基于FLAC3D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究

首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行了数值模拟,并提取了各个单元的应力值;然后根据数值模拟应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式研究了巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律。研究结果表明:模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际围岩应力显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩受采动影响时内部应力场的变化规律;将较大范围煤岩体单元当作电磁辐射源时的计算结果只比将应力集中区看作电磁辐射源的计算值大3%～8%,说明在现场监测到的EME强度反映的是应力集中区煤岩变形破裂的程度;EME强度在迎头沿着走向符合先逐渐增大达到峰值后再逐渐降低的规律,呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律;随着迭代时间的增加,EME强度在同一监测点的变化关系先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律;巷道开挖后内部应力变化的快慢表现在EME强度的变化上。现场钻孔内不同深度EME强度测定结果基本上也呈现出与模拟结果相同的变化趋势,同时证明了力电耦合方法的合理性。     

基于力电耦合煤岩特性对煤岩破裂电磁辐射影响的研究

为了有效地预测预报和治理煤岩动力灾害现象 ,在利用实验研究、理论分析和数值模拟方法研究煤岩变形破裂电磁辐射和应力耦合规律的基础上 ,研究了煤岩特性对煤岩变形破裂电磁辐射的影响。研究结果表明 :巷道掘进过程周围煤岩特性如体积弹性模量、内聚力和内摩擦角等对煤岩内部应力分布有较大的影响 ,应力峰值距离煤壁距离随着加载应力和采深的增加是逐渐增大的 ,应力峰值距煤壁距离随着煤岩体积模量、内聚力和内摩擦角的增加是逐渐减小的 ;随巷道两帮煤岩体积模量、内聚力和内摩擦角的降低 ,在监测点电磁辐射信号是逐渐减弱的 ,说明一方面是由于煤岩内部变形破裂程度降低即应力集中程度降低 ,另一方面是应力集中区距离监测点越远所致 ,力电耦合计算结果表明 ,通过监测电磁辐射信号的变化规律一方面可以来评价煤岩内部应力集中程度 ,一方面可评价煤岩动力灾害的危险性     

单轴压缩煤岩变形破裂电磁辐射与应力耦合规律的研究

利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的耦合规律。在煤岩材料损伤特性和强度统计理论的基础上，研究了受载煤岩变形破裂的三维力．电耦合本构关系，从理论上分析了煤岩变形破裂过程中电磁辐射强度和脉冲数与加载应力之间的关系，认为它们之间的关系可以用多项式来表征。煤岩变形破裂过程中的力-电耦合计算结果表明：EME先是逐渐增加，达到一个峰值后快速降低，这与实验测定结果的趋势是一致的：加载速度越大，EME信号也越强：随着煤岩样品强度的增加，EME也是逐渐增大的，其中强度最高的砂岩产生的EME强度也最大，以下依次是泥岩、硬煤和中硬煤。这些都说明采用的模型和计算方法是合理的，可以有效地模拟煤岩单轴压缩过程电磁辐射信号的变化规律。     

煤岩动力灾害电磁辐射预测技术中力电耦合方法的研究及应用

对煤岩动力灾害电磁辐射预测技术的研究现状和发展趋势进行了论述与分析,基于煤岩变形破裂电磁辐射信号与受载时应力变化之间的关系,从FLAC应力场数值模拟与电磁辐射传播的角度对煤岩变形破裂电磁辐射力电耦合研究方法进行了研究。研究结果表明:基于FLAC模拟的力电耦合方法能合理地确定应力集中区域以及正确模拟电磁辐射在煤岩层内的分布规律,该方法为现场应用电磁辐射方法和技术准确预测预报煤岩灾害动力现象提供可靠的理论基础,对于完善煤岩变形破裂电磁辐射监测和检测理论以及促进相关学科的发展具有理论和现实意义。最后还对未来煤岩动力灾害电磁辐射预测技术研究的发展前景进行展望。     

