巷道围岩渗流场和应力场各向异性特征分析及应用

依托范各庄煤矿12号煤层底板的砂岩巷道工程实际,应用岩体结构面非接触测量（ShapeMetriX3D）系统,对巷道开挖面进行岩体结构面数字摄影测量及识别,得到岩体结构面的几何分布参数;在此基础上,利用Mont-Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论计算岩体的渗透张量和弹性张量,研究了岩体力学参数各向异性和尺度效应;最后,建立了平面应变情况下的巷道围岩各向异性渗流力学模型,采用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件,计算得到了可以考虑节理分布特征的巷道围岩应力场和渗流场,并讨论了岩体力学性质主方向对围岩应力场、渗流场及损伤区的影响。研究表明,岩体的各向异性对数值模拟结果影响显著,等效连续介质的各向异性模型能考虑岩体结构面的影响,更符合工程实际。     

金属矿山节理化岩体巷道锚杆支护加固机理模拟研究

论文通过数值模拟手段分析研究锚杆支护对金属矿山节理化岩体巷道的加固机理,研究了锚杆支护前后岩体结构应力场和位移场的变化规律,从而判断锚杆的加固效果。模拟结果表明:锚杆加固支护极大增强了节理巷道围岩自身的承载能力,改善了巷道围岩的受力情况,限制了巷道岩体围岩的变形量,为锚杆支护在节理岩体中的应用提供了理论支持。     

地下采场顶板节理岩体的可靠性分析及应用

通常岩体中分布有较多的节理,而其稳定性受到节理产状的影响,结合工程实际,基于关键块体理论建立了地下采场顶板稳定性可靠度分析模型,并且考虑多节理共同作用和岩石力学参数取值的不确定性对岩体稳定性评价造成的影响,运用一维优化算法与区间理论求解采场顶板节理岩体的可靠性指标,该指标的数值可作为地下采场顶板的节理岩体稳定性的综合评价依据。将该方法运用于某地下采场顶板的稳定性综合分析中,其结果显示:该方法在分析地下节理岩体结构稳定性中具有一定的优势,可避免某个岩石力学参数在取值不准确时对计算结果产生较大影响。     

地下水和温度影响下的深部巷道变形特征

由于深部岩体长期处于应力场、渗流场和温度场三场耦合环境中,导致岩石性质已经不同于浅部。深入了解和掌握深部环境中的岩体工程的力学特性显得非常重要且急迫。因此总结分析了应力场、渗流场和温度场三场之间的耦合关系,并给出了三场平衡方程。运用FLAC3D软件建立起包含应力场、渗流场和温度场的数值计算模型,根据模拟所得的应力、位移分析了孔隙水压、温度和热对流系数对巷道变形破坏的影响。     

单一节理岩体R—R破坏准则及参数确定

为评价岩体中节理对岩体强度特性的影响，分析了单一节理的分布性状，介绍了单一节理岩体破坏的Ｒａｏ－Ｒａｍａｍｕｒｔｈｙ准则及其参数试验确定方法，并应用于峨口铁矿采场边坡两种典型的单一节理岩体强度的研究。     

深部巷道在温度和地下水影响下的变形特征

因为地下深处岩体常年处在温度场、渗流场和应力场三个耦合环境中,所以地下深部岩石和地表浅层岩石的性质不一样,对地下深层岩体力学特征及变形规律进行深入研究显得十分重要。研究了温度场、渗流场和应力场之间的耦合关系,并提出其三场平衡方程。通过FLAC~(3D)数值模拟软件建立用于计算温度场、渗流场和应力场的模型,依据模拟结果分析热对流系数、温度、应力、孔隙水压力等因素对巷道变形破坏的规律。     

概率结构节理岩体各向异性弹性模型

本文以复合材料性理论作了简要介绍，认为由多组非贯通节理切割的节理岩体可视为各向异性的弹性介质。将复合材料弹性理论应用于具有概率结构模型的节理岩体中，从宏观上考察了节理引起的岩体各向异性，推导了节理岩体各向异性的弹性短，提出了利用有限元计算弹性矩阵中应力比矩阵的方法，并对应力比矩阵的元素取值作了初步研究。     

