丹江口水库区构造应力场的数值模拟

根据丹江口水库区的地震地质构造建立库区的有限元模型，反演丹江口水库区蓄水前的构造应力场和地应力场，并分析其分布特点以及库区塑性应变特点。研究成果为丹江口水库提高水位后诱发地震的预测与安全评价提供参考。     

三维应力作用下单一裂缝渗流规律的理论与试验研究

针对目前国内外在岩石力学学科中争议较大的关于岩体裂缝的渗透系数是否受侧向应力的影响这一焦点问题进行了深入的研究。建立了单一裂缝岩体在三维应力作用下的物理模型和严密的关系方程，推导出渗透系数计算公式，并对该公式进行了大量的三轴试验数据的验证。其简化后的仅在法向应力作用下的渗透系数计算公式，与已有的计算公式一致。分析后得出结论：裂缝侧向应力引起的裂缝侧向变形对其裂缝渗流有重要的影响，其影响规律同样是负指数规律。     

断层滑动准则和稳定性评价及构造应力场的反演

 为研究矿震、突出等动力现象与断层滑动、开采深度的关系,首先在试验室进行砂岩双剪摩擦试验,从工程角度出发,确定砂岩的滑动准则。其次为研究地下岩体的稳定性,确定构造应力场的分布,针对地下岩体的赋存特点,在分析实测应力分布特点的基础上,通过地质动力区划方法建立地质构造模型,采用有限元法反演复杂断层扰动下的构造应力场,计算结果与矿区震源面制分析结果以及原岩应力测量结果取得较好的一致性。计算的高应力区域中心位置位于I级断裂的不连续地带,与地下地震多发地带相对应,说明构造应力是矿区地震的主要成因。研究表明,断裂面的失稳滑动是北票矿区地震的主要机制,构造应力的存在是矿震发生的必要条件,而矿区开采则是发震的诱导因素,北票断裂对区域其他次级断裂及其构造应力区起主导和控制作用,是北票矿区动力现象的动力源。     

构造应力面研究

所定义的构造应力面的概念为三维空间不同地点非构造应力影响消失的深度点构成的曲面．为此，对似U形沟谷按不同沟谷宽度、山体坡度和山体高度建立三维模型，分别考虑重力、水平侧压力以及二者联合进行三维应力场有限元数值模拟，分析最大水平主压应力在空间的变化规律，并进行数学统计分析，给出构造应力面深度随上述因素变化的经验公式。研究结果表明水平侧压力和山体高度是影响构造应力面深度的主要因素，当水平侧压力随深度变化梯度与重力梯度之比等于1时，在沟谷谷底，构造应力面深度近似等于山体高度。     

三峡库首区蓄水前后构造应力场三维数值模拟研究

迄今为止，长江三峡库首区蓄水对上地壳构造应力场影响的数值模拟研究中存在的最大问题是未考虑地形“峡谷效应”和库水下渗导致“岩石弱化”的影响。利用高精度DEM图和135m水位蓄水同期重力异常观测资料，首次建立包含地形单元、库水下渗因素等复杂条件下的三峡库首区上地壳三维数值模型。在Marc软件平台上，以优选加载方案进行数值模拟，揭示135m水位、175m水位蓄水条件下库首区上地壳构造应力场的动态变化，发现九湾溪、马鹿池、官渡口、牛口等断裂带挟持区出现最大3．5～5．0MPa的最大主应力降等有利于高角度正断层失稳的应力场变化，预测175m水位蓄水影响将呈“继承性”发展。首次提出“二次诱发地震”、“水库诱发地震潜在震源”、“叠加潜在震源”的思想，探讨了蓄水对秭归、巴东2个重点区域断裂稳定性、孕震环境及地震危险性的影响。     

