采动岩体分形裂隙网络计算机模拟研究

分形维数是描述采动岩体分形裂隙网络的重要参数之一。根据现场调查和观测的采动岩体的原始参数,利用离散单元法模拟分形裂隙网络,并求出分维值,进而验证和研究采动岩体分形裂隙网络的演化规律。该方法能够比较实时客观地确定采动岩体分形裂隙网络的分维值。     

扰动岩体裂隙网络分形性质分析

应用相似材料试验模型,研究扰动岩体裂隙网络的演化特征和规律,借助分形几何方法计算分析了扰动岩体裂隙网络的分形维数和分形演化特征,展望了研究覆岩力学性质与裂隙网络演化的依赖关系,对评价采动覆岩变形过程、力学行为和渗流性质具有重要意义.     

采动岩体分形裂隙网络演化规律的试验研究

利用相似材料模拟试验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态 ,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙网络的演化规律。试验结果表明 :采动覆岩裂隙分形维数随工作面推进 ,经历了由小→大→小并趋于稳定的变化过程 ,在工作面推进距离相同情况下 ,冒落带分形维数是裂隙带的 1 0～ 1 2倍 ,裂隙带分形维数是弯沉带的 1 0～ 1 1倍     

采动岩体裂隙分形相关规律的实验研究

利用相似材料模拟实验模拟采动岩体裂隙的形成过程和分布状态，运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙分布的分形规律。实验结果表明：采动岩体裂隙分形维数随开采宽度的增加而增大，岩体碎胀系数、覆岩下沉系数随采动岩体裂隙分形维数的增大而增大。     

三峡永久船闸高边坡岩体裂隙分布的分形研究

ＦｒａｃｔａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒｒｏｃｋｍａｓｓｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｓｆｏｒｒｏｃｋｍａｓｓｉｎｈｉｇｈｓｌｏｐｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｌｏｃｋｏｆＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓ１概述岩体结构面的存在,不仅破坏岩体的完整性...     