巴鲁巴铜矿节理裂隙调查及岩体质量评价

为了掌握巴鲁巴铜矿矿岩节理裂隙分布情况及矿岩稳定性,为采场结构参数与支护技术优化提供依据,采用详细测线法进行节理裂隙调查统计。借助CSIR地质力学分类方法,依据调查结果、矿区地应力测量和矿岩岩石力学性质试验结果对节理裂隙的统计及其与地下巷道、采场围岩稳定性的关系进行了分析。对矿区分布的主要岩组进行岩体质量分级评价,结果表明巴鲁巴铜矿节理裂隙十分发育,岩体质量中-良,井巷工程需要加强支护。     

白牛厂矿节理化岩体力学参数与采场安全跨度评价

白牛厂矿岩体节理发育、质量差,直接影响采场的稳定性。为了较真实地获得矿区岩体的力学参数,并准确评价采场安全跨度,先对扩展后的Hoek-Brown准则进行了部分修正。然后引入岩体节理间距Js,对传统的GSI确定方法进行了改进,以使节理化岩体结构的描述定量化;再结合Hoek-Brown准则的经典公式,对各种岩体力学参数进行处理。最后,推导了地质强度指标GSI与RMR、Q之间的数学关系,利用Barton提出的工程跨度经验公式,对矿区6种主要岩体采场安全跨度进行了评价,得出了井下无支护采场安全跨度应不大于10m的结论。所用的方法为节理化岩体力学参数的估计提供了一种简单、易行的途径,对采场安全跨度的评价也与生产实际相符,适合在同类矿山中应用。     

热-流-固耦合岩体三轴压缩实验数值模拟

为了探究岩体渗透特性与应力场和温度场之间的关系,进一步获得耦合条件下岩体的力学行为规律,在温度场、渗流场、应力场三场耦合条件下,对岩体进行不同围压梯度、不同Darcy渗透系数的三轴压缩实验的数值模拟研究。研究表明:围压是影响岩体渗透性的因素之一,在其他各场条件一致的工况下,围压越大,岩体的渗透性越低;作用于岩体的应力场对流经岩体的渗流场产生的影响比较明显,流经岩体的渗流场对岩体内部分布的温度场的影响占主导作用,但作用于岩体的应力场对岩体内部分布的温度场的影响并不十分显著;岩体在多场耦合条件下进行三轴压缩实验模拟,端部效应显著,边缘应力分布集中,岩体应力分布呈现上下对称分布状态。     

裂隙岩体渗流水-岩耦合数值分析

以单条平直裂隙中的水流运动规律和裂隙网络渗流模型为基础，介绍了裂隙岩体渗流场与应力场耦合非线性分析的基本原理以及两场耦合的数学模型，并说明了耦合计算方法及步骤，运用算例，通过对比分析耦合及非耦合两种情况下的渗流场等值线图，说明了在渗流场必须考虑水-岩耦合作用。     

渗流作用下非均匀应力场巷道围岩稳定性分析

将巷道围岩视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹塑性理论,分析了非均匀应力场圆形巷道围岩的力学性态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的解析解,基于Mo-hr-Coulumb强度准则,得出了渗流作用下巷道围岩的塑性区边界线方程,并通过具体实例,对比分析了当λ=0.5时渗流作用对应力场的径向应力与切向应力在巷道两帮和顶底板的分布情况。研究表明,考虑渗流作用,对应力场的影响作用更为显著。     

渗透水压力对节理裂隙岩质边坡的影响

基于岩体裂隙网络模型，对含二维平面单裂隙的岩体，分析了渗透水压力与岩体应力场间的相互影响关系，研究讨论了渗透水应力（渗透静水压力及切向拖曳力）、岩体中应力场和裂隙间的相互耦合作用关系，指出了渗流水诱发裂隙岩质边坡失稳破坏的作用机理。     

采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析

底板岩层在采动过程中的变形破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。为了研究底板岩层破坏的细观机理,描述底板岩层的裂隙演化,在分析煤层底板应力环境的基础上,基于岩石工程破坏准则,采用连续介质损伤力学和几何损伤理论的研究方法将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则,建立了煤层底板脆性裂隙岩体介质在孔隙水压力作用下受采动影响的脆性动力损伤发展和孔隙率演变模型。并应用该模型对谢桥矿8#煤层开采过程中的底板变形破坏特征和裂隙水的迁移活动规律进行了脆性动力损伤分析。该损伤力学模型可用于煤层底板稳定性分析。     

