岩石PFC2D模型细观参数确定方法研究

目前对标定方法的应用大多围绕单轴压缩试验展开,而仅通过单轴试验建立的数值模型在拉伸强度和强度包络线方面与实际试验吻合度较差。因此基于单轴压缩试验、单轴拉伸试验和三轴压缩试验,采用正交试验设计方法对平行黏结模型细观参数标定方法进行了研究。利用多因素方差分析确定了模型细观参数对宏观力学指标的影响程度,并建立了宏观力学参数与细观参数之间的关系。在此基础上提出了与岩石弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、启裂强度、拉压强度比及摩擦角相匹配的细观参数确定方法。研究结果表明：采用标定方法建立的数值模型的宏观力学参数以及单轴压缩应力-应变曲线与室内试验结果相近,能够很好地反映岩石单轴和三轴条件下的破坏模式,证明了标定方法的可行性。二维颗粒流程序PFC^2D对试验极限主应力关系曲线的拟合程度较差,这可能是由于平行黏结模型将形状不规则的矿物颗粒理想化为圆形颗粒,而颗粒形状可能会影响到颗粒间的咬合作用。     

节理边坡岩体参数获取与PFC2D应用研究

边坡稳定是决定露天矿山安全生产的前提,应用颗粒流方法研究边坡稳定性的首要任务是获得合理的边坡岩体强度参数。研究了应用于颗粒流的节理边坡岩体强度参数获取方法,应用点荷载仪及ShapeMetriX3D岩体数字测量技术进行边坡岩体调查,由修正Hoek-Brown准则得到岩体强度参数,最后通过宏细观参数标定确定相应的颗粒流细观参数。结合河北钢铁矿业公司黑山露天铁矿工程实例,建立边坡颗粒流模型,研究了挂帮矿回采中岩体的变形、失稳、破坏的整个过程,并与现场勘测结果和相似试验结果对比,得到的岩体破坏模式相似。     

散体充填材料压实力学特性的宏细观研究

为提高西部矿区散体充填材料的抗压性能,采用扫描电子显微镜技术、图像处理技术以及颗粒流数值模拟相结合的方法,研究散体充填材料的细观参数与宏观应变量之间的关系。通过选取颗粒等效粒径、颗粒形状系数、颗粒定向度、表观孔隙率、连通率和颗粒接触关系等6个指标对散体充填材料的形态特征、孔隙特征、接触特征进行了细观量化分析;通过PFC数值模拟对散体充填材料细观参数与宏观压实力学特性的相关性进行了模拟研究,结果表明：颗粒摩擦因数和颗粒孔隙率是散体充填材料宏观应变量的主控参数。基于西部矿区散体充填材料的细观结构,从减少充填材料孔隙率和增大充填材料摩擦性两方面出发,对其进行优化,并将优化后的散体充填材料在陕北常兴煤矿3101工作面进行工业性试验,实测地表最大下沉量为15 mm,最大水平变形为0.8 mm/m,地表沉陷得到有效控制。     

石英砂岩双轴压缩条件下的微观组构演化规律研究

以石英砂岩室内双轴试验为基础,建立PFC2D颗粒流数值模型,颗粒间选用平行黏结接触,根据实验所得弹性模量、泊松比、峰值应力对天然、饱和状态下石英砂岩试样进行不同围压下的细观参数标定,最终得到与室内试验基本吻合的应力-应变曲线。分析加载过程中接触力、配位数、孔隙度等细观参数的演化规律,探究石英砂岩破坏机理。结果表明:双轴压缩试验的细观参数标定可不考虑抗剪强度指标c、φ值的影响。破坏前、后,试样各方向统计范围内颗粒间都存在法向接触力和切向接触力。围压的存在影响试样起始配位数、孔隙度,对配位数和孔隙度的改变速率影响很小。研究结果表明:这种数值方法在探寻岩石试样的微观组构演化特征方面是可行的。     