土体固结与溶质运移三维耦合模型

考虑堆场上覆堆积体自重引起的土体固结与溶质运移的耦合效应已成为环境土工领域中的热点问题。在 Biot 固结理论和溶质运移理论相结合的基础上,以孔隙率作为耦合参量,将固结方程与运移方程相联系,考虑土体固结对溶质运移模型参数的影响,建立了溶质在固结变形土体中运移的三维耦合模型。采用多场耦合有限元软件 COMSOL Multiphysics 对模型进行了数值求解。数值模拟结果表明,土体固结变形对溶质运移过程具有较强和持久的阻滞作用,导致溶质运移深度以及污染羽范围的减小,在模拟运移20 a 时,运移距离减小率已高达27．75％,且随着时间的增加而逐渐增大;溶质在水平方向的迁移距离不可忽略,随着横向水力梯度的增大而增大。     

水力压裂裂缝穿层及扭转扩展的三维模拟分析

 应用并行有限元程序对水力压裂过程进行真三维数值模拟,实现对压裂裂缝起裂、扩展及扩展中的穿层、扭转行为的全过程分析;数值计算中无需假定压裂裂缝的起裂位置和扩展路径,即可根据实际岩体水力学模型的力学、水力学等边界条件,自动标定出压裂裂缝的三维扩展模式,并显示出该并行有限元程序对复杂地质力学条件下水力压裂过程三维模拟分析的适用性。通过对压裂裂缝扩展过程中孔隙压力分布、裂缝几何形状和尺寸的演化进行了解读,显示出压裂裂缝的扩展模式与地层分布密切相关。当生产层很薄或生产层与上下阻挡层岩性差别较大时,裂缝穿层现象突出,可能会出现压裂实际缝长远远小于设计缝长的现象;近场地应力差异、地层分布特征及岩体细观非均匀性都有可能诱发压裂裂缝扭转扩张。分析结果对水力压裂施工设计具有一定的参考价值。     

构造应力场与滑坡,泥石流空间分布关系的研究

简要介绍了云南省云龙县狮尾河滑坡、泥石流的形成条件、基本特征及其对云龙县在的危害,进行了区域和狮尾河流域的构造应力场分析;以狮尾河流域为实例,论述了断裂（构造应力场）地滑坡、泥石流形成和空间分布的控制作用。     

华北地区构造应力场非均匀特征与煤田深部应力状态

 将华北地区分成11个应力小区,依据华北地区近期1 111条中小地震震源机制解数据,利用格点尝试法分析华北地区主应力方向的分布特征,结果显示,华北地区现今构造应力场以水平作用为主,其中,唐山和晋南地区最大主应力方向为近EW向,其他地区最大主应力方向均为NEE向,方位为NE60°～80°。鲁西南万福煤矿深部水压致裂原地应力测试结果显示,水平最大主应力方向的为NE40°～80°,与鲁西南地区中小地震震源机制解的分析结果十分接近。通过构造类比,认为万福煤矿深部应力状态受控于鲁西南地区区域构造应力场。     

渤南油田义176区块三维应力场智能预测

为提高应力场数值模拟的运算效率,基于ANSYS中的APDL语言编译自适应边界程序,将边界条件的人为调整过程自动化,并借助Petrel与ANSYS的联合建模技术以及三维非均质岩石力学场的构建技术,开展了渤南油田176区块三维应力场的智能预测。结果表明,自适应边界程序大幅且有效地缩短了人工反复尝试边界条件的时间,提高了应力场模拟的效率,且保证了预测精度。义176区块现今最大水平主应力方向总体呈近EW—SEE向,边界断层对应力方向影响较为显著,引起了约5°～10°的偏转。现今地应力数值变化较大,离散性高,平面上呈带状展布,具有北高南低的分布趋势,在目的层范围内属于Ⅰ_a类地应力,岩石的非均质性是造成应力数值差异的主要原因。在义176区块中部存在一片条带状展布的"应力甜点",可以作为井位部署和压裂作业的优势区域。     

煤与瓦斯突出矿区地应力场研究

 (College of Resources and Environment Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning 123000,China)     

