矿井断裂构造带滞后突水的流–固耦合模拟方法分析与滞后时间确定

 矿井断裂构造带滞后突水是威胁煤矿深部开采的主要水害类型。基于流–固耦合理论,提出弹塑性应变–渗流耦合、流变–渗流耦合及变参数流变–渗流耦合3种模拟评价模型。将断层破碎带物质等效为连续介质模型,材料本构模型分别采用弹塑性模型和流变模型,应用FLAC3D软件,对上述3种评价模型进行数值模拟,结果表明弹塑性应变–渗流耦合模拟结果在某些情况下可以适用;流变–渗流耦合模拟结果最接近实际;渗透性可变的条件下变参数流变–渗流耦合对渗流参数变化机制的解释最好。以流变–渗流耦合模拟结果为例,最危险滞后突水可能发生时间得以确定,在模拟开采的不同阶段,岩石巷道附近(即模型8#点处)分别产生3.26,3.63,3.77 MPa的最高水压,对应滞后时间分别为15,131,546 d。     

孔隙裂隙岩体中渗流场与应力场耦合分析

据岩体的结构特征,对岩体的流固耦合特性及热-液-力三场耦合特性进行了研究,建立了相应的数学模型并进行了数值求解。主要内容如下:(1)介绍了混合物理论,研究了其基本观点与方法在岩体与周围地质环境耦合作用问题中的应用。(2)通过分析单裂隙的受力变形机理,研究了单裂隙在法向应力、剪应力及复杂应力条件下的流固耦合特性,为建立相应     

裂隙岩体渗流–断裂耦合机制及应用

将断裂力学引入裂隙岩体流固耦合分析,建立裂隙岩体渗流–断裂耦合机制,在 FLAC ^3D 现有计算模块的基础上,通过 FISH 研制了裂隙岩体渗流–断裂耦合分析程序。该模型的耦合机制体现在：渗透水力梯度作为渗透体积力作用于应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩体裂纹的劈裂扩展;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加导致渗流场的改变。将渗流 – 断裂耦合理论应用于高水头不衬砌压力隧洞工程中,系统地研究高水头不衬砌压力隧洞在运行期间的水力劈裂、渗流场和内水外渗渗漏情况,得到：①处于水力劈裂的高水头压力隧洞周边向外延伸依次为拉剪劈裂区、压剪劈裂区、未劈裂区;②由于渗流体积力作用,高水头压力隧洞内水外渗过程中洞周产生径向向外变形;③高水头压力隧洞内水外渗过程中渗漏率先增加后平稳减少最终稳定。首次提出陡倾地表下不衬砌压力隧洞与裂纹几何特性、力学特性和岩石断裂韧度高度相关的水力劈裂系数的概念 。 建议在水工隧洞设计规范中建立与水力劈裂系数相匹配的安全控制标准,可为我国不衬砌压力隧洞工程的设计提供理论基础。     

考虑流-固耦合的天然气盐岩储库渗流特性研究

根据我国油气储库多为层状盐岩的实际情况,基于流-固耦合分析理论,利用快速拉格朗日有限差分法对层状盐岩储库的渗流特性进行分析。研究了含夹层盐岩天然气储库流-固耦合效应,不同内压下的体积应变与围岩渗透率变化,围岩塑性区分布以及渗流量与渗透压力的变化规律。结果表明:渗透率与体积应变的关系可近似采用线性函数描述,体积应变增大时,盐岩内部空洞和裂隙扩大,使盐岩渗透率增大;在某个渗流压力(洞室内压)条件下,随着盐岩的流变变形,渗流量会趋于某一定值,渗流达到稳定状态。在天然气内压与围岩应力共同作用下,储库围岩塑性区扩展深度随着内压的增大而减小,研究结果对盐岩储气库的安全运行具有一定的指导作用。     

大直径管桩低应变检测的模拟与分析

利用有限差分软件——FLAC(3D)建立了三维柱坐标下瞬态振动的计算模型,了解低应变反射波法检测大直径桩的效果。通过计算,得出桩顶振动速度的数值解,不仅得到各个角度的速度,还给出了实验验证。此外,探讨了完整桩在瞬态竖向激振力作用下的动力响应,给出了桩顶不同位置的速度时程,并探讨了三维干扰来源,以及桩周土层对检测结果的影响。最后,基于对管桩进行低应变完整性测试数据,验证了该数值算法的可靠性,并对大直径管桩检测提出了对策。     

