采动断层活化分形界面效应的数值模拟研究

采动断层活化是采矿科学中的重要研究课题，以往的研究没有揭示断层面几何形态对它的影响，针对地质断层面的分形性质，构造了自仿射意义下的分形曲线及含有这种分形地质断层面的地质采矿模型，用数值方法模拟地下开挖引起分形断层面活化的现象，研究和总结了分形断层面对采动岩体沉陷的影响规律。研究表明，采动断层活化具有明显的分形界面效应；采动断层剪切滑移力学行为与其分形维数是相关的，不同分形维数的断层面采动后，导致其     

裂隙岩体结构面模拟技术研究

考虑了岩体裂隙表面的粗糙性、空间形态的复杂性和网络分布的随机性,根据分析对象的特点,利用概型分布法模拟单裂隙开度分布,分形几何理论模拟空间裂隙面形态及其开度分布,Monte-Carlo方法模拟二维裂隙网络并计算分维数,分形几何理论结合二维裂隙网络和三维裂隙面网络分形参数的关系,来模拟三维裂隙面网络,为裂隙岩体结构面的模拟起到引导作用。     

分形节理模拟原理

本文介绍了分形节理的模拟原理 ,建立了有限尺度分形节理模拟的数学模型 ,讨论了盒计维数的分形分析方法。证实 ,运用分形方法可以用计算机模拟粗糙节理和它们的空间分布 ,用缩格法模拟的分布节理接近于实际分布 ,并具有良好的分形性     

开采扰动下断层面库仑应力及诱发矿震时空演化特征

为研究煤矿开采扰动下断层面库仑应力演化特征及诱发矿震时空分布规律,基于赵楼矿1303综放工作面生产地质条件,理论分析了断层面库仑应力影响因素,采用数值模拟及岩石力学试验方法,探讨了逆断层下盘工作面向断层开采过程中,断层面不同位置库仑应力变化规律,并分析了现场矿震监测数据时间统计特征及震源空间分布规律。结果表明:开采扰动因素σx,σy,τxy(等于τyx),断层倾角θ及断层面摩擦因数μ综合决定了断层面库仑应力f,当开采扰动及断层摩擦因数确定时,取df/dθ=0可确定断层活化失稳最危险角;断层构造破坏了采动应力扰动圈的对称性及位移扰动圈的连续性;岩石力学试验及数值模拟结果均表明沿断层面岩层高位点先于低位点受到采动影响,且过断层前随断层与工作面距离减少,断层面活化失稳危险先升高后降低;工作面过断层前后,矿震日震动频次由20次/d上升至35次/d,而日震动平均能量由22 kJ下降至4 kJ,表明工作面过断层前高能量矿震较多,对围岩扰动剧烈,过断层后扰动较平缓;同时工作面过断层前后,断层面上矿震震源集中区由高层位岩层向低层位岩层转移。     

采动影响下断层面应力与滑移特征研究

为了研究工作面开采结束后断层面的应力与滑移特征,以峰峰矿区某矿实际地质条件为背景,通过理论计算和数值模拟的方法,建立了断层面应力和滑移力学模型,得到了采动影响下的断层滑移力学判据及断层滑移的主要影响因素,研究了工作面推进结束后的断层面应力特征和断层滑移情况并进行了实例验证。研究结果表明:开采造成断层面正应力和剪应力的变化是断层滑移的主要影响因素;断层面岩性参数相近时,断层面正应力和剪应力与至断层露头的垂直距离近似呈线性关系,并且正应力变化幅度远大于剪应力变化幅度,正应力增加速率为剪应力增加速率的19倍左右;煤层开采后,距离断层露头较近的断层面岩体有向下滑移趋势,距离断层露头较远的断层面岩体有向上滑移趋势。     

断层面为曲面条件下的断层落差与平错

探讨了断层面为曲面条件下断层落差与平错的解析求法 ,使原有的落差与平错的解析求法成为所推公式在简单地质条件下的特例 ,对于复杂地质条件下过断层寻找断失盘矿层具有很大的实用价值     

