矩形巷道围岩破坏规律数值模拟

运用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),对矩形巷道的破坏进行了数值模拟研究,通过对开挖后的应力分布、裂缝形成和发展及最终破坏模式进行数值计算和分析,获得了不同条件下矩形巷道的破坏规律.结果表明,矩形巷道由于其断面形状和围岩组成结构的关系,其开挖后的应力分布及破裂结果与其它形状巷道破坏模式明显不同.     

套筒压裂作用下岩石细观裂隙与能量演化规律探究

为从细观层面揭示不同围压作用下套筒压裂岩石破坏机理及能量运移规律,基于套筒压裂试验以及膨胀力测定试验构建了PFC^3D数值模型,采用离散元法对套筒压裂过程开展数值模拟,结合声发射信息探究了套筒压裂过程中不同围压对岩石细观裂隙及能量变化的影响规律,并依据弹性力学揭示了套筒压裂力学机制,研究结果表明：(1)套筒注液过程存在压力损失,依据注液压力损失率可将注液过程大致划分为充填阶段、增压阶段、快速增压阶段。注液压力与套筒膨胀力呈线性关系,其修正系数为0.678。(2)基于PFC^3D所构建的数值模型能够较好的反映套筒压裂过程中岩石力学性质与变形破坏特征,岩石压裂过程以张拉破坏为主。围压决定着裂缝的扩展路径,并对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用。随着应力差的逐渐增大,岩石内部剪切裂纹数量及占比均逐渐增大。(3)声发射信号可分为平静期与活跃期,累计裂缝数目曲线呈现阶梯状上升。无围压条件下,声发射特征呈现单峰值分布;有围压条件下,声发射特征呈现多峰值分布,压裂过程存在多个破坏阶段。(4)套筒膨胀力作用范围有限,环向拉应力作用范围与套筒膨胀力呈现对数关系。切向应...     

坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明：预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增-突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂...     

深孔爆破数值模拟及其在煤矿顶板弱化中的应用

分析了钻孔爆破对岩石的破坏过程,提出了岩石钻孔爆破过程的“动静压”破坏原理.利用AUTODYN软件对钻孔爆破进行数值模拟,得出钻孔爆破的岩石破裂过程.分析了钻孔不耦合装药爆破的规律,实现了理论分析及数值模拟结合到现场实施的煤矿顶板弱化成套技术,用现场钻孔观测爆破裂隙及矿压规律监测方法验证了研究结论.     

完整及含裂隙岩石试件单轴压缩过程数值模拟

采用 FLAC^3D数值模拟程序对完整岩石试件及含有单一裂隙岩石试件在单轴压缩下的破坏过程进行数值模拟。结果揭示了完整岩石试件和含裂隙岩石试件破裂过程的发展规律,即岩石试件破坏一般分为3个阶段:压密阶段、微裂纹萌生阶段和扩展以及断裂破坏阶段。不同的是随着加载的进行,完整岩石试件的破坏过程首先出现一个应力集中区,最终形成一个倾斜的应力面,导致试件最后形成一个倾斜的破坏面;而含有裂隙的岩石试件的破坏过程是首先在裂隙的两端出现应力集中区,随后在裂隙的尖端产生裂纹并沿垂直裂隙方向发展贯通整个岩石试件。     

在压缩应力下破坏裂缝产生和扩展的模拟(关于岩石压缩破坏机理的研究)

为了查明岩石的破坏过程,用有限元法对岩石的应力-应变和破坏裂缝的产生、扩展之间的关系进行了模拟研究。 1.破坏扩展的模拟方法在模拟中采用顺序破坏法。假设与无裂缝部分相比,潜裂缝部分是一种更易变形的材料,将它视为包含模型。用有限元法求出模型内各单元由于加载而产生的应力。采用法尔赫斯特和冈行俊等人提出的相对破坏极限接近度作为破坏准则,推断出最接近于破坏的单元,当作发生局部破坏的地方。把破     