分形及损伤力学在矿山开采沉陷中的应用研究

 博士学位论文摘要　岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体, 由于地质构造运动的影响, 其内部存在大量的断层、节理、层理和地质弱面。这些地质结构面(即损伤) 的存在, 破坏了岩体的整体性, 影响着岩体的变形性质和强度特性, 从而导致岩体开采沉陷更加复杂, 即: 在规律上的非规范性、在程度上的剧烈性和在损害上的严重性。因此, 仅采用常规的开采沉陷理论来分析和解决矿山开采沉陷工程问题已暴露出诸多的缺陷和不足。基于上述问题和认识, 提出了矿山开采沉陷理论研究和实践应用的新思路: 将损伤力学及分形几何等现代非线性科学应用于开采沉陷学科领域, 在现有的开采沉陷理论基础上, 进一步揭示岩体(特别是地质构造复杂的岩体) 开采沉陷的更深层次的机理、特征和规律, 进一步发展矿山开采沉陷学科, 使其在理论上更完备、实践上更符合实际、工程预测上更准确、应用上切实可行。在此研究思路的指导下, 就节理对岩体采动沉陷规律的影响、采动岩体裂隙分形分布及演化规律、采动断层活化的分形界面效应等3 个问题进行了一系列的理论研究和实验研究:(1) 初始节理(初始损伤) 对采动岩体沉陷规律的影响研究①为了研究岩体内初始损伤(初始节理) 对开采沉陷的影响规律, 分别制作无节理和考虑节理倾角单因素的相似材料模型, 进行了系统的实验研究;②为了进一步得到岩体内初始损伤(初始节理) 对开采沉陷的影响的定量规律, 应用损伤力学原理统计研究了初始节理(初始损伤) 在开采沉陷中的控制作用, 建立了开采沉陷量值与损伤量值的数量关系;③应用损伤力学原理定性分析非贯通节理岩体采动沉陷的损伤岩梁弯曲效应, 进一步验证实验研究成果。(2) 采动岩体分形裂隙网络研究①制作一套考虑不同开采宽度的相似材料模型, 在实验观测的基础上统计分析了采动岩体裂隙分布随采宽增加(工作面推进) 的变化规律和分形性质;②制作一套考虑不同岩性的相似材料模型, 分析了岩性对采动岩体裂隙分布的影响和分形性质;③研究初始节理对采动岩体裂隙网络的影响规律, 检验其分形性质。(3) 采动断层活化的分形界面效应研究①进行野外实地勘查、勘测和研究断层面的结构形态与分形性质;②构造了自仿射分形曲线来模拟实际的断层面, 制作一套含有这种分形断层面的相似材料模型, 系统研究分形断层面对断层活化的影响规律;③对采动断层活化的分形界面效应进行数值模拟。通过上述实验和研究工作获得了如下的成果:(1) 岩体内存在的初始节理打破了岩体采动破坏和地表移动的正常规律, 与无节理岩体采动沉陷规律相比较(地表移动稳定后) , 初始节理在岩体采动沉陷过程中起催化作用, 打破了采动岩体裂隙的分布规律和扩展方向, 使覆岩破坏范围和地表移动范围增大, 地表移动量值也随之增加。(2) 通过实验现场观测发现: 不同展布的初始节理, 使岩体表现出不同的破坏机制。水平初始节理使岩体出现层裂、层滑现象, 使岩体在采动过程中出现离层数量增多、离层高度增大、地表移动矢量增大; 倾斜初始节理使采动覆岩中出现沿倾斜节理滑移的现象, 从而导致岩体破坏区域和地表移动曲线出现偏态, 最大下沉点和最大水平移动点均偏向节理的倾斜方向; 高角度初始节理使岩体破坏出现尖角突变现象, 使覆岩破坏更加剧烈。(3) 考虑初始节理倾角单因素的影响, 随着节理倾角的增大, 采动岩体裂隙扩展角随之增大, 覆岩破坏范围和地表移动范围随之增大, 地表下沉值和水平移动值也随之增大, 且地表下沉值的增加幅度较水平移动增加幅度大。　(4) 初始损伤对岩体采动沉陷具有严重的影响,损伤岩体采动沉陷量值较无损伤岩体采动沉陷量值要大。其中的垂直移动量主要以决于损伤岩体中初始孔隙在竖直平面内的总占位,其占位越大,下沉值越大;水平移动量主要取决于损伤岩体中初始孔隙在水平面内的总占位,其占位越大,水平移动值越大。(5) 在给定的研究条件下,地表移动特征值(最大下沉值Wmax 、下沉系数q、背离节理倾斜方向的最大水平移动值U+max和水平移动系数b + 、顺着节理倾斜方向的最大水平移动值U2max和水平移动系数b2) 与岩体损伤变量Ωy 存在如下明确的定量对应关系:Wmax = - 416. 667Ω2y - 568. 333Ωy + 1 399. 4q = - 0. 115 7Ω2y - 0. 4277 8Ωy + 0. 881U+max = 358. 796 0Ω2y - 176. 389Ωy + 386U-max = - 1 562. 5Ω2y + 771. 677Ωy + 379. 3b + = 0. 694 44Ω2y - 0. 15Ωy + 0. 286b - = - 0. 864 17Ω2y - 586. 333Ωy + 1 399. 4(6) 采动岩体裂隙形成、扩展、分布极其复杂,处于明显的混沌状态,具有分形特征,用分形维数可以综合描述采动岩体裂隙化程度(裂隙条数、迹线长度、张开度等) 。(7) 随着工作面的推进,采宽的逐渐增加(或重复采动) ,使采动岩体裂隙分布越趋复杂:破坏范围增大、破坏程度增大、不规则性增加,导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象,在给定的研究条件下的打动岩体分形裂隙网络的分形维数D 与采宽L 具有很好的定量关系:D = 0. 000 172 432L2 - 0. 010 265 4L + 1. 259 6(8) 岩体特性对采动岩体裂隙的分布规律有一定影响。抗压强度较大的岩体,采动后形成的裂隙空间占位较大,其形成的分形裂隙网络的分形维数值也较大;而地表下沉值则较小,地表下沉值与采动后岩体中形成的裂隙空间占位的分维值成反比关系。(9) 含有规则展布初始节理的岩体采动后形成的裂孙网络具有分形性质,且随着初始节理倾角的增大,采动岩体裂隙网络的分形维数值越趋减小。(10) 在给定的研究条件下,地表最大下沉值Wmax与采动岩体裂隙网络分形维数值D 具有明确的定量关系:Wmax = - 16. 872 7D3 + 64. 117D2 - 81. 060 2D + 75. 370 1(11) 地质断裂面粗糙不平,具有统计自相似分形性质,且表现为各向异性分形特征。(12) 地质断裂面具有多层次性,分形维数反映了它的粗糙起伏程度,很好地反映了断层面的逐级包络的形态特征,分形维数是描述断裂面全貌起伏特征的有效数量指标。(13) 地质断裂面在采动影响下的活化现象严重受控于断裂面的分形几何形态,具有明显的分形界面效应,表现为断层面分形维数越大,断层面两侧岩体互相约束性越大。(14) 通过对含断层面的模型实验发现:含有分形维数较小断层面的模型中,覆岩破坏比较迅速,移动比较充分,弯曲带内的离层最终表现为不发育;而含分形维数较大断层面的模型中,覆岩破坏和移动表现为较前者缓慢和不充分,弯曲带内的离层最终表现为较发育。(15) 分形断层面打破了采动断层的正常活化规律,导致地表移动随着断层面分维的减小而愈加剧烈(下沉速度愈趋增大) 断层两侧的台阶落差值和地表最大下沉值均随着断层面分维的减小而增大。在给定的研究条件下,台阶落差值H、地表最大下沉值Wmax和某一时间段的平均下沉速度V 与断面分形维数D 的经验数量关系为H = 1 528. 5D2 - 4 654. 29D + 3 602. 1Wmax = 1 200D2 - 5 832D + 4 094V = - 15. 00D2 + 30. 9D + 20. 58(16) 采动断层活化分形界面效应的数值模拟,不仅有效地验证了实验成果,而且获得了断层面分形性质对采动岩体内部应力分布的影响规律。断层面的分形性质对X 方向的拉应力影响不大;各模型的X 方向压应力和Y 方向拉应力在分形断层面的下部集中程度大体一致,而靠近断层露头附近则随分形维数的增大,集中程度越来越弱,说明断层活化量越来越小,从而造成断层面活化后其两侧岩体的接触程度越来越弱. Y 方向的压应力随断层面分形维数的变化规律是:随着断层面分形维数的增加,整个采场上覆岩层的压应力值逐渐减小,说明随着断层面分形维数增大,断层两侧岩体互相约束性越趋增大,导致采场上覆岩体向下的移动越趋减小,其中的离层越趋增多。上述研究成果表明,将分形几何和损伤力学等先进的理论应用于矿山开采沉陷学科领域中,有助于深入认识和理解复杂的矿山开采沉陷现象,有助于研究矿山开采沉陷更深层次的机理、特征和规律以及此为出发点的控制开采损害的技术措施,将推动矿山开采沉陷理论的进一步发和工程实用。     