矿井底板突水的水力劈裂研究

矿井承压水上采煤底板突水问题是一个困难的问题。困难之处就在于影响因素太多，而且由于矿井条件的不同，难以找到统一的处理模式。从水力劈裂的机理入手，通过分析工作面推进过程中采场及采空区底板力学条件变化导致的渗透性改变，来推断底板突水的危险程度。在分析过程中，引入了损伤的概念。损伤被用来描述采场底板的破坏程度(结构演变情况)，底板岩体的破坏直接导致底板渗透性的改变；渗透性的改变为承压水提供了通路，增加了底板突水的可能性。针对正交各向异性岩体建立了渗透系数与损伤变量的函数关系，以此描述底板破坏对渗透性的影响。针对具体的算例，得到了矿井底板突水的危险位置。     

带压开采顶板破坏规律的三维相似模拟研究

运用大型三维固-流耦合模拟实验台，对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了三维模拟，分析了煤层顶板应力-位移的变化规律，解释了煤层顶板垮落的一系列现象，总结了顶板活动的影响因素，为采掘活动引起地表移动的研究提供理论参考。     

应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用

根据瓦斯渗流与煤体变形的基本理论,引入煤体变形过程中应力、损伤与透气性演化的耦合作用方程,建立了含瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模型。应用该模型模拟分析了深部采动影响下瓦斯抽放过程中煤层透气性的演化和抽放孔周围瓦斯压力的变化规律,认清了开采卸压瓦斯瞬态渗流的力学机制。模拟结果表明,采动影响使得处于其上部67m的煤层卸压,透气系数增大了2000多倍,卸压范围70m左右,同现场实际观测结果比较吻合。这对于进一步深入理解开采过程远程卸压瓦斯渗透性的演化、瓦斯抽放渗流的机制具有重要的理论和实践意义。     

开滦范各庄井田突水特征及煤层底板 突水地质条件分析

 煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据,以开滦范各庄井田为依托,从促发与阻抗突水2方面系统分析矿井突水特征和12～14煤层间砂岩裂隙含水层厚度及其特征、突水介质条件(岩性、层间距)和突水构造条件,建立煤层底板突水与地质条件之间的相关关系和模型,并探讨控制机制。研究结果表明,本区发生突水的水源以12～14煤层间砂岩裂隙承压含水层为主,其砂岩裂隙含水层的厚度由井田的浅部向深部增厚;含水层水压随其埋藏深度的增加而增高,呈线性相关关系,且富水性增强。煤层底板隔水性能取决于隔水层厚度及其泥岩百分比含量,底板泥岩极限厚度与水压之间呈正相关关系,随着底板泥岩厚度的增加,泥岩层抵抗水压的能力增强,隔水性能变好,且完整底板泥岩层的抗水能力明显大于含裂隙的底板泥岩层。突水与构造密切相关,突水点最大涌水量与断层密度呈正相关关系。断层突水是由于断层对煤岩层的破坏作用导致在断层附近煤岩层裂隙和孔隙增加,力学强度大幅度降低的结果,且受控于区域构造和现代构造应力环境。这些成果为井田12煤层底板突水危险性评价与预测和井下突水防治提供理论依据。     

单轴压缩煤岩变形破裂电磁辐射与应力耦合规律的研究

利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的耦合规律。在煤岩材料损伤特性和强度统计理论的基础上，研究了受载煤岩变形破裂的三维力．电耦合本构关系，从理论上分析了煤岩变形破裂过程中电磁辐射强度和脉冲数与加载应力之间的关系，认为它们之间的关系可以用多项式来表征。煤岩变形破裂过程中的力-电耦合计算结果表明：EME先是逐渐增加，达到一个峰值后快速降低，这与实验测定结果的趋势是一致的：加载速度越大，EME信号也越强：随着煤岩样品强度的增加，EME也是逐渐增大的，其中强度最高的砂岩产生的EME强度也最大，以下依次是泥岩、硬煤和中硬煤。这些都说明采用的模型和计算方法是合理的，可以有效地模拟煤岩单轴压缩过程电磁辐射信号的变化规律。     