采动影响下断层面离层空间产生及其对开采空间传递作用分析

当工作面上覆岩层中含有断层时,地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究断层对开采空间传递的作用,利用空间守恒,通过理论推导发现工作面开采会使断层面产生离层空间,断层对开采空间传递具有增大效应并利用数值模拟进行了验证。研究结果表明:增大的开采沉陷空间主要来自于断层面离层空间;关键层下部软弱岩层在断层面的离层空间主要来自于采空区垮落岩石的再次压缩;关键层及上部岩层在断层面的离层空间主要来自于关键层与下部软弱岩层之间离层空间的减小;影响断层面离层空间大小的因素主要有工作面推进长度、基岩厚度、保护煤柱宽度、煤层厚度、断层倾角等,并且断层倾角与主要影响角的大小关系决定了断层面离层空间的产生。     

关于节理面分形的探讨

给出了几种节理的分形量测方法,讨论了岩石节理粗糙性的分形模拟,分维数与JRC之间的关系,以及尺度效应对分形模拟的影响.可以说,在一定的尺度范围内,完全可以用分形定量地刻画节理的粗糙性.     

断层,岩矿层产状速算仪

利用巷道施工方位及断层,岩矿层在巷道迎头及任一帮上的两个伪倾角,在正切直角坐标系中求解断层,岩矿层产状,可避免用袖珍地质罗盘测断层,岩矿层产状时受采场周围铁器,电器及我磁偏角的干扰,文中介绍了速算仪的原理,结构及使用方法。     

断层分形与多重分形特征及其对突出分布的控制作用

为了定量化研究断层构造分布及演化特征,揭示断层构造分形特征对煤与瓦斯突出的控制作用,以焦作矿区断层体系为研究对象,利用单分形理论分析了焦作矿区断层体系的分形特征,利用多重分形理论分别对不同区域进行了多重分形研究,将单分形与多重分形特征进行了对比分析,绘制了多重分形谱,提取了多重分形特征参数,根据焦作矿区实际发生的突出事故的统计规律,将特征参数与突出分布规律进行对比研究,结果表明:焦作矿区断层体系具有明显的分形特征,分维值较好地反映了断层的复杂程度,分维值呈现分区特征,由凤凰山断层和峪河口分为3个区域,各区分形维数与断层的实际展布形态相吻合;单分形分析仅能反映断层复杂程度,未能反映煤与瓦斯突出分布的不均衡性,焦作矿区断层分布具有多重分形特征,且不同区域的多重分形谱形状具有明显差异性;多重分形谱对称性Δf及谱宽Δα等特征参数综合反映了构造背景、断层组合和运动方式的差异,对称性Δf代表了大概率子集和小概率子集的数目,表征了大、小断层的发育程度,谱宽Δα代表了分形结构概率分布不均匀的程度,表征了断层分布的均匀程度;不同区域断层的多重分形显现存在着必然的瓦斯地质原因,谱宽Δα与各区域瓦斯突出严重程度呈现了很好的对应关系;断层多重分形特点与构造演化过程密切相关,通过对比分析不同区域断层多重分形特征,可挖掘断层构造的演化信息,深入认识断层对突出的控制作用,从而对矿区煤与瓦斯突出危险性进行区域性划分。     

矿山地表移动与变形的分形分析

采用分形插值方法拟合矿山地表移动的非线性监测曲线 ,用R/S分形时间序列对地表移动时间序列进行了状态演变分析 ,模拟并预测裂缝的变化与发展。结果表明 ,分形理论应用于地表移动的非线性数据分析 ,逼真地描述了地表移动的非线性特征 ,计算简便。     

基于Matlab复合材料磨损表面形貌W-M分形模型及其模拟

按照Weierstrass-Mandelbrot函数模型,用Matlab软件进行编程,对Weierstrass-Man-delb函数进行仿真模拟,并与磨损表面轮廓进行了比较。用尺码法、结构函数法、盒维数法、方差法和均方根法对模拟的轮廓进行了分形维数计算,可以得出结论,确定采用结构函数法作为计算磨损表面轮廓曲线的计算方法。     

基于分形理论的岩石断面表面形貌研究

通过岩石的三点弯曲试验与激光表面仪扫描试验获取岩石断面的三维坐标,基于分形维数计算的基本理论——表面覆盖法,探讨了大理岩与花岗岩两类岩石粗糙断面的分形特性。研究结果显示:分形维数与分形截距是描述粗糙断面性质的几何参数,分形维数揭示了表面粗糙度,分形截距表征了断面波形坡度,二者相得益彰。但是,维数对表面粗糙性的区分度小。     