裂隙岩体坝基渗流分析

裂隙岩体坝基渗流分析成果是进行大坝工程设计的重要依据之一。采用非连续介质的裂隙网络渗流原理对裂隙岩体坝基进行渗流分析,计算工况包括设置灌浆帷幕和排水孔与否及其组合共四种情况。由计算结果可以看出,坝基总渗流量主要由灌浆帷幕的质量和帷幕区的渗透系数决定,坝基排水孔在排出渗水和降低渗透压力方面起到极其重要的作用。     

基于分形理论的裂隙岩体地下水溶质运移模拟

岩体裂隙面是粗糙不平的，具有分形特征。裂隙本身可以看成由上下两裂隙面叠合而成的，可以应用分形几何理论来模拟粗糙裂隙面和裂隙张开度的分布情况。在用分形理论模拟裂隙面及裂隙张开度的基础上，用特征有限元方法对粗糙裂隙中的溶质运移进行了模拟。模拟结果显示，考虑裂隙面的粗糙度，模拟其中的溶质运移更符合实际情况。与平均张开度下光滑裂隙中的溶质运移相比，粗糙裂隙中的浓度锋面更落后，而且存在不均匀性和各向异性的特点。     

岩体节理网络分形的计算机模拟研究

本文利用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法在计算机上生成岩体节理网络图,然后介绍了求分形维数的盒维法,并编写了相应的计算该网络分形维数的程序;最后分析了一些算例,并得出了分形维数与节理参数及ＲＱＤ之间的关系。     

岩体裂隙分维数与岩体强度的相关性研究

以岩体裂隙分布的分形规律为基础,采用数值计算方法,研究了岩体的单轴抗压强度与岩体裂隙分维数D的关系.结果表明,岩体的单轴抗压强度的对数值与岩体裂隙分维数D呈负线性关系.此结论对岩体工程的设计、施工以及稳定性的评判具有指导意义.     

