节理岩体边坡渐进破坏的数值模拟研究

岩体边坡是含有大量裂隙且服从统计规律的损伤体。本文引入虚拟节理,应用数值模拟软件(UDEC2D),对只考虑自重作用下节理岩体边坡渐进破坏规律进行了数值模拟研究,得出了单组节理岩体边坡渐进破坏的规律,其模拟结果对确定节理岩体边坡破坏模式具有指导意义。     

节理岩体巷道支护作用机理的离散元模拟研究

采用离散元程序UDEC对某矿山节理岩体巷道锚喷支护效果和围岩及支护结构的作用机理进行数值分析,再现了巷道楔形块体破坏的力学过程,分步模拟了喷浆支护和锚喷支护的不同效果,并系统地研究了节理岩体巷道在喷浆支护、锚喷支护施工后围岩与支护结构的作用机理及力学状态。得出结论:即锚喷支护是解决节理岩体支护的有效手段之一,也证实了UDEC是一种很好的数值分析软件,特别适用于模拟节理岩体的变形问题研究。     

节理岩体巷道支护作用机理的离散元模拟研究

采用离散元程序UDEC对某矿山节理岩体巷道锚喷支护效果和围岩及支护结构的作用机理进行数值分析,再现了巷道楔形块体破坏的力学过程,分步模拟了喷浆支护和锚喷支护的不同效果,并系统地研究了节理岩体巷道在喷浆支护、锚喷支护施工后围岩与支护结构的作用机理及力学状态。得出结论:即锚喷支护是解决节理岩体支护的有效手段之一,也证实了UDEC是一种很好的数值分析软件,特别适用于模拟节理岩体的变形问题研究。     

节理岩体边坡渐进破坏的试验研究

岩体边坡是含有大量裂隙且服从统计规律的损伤体。应用自行设计的底摩擦试验机，对只考虑自重作用的节理岩体边坡渐进破坏规律进行了模拟试验研究，得出了1组节理、2组节理的边坡渐进破坏的规律，其试验结果对确定节理岩体边坡破坏模式具有指导意义。     

节理岩体中巷道围岩损伤演化与时效破坏研究

基于对岩石长期强度特征的认识,从岩石的强度、弹模等物理力学性质受环境影响随时间劣化以及岩石内部细观损伤积累的角度出发,通过引入岩体细观表征单元体的强度退化方程,应用RFPA数值分析方法,模拟了节理分布对巷道围岩的损伤演化和时效破坏机制的影响。在节理的影响下,巷道开挖后,围岩的应力分布规律发生明显的改变;节理为水平节理,巷道以两侧边墙片帮破坏为主;随着节理面倾角的变化,巷道围岩的时效损伤破坏模式也发生了明显的变化,巷道破坏区随节理倾角的增大相应旋转;当节理方向竖直时,巷道破坏主要集中于拱顶和拱底部位,出现了严重的冒顶和底鼓现象。同时,巷道周围围岩的位移也发生明显的变化,并且随着节理倾角的增大,巷道位移呈现出先增后减的大致趋势。     

裂隙岩体空气间隔装药数值模拟研究

节理裂隙是自然岩体普遍具有的特征,工程实践与研究均表明岩体裂隙对于岩石爆破效果存在显著影响.针对空气间隔装药在裂隙岩体中的应用问题,采用有限元分析方法对不同节理间距条件下垂直节理岩体空气间隔装药爆破进行了数值模拟,分析了不同节理裂隙间距条件下爆破的损伤效果与应力分布情况,探讨了裂隙岩体对空气间隔装药爆破效果的影响作用.     

