流固耦合模型用于陷落柱突水的数值模拟研究

采动岩体动力学失稳与渗流突变是发生矿井突水的直接原因.以岩体的损伤演化为主线,考虑岩体的非均质性、渗流与变形的耦合效应,提出流固耦合条件下岩石破坏过程的本构关系,并在COMSOL Multiphysics的编程环境下通过MATLAB编程开发了突水模拟及突水危险性评价的软件系统.结合范各庄矿陷落柱突水的实际,用该数值模拟系统开展陷落柱突水的数值模拟.数值模拟再现了突水发生的整个过程,据此对陷落柱突水危险性进行了评价分析,并探讨了突水发生的机理.     

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。     

陷落柱突水模式及理论判据

不论岩体结构如何，地下水总是寻找采掘小区域内的构造软弱带，突破其中的关键部位(层)，而形成突水。大量防治水实践和理论证实，突水通道一般呈横截面积有限、形状各异、类似陷落柱的柱体管道，因此，可以将煤矿突水‘柱体突水通道’设想为力学中的‘厚壁筒’，其顶底板突水类似‘筒盖’破坏失稳，煤柱侧壁突水则与‘筒壁’破坏失稳相似，而突水通道中的地下水压力和围岩地应力即为厚壁筒的内外压力：以‘柱体突水通道’和‘厚壁筒’的完全吻合为基础，将突水通道概化为‘柱体突水通道’统一模式，并建立其‘厚壁筒’力学模型。在利用模型进行突水条件分析时，应用结构分析的剪切破坏理论方法，并对其中的力学条件和推导过程作了适当简化，由地下水压力突破构造软弱带内关键层时的极限平衡状态，得到了简单实用的突水理论判据，可以有效预测突水部位及突水与否，指导防治水工作。范各庄217l综采工作面特大突水模型的建立及突水理论判别的实际计算表明，‘柱体突水通道’突水模式概化准确，‘厚壁筒’力学模型切实可行，突水理论判据正确，且切合实际。     

采动影响下强充水型隐伏岩溶陷落柱 围岩变形与渗流场数值模拟

 通过引入孔隙水作用于围岩的体积力项 ,采用弹塑性本构模型和达西渗流模型,有限元数值模拟和分析存在一穿透煤层的强充水型隐伏岩溶陷落柱时的带压开采过程中,煤层围岩的变形和渗流场随采煤工作面逐步接近陷落柱时的变化规律,探讨孔隙水压力对围岩变形的影响,并分析在存在岩溶陷落柱条件下的合理防水煤柱预留距离。数值模拟结果可为含特殊地质构造煤层的开采设计提供依据,同时为进一步的流固耦合作用和煤层底板突水机制的研究以及防水煤柱的留设提供一定的参考。     

基于渗流应力耦合的深基坑工程渗流场与变形数值模拟

基于渗流一应力耦合的Biot三维固结有限元方程,对深基坑工程进行数值模拟。结果表明,地下连续墙的设置有效降低了基坑底部的水力梯度,有利坑底稳定。同时,随着开挖深度增加,坑底隆起变形、围护结构水平位移和地下连续墙承受的主动土压力均随之增大,围护结构最大水平位移点深度和地下连续墙反弯点位置逐渐下移。与工程实际规律吻合较好,可为类似工程借鉴。     