岩层裂缝分形分布相关规律研究

详细介绍了三个地质钻孔共计1000余米岩芯的裂缝分布分形统计研究结果，揭示出了同一地质体中，不同岩层裂隙分布的分形维数与岩层岩样强度模量积呈幂函数的相关规律，并从构造应力场作用使岩石变形破裂 的角度给出了明确的物理解释。     

石材裂纹扩展分形特性

 利用楔形劈裂试验系统观测石材裂纹起裂与扩展,利用应变片系统量测出试件在不同加载速率下裂纹尖端附近裂纹扩展速度的分布及其分形特性。所得结果如下：在考虑不同加载速率下,得到在静态或准静态加载条件下试体的断裂韧性基本上变化不大;但加载速率愈快,裂纹扩展实测平均速度愈高。考虑分形特性,在相同加载速率条件下,所得分形维数越大,则分形裂纹速度也越大,这与理论推导是相符的;分形维数与相关参数(断裂韧性、加载速率)的关系,在静态或准静态加载下近似为一个常数关系。     

石材裂纹扩展分形特性

利用楔形劈裂试验系统观测石材裂纹起裂与扩展,利用应变片系统量测出试件在不同加载速率下裂纹尖端附近裂纹扩展速度的分布及其分形特性。所得结果如下：在考虑不同加载速率下,得到在静态或准静态加载条件下试体的断裂韧性基本上变化不大;但加载速率愈快,裂纹扩展实测平均速度愈高。考虑分形特性,在相同加载速率条件下,所得分形维数越大,则分形裂纹速度也越大,这与理论推导是相符的;分形维数与相关参数（断裂韧性、加载速率）的关系,在静态或准静态加载下近似为一个常数关系。     

岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真理论与技术

以岩体裂隙面数量分布具有分形特征为基础,建立了岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真模型,并采用 VisualC 6.0 开发出岩体裂隙面数量的三维分形分布仿真系统。利用该仿真系统可方便地研究岩体内部任意剖面的裂隙迹线分布特征以及任何子块内裂隙面的分布特征,为岩体工程稳定性及其应力分布分析带来了极大的方便。     

覆岩主关键层运动对地表沉陷影响的 钻孔原位测试研究

 通过神东矿区补连塔煤矿31401工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比研究,就覆岩主关键层运动对地表沉陷的影响进行实测研究。研究结果表明：厚47.01 m的粉砂岩主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形,上覆岩层的运动随主关键层破断出现周期性跳跃变化;受主关键层的控制作用,地表沉陷测站观测时间间隔长短显著影响了测点的下沉速度曲线,观测时间间隔越短,其对应的下沉速度曲线呈现的周期跳跃性变化越强;观测时间间隔越长,其对应的下沉速度曲线更为均化。因此,在浅埋煤层开采中,为了准确反映地表下沉的动态过程,应该缩短观测时间间隔,才能正确掌握采动覆岩内部移动与地表沉陷的内在联系,推动开采沉陷预计的发展。     

覆岩组合运动特征及关键层位置研究

把煤矿覆岩的组合运动视为以坚硬岩层为依托的复合关键层的运动，运用弹性薄板理论和复合材料力学的层合板理论讨论了复合关键层的应力，从而为计算复合关键层的整体强度提供了途径；并且采用结构塑性极限分析方法解析得出了关键层失稳时的极限荷载，依据此极限荷载可以近似判断出覆岩中关键层的位置。     

岩体裂缝面数量三维分形分布规律研究

采用计算机仿真的数值试验方法,首先证明了岩体裂隙面数量服从三维分形分布规律这一自然现象。然后根据大量的计算以及理论推演,得到了裂隙面的2个重要的分形参数(分形维数和分形分布初值),以及分形维数DS和分形分布初值NS与二维剖面裂隙迹线分形参数DL,NL的相关关系。即二维分形维数与三维分形维数遵循:DL = DS-1,二维分形维数DL与裂隙面的其他参数无关;二维分形分布初值NL与三维裂隙面的倾角ST,方位角SP遵循投影关系;二维分形分布初值NL与三维分形分布初值NS遵循正比关系:NL = kNS,k值决定与岩体剖面和三维裂隙面的投影关系。实测结果证实了这些关系的正确性。这些结论为研究裂隙岩体的其他物理力学性质奠定了基础。     

浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类

 通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测,揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成,采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式,模拟测定下行裂隙带的发育深度。基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系,提出以隔采比为指标的隔水性判据,由此将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采3类,为浅埋煤层保水开采提供科学依据。