基于颗粒流理论的矿山岩质高边坡危岩稳定性分析

基于颗粒流理论,选择平直节理模型和光滑节理模型,建立了某矿山岩质高边坡危岩体的颗粒流模型。岩石力学试验的数值模拟结果显示平直节理模型可以很好的体现灰岩的脆性破坏特征。稳定性分析结果说明危岩体目前稳定性良好,分别表现为剪切滑移和拉裂倾倒破坏模式,其中剪切滑移型危岩的稳定性受层面与后缘陡倾节理的组合关系控制。拉裂倾倒型危岩的稳定性受后缘节理的贯通程度控制。     

含两组交叉节理砂岩强度及破坏特征离散元分析

为研究含两组交叉节理岩体强度及破坏特征,采用一组经室内试验标定的砂岩细观参数,建立含两组交叉节理岩体颗粒流模型,进行单轴压缩和三轴压缩模拟。基于模拟结果,分析了节理数量、节理倾角和围压对含两组交叉节理岩体强度及破坏特征的影响。结果表明：① 与完整岩石相比,节理岩体强度明显降低。峰值强度随着节理数量的增加近似线性减小,随着节理倾角的增大呈先减小后增大非线性变化趋势,而随着围压的增大而提高;② 节理岩体表现为张性破坏、沿节理滑移破坏、穿节理剪切破坏、张性滑移破坏及剪切滑移破坏等5种破裂模式;③ 节理数量增加会加剧试样破坏程度,但不改变其破裂模式。单轴压缩下,当节理倾角较小时主要发生张性破坏,随着倾角的增大,表现为张性剪切或沿节理面滑移破坏。在围压作用下,试样表现为剪切破坏或剪切滑移破坏。最后从细观层面探讨了节理岩体宏观裂纹的细观位移场分布特征。     

含摩擦作用叠梁应力势函数对煤层顶板的破坏研究北大核心

为了研究煤矿巷道顶板的破坏形式与机理,采用叠梁模型并引入应力势函数分析了叠梁模型中的应力分布状态;同时采用遍布水平节理与垂直节理对模型进行简化,结合摩尔-库伦强度准则分析了煤层顶板的破坏范围。结果表明:煤层顶板破坏的主要因素是由水平节理造成的离层以及由垂直节理造成的断裂;离层破坏域呈上陡下平的“类双曲线型”分布,断裂破坏域呈“拱形”分布;随着层间摩擦系数的增大,顶板离层破坏域高度和宽度显著降低,而弹性模量的增加对顶板破坏范围作用较小;随着间接顶的增大,顶板断裂高度逐渐降低、离层宽度逐渐提升。     

断续节理相互作用的数值模拟

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统，研究了断续节理岩体中裂纹的产生与扩展机理，不同断续节理分布岩体的变形、破坏过程以及节理之间的相互作用和影响规律.研究指出，共线节理的裂纹产生并不相互影响，其裂纹扩展是各自独立地平行于压应力方向;左梯式节理的裂纹产生是相互作用的，主生裂纹沿压应力方向扩展，而次生裂纹沿垂直于节理面方向扩展一定长度后转向水平方向很快贯通于相邻节理;右梯式节理的裂纹产生并不相互作用，主、次生裂纹形成后各自沿压应力方向扩展，并不会贯通于相邻节理.裂纹的扩展是由于裂纹尖端的拉应力作用的结果.当节理在压应力作用下所产生的次生裂纹扩展达到相邻节理后，岩体就会产生贯通裂纹而破坏.     

岩体中的节理裂隙对爆破影响的试验研究

利用超声波探测法对节理裂隙岩体进行了声波测试, 对不同的节理裂隙岩体进行了质量评估, 通过对节理裂隙岩体进行爆破漏斗试验, 分析了节理裂隙对岩体中爆炸应力波传播、岩石破碎及爆破漏斗形成的影响。结果表明, 节理裂隙等结构弱面的存在严重阻碍了爆炸能量均匀分布, 因此在爆破设计和施工中, 应尽量使炮孔与结构弱面垂直布置, 如果遇到含有夹层情况宜加大装药量;炮孔与结构弱面平行时, 应尽量减小炮眼孔距和最小抵抗线, 尽量采用单孔螺旋掏槽。     

