浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究

 隔水层稳定性是保水开采研究的关键。通过对黏土隔水层应力–应变全程曲线测定,建立以残余强度和应变为关键指标的模拟方法。采用变单因素分析法,考虑材料破坏的峰值强度、峰值应变及残余强度,获得黏土隔水层应力–应变全程相似的模拟材料和配比规律。以榆树湾煤矿条件为背景,开展保水开采岩层移动规律和隔水层稳定性的模拟,得出分层开采基岩关键层和隔水层的移动和垮落规律,揭示顶板淋水是基岩风化层裂隙水的机制,并得到实践验证。实验发现,基岩和隔水层在工作面后部存在主要下沉区,是最易形成导水裂隙带的区域。主要下沉区的下沉梯度Ts是隔水层稳定性控制的重要指标,合理增大下沉区间和减小下沉梯度是隔水层稳定性控制的有效途径。论证榆树湾煤矿保水开采的可行性,并为浅埋煤层保水开采控制提供借鉴。     

固-液耦合试验材料的研究

在固体模型材料研究的基础上，研制了“固-液”两相模型材料，从而解决了固体模型材料遇水崩解的问题，同时也解决了不同介质材料相似比的耦合以及水沙溃流的试验可视性问题。对富水风积沙层下采煤进行了模拟试验研究，证明所研制的相似材料是可行的。而且通过不同配合比和不同成型压力，可得到变化幅度较大的模型材料，此方法可用于更广泛地模拟不同的岩石基础。     

深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用

 研制的深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统主要包括模型箱、水平侧压力加载装置、竖向压力加载装置、测量装置及数据自动记录设备。模型试件尺寸为1 600 mm×800 mm×200 mm(长×高×宽)。试验系统中,水平侧压力和竖向压力通过闭路伺服加载装置实现。最大水平侧压力设计为300 kN,最大水平位移为100 mm。不考虑流–固耦合效应时,试验系统最大竖向压力为300 kN;考虑流–固耦合效应时,最大水压力为1.0 MPa。测量装置包括用于观测裂缝发生、发展和破坏的体式显微镜,以及基于数字图像分析位移的先进测量设备。在模型箱中根据工程需要按照一定的相似比构建试验模型。该系统可实现深部采矿时复杂应力、水压力及采动影响等联合作用下岩体的受力、变形和破坏过程,以及水的渗流、突变等宏细观运移规律的模拟和测试,进而从理论上分析不同应力场、水压力以及采矿活动本身对采场安全的影响。显然,该装置为深部开采中的岩石力学问题以及矿山突水机制与防治的试验研究与测试工作提供了新的、具有重要作用的平台。     

新型固流耦合相似材料的研制及其应用

 在固体模型材料研究的基础上,应用固流耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种新型的固流耦合相似材料(PSTO),这种材料用砂和滑石粉作为骨料,石蜡作为胶结剂,并配以适量调节剂混合而成。通过大量的室内试验,系统研究不同相似材料配比和装模温度对试件性能的影响规律,得到影响相似材料性质的若干因素。该材料的力学特性与岩石性质相似,且在水的作用下不发生软化,非亲水性良好,可模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的固流耦合相似模拟材料。将该材料应用于隧道涌水模型试验,可有效地揭示了位移、应力、渗压等多场信息的变化规律。     

固流耦合相似模拟材料研制及深部突水模拟试验

模拟深部开采底板岩层的裂隙演化特征是深入探讨煤层开采底板突水规律和演化机制研究的关键,为开展深部开采高水压底板突水通道形成的模型试验,基于固流耦合相似理论,以固体材料研究为基础,研制了新型的适用于深井条件下的相似材料,提出适应该材料渗透系数的测量方法,得到不同配比对材料力学性质的影响规律,将该材料应用于底板突水模拟试验,揭示相似材料的破坏特征和深部底板突水通道的演化特征,即受采动影响开切眼处裂隙发育迅速而且程度较高,解释了此处突水概率大易发生突水危险,对解决实际工程问题具有一定的指导意义。     