Rheological numerical simulation for thermo-hydro-mechanical coupling analysis for rock mass

Under the environment of seepage field, stress field and temperature field interaction and influence, the three fields will not only produce coupling effect, but also have deformation with time due to the rheological behavior of rock mass. In the paper, based on the fundamental theories of rock mass coupling theory and rheological mechanics, the rheological model for fully coupled thermo-hydro-mechanical analysis for rock mass was set up, and the corresponding constitutive relationship, the conservation equation of mass and the conservation equation of energy were given, and the finite element formulas were derived for coupling analysis of rock mass. During establishing governing equations, rock mass was assumed approximately as macro-equivalent continuum medium. The obtained rheological numerical model for fully coupled thermo-hydro-mechanical analysis can be used for analyzing and predicting the long-term stability of underground caverns and slope engineering under the condition of thermo-hydro-mechanical coupling with rheological deformation.     

岩体突水通道形成过程中应力-渗流-损伤多场耦合机制

突水通道形成的渐进性破坏过程是煤矿突(透)水机理研究的关键问题,采动扰动和地下水双重作用下岩体的持续渗流-损伤行为导致破裂通道最终形成.采用可考虑地下水作用下岩体拉剪和压剪双重破坏准则的计算程序,真实再现承压含水层与巷道之间隔水岩体的采动裂隙萌生、扩展、贯通直至破裂通道形成的灾变演化过程,通过对岩体应力场、渗流场和损伤场的耦合演化过程进行分析,实现了对突水通道形成轨迹的准确定位,揭示了突水通道形成过程中岩体应力-渗流-损伤的耦合机制.数值实验结果表明:采动影响下持续的应力-渗流-损伤耦合作用诱发岩体强度降低导致突水通道最终形成,隔水岩体历经了群裂纹萌生、扩展和贯通的渐变过程;通道贯通前,岩体破裂损伤能量激增,通道部位岩体剪应力急剧下降,渗透系数和流量则急剧上升,各物理场均孕育了不同程度的突水前兆信息.     

块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其应用

在详细论述岩体基质岩块与裂缝变形,气体渗流及相互作用物理机制的基础上,提出了块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法,这是岩体介质固气耦合数学模型的重要发展,以含裂缝煤层瓦斯抽放为例,通过数值分析,揭示了含裂缝煤层瓦斯在基质岩块和裂缝中运移,传递和交换,伴随的岩体裂缝和基质岩块变形和应力分布,及其对瓦斯气体运移的相互作用影响规律。     

砂岩蠕变过程中的渗流特性试验研究

岩体是由岩块,结构面和结构面内充填物构成的结构体,在岩体结构的控制下,岩体的变形破坏是复杂的。通过采用RLW-2000型微机控制煤岩三轴流变试验机对水压-应力耦合作用下的脆性砂岩试件蠕变特性研究,认为在实际渗流岩体中,岩体渗透系数与岩体周围应力状态关系密切相关,渗透系数伴随围压增加呈现减小趋势,孔隙水压的上升,在一定范围内使得渗透系数发生变化。且最终孔隙水存在的力学以及侵蚀作用,在试件蠕变变形的过程中加快了试件的破坏速度。     

非均匀、随机裂隙展布岩体渗流应力耦合模型

利用Mento Catlo 模拟技术模拟基质岩块的非均质力学特性,生成岩体内的随机裂隙网络,建立了非均质、随机裂隙展布岩体生成模型,并开发了相应的程序HRFRGM.在岩体力学试验和工程地质调查基础上,利用HRFRGM生成与实际岩体工程特性相近的虚拟岩体.将其与渗流应力耦合计算程序Coupling Analysis结合,建立了非均质、随机裂隙展布岩体渗流应力耦合计算模型.研究了岩体非均质和随机裂隙网络对瓦斯抽放的影响.结果表明,提出的非均质、随机裂隙展布岩体生成模型能较好地模拟岩体的非均质性和随机裂隙展布.