基于颗粒流理论的深海沉积物剪切特性模拟研究

基于深海沉积物的微观物理性质, 提出以膨润土、硅藻土和水等物料为主成分的模拟沉积物配方, 配制了与深海沉积物相似的模拟沉积物, 并开展其十字板剪切实验, 从宏观上获得其应力-转角的剪切特性曲线。基于颗粒流理论, 采用接触粘结模型, 构建了具有高孔隙比、高含水率和粘聚力等特性的沉积物颗粒流模型, 开展其十字板剪切过程数值模拟, 从细观上获得其应力-转角的剪切特性曲线。研究表明, 模拟沉积物具有与深海沉积物相同的极低剪切强度和剪切变稀特性, 其剪切特性的细观数值模拟曲线与宏观实验曲线吻合, 验证了粘性的沉积物颗粒流模型和数值模拟方法的正确性, 探明了沉积物颗粒的细观参数, 表明粘结强度决定沉积物宏观的剪切强度, 为海底采矿车行走性能实验和从细观层面研究深海沉积物剪切特性提供了坚实基础。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。     

岩石单轴声发射及能量耗散特征颗粒流模拟研究

基于石膏岩室内单轴声发射试验，结合PFC^2D颗粒流模拟，分析了单轴压缩下岩石声发射演化特征，从空间角度反演了微裂纹萌生、汇集到破坏的过程，同时对渐进破坏过程的能量变化进行分析。研究结果表明：岩石颗粒流细观参数对宏观参数的显著性影响各不相同，利用正交试验及回归分析可量化宏细观参数关系；单轴压缩过程中，声发射事件在峰后阶段大量产生，发展过程可依次划分为无损期、平静期、增长期和陡增期，声发射事件陡增期存在沉寂期，可作为岩石破坏的前兆判据；岩石模型内部最先出现张拉裂纹，峰前阶段内部裂纹随机产生，汇集性并不明显，宏观破裂面形成于峰后阶段，且破裂面附近富集大量拉伸裂纹；岩石内部能量在峰前阶段以弹性能储存为主，峰后应变能大量释放，耗散能急剧增加，能量耗散比呈“N”形变化；基于声发射试验结果所得本构模型更适用于描述离散元单轴压缩过程中的应力应变关系。     

基于颗粒流理论的充填体细观参数敏感性分析

基于颗粒流理论,借助PFC程序建立充填体试样模型,进行单轴压缩数值模拟试验,利用控制变量法分别对充填体试样平行黏结强度、颗粒刚度比、颗粒级配、摩擦系数等细观参数进行敏感性分析,研究以上细观参数对充填体力学特性的影响。研究结果表明：平行黏结强度主要影响充填体强度,对其弹性模量影响较小;颗粒刚度比变大会使颗粒间的刚性接触效应增加,从而削弱平行黏结作用,试验过程中会出现试样产生张拉破坏;摩擦系数对充填体试样强度影响较大,摩擦系数越大,颗粒之间的胶结力越大,试样在发生破坏后残余强度越大;平行黏结强度对充填体单轴抗压强度影响最大。研究成果对充填体抗压强度、弹性模量等宏观参数与细观力学参数的匹配具有指导意义,可为后期细观参数的调试和建模奠定基础。     

压实过程中煤矸石颗粒流细观演化规律研究

研究煤矿矸石充填材料压实变形中的细观演化规律对提升固体充填效果有重要意义。本文采用颗粒流数值软件PFC2D,考虑压实过程中颗粒破碎,通过颗粒簇cluster单元构建煤矿矸石颗粒模型,分析在单轴侧限压缩条件下不同配比颗粒体系细观演化特征,研究颗粒力链分布、裂隙与细观特征之间的关系。结果表明:模拟模型的应力应变和破碎方式等方面与实验室试验结果有着良好的对应;分析模型颗粒内部力链分布和裂隙演化规律,发现多数力链集中在颗粒较大的颗粒单元附近,形成"骨架力链"现象,裂隙也主要产生在颗粒较大的颗粒单元周围,该现象导致大颗粒单元周围配位数个数与接触力大小较其他颗粒明显增加。     