煤层底板陷落柱突水模拟及机理分析

岩溶陷落柱是中国北方型石炭二迭系煤田的一种特殊塌陷，广泛分布于20个煤田45个煤矿区，其导致的突水具有隐蔽性、突发性且与岩溶水有天然联系等特点，对煤矿安全生产危害极大。为研究煤层底板陷落柱破坏特征及突水机理，采用FLAC^3D模拟分析了陷落柱影响下采面推进过程的不同阶段。数值模拟及实验显示，由于陷落柱的面积有限，矿压和水压力联合作用下使其发生弯曲并形成拉张破坏的可能性较小，一般产生剪切破坏，虽然升、降错动产生的剪应力、上凸弯曲产生的拉应力和压应力的三重作用导致煤层底板岩层失稳破坏，但以剪应力作用为主：同时，陷落柱的存在改变了煤层底板的地质环境和岩体结构，底板有效隔水层厚度减小，岩体强度降低，应力．应变分布不均，局部应力集中系数增大，使关键层的最小主应力进一步降低，一旦承压水压力大于关键层的最小主应力，承压水的渗水软化和压裂扩容即起作用，使底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一步扩展，导致裂隙贯通，最终形成管涌，发生突水。特别是，陷落柱的边壁、工作面底板压缩区与膨胀区的分界线重合在一条线上时，是底板岩层发生剪切破坏的最佳状态，最容易发生底臌突水。     

基于FLAC3D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究

首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行了数值模拟,并提取了各个单元的应力值;然后根据数值模拟应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式研究了巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律。研究结果表明:模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际围岩应力显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩受采动影响时内部应力场的变化规律;将较大范围煤岩体单元当作电磁辐射源时的计算结果只比将应力集中区看作电磁辐射源的计算值大3%～8%,说明在现场监测到的EME强度反映的是应力集中区煤岩变形破裂的程度;EME强度在迎头沿着走向符合先逐渐增大达到峰值后再逐渐降低的规律,呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律;随着迭代时间的增加,EME强度在同一监测点的变化关系先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律;巷道开挖后内部应力变化的快慢表现在EME强度的变化上。现场钻孔内不同深度EME强度测定结果基本上也呈现出与模拟结果相同的变化趋势,同时证明了力电耦合方法的合理性。     

金鼓高速远程滑坡形成机制及动力稳定性

综合运用多学科理论和方法,对汶川地震触发的金鼓高速远程滑坡形成机制及动力稳定性进行研究。在工程地质定性研究方面,通过对滑坡区的地形地貌、地层岩性、构造与地震以及水文地质条件的综合研究,分析高速远程滑坡的形成机制,将其划分为紧密发生的2个演化阶段：第一阶段为上部滑体被抛掷分离,第二阶段为下部受铲刮发生二次滑坡。在岩土力学定量研究方面,进行以下3个方面的工作：(1) 以FLAC3D作为动力分析的数值计算引擎,采用自行开发的基于多层次微粒群的非圆弧最危险滑动面搜索并行程序,获得滑坡的动力稳定系数时程及其对应的最危险滑动面的空间分布规律,研究动力稳定系数的频域特征;(2) 通过2种潜在破坏模式的对比研究,指出金鼓高速远程滑坡2#滑动面簇发生主导破坏的可能性更大,并可触发二次滑坡;(3) 依据空气动力学定量计算,论述上部滑体长距离抛掷是完全有可能的。综合研究表明,岩土力学定量分析结果与工程地质定性成果相吻合,进而将金鼓高速远程滑坡孕育的先决条件归纳为以下4条：力学性质差、高位剪出、下降空间开阔、初速度足够大。     

Numerical analysis of Shiobara hydropower cavern using practical equivalent approach

Three-dimensional (3D) numerical simulation of Shiobara hydropower cavern was attempted with the developed practical equivalent approach. This simple equivalent approach integrates the effect of joints and corresponding nonlinearity in the rock and predicts its deformation behaviour. The model requires minimum inputs from field or laboratory tests and is efficient to capture the nonlinear stress–strain responses associated with the jointed rock mass. In this study, the applicability of the model was demonstrated with the 3D analysis of Shiobara hydropower cavern. The numerical results were also compared with those of six other computational models to analyse the same cavern. The 3D modelling of powerhouse cavern shows that the present approach, though simple, can be applied to large-scale field problems. The model can precisely predict the deformation values well, and this study confirmed the effectiveness of the approach for simulation of underground structures in jointed rocks.     

库水位升降作用下大型土石混合体边坡流–固耦合特性及其稳定性分析

 以金沙江中游梨园电站坝前大型土石混合体边坡为例,基于精细地质结构模型,研究其在蓄水及库水位骤降过程中的流–固耦合及相应的稳定性变化特征。结果表明：蓄水初期边坡地表变形较为缓慢,当库水位达到某一高程时,其地表变形呈现陡增趋势;在蓄水初期边坡的稳定性有所下降,当上升至某一临界水位后边坡稳定系数达到最低值,而后随着库水位的上升有所回弹;库水位骤降对边坡稳定性影响较大,且其稳定系数下降随着骤降幅度的增大而增大。这些对于指导实际工程及深化库区土石混合体边坡的研究具有一定的理论意义。