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。     

煤矿区突(涌)水系统分析模拟及应用

按照系统论、控制论、信息论的思想方法，将开滦范各庄煤矿防治水实践活动所获得的各种信息，采用多源信息采集及关联信息提取处理的二次开发技术，总结出突水系统原岩应力、应变特征及含水介质富水性规律；在此基础上，一方面，围绕揭示突水系统自组织演化过程规律，运用力学分析和数值模拟方法，提取、突出和升华揭示突水机理、概化突水模式的有用信息，提出了柱式通道剪、拉、压复合以剪为主的岩层破坏力学机制，并建立了厚壁简模型及突水理论判据，可以有效预测突水部位及突水与否，指导防治工作；另一方面，为难确模拟预测矿井涌水量，采用广义三重介质渗流模型对范各庄矿井地下水系统进行了模拟预测。总体实现了岩体结构、地下水、地下工程在突(涌)水系统中的交叉和统一。采动影响下巷道及采面的FLAC^3D数值模拟显示，柱式构造的存在使底板的应力、应变分布极不均匀，在采空区煤壁边缘线内外，底板岩层受升、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，当三重复合力学作用超过岩体强度极限时岩体失稳破坏。通过北方煤矿区岩溶陷落柱这种特殊构造形式的深入研究，认为适当的岩溶及地质构造是岩溶陷落柱形成的基本要素。按岩体结构控制论的观点，将煤矿突水划分为陷落柱、断层(或破碎带)、完整结构岩体三种突水模式。突(涌)水条件分析表明，不论岩体结构如何，采动矿压和构造(如陷落柱)存在降低了岩体强度，当承压水压力大于关键层的最小主应力时，承压水的渗水软化和压裂扩容作用，导致地下水突破其中的关键部位(层)，而形成突水。范各庄2171综采工作面特大突水模型的建立及突水判别的实际计算表明，‘柱体通道’突水模式概化准确，‘厚壁简’力学模型切实可行，突水判据正确，且切合实际。多源信息处理同时阐明，原岩应力应变控制了介质的富水性规律，陷落柱、褶皱轴部裂隙带和断裂构造是范各庄矿井地下水系统补、径、排的主要控制因素，是系统的主干裂隙介质，而陷落柱作为含水介质的主干裂隙，其水文地质特征、渗流量计算等均不同于断裂裂隙或褶皱轴部裂隙，概化为另一类主干裂隙介质。范各庄矿井地下水系统以煤层底板砂岩介质为主要目标含水层，F0断层及其伴生构造、井口向斜轴部、塔蛇向斜轴部、13号陷落拄为主干裂隙，其间为等效裂隙岩块，主干裂隙控水且主干裂隙水流服从水流三次方定律，陷落柱等同水流管道，裂隙岩块等效多孔渗流介质，用水量交换耦合组成广义三重介质渗流模型，该模型充分体现了煤系裂隙含水系统流场的空间特征，特别是强径流带和局部非连续渗流特征。流场和模型识别显示，范各庄矿井底板砂岩含水层正常裂隙岩块的渗透性及储水性较差，矿井水主要来源于构造导通的下部灰岩含水层；以不同矿井(突)涌水量为输入，运行系统模型，所得的流场形态分析认为，三水平12～14煤含水层的正常涌水量以10m^3／min较为适当，最大涌水量不超过15m^3／min，矿井正常总涌水量20～25m^3／min，矿井最大总涌水量30m^3／min。此外，应用突变理论研究了突水的充分必要条件、突变特征和底板稳定性影响因素。     

岩石破裂过程渗流与应力耦合分析

通过对经典Biot渗流力学做进一步的考察 ,讨论了耦合渗流方程参数的物理意义 ,在Biot基本方程的基础上 ,增加一个反映渗透系数和孔隙变化率关系的耦合方程 ,并结合原有的RFPA弹性损伤本构方程 ,引入渗透率突跳系数 ξ这一概念 ,提出了岩石损伤演化过程渗流 -应力耦合方程 ,开发出岩石破裂过程渗流 -应力耦合分析系统F -RFPA2D,实例分析表明 ,这个系统能够对裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流 -应力耦合机制进行模拟分析     

岩石渗流应力耦合特性研究

综合起来,已有岩石渗流应力耦合特性的研究方法有3种:(1)直接通过渗流应力耦合试验得到渗透系数与应力、应变关系的经验公式;(2)根据已有的耦合试验研究的成果设定耦合特性关系式的函数形式,采用力学方法推导函数式中变量的表达式,确定耦合特性关系式;(3)以各类模拟渗透现象的物理模型为基础,利用力学工具建立耦合关系式。根据这3种研究方法对研究成果进行划分,作了较系统的归纳和介绍,对各类成果的合理性及应用情况进行了评述。最后展望了岩石渗流应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。     

裂隙岩体渗流与应力耦合分析

岩体变形与水力特性主要决定于岩体中的裂隙分布、密度和尺寸。本文建议的岩体渗流与应力耦合分析方法以裂隙渗流理论和变形本构关系为基础。文末给出重力坝及坝基渗流与应力耦合数值分析算例。     

