岩石单一裂纹扩展率的数值模拟研究

运用断裂力学理论推导出单一裂纹有效长度理论表达式,提出裂纹扩展能力的度量单位———裂纹扩展率的概念。通过FLAC3D有限元软件模拟计算了岩石单一裂纹在不同压应力作用下的裂纹扩展率,通过比较裂纹扩展率的理论值和数值实验值,发现在不同压应力作用下两者基本吻合,指出数值实验是计算单一裂纹扩展长度的有效方式之一。     

岩体爆破裂纹扩展影响因素分析

为了改善高地应力条件下岩体爆破破碎效率较低的问题,基于理论推导和ABAQUS动力有限元计算分析了不同埋深和侧压系数条件下岩石爆破裂纹的扩展规律.计算结果表明:岩体初始应力和侧压系数对爆炸载荷作用下的最大裂纹长度和主裂纹扩展方向具有较大影响,随着初始应力的增大,裂隙扩展半径减小;随着侧压系数的增大,岩石有效破碎面积也相应减小;裂纹扩展主方向趋于最大压应力方向;裂纹扩展主方向与最大压应力方向一致.     

热-力耦合作用下煤岩体渗流特性研究

煤层开采深度增加导致地温和应力增大,影响了煤样裂隙发育和渗流特性。为了研究热-力耦合作用下煤岩渗透过程中形变及渗透性变化特征,采用MTS815测试系统测试了50、100℃下6组煤样的全应力-应变过程中的渗透性。结果表明:温度为50℃时煤样抗压强度随围压增加而增加,4 MPa围压作用下煤样峰值偏应力达3.6 MPa,煤样轴向、环向应变均达到2%以上,表现出较高的延展性;温度为100℃时煤样抵抗变形能力下降,随围压增加,其峰值偏应力增加至4.9 MPa,煤样应变增长的速率加快;围压4 MPa、温度100℃时,煤样峰值渗透率达到3.5×10-11 m2;煤样加载过程中原始和新生裂隙扩展,孔隙连通性增强形成复杂的裂隙网络,热力效应使煤样渗流裂隙体积增加,渗透率增加。     

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合 数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明：煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

含弧形裂隙岩体的裂纹扩展模拟研究北大核心

为研究弧形裂隙对裂隙岩体的力学性能和裂纹扩展的影响,选取FLAC3D软件中应变软化模型和空模型来模拟岩石裂隙扩展情况,将塑性区视为反应裂隙扩展的依据,研究单轴压缩荷载下裂隙拱高、裂隙弦长及裂隙倾角等对弧形裂隙扩展规律及力学特性的影响。模拟结果表明试件峰值强度随着拱高的增加而降低,且裂隙弦长对峰值强度也有影响。裂隙倾角影响着弧形裂隙的扩展路径,当倾角变大时,试件峰值强度也随之增加。最后采用模型试验对模拟结果进行初步验证。     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

水压力作用下煤层内控制孔对裂纹扩展影响

煤层卸压是有效降低煤层压力的措施,为了提高煤层卸压的效果,利用RFPA3D并行分析系统,应用有限元的计算方法,建立流固耦合模型。模拟分析了在有恒定水压力下4个方向的控制孔诱导裂纹扩展的过程,其结果表明由于最大主应力的作用,新萌生裂纹最终向着有恒定水压力的控制孔方向扩展,并且最终与控制孔贯通。这对煤层卸压起到了一定的增透作用。     

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。     

单孔岩石在孔隙水压力作用下破坏过程的数值模拟

应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统RFPA~(2 D),对单孔岩石在孔隙水压力作用下的破坏过程进行数值模拟研究。研究结果表明,孔隙水压力会降低岩石的强度,随着孔隙水压力的增大,裂纹扩展速度加大并很快进入失稳扩展阶段,此时声发射发生一次较大的突跳,将这个突跳压力称为岩石破裂过程中的失稳临界压力,通过声发射来监测临界压力可以对工程实践有一定的指导意义。     

