,以期对煤岩瓦斯灾害的诱发机制研究提供试验和理论基础。
1. 含瓦斯煤的声发射演化特征
1.1 测试装置
煤样取自平煤八矿,埋藏深度610~710 m,该工作面平均瓦斯压力1.6 MPa,瓦斯含量16 m3/t。试验设备采用四川大学MTS815岩石力学试验系统。试验气体采用甲烷气体,分别为1, 2, 3和5 MPa,试验围压10 MPa。
1.2 瓦斯压力对煤岩声发射特征的影响
(1)声发射累计振铃计数特征
孔隙破裂、微裂隙萌生及煤颗粒错动等活动都会以弹性波的形式释放煤体内部储存的能量。声发射设备可以有效的监测煤岩内部微破裂释放的信号。声发射振铃计数是煤岩压缩变形过程中超过设定的声发射门槛值的信号数目,反映了煤岩破裂的严重程度。累计振铃计数是从声发射设备开始记录之后所有的振铃计数之和,二者都可以从不同角度反映煤岩的破裂演化特征。不同瓦斯压力作用下煤岩声发射振铃计数如图1所示。
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图 1 煤岩声发射振铃计数-轴向应变演化曲线Figure 1. Ring count-axial strain evolution curves of acoustic emission of coal不同瓦斯压力作用下煤岩的声发射演化特征具有相似的表现形式。在应力加载初期,煤岩的声发射信号较少,为沉寂期。随着应力水平的增加,煤岩的破裂不断增加,声发射信号进入缓慢增加期。接着煤岩进入塑性变形阶段,声发射信号进入快速增加期。最后在峰值阶段附近和峰后阶段进入活跃期和平稳期。
(2)煤岩的声发射能量特征
声发射方法可以有效地监测煤岩中裂纹的萌生、扩展及破裂特征。在全应力应变过程中,采用了声发射监测设备跟踪了煤岩在不同瓦斯压力作用下的能量演化过程。图2给出了煤岩在不同瓦斯压力作用下的AE能量随轴向应变的演化规律。含瓦斯煤岩的声发射能量特征随轴向应变的演化可以分为3个阶段,缓慢增加阶段,快速增长阶段,残余状态阶段。缓慢增加阶段对应于峰前的弹性变形阶段,这一阶段煤岩内部的损伤较少出现,煤岩中裂纹发育较少,这一阶段的声发射信号很少,整个阶段的声发射能量较低。接着进入快速增长阶段,煤岩进入峰值应力区域,这时候煤岩接近峰值应力或者已经达到峰值应力,煤岩内部出现了明显破裂,声发射累计能量几乎直线式地上升。最后煤岩进入残余状态阶段,煤岩出现残余变形,声发射累计能量继续增加,但是增加幅度有所减缓。此外,还给出了不同应力状态下煤岩声发射定位信号。声发射定位信号和累计能量相匹配,峰前阶段煤岩内部出现随机分布的声发射定位信号。当煤岩在峰值应力点附近,声发射定位信号的分布出现了一定的统计特征,集中在煤岩宏观破坏面附近。
2. 不同瓦斯压力作用下声发射信号的非线性特征分析
设观测到的声发射时间序列为{x(ti)}(i=1, 2, …, n),根据“时间延迟方法”重构相空间,将时间序列拓展成m维[8]。排列中的每一列为,{x(ti), x(ti+τ), x(ti+2τ), …, x(ti+(m-1)τ)}, τ=kΔt为延迟时间,Δt为采样周期。
嵌入维数至少是吸引子维数的2倍,即m≥2 d+1。从嵌入空间的N0个向量中,计算其他N0-1个向量到它的距离：
(1) 对所有的An(i=1, 2, …, N0)重复这一过程,即得到关联积分函数：
(2) 式中,Heaviside函数为
(3) 关联积分可用下式求得
(4) 对于不同的r,如果这些点满足上式具有一定的线性关系,则表明声发射序列具有分形特征。图1表示了不同瓦斯压力作用下典型煤样的应力应变与声发射累计振铃数的关系。将煤岩破坏过程划分为弹性、塑性和峰后阶段,声发射序列拟合结果见图3。
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图 3 不同瓦斯压力下煤岩的声发射关联维数Figure 3. Acoustic emission correlation dimensions of coal under different gas pressures弹性、塑性和峰后阶段的煤岩声发射信号均表现出较好的分形特征。瓦斯压力作用下煤岩的声发射关联维数在峰前阶段先下降随后在峰后阶段出现增加。峰前阶段声发射关联维数的减小表明煤岩内部微破裂由随机分布向宏观主要破裂面聚集。峰后阶段,煤岩出现了宏观破裂,产生了大量的声发射信号。煤岩损伤出现了大幅度提升,声发射关联维数也有所增长。声发射关联维数可以作为一个有效的数学统计参量来描述这种煤岩内部微裂隙演化及破裂演化机制,可以有效的分析预测煤岩的破裂特征。可以在下一步研究中进一步细化,根据应力应变曲线划分更细致的阶段,以分析含瓦斯煤体的声发射分形特征的规律。
图4为不同瓦斯压力下煤的声发射关联维数。在各个阶段,声发射分形维数和瓦斯压力呈现正相关的关系,也就是瓦斯压力越大,声发射分形维数越高。可能是由于高瓦斯压力造成了煤岩微孔隙,微裂隙强度的降低,煤岩的破坏特征更明显,引起了声发射分形维数的提高。
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图 4 不同瓦斯压力下煤岩声发射关联维数Figure 4. Correlation dimension of acoustic emission of coal under different gas pressures3. 结论
利用渗流-应力耦合试验系统进行了不同瓦斯压力作用下煤岩的压缩试验,分析了煤岩不同变形破坏阶段的声发射演化特征。主要结论如下：
(1)不同瓦斯压力作用下煤岩的声发射演化特征具有相似的表现形式。在应力加载初期,煤岩的声发射信号较少,为沉寂期。随着应力水平的增加,煤岩的破裂不断增加,声发射信号进入缓慢增加期。接着煤岩进入塑性变形阶段,声发射信号进入快速增加期。最后在峰值阶段附近和峰后阶段进入活跃期和平稳期。