层状大理岩破裂过程力学特性与 能量演化各向异性研究

为了揭示互层状大理岩压缩过程中能量演化和破裂形态的各向异性,采用GCTS 2000岩石力学试验机,应用全应力应变分析、能量分析和CT扫描相结合的方法,对不同互层角度的大理岩试样开展了相关试验研究。结果表明:岩石的物理力学性状具有明显的各向异性,抗压强度随互层倾角变化呈U型分布,弹性模量随倾角增大逐渐减小;能量演化揭示出明显的储能与释能各向异性特征,30°倾角试样破坏所需能量最小,90°倾角试样破坏所需能量最大;提出了基于能量原理的特征起裂和扩展应力的确定方法,并证明了该方法的可靠性;岩样的宏观破裂形态表现为互层间的劈裂张拉破坏、弱面的剪切滑移破坏和贯穿基质与软夹层的张剪破坏,相应的细观CT图像表现为多条平直裂缝、单一贯穿裂缝和多条弯折裂缝。试验结果充分揭示了层状岩石破裂特征与储能释能特性的相关性,岩石的能量演化机制与其宏细观破裂形态受控于岩石的内部互层状结构,研究结果可为岩爆灾害的防控和深部资源安全开采提供必要的理论依据。     

非均质岩石单轴压缩试验破坏过程细观模拟及分形特性

为了细观模拟非均质岩石试样单轴压缩试验的破坏过程,提出了一种新的有限元数值模拟方法。该方法以莫尔-库仑破坏准则为基础,将岩石视为非均质和准脆性材料,并假定岩石单元的抗剪强度参数服从正态分布。有限元细观模拟结果表明,岩样非均质性对本构关系曲线形状有显著影响,模拟的应力-应变曲线与试验曲线基本吻合。基于分形几何理论,采用计盒维数方法计算单轴压缩试验不同荷载条件下的岩石破坏分形维数,建立了分形维数与顶部位移之间的非线性演化模型。分形分析研究表明,岩石试样的破坏过程具有分形特性,分形维数可用来定量地表征单轴压缩试验岩样破坏过程。     

岩石破坏全过程中的能量变化分析

分析了用能量的方法研究岩石破坏问题的合理性,指出能量是岩石破坏的原动力,从能量的角度进行研究,就有可能发现岩石破坏的机理。进而详细分析了岩石变形破坏过程中,各种耗散能和释放能的种类、大小、以及对岩石破坏所起的不同作用,并分别从宏观和微观的角度研究了在不同的变形阶段中,岩石能量耗散与释放问题。作者认为能量耗散导致岩石强度的降低,而能量释放造成岩石的灾变破坏,从能量耗散与释放的观点研究岩石的破坏,可以避免分析复杂的变形过程,有利于简化问题,找到岩石破坏的真正原因,为实际工程提供参考。     

炭质泥岩单轴加载RFPA~(2D)数值模拟

通过数值模拟软件RFPA~(2D)对炭质泥岩单轴加载的力学行为进行研究。在单轴加载条件下分别模拟了岩石破坏过程、岩石凯瑟效应、不同尺寸对岩石破坏的影响。研究表明:单轴加载条件下,岩石的破坏过程与声发射情况相对应;用数值模拟验证了岩石的Kaiser效应;针对岩石不同尺寸的影响,采用高径比为2的标准试样进行模拟,发现150 mm×300 mm是岩石强度的分界点。     

Hybrid finite-discrete element modelling of asperity degradation and gouge grinding during direct shearing of rough rock joints

International Journal of Coal Science & Technology - A hybrid finite-discrete element method was implemented to study the fracture process of rough rock joints under direct shearing. The hybrid...     

TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机（TBM）边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真结果表明：张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低。最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性。     

大厂91号矿体及充填体稳定性有限元分析与预测

运用耦合无界元的弹塑性有限元法，对大厂９１号矿体开采过程中的稳定性进行了分析与预测，并用数值方法得出了充填体的暴露高度。在模拟过程中，考虑了分步开挖，充填效应，采用沿开挖洞周释放荷载的内加载模型。在充填体与岩体的交接处使用无厚度节理单元，有效地模拟了充填效应。     

Application of discrete wavelet operations in the detection of acoustic emission of coal and rock rupture

Through the 5-channel SWAES digital full waveform AE detector, the paper dealt with the fracture process of coal and rock samples under uniaxial compression. Using wavelet operations of multi-scale discrete analysis the pulses of a particular time period (points) and the space domain signal by numerical method were gotten, and the paper concluded that the signal singularity in load rupture had closely relations with fracture and uniaxial compression. The detected position and the actual breaking point only differed at one sample point, the relative error was 6.82%, and there was no accumulative error. Thus it provided an effective method to solve the problem of instability analysis of the signal singularity detection and coal-rock compression failure in the whole process.     