液-液水力旋流器准自由涡的数值模拟研究

利用流场数值模拟软件FLUENT,结合激光测量结果,对液-液旋流器准自由涡进行了数值分析研究。结果表明,描述准自由涡的流型常数n和c不是恒定不变的常数。在不同的轴向位置,n和c都是不同的,n先随z/D的增大而增大,约在z/D=7处达到最大值,而后随z/D的继续增大而减小;c随着z/D的增加而减小。当入口平均速度增大时,n基本保持不变,而c随入口平均速度的增大而增大;当分流比增大时,n和c基本保持不变;当物料黏度增加时,n和c随黏度的增加而减小。     

空孔孔径对深部岩石爆破裂纹扩展影响规律的数值模拟研究

针对深部岩石炮孔与空孔间裂纹扩展方向性差的问题，以山西永宁煤矿10204切顶卸压沿空留巷为工程背景，运用LS-DYNA有限元动力模拟软件，研究空孔孔径对岩石应力分布、孔间爆生裂纹扩展及峰值有效应力的影响规律，并进行了现场验证。研究结果表明：随着空孔直径的增大，最大主应力值与范围增大，且最大主应力方向在整个炮孔连线方向不发生改变，使得孔间裂纹扩展更具有定向性；随着空孔孔径的增大，孔间裂纹扩展长度呈现出由快速增长趋于稳定的规律；侧压力系数小于1.0时，空孔直径的增大对孔间有效应力的影响较小；侧压力系数大于1.0时，空孔直径的增大可有效提高孔间峰值有效应力。     

热-应力耦合作用下深部软岩隧洞大变形三维数值模拟分析

高地温是深部隧洞的一个重要特点，温度场的存在必然会影响到深部隧洞的变形和应力状况，特别是考虑到深部隧洞的高地应力和大变形的特性，温度场的影响就更加显著。因此，本文基于摩尔-库仑本构模型，利用FLAC^3D软件对深部软岩隧洞洞室围岩的力学响应及其在不同温度场作用影响下的应力、变形及塑性区分布等指标的分布及变化情况进行模拟计算及研究分析，得出了一定基本规律，为工程设计提供参考。     

单侧开半圆孔PMMA试件Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹动态扩展及数值模拟研究

为研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展问题,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对含有预制裂纹的单侧开半圆孔(Unilateral Semicircular Hole,USH)PMMA 试件进行冲击,得到了Ⅰ型裂纹和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹,同时采用动态焦散线实验方法研究了裂纹扩展时程关系及裂纹扩展尖端动态应力强度因子的变化规律,利用ABAQUS 软件对试验过程进行数值模拟,研究其扩展路径。结果表明:通过试验得到的Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹轨迹和数值模拟的结果基本相似,证明了利用数值方法模拟裂纹扩展轨迹的可行性;两种类型的裂纹在扩展过程中尖端均会出现停顿,最终都会朝着试件中轴线方向移动;使用单侧半开圆孔试件进行SHPB以及动态焦散试验可以有效研究Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹扩展过程,为后续研究裂纹扩展提供思路。     

基于扩展有限元的渗流作用下岩石裂纹扩展研究

基于弹性力学和断裂力学的理论对裂纹的起裂准则、扩展长度进行了理论分析。使用扩展有限元方法建立裂纹岩体模型,针对单裂纹在渗流应力状态下的扩展规律进行了数值模拟,对渗流-应力耦合下的裂纹扩展规律进行了研究。     

裂隙岩体水-热耦合实验研究

采用3D打印方法精确制备了光滑裂隙岩样和一维粗糙裂隙岩样,然后进行水-热耦合实验,并进行特征数方程拟合研究。结果显示,粗糙裂隙面岩样进出水温差随流量的增大而增大,随岩石表面温度的升高而增大;各级温度下各种岩体的特征方程直线斜率基本稳定在1.1,各粗糙裂隙面的截距随温度升高而增大,随粗糙度升高而增大。     