某楼房倒塌事故的原因分析

针对某楼房倒塌事故,从理论和实际两方面进行了较深入的研究和分析。通过计算土堆及下卧土层产生的土侧压力、对大楼产生的推力弯矩和对基桩产生的剪力与弯矩等,分析得出土堆及下卧土层对大楼发生倒塌事故的影响是有限的;暴雨后土堆内地下水渗流应力耦合作用导致大楼出现了危险性的倾斜;当防汛墙和基坑围护墙破损后,河水补给渗流,土层中的渗流应力耦合作用加剧,使大楼进一步倾斜;大楼倾斜后,南侧的管桩出现超载受压,桩顶爆裂破坏,整栋大楼在大倾斜的基础上倾斜失稳,并最终快速倒塌。     

裂隙岩体渗流场与卸荷应力场耦合作用

通过对目前裂隙岩体渗流与应力耦合现状研究资料的查阅分析 ,采用现场数据采集 ,整理分析与模拟试验三者相结合的研究方法 ,建立裂隙岩体渗流场 -卸荷应力场的耦合作用模型 ,并通过现场数据与模拟试验对模型进行验证     

断层破碎带在渗流作用下应力特征及控制

采用瞬变电磁仪对回风巷穿越断层破碎带的现场水文情况进行探测,获取区域地下水在巷道两帮集聚导致低阻异常区存在的水文特征。建立了回风巷赋水断层三维流固耦合力学模型,模拟分析了断层破碎带在动压及渗流作用下的应力分布及变形特征。研究结果表明:孔隙水压力集中区和巷道两帮压应力集中区具有一致性,随着与断层距离的减小,双场集中区中区由两帮向顶角处转移;回风巷围岩变形失稳概括为3个阶段:即,两帮压密顶底板产生张拉裂隙阶段;地下水向巷道渗透及围岩软化阶段;围岩变形持续增大阶段。为控制回风巷进一步变形,提出了对两帮及底板进行注浆加固的方案。     

考虑流固耦合作用的深基坑有限元分析

基于比奥固结理论和修正剑桥模型,利用流固耦合模型对复杂地质条件下深基坑降水开挖过程中基坑的时间效应进行研究,并以地铁车站深基坑为例,对基坑降水开挖过程中的渗流固结进行了有限元计算。计算结果揭示了基坑渗流场分布及基坑水土压力和地下连续墙变形、周围地面沉降及基坑底部回弹的分布规律;并将计算结果与现场实测数据进行了对比,发现考虑流固耦合的计算结果与实测数据较为接近,能够比较真实地反映基坑渗流与变形特征。     

考虑渗流作用对紧邻基坑施工影响的数值分析

利用ABAQUS有限元软件,分析相邻基坑在考虑渗流作用时开挖的相互作用及对周边环境的影响,并结合广州地铁三号线与六号线换乘站天河客运站地铁工程,建立平面模型进行系统分析,通过对比分析有无渗流作用时相邻基坑开挖的围护结构内力、变形及周边土体沉降,论证了考虑渗流对相邻基坑开挖分析的重要性。     

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。     

暴雨与河流水位涨落耦合作用基坑稳定性分析

雨季施工时基坑工程受暴雨入渗以及邻近河流水位涨落耦合作用,容易发生渗透破坏事故。基于裘布依(Dupuit)假定建立分层地基地下水耦合渗流方程,以此确定在暴雨入渗以及河流水位涨落耦合作用下基坑周边地下水位。同时基于渗流-应力耦合分析理论与Midas分析软件,以某基坑工程实例为研究对象,建立基坑工程渗流-应力耦合分析模型,对基坑工程渗流破坏现象进行分析研究,由此得出了对其它工程有重要参考价值的结论。     

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

地铁隧道施工坍塌风险耦合机理研究

通过对我国2004-2018年间71例地铁隧道施工坍塌事故案例研究,发现地铁建设过程中出现的一系列微小的、不可预见的风险因子与风险主体状态及风险响应机制间存在着交互耦合关系,这些耦合作用使得风险系统所积蓄的风险能量突破安全阈值,从而导致安全事故的发生.针对上述安全事故成因分析,以城市地铁隧道施工坍塌风险耦合机理为研究对...     

单层地基一维渗流有效应力性状研究

研究了一维渗流作用下单层地基有效应力的计算问题 ,推导了有效应力的计算公式 ,讨论了有效应力性状。定义了渗流有效应力的概念。单层地基一维渗流有效应力与渗流方向密切相关。渗流作用下土层有效应力由两部分组成 :一部分是自重有效应力 ,其由重力引起的 ,体现了静水压力的影响 ;另一部分是渗透有效应力 ,其由土层水头差产生的 ,体现了超静水压力的影响。