煤层开采过程中上覆岩层裂隙演化规律研究

以淮南煤矿典型工作面为例,采用离散元数值软件UDEC(universal distinct element code)对工作面回采过程中上下煤岩体内应力场的变化及直接顶冒落过程进行了模拟,分析了上覆煤岩体裂隙产生、发展的形成过程,得到了上覆煤岩裂隙演化规律。研究结果表明,倾向方向工作面回采后,上覆煤岩体内产生冒落、裂隙带和离层带,在工作面内上角位置产生O型圈裂隙带,裂隙发育最大高度为45m。煤层走向回采方向得到了初期来压步距约50m,周期来压步距约20m,上覆煤岩体裂隙在采空区上方约呈45°角发展,并随工作面的前进由下向上、由后往前依次演变。该结果对于煤与瓦斯共采中瓦斯抽放钻孔方位的布置具有工程指导意义。     

裂隙岩体损伤局部化分析

裂隙岩体损伤局部化与裂隙扩展状态密切相关,裂隙扩展到一定长度后裂隙的扩展状态发生分叉,一部分裂隙继续扩展,另一部分裂隙停止扩展。裂隙岩体损伤局部化是由裂隙扩展状态分叉产生的,损伤局部化起始位置也取决于裂隙扩展状态。通过对多裂隙扩展状态的分叉分析,得到了含矩形分布裂隙岩体损伤局部化弯折裂纹临界扩展长度及临界应力。根据系数矩阵的特征值与特征向量,确定了裂隙岩体损伤局部化的位置,而且考虑了裂隙之间的相互作用。最后,通过算例分析得到了裂隙岩体损伤局部化临界应力与裂隙列间距、行间距、围压和原生裂隙倾角的关系。     

岩体材料宏观损伤性质的研究

本文将岩体的裂隙系统考虑成岩体的宏观损伤场，并将损伤力学和断裂力学有机地结合起来，建立了多裂隙岩体的等效连续损伤模型。同时，文章详细讨论了裂隙系统对岩体宏观损伤性质的影响。     

采动影响下损伤煤岩体峰后渗透率演化模型研究

在对比分析煤岩体峰前和峰后阶段渗透率演化规律差异的基础上,通过考虑开挖损伤对煤岩体渗透率的影响,基于裂隙平板模型建立了考虑损伤效应的峰后煤岩体渗透率模型;将实验测试数据与渗透率模型计算结果进行对比分析,验证了渗透率模型的合理性.基于此模型,具体分析了3种典型开采方式下(保护层开采,放顶煤开采和无煤柱开采)工作面前方煤岩体渗透率分布特征.研究结果表明:峰前和峰后阶段煤岩体渗透率均随应力呈现指数增长趋势,但两者在增长量上存在明显不同;根据渗透率分布特征,可以将工作面前方煤岩体划分为4个区域:渗流开放区,渗流屏蔽区,渗流过渡区和原岩渗流区;3种开采方式对工作面前方煤岩体的瓦斯渗流影响规律相似,但是在影响区域范围上存在较大差异.     

煤层底板裂隙网络的生成

矿井突水案例分析表明，绝大多数突水是由构造引起的。因此，将岩体作为由裂隙切割而成的介质来分析矿进突水无疑更接近实际情况。本依据对现场石门岩壁裂隙统计得到裂隙分布规律，应用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法模拟原理，生成裂隙网络，为进行岩体裂隙特性评价和裂隙岩体力学模型的建立奠定了基础。     

基于工业CT扫描的数字煤心构建过程及 裂缝形态表征

为实现煤样内部裂隙结构信息的数字化,达到对其裂缝形态进行精确表征的目的,运用高精度工业显微CT,对采自安阳主焦矿的焦煤煤样进行精确扫描,利用VG Studio MAX图像分析软件,对基于CT扫描所得的可视化煤心进行裂缝提取,并对煤心的CT扫描图像进行量化分析。结果表明,基于工业显微CT扫描重建的三维数字煤心,能可靠地反映真实煤心的内部裂隙结构,图像处理软件能够对煤样中错综复杂的裂隙网络进行精确表征,满足科研工作者对裂隙煤岩体进行定量描述的要求。研究结果可为基于工业CT扫描的煤岩无损检测及数字煤心构建提供有益参考。     