基于微波注热的煤层瓦斯抽采数值模拟研究

为研究微波注热下煤层瓦斯运移采出规律,基于瓦斯微波注热抽采电磁-热-流-固耦合模型,进行了微波注热下瓦斯抽采数值模拟研究,分析了不同微波频率、微波功率和初始渗透率下煤层温度和产气演化规律。数值模拟结果表明：微波注热时,注热处煤层温度快速升高,热量通过热传递和热对流作用向低温区域传递,高温范围不断由注热处向气井扩展;对比0.915 GHz和2.45 GHz两种不同微波频率,低频微波更有利于增强微波热效应;对比0, 500, 1000, 1500 W四种不同微波功率,相对于常规开采,微波注热能极大促进瓦斯解吸和运移,瓦斯含量大幅度降低,增大微波功率对提高瓦斯产量有积极作用;采用增渗措施提高初始渗透率并配合微波注热,可以进一步提高瓦斯抽采率。     

基于围道积分及网格重剖分下的SCB裂纹扩展数值模拟研究

针对以往研究对裂纹扩展具有诸多限制,且较少利用断裂力学理论的不足,基于Abaqus平台,利用围道积分及网格重剖分技术,实现了基于断裂力学的裂纹自由扩展数值模拟,对SCB模型进行了应力强度因子及裂纹扩展过程数值仿真,结果表明：对SCB模型的仿真结果与国际岩石力学学会(ISRM)的理论结果一致;(2)I型应力强度因子随着a/R和S/R的比值的增加而增加,II型应力强度因子随裂纹倾角先增大后减小。当YI值为0时,试样受到纯II型作用,对于S/R=0.8的SCB模型,只有在a/R=0.7及α=65°时才出现II型裂纹扩展模式。纯模II的裂纹角随裂纹长度比的增大而减小,但随跨高比(S/R)的增大而增大;对裂纹扩展过程进行了数值模拟,裂纹从裂纹尖端发生,朝着上加载点处扩展。裂纹角度增大时,裂纹起始角的值增大,而其值随跨度比的增大而减小(S/R),此外,裂纹起始角的值随裂纹长度比(a/R)先增后减。裂纹起裂角几乎发生在裂纹长度比(a/R)为0.5情况。     

热-应力耦合作用下深部软岩隧洞大变形三维数值模拟分析

高地温是深部隧洞的一个重要特点,温度场的存在必然会影响到深部隧洞的变形和应力状况,特别是考虑到深部隧洞的高地应力和大变形的特性,温度场的影响就更加显著。因此,本文基于摩尔-库仑本构模型,利用FLAC3D软件对深部软岩隧洞洞室围岩的力学响应及其在不同温度场作用影响下的应力、变形及塑性区分布等指标的分布及变化情况进行模拟计算及研究分析,得出了一定基本规律,为工程设计提供参考。     

岩石压缩条件下微裂纹扩展机制研究及数值模拟

岩石在压缩加载过程中的变形由岩石母体的线弹性应变和微裂纹引起的非弹性应变组成,微裂纹扩展与裂纹尖端应力强度因子大小有着密切的关系.基于细观力学方法,分析了岩石微裂纹相对滑动的条件及扩展准则.运用RFPA2D程序,对在压缩条件下岩石单一微裂纹的扩展过程进行了数值模拟,结果表明,微裂纹在起裂扩展前,在相当一段时间内,原生裂纹上下2个裂纹面会发生相对摩擦滑动;岩石受压时微裂纹产生沿最大主压应力方向扩展的次拉伸裂纹,该次拉伸裂纹是岩石产生劈裂破坏的主要因素.     

地应力对岩体爆破影响的数值模拟

将无限大岩体内柱状药包爆破简化为平面应变问题,基于双线性随动硬化屈服理论,采用ANSYS/ LS-DYNA对爆破过程进行模拟,研究垂直炮孔方向的双向地应力场对裂纹扩展规律的影响。模拟结果表明：双向等压下,裂纹区形状为圆形,其面积随地应力增大而非线性减小,但裂纹密度增大,给出了裂纹区面积与压应力之间的定量关系;而双向不等压情况下,裂纹区形状为近似椭圆形,长轴出现在较大压应力作用方向,短轴出现在较小压应力作用方向,在较小压应力不变的情况下,随着较大压应力增大,长轴先增大后减小,短轴减小,裂纹区面积先增加后减小,呈非单调变化。