承压水上开采煤层底板隔水层裂隙演化 规律的试验研究

 奥陶系岩溶水是我国华北矿区煤矿安全生产的一大隐患,而带压开采是开采受底板突水威胁的煤层的有效方法之一。为深入分析承压水上煤层底板突水的危险性,自主设计煤层底板承压水水压加载系统,实现采用压力水袋对底板隔水层的承压水作用的物理模拟;分析底板隔水岩层的变形及破坏特征,得到底板隔水层的裂隙产生、发育直至导水通道形成规律。研究结果可为揭示承压水底板突水的力学机制提供参考。     

地下工程流–固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用

 依托青岛胶州湾海底隧道的现场勘探资料,应用地质力学模型试验的流–固耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流–固耦合相似材料(SCVO)。通过大量的室内试验,系统地研究不同配比对材料参数的影响规律,确定控制相似材料各性能的主要组分。试验表明,材料的强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制;黏聚力受凡士林影响明显;渗透系数可以通过凡士林和硅油的比例调节;硅油还可以起到保水、提高材料密实度的作用。材料的变形特性和水理特性由不同的成分控制,且相互间影响很小,实现材料性质的全面调控。该材料可以模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的流–固耦合相似模拟材料。并已成功应用于青岛胶州湾海底隧道的地质力学模型试验研究中,力学性能和水理特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供材料保证。     

地质材料中的流一固耦合研究

阐述地质材料中的流-固耦合问题中的几个重要方面,同时也一般地讨论了流-固耦合的基本方程和边界条件。     

钢筋混凝土矩形贮液结构的液固耦合频域分析

由于其中液体的影响,贮液结构的频域特性与普通结构不同.本文采用通用有限元软件ADINA,综合考虑材料中混凝土和钢筋的作用,对钢筋混凝土矩形贮液结构进行三维有限元模拟.分别探讨了液体表面重力波、液位高度、壁板刚度以及结构尺寸对系统液固耦合频域特性的影响,为矩形贮液结构的研究及设计提供理论依据.     

海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用

 围岩与水体的流固耦合作用对海底隧道的稳定性具有重要影响,很有必要开展流固耦合模型试验研究。根据流固耦合模型试验的特点,研制可用于模拟准三维平面应力和平面应变的新型流固耦合模型试验系统。该系统的整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚),由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成。其中钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成;钢化玻璃试验箱结构,既能保证试验要求的密封性,又便于可视化观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征。同时,采用研制的新型流固耦合模型试验系统和独立研制的新型流固耦合相似材料依托青岛胶州湾海底隧道开展流固耦合模型试验研究,揭示海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律。研究方法技术及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

构造活化的微震监测与数值模拟耦合研究

 Microseismic monitoring technology is applied to the catastrophe process monitoring of geological anomalous bodies,such as faults,karst collapse columns and high angle fractured zone long wall face. It provides dynamic information including propagation,growth and failure of the channel for warning the underground water inrush hazard of dangerous working face. Coupling analysis of displacement field and stress field of surrounding rock at the working face by numerical simulation method and the activation information of geological anomalous bodies such as faults,karst collapse columns and high angle fractured zone obtained by microseismic monitoring technology is conducted to reveal the mechanism of tectonic activation and mutation induced by mining. According to the coupling analysis results,combined with the distribution of faults,karst collapse columns and high angle fractured zone at tested working face,some targeted water proof and control projects are implemented. The analysis results prove that the coupling analysis method of microseismic monitoring and numerical simulation can be used to study the tectonic activation and can provide guidance for water proof and control of mining project.     