裂隙岩体初始裂隙网络渗流模型研究

运用离散数学的图理论进行裂隙岩体裂隙网络连通性研究，建立了裂隙岩体初始裂隙网络渗流的离散数值模型，这一模型从根本上突破了经典的均质渗流理论。     

裂隙岩体裂隙网络渗流场—应力场耦合的刚体元分析

基于裂隙岩体初始裂隙网络渗流的离散数值模型，首次采用新的数值方法－－刚体元方法进行裂隙岩体裂隙网络渗流场－应力场耦合分析，既避免了经典渗流理论不考虑介质应力的不足，又克服了工程岩体稳定性分析中简单考虑水渗流作用的缺陷。     

井孔岩体稳定分析的弹塑性有限元格式

研究了倾斜油井井孔周围含天然裂纹的孔隙岩体的机械力学行为及其与流体流动耦合的力学问题，建立了相应的有限元格式.模型中将含天然裂纹的孔隙岩体看作双孔隙介质，即孔隙岩体和其中包含的裂隙系统.孔隙岩体和裂隙系统二者具有不同的孔隙率和不同的渗透特性.模型将孔隙岩体、裂隙系统、以及流体的流动三者耦合起来考虑，给出的有限元格式可以考虑岩体和裂隙系统二者不同的孔隙率和不同的渗透率.采用这一有限元格式分析了任意倾角的孔隙裂隙岩体中井孔围岩的变形与岩体内部流体的流动.     

节理裂隙岩体渗流与应力耦合分析

在总结已有的饱和非饱和渗流模型的基础上，把裂隙岩体看作是离散网络模型，分析研究了含节理裂隙岩体的非饱和渗流特性，建立了裂隙网络饱和非饱和渗流模型，并推导了控制方程．对节理裂隙岩体中外力对裂隙渗流的影响进行了分析研究，提出了渗流场—应力场耦合的分析模型，推导出三维应力与裂隙水压力共同作用下一组平行裂隙组的渗流应力耦合关系式。     

裂隙岩体水力特性的研究

本文假定裂隙岩体的裂隙为直径ｒ，张开度ｔ的圆盘状，利用裂隙面几何参数提供的统计分布，考虑压剪应力作用下的法向变形及剪胀－扩容变形，推导出裂隙岩体中的水力模型。     

岩体材料宏观损伤性质的研究

本文将岩体的裂隙系统考虑成岩体的宏观损伤场，并将损伤力学和断裂力学有机地结合起来，建立了多裂隙岩体宏观损伤性质的影响。     

三轴压缩蠕变条件下煤岩裂隙演化规律试验研究

为了研究蠕变条件下煤体内部裂隙演化规律对其渗透率和瓦斯抽采效率的影响,本文以焦作赵固二矿原煤为研究对象,采用三轴压缩蠕变试验及工业CT扫描技术,运用MATLAB软件对图像进行均衡化二值处理,研究不同载荷条件下煤样内部裂隙的分布特征及演化规律。结果表明:煤样内部裂隙分布受主裂隙控制且分布不均;随着载荷增加和时间的延长,煤样内部裂隙体积占煤样体积百分比有所增加;裂隙不仅变宽而且逐渐贯穿煤样,主裂隙附近还会衍生多条新的次生裂隙,交叉裂隙将主裂隙互相连通;煤岩体裂隙发育的方向主要是沿着轴向应力的方向或与其呈较小夹角扩展;裂隙的发育主要是微裂隙的破坏,其应力集中促进大裂隙的发育。研究结果可为研究钻孔周围煤体内瓦斯流动规律和确定抽采钻孔影响范围提供依据。     

裂隙岩体水力特性的研究

本文假定多裂隙岩体的裂隙为直径γ、张开度ｔ的圆盘状，利用裂隙面几何参数提供的统计分布，考虑压剪应力作用下的法向变形及剪胀一扩容变形，推导出裂隙岩体中的水力模型．     

各向异性裂隙岩体渗透系数计算方法探讨

针对岩体裂隙系统提出了计算各向异性渗透系数的方法，给出了使用有限差分法计算各向异性渗透系数的数值方法和差分单元渗透性的计算公式，并以实际裂隙网络系统资料为基础进行了该方法的应用探讨。该方法可以在已知裂隙网络的基础之上计算岩体的各向异性渗透系数，通过加密剖分网，它可以更好地消除裂隙非贯通性的影响，并可以处理裂隙充填等问题，此外还可以分析裂隙岩体渗透性随测量窗口尺度小的变化，并进行其连续介质性质检查。     