厚层状复合顶下综采工艺分析

复合顶板下层软岩极易失稳,按常规的顶板控制措施开采不仅易发生安全事故,而且开采出的煤含矸率高,应用岩石破断分析系统(RFPA2D),通过数值模拟总结出复合顶板离层、冒落、垮落的特征和规律,从原煤生产的源头上采取切实有效的措施,以合理的顶板支护方式与回采工艺,确定出合理的开采层位,不断降低煤炭资源的含矸率及灰分,实现煤炭清洁生产.     

节理岩体爆破破坏模式的机理分析及数值模拟

节理的存在是岩体明显区别于岩石的一个重要特征,也是导致岩体具有非均质性及各向异性的一个重要因素。在对节理影响岩体爆破破坏模式的机理进行分析的基础上,利用能够很好模拟岩体内节理分布及裂纹产生与扩展的一种新的数值方法--数值流形方法,对3种不同节理岩体,即无节理岩体、均布水平节理岩体、均布垂直节理岩体等在均布于垂直于圆周方向上的爆炸荷载作用下的破坏过程进行了模拟。由模拟结果可以明显看出,节理的存在对岩体的破坏模式起到了关键性的控制作用,完整岩体的破坏形式呈现出了很好的对称性,而水平及垂直节理岩体的破坏模式在很大程度上是受到节理分布的控制。     

RFPA2D在内排土场边坡稳定性分析中的应用

利用东北大学岩石破裂与失稳中心开发的岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对宝日希勒露天煤矿内排土场的边坡稳定性进行数值模拟分析,直观地得到了坡体的滑移破坏面,采用强度折减法模拟了岩体变形、破坏,直到边坡岩体发生滑坡的整个过程。算例的模拟分析证明RFPA2D能够较为准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数,对于复杂的边坡稳定性分析是非常实用的。     

煤岩体水射流破碎机理

假设非均质岩体微元的弹性模量和抗压强度均服从Weibull分布,用愈渗理论推导了非均质岩体的水射流破坏准则和水射流破碎非均质岩体的门槛压力;数值模拟了水射流在非均质煤层中的连续钻孔过程;并进行了水射流的破煤实验.研究表明,在水射流作用下,煤岩体中强度较弱的一系列微元首先破坏,形成裂隙.进入裂隙空间的水射流对裂隙发生的水楔作用,使裂隙尖端产生拉应力集中,导致裂隙迅速发展和扩大,裂隙与裂隙连通后使得大块的煤岩体脱落,形成破碎坑.当水射流压力为60 MPa时,煤体破碎距离达到0.5 m以上.     

高应力巷(隧)道围岩破坏过程分析

运用岩石破裂过程分析系统RFPA对3种不同围岩情况下的高应力巷(隧)道围岩破裂演化过程进行了数值模拟,并对模拟结果做了对比分析。数值模拟结果表明,围岩特性对其破坏过程影响很大;围岩破坏是在围岩卸荷条件下其损伤随时间逐步发展的渐进破坏过程,对于较均质和均质围岩,首先表现为较长阶段的损伤缓慢递增或无变化,随后进入短暂的加速破裂阶段和宏观破坏阶段,脆性破坏明显,对于低均质度围岩,一直表现为较长阶段的损伤递增变化,加速破裂阶段不明显;考虑施工扰动对围岩的影响,随围岩径向半径的增大,采用不同均质度和强度参数的围岩来模拟,模拟结果与实际情况相符。     

边缘牙齿形碟盘破碎煤岩的力学机理及其模型

为提高煤岩的破碎效率与破碎能力,介绍一种具有楔劈特征的边缘牙齿形碟盘轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法。采用抗压、抗剪等不同阶段主导作用相结合的力学方法,分析牙齿宽度对煤岩在挤压、压裂和破碎各阶段,以及由碟盘楔面倾角楔劈作用下大块煤岩崩落各过程的力学关系;运用复合作用效应的叠加原理,建立了各工况下破碎煤岩的力学模型,揭示边缘牙齿碟盘破碎煤岩的力学机理。研究表明:在煤岩由初期压馈小岩坑的形成、裂纹的产生、贯通直至由碟盘楔面楔劈作用下大块煤岩崩落过程力学描述的基础上,得到了碟盘径向与轴向载荷与碟盘结构参数,以及煤岩破碎相关联参数的数学模型;得出复合轴向向上运动方式有利于破碎煤岩依据;碟盘刀具径向与轴向载荷均随切削厚度的增加而增加,单切削作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差11%和4%,复合作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差3%和18%,验证了理论计算与数值模拟其载荷随破碎煤岩厚度等参数的变化规律具有一致性。该研究为高效率、高破碎能力的破碎机构研制提供了理论参考。