非线性科学在矿山开采沉陷中的应用（1）

论述了引进非线性科学对开采沉陷进行研究的重要性和可行性。对损伤岩体的采动沉陷规律、采动岩体裂隙分布规律、采动断层活化的分形界面效应、开采沉陷的协同效应及突变性进行了探索性研究；提出了基于开采沉陷非线性特征的采动损害防治对策。     

采动影响下损伤煤岩体峰后渗透率演化模型研究

在对比分析煤岩体峰前和峰后阶段渗透率演化规律差异的基础上,通过考虑开挖损伤对煤岩体渗透率的影响,基于裂隙平板模型建立了考虑损伤效应的峰后煤岩体渗透率模型;将实验测试数据与渗透率模型计算结果进行对比分析,验证了渗透率模型的合理性.基于此模型,具体分析了3种典型开采方式下(保护层开采,放顶煤开采和无煤柱开采)工作面前方煤岩体渗透率分布特征.研究结果表明:峰前和峰后阶段煤岩体渗透率均随应力呈现指数增长趋势,但两者在增长量上存在明显不同;根据渗透率分布特征,可以将工作面前方煤岩体划分为4个区域:渗流开放区,渗流屏蔽区,渗流过渡区和原岩渗流区;3种开采方式对工作面前方煤岩体的瓦斯渗流影响规律相似,但是在影响区域范围上存在较大差异.     

基于Origin的深部开采条件下地表移动预测研究

随着我国煤炭资源逐渐转向深部开采的发展趋势,开采沉陷带来了深部岩体变形问题和地表沉陷预测等技术难题.为了能更好地预测地表沉陷与深部岩石力学性质变化的关系,采用Origin曲线拟合函数中的非线性最小平方拟合来获得预测函数概率积分法参数,然后利用拟合出来的参数去分析和探讨深部开采地表沉陷规律,同时回归分析了所选预测函数模型及其效果.     

采空区上覆岩层移动破坏动态力学模型的应用

采用采动岩体动态力学模型,对采动引起的覆岩移动破坏的时空规律进行了研究,结合兴隆庄矿５３０６工作面的地质、开采条件,对采动引起的断裂带发育发展规律,岩体内部离层发生发展规律、地表下沉规律等问题进行了分析,并对观测结果作出了较以前的各种理论模型更为符合实际的解释,该模型可在实际工作中得到了很好地应用。     

不同原岩应力下厚度对急倾斜矿体开采岩移规律的影响

为研究不同原岩应力环境下厚度对急倾斜矿体开采岩体移动规律的影响,基于三维离散元软件3DEC,对比分析了自重应力和构造应力(σ_h/σ_ν=1.5)条件下,五种不同矿体厚度开采引起的地表与围岩移动变形规律.结果表明:在两种不同原岩应力环境下,围岩与地表移动量及采动影响范围均随矿体厚度的增大呈非线性增加,但是二者在地表沉陷盆地形态及变形速率、采空区围岩移动特征、变形影响范围等方面存在较大差异.原岩应力场中作为特征量的最大主压应力的方向对岩体移动行为的影响是引起这种差异的根本原因.     

急倾斜矿体开采地表沉陷与概化地应力研究

急倾斜矿体开采地表沉陷规律不同于自重应力作用下的煤矿地表移动规律的特点,研究结果表明急倾斜矿体开采地表沉陷的主控因素为：残余构造应力场与成矿应力场、急倾斜矿体的产状、覆岩体结构与节理裂隙的空间展布规律、开采放矿与顶板管理方法。此外,提出了研究急倾斜矿体开采的地表移动规律时必须在煤矿地表移动规律基础上,引入以残余构造应力为主要影响因素,同时包含倾角、岩体结构、放矿规律的4大主控因素;在此基础上,推导了急倾斜崩落法开采矿山地表移动与概化地应力的关系式,并通过实例加以验证,为多主控因素综合机理研究奠定了基础。     

特厚煤层综放开采导水裂隙带高度的数值模拟

以抚顺老虎台矿开采工程实践为例,针对特厚煤层的开采特点,应用立体弹塑性数值模拟方法,对综放条件下特厚煤层上覆岩体破坏规律、应力分布特点以及应力场演变规律、上覆岩体移动与变形规律及上覆岩层导水裂隙带高度的演变特性及发展规律进行了研究,所得研究结果可直接应用于老虎台矿的安全生产.     