各向异性裂隙岩体渗透系数计算方法探讨

针对岩体裂隙系统提出了计算各向异性渗透系数的方法，给出了使用有限差分法计算各向异性渗透系数的数值方法和差分单元渗透性的计算公式，并以实际裂隙网络系统资料为基础进行了该方法的应用探讨．该方法可以在已知裂隙网络的基础之上计算岩体的各向异性渗透系数．通过加密剖分网，它可以更好地消除裂隙非贯通性的影响，并可以处理裂隙充填等问题．此外还可以分析裂隙岩体渗透性随测量窗口尺度大小的变化，并进行其连续介质性质检查     

基于离散裂隙网络的表征单元体研究

裂隙岩体表征单元体(REV)研究是岩体力学的一个基本问题,是研究岩体尺寸效应的主要方法.阐述了研究裂隙岩体REV的基本思路,基于离散裂隙网络模拟技术的数值分析方法是进行裂隙岩体REV研究的重要手段.建立不同尺寸的岩体模型,分析了裂隙数量、强度、方位等随岩体尺寸的变化特性,从而得出考虑裂隙分布的几何特性上的REV.结合锦屏二级水电站大理岩岩体裂隙的统计规律,采用4组随机裂隙并建立三维离散裂隙网络,最终确定所分析岩体的REV为10m×20m×10m.     

岩体分形裂隙网络系统中水流动研究进展

以分形几何理论和岩体裂隙系统统计地质资料为基础,建立描述岩体裂隙网络系统几何特性的分形模型.考虑到裂隙长度、开度、位置和间距等几何参量的分形特性,建立基于Monte-Carlo模拟的岩体的裂隙网络系统模型随机生成方法.回顾了岩体裂隙网络系统几何参数的分形分布模型以及离散分形裂隙网络系统建模方法、单个裂隙以及裂隙系统水流动数值模拟方法和裂隙系统等效渗透系数估计方法.对岩体裂隙网络系统的分形几何结构进行研究,使得裂隙网络几何模型真实反映岩体裂隙的结构特征、水流动和溶质传输数值模拟模型更接近岩土工程实际原型、预测结果更加准确,在物理本质上揭示分形裂隙岩体水流动和溶质传输机理.     

不同倾角裂隙砂岩单轴压缩颗粒流模拟分析

为探索不同倾角裂隙岩体在单轴压缩作用下的破坏形式,利用二维颗粒流程序(PFC2D)对不同倾角裂隙岩体试样进行单轴压缩数值模拟,研究了不同倾角裂隙岩体的强度变化规律、破坏形式以及裂纹扩展路径。结果表明:不同倾角预制裂隙岩体的破坏模式略有不同;不同倾角预制裂隙岩体破坏过程基本一致,都会经历弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、岩体失稳阶段3个阶段;不同倾角裂隙的存在使得岩体的抗压强度有不同程度的降低;在单轴压缩破坏中,裂隙的顶点应力集中现象比较严重,沿裂隙岩体对角线方向产生的裂纹最多。该数值模拟分析为进一步探索地下工程中裂隙岩体失稳破坏规律提供了参考。     

锚固裂隙岩体破坏过程中应变场演化规律及破坏前兆的数值模拟研究

为探究锚固裂隙岩体的锚固作用,采用ABAQUS对裂隙岩体单轴加载破坏过程进行模拟,分析裂隙岩体的应变场演化规律,并讨论裂隙岩体破坏的前兆特征.模拟结果表明:裂隙岩体破裂前水平应变场演化过程可划分为理论弹性变形、裂隙萌发扩展、试件破坏3个阶段;未锚固和锚固裂隙岩体水平应变场标准差曲线表现出不同的分异阶段;与未锚固试件相比,锚固试件的峰值应力上涨了7.55％,且锚固岩体裂缝起裂预警大约发生在峰值应力的80％处.基于水平应变场演化规律进行前兆分析,将应变场分异速率的突变点作为破坏失稳前兆点.锚杆的锚固作用增强了裂隙岩体的强度和抗变形能力,提高了裂隙岩体的稳定性,模拟结果对裂隙岩体的监测和加固具有重要的参考意义.