基于多尺度CSRBFs的地层三维地质建模

基于矿山多源数据实现地层三维地质建模是数字矿山研究中的一项重要工作,其成果有助于矿山资源评估、生产规划编制等工作的有序进行。采用插值方法对离散采样的非均匀点状数据进行处理,是精准构建矿体模型的关键。然而,矿体建模常用的插值方法在处理数据时,很少有效顾及数据的非均匀性。基于多尺度CSRBFs插值方法,提出了一种可以处理非均匀数据的地层三维建模技术。首先从多源数据中提取非均匀的地质离散点数据集。然后,使用多尺度CSRBFs插值构建地层表面模型,插值步骤包括：①样品点获取与单位法向量计算;②通过八叉树空间索引构建层次点集;③使用多尺度CSRBFs方法在样品点集上由粗到细逐层插值,计算地层表面隐式函数;④地层隐式曲面可视化。最后,使用提出的断层建模方法在连续地层表面构建正断层、逆断层和交叉断层模型。研究表明：多尺度CSRBFs（Multi-scale CSRBF, MsCSRBF）插值方法通过十折交叉验证获得的平均误差为0.943 m,精度优于反距离加权法（Inverse Distance Weighted, IDW）和普通克里金法（Ordinary Kriging, OK）,且MsCSRBF方法相比于IDW和OK方法插值运算效率更高。上述分析表明：多尺度CSRBFs差值方法能够针对非均匀数据进行地层表面模型的高精度、快速重建。     

脆弱性指数法在煤层底板突水预测中的应用与建议

为了提高脆弱性指数法预测煤矿底板突水的可靠性,利用分形理论对陈四楼煤矿井田南部采区断层展开分析和讨论,在此基础上,利用AHP脆弱性指数法对该区域底板突水危险性进行了分区预测与评价。结果表明:用断层空间分布的分形维数Ds替代断层分布密度、断层规模和断层性质等因素,使预测的主控因素减少了3项;预测结果与实际突水位置拟合较好(仅1处突水点不在预测区域)。由此可得:Ds的大小是断层数量、规模、组合方式及动力学机制等的综合体现;利用基于分形的AHP脆弱性指数法进行煤矿底板突水预测可以提高预测精度。     

断层分形分布之间的相关关系

根据断层几何和其物理机理与特征，分析了断层数目分布、位移分布和间距分布的分形维之间的相关性。建立了断层系统表面迹的分形模型，研究了断层分形分布的分形维数与断层系统表面迹线分维的相关关系。只要测定出任意两种分布的分维就能推算出其它分布的分维值。     

Hydrogeological Effects of Fault Geometry for Analysing Groundwater Inflow in a Coal Mine

We investigated the relationship between mine water inflow and fault development. Statistical methods and grey relational analysis (GRA) were used to analyse the relationship between fault complexity and mine water inflow. Major characteristics, such as the fault number, fault strike length, fault throw, fault intersections, and endpoints, were considered to depict fault complexity. The degree of fault complexity was described using a fault influence factor (E) and fault fractal dimensions (Ds). In addition, an inverse distance-weighting interpolation method was used to better describe the fault characteristics. The fault complexity in the study area was divided into four qualitative levels: simple, moderate, relatively complex, and complex. The results show that water pressure and fault complexity have separate nonlinear relationships with mine water inflow. An equation that presents the correlation between parameters and water inflow was derived using the GRA method.

     

煤炭资源空间分布分形特征和厚度变化规律分形滤波方法研究

利用全球煤炭资源量分布图和中国煤炭资源量数据,证实了煤炭资源空间分布的分形特征;基于煤炭形成的自相似性原理,利用淮北某煤田168个钻孔的10煤层层厚数据,通过正态变换和克里格插值,利用S-A方法进行多重分形滤波,将煤层厚度等值线图分解为背景图和异常图,背景图代表了煤层分布的趋势,其分布规律与下伏砂体指示的和沉积相分布有较好的对应关系,符合沉积学规律,异常图显示的煤层厚度次级变化特征也与沉积环境的填平补齐相对应,相比趋势面分析得到的趋势图和残差图,表达的煤层厚度分布规律更加清晰和精细,不仅表明煤层厚度的空间分布符合多重分形分布规律,而且表明多重分形方法对地质数据的处理和分析是十分有效的。     

基于混沌分形的旋转机械故障诊断方法研究

混沌分形对揭示事物的非线性本质具有独特性,基于混沌分形的方法对复杂机械系统的早期故障较为敏感。将混沌分形用于复杂机械故障诊断中,用关联维来刻画故障特征,在旋转机械的滚动轴承故障诊断中取得了较好的效果。