小龙潭布沼坝西北边坡的数值模拟研究

为了研究露天矿边坡岩体的变形和破坏特征,论文应用弹塑性三维有限单元数值分析方法,分析计算了各种模拟方案的应力、位移及安全率的变化规律,对小龙潭布沼坝露天矿西北边坡岩体应力场的特征和破坏规律进行研究,为此类矿山边坡稳定性分析评价提供科学依据.     

岩体结构面的概率模型

岩体的稳定性往往取决于结构面的空间组合、形态及分布特征,因而真实而客观地描述岩体中结构面的分布特征和规律是十分重要的，是提高预测结果可靠度的关键之一,本文介绍了根据现场观测数据统计结构面的方法，运用概率论、生存分析理论，建立了结构面的概率模型.     

采场上覆岩层岩体结构模型及其应用

本文在分析采场上覆岩层活动规律及岩层结构平衡的基础上,进一步提出了岩体结构模型。事实证明不论采空区应力场发生多少变化,无论是岩层破断距离是否相等,悬露区岩块的受力特征仍然不变。此模型为分析开采中有关的一系列问题,从机理上打下了基础。     

岩体结构面的概率模型

岩体的稳定性往往取决于结构面的空间组合，形态及分布特征。因而真实而客观地描述了岩体中结构面的分布特征和规律是十分重要的，是提高预测结果可靠度的关键之一。本文介绍了根据现场观测数据统计结构面的方法，运用概率论，生存分析理论，建立了结构面的概率模型。     

不同倾角节理岩体损伤演化特征分析

为研究节理倾角对岩体损伤的影响规律,运用损伤力学理论建立考虑节理与荷载共同作用的岩体损伤演化模型及损伤本构模型;通过单弱面理论对模型试验进行验证,同时探讨节理岩体损伤演化特征.结果表明:单弱面理论结果与试验结果较为吻合,模型试验能较好地表征含单一结构面的岩体在荷载作用下的力学特征及损伤演化规律;当节理倾角从0增大到90°过程中,初始节理损伤先增后减,在倾角为60°时至最大值,总体呈倒"U"型分布规律;不同倾角节理岩体总损伤演化规律基本一致,均呈"S"型分布规律,先缓慢增加,而后快速增加,最后再缓慢增加其值趋于1;节理倾角只影响总损伤率数值大小不影响其演化规律,总损伤率随应变增加呈正态分布;总损伤率受控于节理面分布规律,当节理倾角从0增大至90°的过程中,总损伤率先减小后增大.     

红菱煤矿开采保护层对 煤岩体透气性的数值模拟

以红菱煤矿保护层开采为工程实例,通过开采11#煤层,对存在煤与瓦斯突出的7#煤层和12#煤层进行 卸压,利用FLAC3D数值模拟中小同步开挖的渗透率变化情况,对保护层开采过程中煤岩体的渗透性进行了分 析,得出了煤岩体透气性变化规律。结果表明:煤岩体的透气性随着工作面推进不断增强;开采保护层上覆岩体 的渗透率明显比底板岩体的渗透率大;卸压效果越好,渗透率越大。     

无底柱分段崩落法开采上覆岩层力学参数研究

受扰动的岩体力学参数是大型岩土工程设计和稳定性分析的基础与关键.本文采用地质力学分类法（RMR）、经验强度准则（GSI）、现场承压板试验与室内结构面强度试验等方法,综合确定金山店铁矿崩落法开采上覆岩层力学参数.并依据西Ⅰ采区工程地质、开采技术条件和岩体力学参数建立3DFLAC计算模型,验证岩层力学参数的可靠性.当开采到-141.5 m水平时,地表测点变形观测值与计算值在变化规律上一致,误差在允许范围内.因此,采用上述方法确定的岩体力学参数可以用于金山店铁矿东区地下开采的地表变形规律研究.     