大煤样瓦斯抽放试验研究及尺寸效应现象

煤矿瓦斯灾害是世界煤炭行业公认的重大灾害之一。在进行低渗透煤储层渗透特性改造试验时,采用了大尺寸的煤体试件(500mm×500mm×500mm)进行试验,在该煤体试件中不仅包含了较多孔隙,而且还包含了几条较大的裂缝。在对试件进行钻孔瓦斯抽放和割缝瓦斯抽放试验过程中,均首次观测到大规模的瓦斯突出现象,而在以往小尺寸煤样瓦斯渗流试验中则从未发现过类似现象。这种现象充分说明,对于煤体这样孔隙、裂隙发育的岩体,标准尺寸的试件往往难以包含足够多的岩体信息,采用大尺寸岩石试件后,所观察到的试验现象将更加接近于工程岩体实际,所测得的试验数据会更真实。     

凹形圆弧断裂构造的简化力学模型及其解析分析

从分析潘一矿的煤与瓦斯突出分布规律及其附近控制性断裂构造特点出发，建立了求解竖向凹形圆弧断裂周围构造应力的简化的二维力学模型。导出了断层上盘中水平应力和垂直附加构造应力的解析解，由此推得在断层的上盘中存在一个范围较大的垂直应力升高区，升高后的垂直应力为自重应力的2-3倍，且垂直应力升高区的峰值距断层很近，这与数值模拟的结果完全一致。这一结论较好地解释了发生在断层上盘和发生在地壳浅层的煤与瓦斯突出现象，将有助于进一步深入研究煤与瓦斯突出机理和提出新的预测方法。     

油井爆生气体对岩石劈裂作用机制探索

油井爆生气体对岩石劈裂作用过程，是裂缝面对动态荷载响应并使其发生动态扩展的过程。为描述裂缝动态扩展过程，在气体劈裂过程各能量平衡关系式中，引入动能增量。而动能增量可由量纲分析法推导的能反映裂缝扩展速度和加载率影响的计算公式表示。在离散时间域内，特定气体劈裂作用下，能量方程迭代求解可得到裂缝扩展速度及裂缝扩展长度。由算例分析可知，虽然气体升压变缓时裂尖动态响应对裂缝扩展影响有减弱的趋势，但在气体压力升压较缓情况下，裂尖动态响应对裂缝扩展结果影响仍然很显著。     

三山岛金矿地应力场与地质构造关系分析

结合现场地应力测量，对三山岛金矿区地质构造进行了细致分析。研究了矿区地应力场分布规律及其与地质构造的关系．实测的三维地应力状态与区域构造应力场显示了良好的一致性，证明了实测结果的可靠性和正确性，对矿山开采设计具有重要的指导意义．     

基于六面体覆盖的三维数值流形方法的理论探讨与应用

介绍了基于六面体单元的三维数值流形方法的基本理论，并在六面体单元中采用了有限元中C8型等参单元的形函数作为流形元中的覆盖函数。推导了相应平衡方程的刚度、初始应力、点荷载、体荷载、惯性力、固定点、法向接触、切向接触和摩擦力子矩阵。在二维接触中，切向应力和摩擦力的方向很容易沿着接触边得到，但在三维问题中要在接触面上确定该方向则非常困难，这也是所有计算方法在遇到三维接触时的难题。引入了向量理论和迭代方法，避开了相应困难的干扰。最后，给出了一个简单的地下失稳算例，证明了该三维方法的正确性。     

岩石物理力学性质对断裂附近地应力场的影响

应用离散元方法模拟研究了断裂两侧岩石的物理力学性质(包括岩石内摩擦角、弹性模量、泊松比、粘聚力等)对其附近地应力场的影响。这些因素对断裂附近的地应力场均有不同程度的影响，它们的改变均能使主应力方位和量值发生变化。而且，岩石物理力学性质的影响与断裂力学性质、边界条件等的影响是互相联系的。分别研究了单一断裂和复合断裂模型，在复合断裂模型中，断裂两侧岩石的弹性模量对应力变化的影响最大。