(2)煤岩的声发射能量和体应变演化有较好的对应关系。随着瓦斯压力的减小,声发射能量快速增加阶段曲线的变得更加陡峭,也表明煤岩的脆性破坏特性加强。随着瓦斯压力的增加,在相同的偏应力水平下,总能量耗散和耗散效率均有所增加。
(3)声发射分形数呈现在峰值段之前下降,峰后又增长的趋势。峰前阶段,分维的降低表明煤岩内部微破裂的增多和主破裂的出现,煤岩内部损伤由无序随机分布逐渐向宏观有序破坏过渡。
致谢: 感谢言志信教授的硕士研究生姚国强、肖鹏、李亚鹏等在试验中所做的工作。 -
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图 5 上锚杆杆体测点6处应变时程曲线
Figure 5. Time-history curves of strain at measuring point No. 6 on bolt of upper anchor
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图 6 锚杆杆体测点应变时程曲线
Figure 6. Time-history curves of strain at measuring point on anchor bolt
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图 8 上锚杆砂浆测点F处应变时程曲线
Figure 8. Time-history curves of strain at measuring point No.F on mortar of upper anchor
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图 9 锚杆砂浆测点应变时程曲线
Figure 9. Time-history curves of strain at measuring point on anchor mortar
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图 11 锚杆杆体和砂浆的应变时程曲线对比图
Figure 11. Time-history curves of strain of anchor bolts and mortar
表 1 模型试验相似比
Table 1 Similarity ratios of model tests
物理量 量纲 相似关系 相似比 长度L [L] CL 8 密度ρ [M][L]-3 Cρ 1 加速度a [L][T]-2 Ca 1 速度v [L][T]-1 Cv=CL1/2Ca1/2 2.83 频率ω [T]-1 Cω=CL-1/2Ca1/2 0.35 时间t [T] Ct=CL1/2Ca-1/2 2.83 位移s [L] Cs=CL 8 应变ε 1 Cε=1 1 弹性模量E [M][L]-1[T]-2 CE=CρCLCa 8 黏聚力c [M][L]-1[T]-2 Cc=CρCLCa 8 内摩擦角φ 1 Cφ=1 1 力F [M][L][T]-2 CF=CρCL3Ca 512 
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表 2 相似材料物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of similar materials
类别 密度/(g·cm-3) 弹性模量/GPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/(°) 抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 基岩 2.41 1.10 3.10 31.00 0.74 10.90 危岩 2.52 0.91 1.70 27.20 0.44 5.20 软弱层 1.93 0.01 0.06 24.00 0.16 1.93 砂浆 2.58 0.47 0.34 39.45 0.20 3.44
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[1] 张咸恭, 王思敬, 张悼元. 中国工程地质学[M]. 北京: 科学出版社, 2000. ZHANG Xian-gong, WANG Si-jing, ZHANG Zhuo-yuan. Engineering Geology of China[M]. Beijing: Science Press, 2000. (in Chinese)
[2] 环文林, 葛民, 常向东. 1920年海原8.5级地震多重破裂特征[J]. 地震学报, 1991, 13(1): 21-29. HUAN Wen-lin, GE Min, CHANG Xiang-dong. Multiple rupture characteristics of the Haiyuan 8.5-magnitude Earthquake in 1920[J]. Acta Seismologica Sinica, 1991, 13(1): 21-29. (in Chinese)
[3] 杨全思. 西藏滑坡地质灾害及防治对策[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2002, 13(1): 94-97. doi: 10.3969/j.issn.1003-8035.2002.01.022 YANG Quan-si. Geological hazard of landslide in Tibet and counter measures[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2002, 13(1): 94-97. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-8035.2002.01.022