两种拉伸实验的岩石细观参数反演分析

将颗粒流程序应用于解决工程问题的前提是对岩石试件的几个力学参数进行准确标定,抗拉强度的标定便是其中之一。通过比较分析巴西实验和直接拉伸实验,结合具有非线性映射能力的BP神经网络,对颗粒流岩石的细观参数进行反演研究。表明:巴西实验条件苛刻,难以保证大量实验成功进行,无法向神经网络提供高质量训练样本,反演精度仅为61%;直接拉伸实验条件宽松,可以保证神经网络训练样本的数量和质量,反演精度可提高到83%;在保证样本数量和质量的前提下,BP神经网络有能力实现宏细观参数的准确映射,是颗粒流岩石参数标定的有效手段。     

煤炭自然发火介尺度分析:从表征体元宏观模型到孔隙微观模型

煤炭自然发火存在明显的介尺度特性,应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联,有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系,指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提,煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是"尺度上联"。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元,以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法,相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法,由此明确了煤自燃研究中介尺度Ⅱ所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义,考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征,建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程,简述了求解过程,指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型,并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系,提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法,从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递,从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。     

粒径大小对颗粒堆积体Burgers模型蠕变参数相似试验研究

为研究砂土颗粒材料堆积体在沉降过程中的变形行为,采用分级加载的方式进行三轴压缩蠕变试验,获得3组不同粒径(0.6~0.8 mm、1.0~1.5 mm、2.0~2.5 mm)的玻璃微珠蠕变变形-时间曲线,选取四元件Burgers模型对试验曲线进行拟合分析,得到玻璃微珠蠕变特性表征参数,并建立离散元数值模型对burgers模型参数进行验证。研究结果表明:玻璃微珠在三轴压缩条件下的蠕变特性可采用Burgers模型进行描述,蠕变Burgers模型的4个参数E_k、E_m、η_k、η_m与粒径和轴压均呈现负相关关系。将试验拟合得到的宏观Burgers模型参数转换为颗粒流程序中的微观Burgers模型参数,模拟结果与试验结果具有较高的吻合性,对比结果说明颗粒流Burgers模型适用于岩石颗粒蠕变试验的研究。     

基于颗粒流的砂岩三轴破裂演化宏-细观机理

以重庆地区砂岩的三轴压缩试验应力-应变曲线为基准,完成了二维颗粒流PFC2d数值砂岩试样的细观参数标定。针对0.5~20 MPa围压下数值砂岩在双轴试验中的宏观力学响应,从试样内部位移、3种类型裂纹(总裂纹、拉裂纹和剪裂纹)的数目演化和角度分布等细观层面进行了解释。研究结果表明：PFC2d数值试样能代表物理砂岩的主要宏观力学特性;试验过程中,试样内3种裂纹数目均呈“S”型累积,其突变点与宏观应力-应变曲线的弹、塑和破坏特征点对应;随着围压增大,由试验过程中剪裂纹始终占主导逐渐变为拉裂纹始终占主导,拉裂纹的占比逐渐增大;对于整个试样和破裂带,破裂带内拉裂纹的占比始终高于整个试样;总裂纹和剪裂纹角度分布的主方向明显,与加载方向相同;拉裂纹的角度分布较为均匀,在加载方向、破裂面及共轭破裂面方向的集中度相对明显。     

基于颗粒流方法的砂土宏-细观参数关系分析

利用颗粒流软件并结合莫尔-库伦破坏准则,对砂土的宏观强度指标与其对应的细观参数之间的关系进行分析。分析结果表明：砂土内摩擦角与颗粒摩擦角之间满足线性关系,黏聚力与颗粒接触强度之间符合线性规律,且两者拟合曲线的斜率与颗粒摩擦系数之间呈现幂函数关系。利用上述关系及室内实验的结果,对辽宁省阜新市阿尔乡砂土的细观参数进行解算,并利用PFC对其进行了数值模拟。模拟结果表明：数值计算的结果与室内实验结果基本符合。     

细粒物料的干式磁选分析

细粒物料的干式磁选效果主要受制于颗粒间微观作用力,即静电引力、范德华力与毛细力与颗粒所受外部宏观作用力,如重力、磁力与离心力等的博弈过程.基于此,分析讨论了介电常数、粒度与湿度等宏观可测量对细粒物料干式磁选的影响.     