裂隙岩体爆生裂纹扩展机理数值模拟研究*

为研究裂隙岩体爆破裂纹扩展机理,采用LS-DYNA软件模拟含竖向单裂隙、水平单裂隙和竖向平行裂隙的岩体爆破过程,并讨论原岩应力对裂隙岩体爆破的影响。结果表明：炮孔连线中心处存在竖向单裂隙时,孔间裂纹均能实现贯穿,裂隙有闭合的趋势,且裂隙的存在有利于提高孔间岩石的破碎程度。炮孔连线处存在竖向平行裂隙时,裂隙尖端萌生的翼裂纹可以贯通,但平行裂隙之间无法实现良好的破岩效果。水平裂隙距炮孔较近时,应力波透射至裂隙面背爆侧后会产生较多拉伸裂纹。水平裂隙距离炮孔较远时,裂隙的阻隔作用较明显。在静水地应力作用下,岩石径向拉伸裂纹和尖端翼裂纹的萌生与扩展均受到抑制作用。在非静水地应力作用下,裂纹扩展在最小主应力方向受到的抑制作用更大,且该抑制作用随最大主应力的增大而增大。     

单一节理岩体R—R破坏准则及参数确定

为评价岩体中节理对岩体强度特性的影响，分析了单一节理的分布性状，介绍了单一节理岩体破坏的Ｒａｏ－Ｒａｍａｍｕｒｔｈｙ准则及其参数试验确定方法，并应用于峨口铁矿采场边坡两种典型的单一节理岩体强度的研究。     

采动覆岩应力变化规律分析

为了研究采动覆岩应力变化规律,采用理论研究和数值模拟,理论分析了采场底板岩体支承压力分布、采动裂隙场的空间形态;采用FLAC^3D数值模拟了不同推进距离下水平剖面的应力分布和塑性破坏分布。研究得出,采动覆岩裂隙圈呈现典型的直接顶破断“O-X”型特征,采动塑性破坏区呈中间低和两端高的马鞍分布状态;底板和上覆岩层应力呈3个不同应力区域。     

复杂破碎岩体矩形聚能药包预裂爆破试验研究

矿山靠帮作业中,确保节理裂隙发育地带的预裂爆破效果具有重要意义。为解决复杂破碎岩体预裂爆破效果差、半壁孔率较低的难题,以酒钢集团西沟石灰石矿西帮为例,结合炮孔特点及施工工艺,提出 了一种聚能槽角度85°、药柱与孔壁之间约有13 mm空气间隔的矩形聚能装药装置,并分析了其聚能射流定向破岩机理;建立了聚能装置ANSYS/LS-DYNA数值模型,提取分析了沿聚能槽水平方向、垂直方向的监测点应 力特征。研究表明：由于聚能药包的存在,调整了炮孔周边岩体应力分布状态,使得在与孔壁相同距离下,沿炮孔中心水平方向应力明显大于沿炮孔中心竖直方向应力,前者为后者的1.62~3.51倍,爆炸能量充分作用 于聚能槽方向,使沿炮孔中心竖直方向（即被保护岩体方向）能量减弱,有效提高了聚能成缝效果。现场进一步试验结果表明：采用矩形聚能药柱预裂爆破区域半壁孔率为64%~82%,不平整度小于20 cm,远优于普通 预裂爆破,验证了矩形聚能药柱装药结构的可行性,对于类似矿山具有一定的借鉴意义。     

顶板崩落变形破坏过程的数值分析

采用数值方法建立三维计算模型,分11个步骤对采场开挖的全过程进行数值模拟,得到开挖后空区围岩的水平位移、竖向位移和塑性区分布情况,进而分析矿区顶板自然崩落规律的变形破坏情况。由于采场的开挖,导致岩体内部应力释放,围岩位移指向空区内部,水平位移最大处出现在采场采矿区的两侧边帮处,位移方向均指向采空区内部。随着开挖宽度的扩大,竖向位移呈圆弧曲线形式由采场顶板向岩体内部不断扩张。开挖过程中,空区顶板首先由剪切破坏导致岩体破裂下落,出现采场顶板冒落现象,采场采空区的顶板中央上部岩体随着顶板冒落不断往下变形,出现一定高度破坏区域的岩体。当采场开挖面积进一步扩大时,采场顶板上方的岩块将无法维持稳定状态,出现持续崩落现象。     