[4] 殷跃平. 汶川八级地震地质灾害研究[J]. 工程地质学报, 2008, 16(4): 433-444. doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2008.04.001 YIN Yue-ping. Researches on the geo-hazards triggered by Wenchuan earthquake Sichuan[J]. Journal of Engineering Geology, 2008, 16(4): 433-444. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2008.04.001
[5] 许强, 黄润秋. 5.12汶川大地震诱发大型崩滑灾害动力特征初探[J]. 工程地质学报, 2008, 16(6): 721-729. doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2008.06.001 XU Qiang, HUANG Run-qiu. Kinetics character of large landslides triggered by May 12th Wenchuan earthquake[J]. Journal of Engineering Geology, 2008, 16(6): 721-729. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-9665.2008.06.001
[6] 车纳, 王华宁, 蒋明镜, 等. 岩石锚杆锚固段拉拔破坏机理离散元分析[J]. 地下空间与工程学报, 2018, 14(增刊2): 716-724. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BASE2018S2034.htm CHE Na, WANG Ning-hua, JIANG Ming-jing, et al. Mechanism investigation of rock bolt failure in anchorage segment under pullout via DEM[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2018, 14(S2): 716-724. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BASE2018S2034.htm
[7] 李育宗, 刘才华. 拉剪作用下节理岩体锚固力学分析模型[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(12): 2471-2478. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201612011.htm LI Yu-zong, LIU Cai-hua. An analytical model of jointed rock bolts under the combination of tensile and shear loads[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(12): 2471-2478. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201612011.htm
[8] 张传庆, 崔国建. 锚杆杆体-砂浆界面剪切力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(4): 820-828. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201804005.htm ZHANG Chuan-qing, CUI Guo-jian. Experimental study on shear and deformation characteristics of the rod-grout interface[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2018, 37(4): 820-828. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201804005.htm
[9] 尤春安, 高明, 张利民. 锚固体应力分布的试验研究[J]. 岩土力学, 2004, 25(增刊1): 63-66. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2004S100E.htm YOU Chun-an, GAO Ming, ZHANG Li-min. Experimental research on stress distribution in anchorage body[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 25(S1): 63-66. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX2004S100E.htm
[10] TANNANT D D, BRUMMER R K, YI X. Rock bolt behavior under dynamic loading: field tests and modeling[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1995, 32(6): 537-550.