带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论，研制了部分典型材料的固-流耦合相似配比，研制了三维固-流耦合相似模拟试验台，完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固-流祸合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟，得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律；得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程，分析了其变化的频度与幅度及其原因，为带压开采突水防治提供理论依据。     

岩爆的相似材料物理模拟研究

 根据不同配合比相似材料的物理力学性质测试结果,选取最具岩爆倾向的相似材料,结合一水电站引水隧洞典型断面,制作大尺寸模型,采取后开孔的隧洞成洞方式进行岩爆物理模拟试验研究。结果表明：在模型的边界条件保持工程区天然应力状态下,隧洞开挖过程中拱顶、拱肩和边墙部位在不同的时间段内分别有较明显的应力、应变突变现象,围岩声发射次数也表现出剧烈增大现象,说明围岩出现明显的岩爆表征。模型在超载条件下出现围岩剥落、鼓折和开裂现象,表明原型隧道段以剥落、鼓折式张性岩爆为主。     

煤层气越流固-气耦合模型及可视化模拟研究

应用煤岩体变形与煤层气（瓦斯）越流相互作用的新观点，研究了双层系统煤层气越流运移的机理。在地球物理场作用下，双层系统煤层气越流实质上是可压缩性气体在各向异性且非均质的孔隙与裂隙双重可变形介质中的渗透与扩散的混合非稳定流动过程。依据这一新认识，建立了双层系统煤层气越流与煤岩弹性变形的固-气耦合数学模型，并应用该耦合模型于邻近层煤层气涌出的可视化数值模拟实例中。经实测结果验证，该固．气耦合模型是符合实际的；同时，应用三维数值场计算机模拟技术，直观地再现了煤层气越流场与煤岩体变形场耦合效应的宏观变化特征，为地下煤层气越流场中邻近层煤层气涌出的预测和控制提供了可行的新方法。     

混凝土类脆性无序介质破坏过程的动态模拟研究

本文应用最近发展的基于准分子动力学无网格的物理模拟方法———离散元法DM2 (DiscreteMeso elementDy namicMethod)对速度边界控制条件下混凝土类脆性无序介质在单轴拉力和压力作用下的破坏过程进行了动态模拟 ,与实际的试验结果以及梁 颗粒模型的模拟结果比较 ,破坏形式吻合较好 ,从而验证了该方法在模拟混凝土类脆性无序介质动态破坏过程中的可行性     

采动影响下大跨度煤巷耦合支护技术研究与应用

 为解决多次采动影响下大跨度煤巷支护难的问题,以高家梁矿20108工作面回风巷道为例,通过分析工程地质条件和工程岩体特性可知,20108回风巷道属于应力扩容膨胀型复合地质软岩,确定力学破坏机制为IABCIIBDIIIDA复合型变形力学机制,提出采用锚网索带注耦合支护方案。基于FLAC3D数值软件,对锚网索带注耦合支护方案进行数值计算,计算结果显示,与无耦合支护对比,屈服区域显著缩小,顶底板和两帮变形都得到有效控制。现场监测煤巷围岩变形表明,多次采动影响下煤巷两帮变形速率大于顶底板,表明两帮变形速率控制着20108回风巷道的使用功能。研究结果表明,锚网索带注耦合支护在采动影响下大跨度煤巷支护中取得良好的支护效果,数值计算表明,采动影响下大跨度煤巷采用耦合支护技术是可行的;现场监测结果也验证耦合支护技术的有效性和可靠性。     

带压开采顶板破坏规律的三维相似模拟研究

运用大型三维固-流耦合模拟实验台，对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了三维模拟，分析了煤层顶板应力-位移的变化规律，解释了煤层顶板垮落的一系列现象，总结了顶板活动的影响因素，为采掘活动引起地表移动的研究提供理论参考。     

深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研究

针对深部巷道围岩在开挖与支护时所表现出的非线性力学过程特性，对锚网索耦合支护时空规律进行数值模拟与工程应用研究。研究结果表明，在巷道实施锚网耦合支护后，在围岩剧烈变形阶段结束或临近结束的时间施加锚索关键部位耦合支护，是实现锚索与锚网和围岩之间时空耦合的最佳二次支护时间，其主要特征是通过锚索调动深部围岩强度实现巷道围岩高应力向低应力的转化；同时，实施锚网索耦合支护的深部回采巷道能够满足巷道掘进与工作面回采期间的稳定性控制要求。