基于“两介质-三界面”模型的散煤注浆固结宏细观规律

为了预判水泥浆注浆加固淮北矿区松散煤层效果，提供合理注浆参数，确保松散破碎围岩体注浆加固后稳定，文章基于离散元思想，将散煤和水泥视为颗粒，结合散煤-水泥浆胶结体单轴压缩试验和颗粒流模拟软件，研究散煤注浆加固效果，从宏-细观角度揭示散煤水泥浆注浆加固规律。文章构建了散煤-水泥"两介质-三界面"模型；校核了散煤-水泥浆胶结体三界面细观力学参数，分析了颗粒配比和胶结体孔隙率对散煤注浆加固效果的影响规律。研究结果表明："两介质-三界面"模型包括散煤颗粒、水泥颗粒，散煤颗粒之间胶结界面、水泥颗粒之间的胶结界面和散煤与水泥颗粒之间的胶结界面，模型不仅能够模拟常规岩体力学实验，还能够进行胶结参数影响特性研究，适用于散体介质注浆加固效果预判；散煤-水泥浆胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着散煤与水泥颗粒配比γ增加先增大后减小，存在最佳配比，散煤含量增加的过程分为初期骨料强化和后期胶结弱化两个阶段；胶结体单轴压缩强度σc和弹性模量E随着孔隙率n增加而加速减小，粒径越小、充填程度越高的注浆材料，加固效果越好。在现场注浆设计施工过程中，根据现场围岩破碎程度，优选粒径小、可注性好的浆液，能够获得较好的注浆加固效果。     

三维可加载条件下工作面围岩局部变形规律

以苇湖梁煤矿+579E2EB1+2急倾斜特厚综放开采工作面为典型物理原型,系统的进行大型三维立体相似模拟实验,同时利用数字化声发射技术(acoustic em ission,AE)对局部化过程中的动态力学响应参数及其与之对应的微结构演化过程进行实时追踪,从宏观与微观角度揭示不同开采条件下煤岩复合围岩介质局部化变形—演化—失稳规律,为开采扰动区衍生动力学灾变行为预报和控制研究提供线索。     

模拟矿岩散体的PFC细观参数标定方法

为了将PFC接触本构模型中细观参数与矿岩散体的物理力学性质相比配,依据PFC接触本构模型以及矿岩散体本身的特点,提出采用抗转动线性接触模型或将抗转动线性接触模型、线性接触模型和赫兹接触模型组合应用并分别赋予不同性质的散体颗粒。分析了标定矿岩散体物理力学性质的方法及其优缺点,推荐采用与测定条件相符合的自然安息角数值试验来标定PFC细观参数。借助自然安息角数值试验,研究了抗转动线性接触模型中摩擦系数和抗转动系数对散体自然安息角的影响。研究表明:随着摩擦系数和抗转动系数的增加,自然安息角均呈现出先增大后趋于稳定的趋势。模拟结果中自然安息角的变化范围为22°~50°,与实际松散矿岩自然安息角相符。     

MC模拟甲烷吸附宏观因素微观化

MC方法模拟吸附与解吸,主要是从微观角度出发,在建立了相应的模型后,将影响吸附与解吸的宏观因素微观化,即是将影响吸附与解吸的宏观因素,如压力,温度,吸附孔孔容、吸附比表面积、水分、灰分等转化为影响微观的因素。文章主要讨论了这些问题。