[11] 张妙枝, 汪班桥, 李楠. 压力型锚杆支护边坡的动力响应与数值分析[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2018, 29(5): 135-141. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGDH201805021.htm ZHANG Miao-zhi, WANG Ban-qiao, LI Nan. Dynamic response and numerical analysis on slope supported by pressure-type anchors[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2018, 29(5): 135-141. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGDH201805021.htm
[12] 许明, 唐亚锋, 刘先珊, 等. 自适应锚索锚固岩质边坡地震动力响应分析[J]. 岩土力学, 2018, 39(7): 2379-2386. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201807009.htm XU Ming, TANG Ya-feng, LIU Xian-shan, et al. Seismic dynamic response of rock slope anchored with adaptive anchor cables[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(7): 2379-2386. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201807009.htm
[13] 郝建斌, 郭进杨, 张振北, 等. 地震作用下锚杆支护边坡动力响应[J]. 交通运输工程学报, 2017, 17(3): 46-55. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JYGC201703005.htm HAO Jian-bin, GUO Jin-yang, ZHANG Zhen-bei, et al. Dynamic response of anchors-supported slope under earthquake[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2017, 17(3): 46-55. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JYGC201703005.htm
[14] 李金和. 地震作用下土质边坡─锚固结构动力响应及相互作用研究[D]. 西安: 长安大学, 2015. LI Jin-he. Study on Dynamic Response and Interaction of Soil Slope and its Anchoring Structure Subjected to Earthquake[D]. Xian: Changan University, 2015. (in Chinese)
[15] 寇昊, 李宁, 郭双枫. 地震作用下岩体边坡破坏机制及稳定性研究进展[J]. 水利水电科技进展, 2018, 38(4): 81-88. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLSD201804016.htm KOU Hao, LI Ning, GUO Shuang-feng. Advances in failure mechanisms and stability of rock slopes under earthquake action[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2018, 38(4): 81-88. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLSD201804016.htm
[16] 龙哲, 言志信, 周小亮. 地震作用下岩体边坡锚固界面剪切作用数值模拟分析[J]. 中国科学：技术科学, 2017, 47(10): 1049-1056. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JEXK201710011.htm LONG Zhe, YAN Zhi-xin, ZHOU Xiao-liang. A numeral simulation of anchored interface shear stress for bolt in rock mass slope under earthquake[J]. Scientia Sinica Technologica, 2017, 47(10): 1049-1056. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JEXK201710011.htm
[17] XU Ming, TANG Ya-feng, LIU Xian-shan, et al. A shaking table model test on a rock slope anchored with adaptive anchor cables[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2018, 112(4): 201-208.
[18] 言志信, 龙哲, 周小亮, 等. 锚固参数对地震作用下岩质边坡锚固界面剪切作用影响的数值分析[J]. 煤炭学报, 2017, 42(10): 2537-2544. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201710007.htm YAN Zhi-xin, LONG Zhe, ZHOU Xiao-liang, et al. Numeral analysis of anchoring parameters for bolt in rock slope anchored interface shear action under earthquake[J]. Journal of China Coal Society, 2017, 42(10): 2537-2544. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB201710007.htm
[19] 周小亮. 地震作用下顺层岩质边坡锚固界面剪应力数值分析[D]. 兰州: 兰州大学, 2013. ZHOU Xiao-liang. Numerical Analysis of Anchorage Interface Shear Stress for Bedding Rock Slope under Earthquake[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2013. (in Chinese)
[20] 黄明华, 周智, 欧进萍. 全长黏结式锚杆锚固段荷载传递机制飞线性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(增刊2): 3392-3397. HUANG Ming-hua, ZHOU Zhi, OU Jin-ping. Nonlinear analysis on load transfer mechanism of wholly grouted anchor rod along anchoring section[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(S2): 3392-3397. (in Chinese)
-
期刊类型引用(5)
1. 陈文昭，胡荣，刘夕奇，卢铎方. 高温作用后玄武岩声发射特性及破裂机制研究. 南华大学学报(自然科学版). 2024(03): 15-23+31 . 
百度学术
2. 胡超，杜世霖，林勇华，叶焰中. 裂隙花岗岩单轴压缩力学特性及声发射特征研究. 水利水电技术(中英文). 2024(S2): 229-235 . 百度学术
3. 刘贵康，李聪，游镇西，胡云起，黄伟，王瑞泽，徐萌. 煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术. 煤田地质与勘探. 2023(08): 13-20 . 百度学术
4. 王磊，王安铖，陈礼鹏，李少波，刘怀谦. 含瓦斯煤循环冲击动力学特性与裂隙扩展特征. 岩石力学与工程学报. 2023(11): 2628-2642 . 百度学术
5. 曹伟伟，温欣，张晓彬，洪学娣. 振动频率对含瓦斯煤渗透特性的影响及模型验证. 矿业安全与环保. 2022(03): 39-44 . 百度学术
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