增强型地热系统热固流耦合数值模拟与分析

为了研究增强型地热系统热储段温度场分布的特点,以及系统在开采过程中结构性能的评估和利用效率变化的规律,结合北京市地质结构活动探测的结果,建立了增强型地热系统热固流耦合微分控制方程,提出了天然裂隙-断层模式热固流的二维数学模型。基于离散裂隙网络模型,对裂隙-断层模式的岩体-水流耦合换热过程进行数值模拟与分析。通过不同算例设置,进行了12 a的计算研究,分析了水流流速、地层断距等因素对岩体温度场、水流温度场的影响效果。在此基础上,总结了不同生产距离水流出口温度和不同岩体固定距离点温度随时间的变化规律。     

煤岩体岩爆模拟试验中声发射时频演化规律分析

为了研究深部煤炭开采过程中煤岩体岩爆破坏过程声发射随应力演化的特性,对鹤岗矿区南山煤矿软岩巷道的煤岩体进行真三轴卸载岩爆试验,实时记录三向应力演化过程,并采集试验过程中的声发射信号进行参数和波形时频分析。结果表明:南山矿煤岩体岩爆临界破坏强度为17.8 MPa,是其单轴破坏强度的1.19倍,声发射累计释放能量达到(1.83E+5)mv·ms。采用快速傅里叶变换,对选取的加载和卸载岩爆典型阶段声发射数据进行波形分析,得到频率-幅值密度分布。发现加载阶段破裂源相似,产生的信号特征较为接近,都是低幅值、低频率的,而煤爆时产生高频、高幅和低频、高幅多种成分的破裂源,预示着能量在不断地加大。     

柱状节理岩体开挖卸荷效应及破裂区分布规律

为了分析柱状节理洞室的变形和破裂区分布特征,研究岩体开挖扰动后的卸荷效应.在构建的复合型多弱面本构模型的基础上,建立柱状节理岩体开挖卸荷过程中弹性模量随应力水平的变化机制,提出适用于柱状节理岩体的理论公式,并成功嵌入本构模型,实现了柱状节理岩体的卸荷效应.结合取得的研究成果,进行柱状节理洞室开挖的计算分析,获取了围岩的变形特征及塑性区分布规律,发现节理面的屈服破坏与节理的倾向关系密切.研究各组节理面在塑性区开展过程中的影响,结果表明,垂直于开挖面的主节理面影响最大.揭示了柱状节理洞室围岩破裂区的开展过程及分布规律,即主节理面破裂贯通的过程并伴随次节理面的破裂扩展及岩体的开裂.     

椭圆形裂隙中渗透注浆扩散规律的研究

为了研究裂隙岩体注浆浆液的扩散规律,将单一裂隙简化为椭圆形裂隙,利用广义柱面坐标、牛顿内摩擦定律、达西定律、渗流微分方程和边界条件下的连续性方程,推导出水平椭圆形裂隙中,层流状态下的牛顿液体在渗透注浆过程中各个参数之间的关系,研究了椭圆形岩体裂隙中渗透注浆的扩散规律.     

K25溶洞支护设计对乌东德水电站坝肩边坡的影响分析

经勘探发现,乌东德拱坝右岸抗力岩体中发育有K25大型溶洞．为了探究K25溶洞对坝肩边坡安全性的影响,分析比较两种工况下的总位移分布规律、竖向位移分布规律、顺河向位移分布规律、横河向位移分布规律、主应力分布规律、塑性区分布和安全系数,并评价溶洞的支护效果．研究结果显示两种工况条件下坝肩边坡的位移和应力相差不多,表明溶洞内部填充岩体质量良好．     

地热储层岩体粗糙裂隙的热流耦合效应研究

为了解决地热开采涉及复杂的多物理场耦合问题,提高开采效率,本文针对开采过程中的渗流-传热问题以离散元软件3DEC构建岩体粗糙裂隙热-流耦合数值模型。考虑不同三维形貌特征的岩体裂隙,模拟水力开度为19.17μm在不同流速时的水-岩温度变化规律。结果表明:由于裂隙形貌的阻滞作用,粗糙面出水口温度下降较慢,出水口温度有所上升,模型达到稳态所需的时间随流速和对流换热系数的增大而减小。裂隙形貌对流体和岩体温度分布均有影响,粗糙裂隙面的冷锋形态和裂隙面的形貌密切相关。光滑裂隙热突破快于粗糙裂隙,增加裂隙面的粗糙度有助于延长热突破时间。粗糙裂隙面相对于光滑裂隙面的总热量提取率略有提升,流速和对流换热系数的增加显著提高总热量提取率。通过本文研究可以为地热能系统的设计提供重要参数和指导,能够提高地热能开发利用效率。