露天矿生产能力分析

 文中给出了单斗—卡车工艺推进度的数学模型和制约露天矿推进度的因素,并对这些影响因素进行了分析,得出了相互作用曲线;同时根据模型和图像分析,提出了优化单斗—卡车工艺工作线长度和增大电铲工作时间来提高露天矿推进度的措施,从而达到提高矿山产量的目的。最后以别斯库都克露天煤矿为例,对其在采区变化后工作线变短条件下的最大推进度及最大产量进行了设计计算。     

山体浅埋煤层覆岩的应力分布规律

为了掌握山体浅埋煤层原岩应力场的分布规律,运用数值计算的方法,研究了山体浅埋煤层原岩垂直应力与水平应力的分布特征、上覆岩层的垂直应力分布特征、应力梯度的变化。垂直原岩应力分布形式与地表形态非常相似;水平原岩应力在埋深较大处的岩层软弱面结合处有应力集中现象。山体浅埋煤层及断裂带老顶上的垂直原岩应力呈线性变化;在埋深较大处,应力值较大,埋深较小处,应力值较小;沿煤层倾斜方向垂直原岩应力变化梯度较大。研究结果可为类似条件下工作面的支护参数的选取提供借鉴。     

Gravitational and tectonic stresses in anisotropic rock with irregular topography

An analytical method is presented to predict stresses in rock masses with smooth and irregular topographies formed by the superposition of multiple long and symmetric ridges and valleys. The rock masses are subject to gravity, uniaxial tectonic horizontal compression or tension acting normal to the ridge and valley axis, or to combined gravitational and tectonic loadings. The method can be applied to ridges and valleys of realistic shape, in generally anisotropic, orthotropic, transversely isotropic, or nearly isotropic rock masses. Numerical examples are presented to show the nature of the in situ stress field in transversely isotropic rock masses with different symmetric and asymmetric topographies under gravitational loading, uniaxial tectonic horizontal loading, or combined gravitational and tectonic loading. Under gravity alone, it is shown that non-zero horizontal compressive stresses exceeding the vertical stress develop at and near ridge crests, and that horizontal tensile stresses develop under isolated valleys. Addition of a horizontal uniaxial compression to gravity increases slightly the horizontal compression at the crest of ridges and diminishes the horizontal tension in valley bottoms. Addition of the horizontal tectonic stress has little effect on the magnitude of the vertical stress.     

A constitutive model and FEM analysis of jointed rock masses

In the present study, a constitutive model of jointed rock masses is presented which reflects the size, density, orientation and connectivity of joints as well as their mechanical properties. Following the continuum approach, the incremental stress-strain relation of the jointed rock mass is formulated by taking the volume average of stress and strain inside a representative volume element where the evaluation of the relative displacement across the joints is required. Employing an elasto-plastic constitutive model of the joint behavior, the relative displacement across the joint can be obtained once the stress acting on the joint is known. The fundamental difficulty in the constitutive modeling of jointed rock masses is due to the fact that the stress acting on a joint is different from the average stress since a joint does not cut through the rock mass but terminates within the rock mass, possibly connecting with other joints. The lower the stiffness of the surrounding matrix is, due to the existence of other joints or the connection of joints, the higher the stress acting on the joint will be. In the present study, the stress concentration tensor, which gives a relation between average stress and the stress acting on the joint, is introduced and a simple method to evaluate it is developed. The interaction effect between joints and the effect of joint connection are properly considered in the model. Some simple examples are solved by the proposed constitutive model. The results are in agreement with experimental data showing the characteristic features of the behavior of jointed rock masses. The proposed constitutive model for jointed rock masses is implemental into a finite element analysis program with a 3-D isoparametric element to analyze actual engineering problems. As an example, the program is used to analyze a plate-loading test problem and the results of the 3-D finite element analysis of the problem are compared with the test data. For highly jointed rock masses, the continuum model offers a powerful analytical method.