煤岩巷道掘进过程电磁辐射的时空分布规律研究

 首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行数值模拟;然后在煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合方程的基础上,研究巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号的时空分布规律。研究结果表明：模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际测定围岩应力的显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩在开挖过程中受采动影响时内部应力场的变化规律;电磁辐射(EME)信号强度在巷道监测空间的变化规律是：沿巷道高度方向为顶底板处小于中部,在水平方向的分布则是左、右端均小于中间;EME信号的时变规律则是,随着时间的增加,EME信号在同一监测点的变化先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律。现场实际测定结果亦表明,钻孔内不同深度所测定电磁辐射强度的规律变化基本上与模拟结果相同,从而说明用力电耦合方法来研究煤岩变形破裂电磁辐射的时空分布规律是可行的,可以有效地指导实践。     

含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性以及煤岩体变形破裂过程中瓦斯渗流与煤岩体变形间的耦合作用,在岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)的基础上,建立了含瓦斯煤岩破裂过程流固耦合作用的RFPA2D–Flow耦合模型,并给出了RFPA2D–Flow耦合模型的数值求解方法。并应用该模型对石门掘进诱发煤与瓦斯的延期突出进行了数值模拟,模拟结果再现了含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下渐进损伤破裂诱致突出的全过程,模拟结果进一步表明延期突出与瞬时突出都是地应力、瓦斯压力和煤体物理力学性质3个因素综合作用的结果,都具备突出的4个阶段,即应力集中阶段、应力诱发煤岩破裂阶段、瓦斯动力驱动裂纹扩展阶段和突出阶段,为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

裂隙岩体在单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究

运用离散元软件PFC2D模拟裂隙岩体,建立一个包含不同倾角、不同组数,宽度5cm、厚度1mm裂隙的10cm×10cm模型,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果显示,在单轴加载情况下,随着倾角的增加,岩体的单轴抗压强度出现先减后增的趋势,且裂纹不断增多;随着裂隙的增多,单轴抗压强度逐渐减小。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,以翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜斜纹为主。通过分析破裂后岩体的颗粒速度分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。     

圆形巷道围岩变形破坏的连续–离散耦合分析

基于有限差分理论及颗粒流理论,以FLAC及PFC程序为实现平台,将颗粒体模型嵌入有限差分网格内部空域,采用fish语言编译连续元与离散元计算数据传输交换函数,建立二维平面应变圆形巷道连续–离散耦合分析模型,从宏–细观角度深入开展不同围压条件下圆形巷道围岩变形破坏机制的研究。研究表明:(1)在低围压条件下,巷道开挖围岩发生弹性变形。当水平围压与垂直围压相等,相同径向距离处的围岩变形量近似相等,均指向圆心。(2)在高围压条件下,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道顶板、底板,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道两帮。围岩破坏形态均呈"毡帽形",帽口朝向巷道中心。(3)在高围压条件下,随着围压不断提高,破裂总数逐渐增多,而破裂孕育扩展时间不断延长。当侧压系数K=1,围岩破坏表现出明显的分区破裂化现象。     

煤岩开采过程冲击地压发生机理及数值模拟研究

通过对老虎台矿区的厚煤层开采过程中地压问题的现场调查,分析了该矿冲击地压显现突出的原因,应用RFPA系统对厚煤层开采过程周围应力场进行了数值模拟,模拟结果再现了该矿区软岩层开采过程中冒落的动态发展过程.通过对煤层开采过程中应力场的演化过程,说明内、外应力场的存在、开采过程、煤体力学性质对冲击地压发生的影响.对老虎台矿区开采过程中冲击地压的预测与防治具有借鉴意义.     

基于FLAC3D的地铁深基坑数值模拟分析

利用FLAC3D有限元软件对合肥市某地铁车站深基坑工程进行模拟,通过对不同工况下坑底隆起变形量的计算分析,得出基坑中部的隆起量明显大于支护结构周边,且坑底隆起的主要影响范围为基坑开挖深度的1.25倍左右。除此之外,通过对基坑周边建筑物的变形测算可知,基坑开挖过程中对于周边建筑物的竖向变形影响最大,在基坑开挖过程中做好对周边超高层建筑物的监测尤为重要。     

乌鞘岭长大深埋隧道围岩变形与地应力关系的研究

乌鞘岭长大深埋隧道横穿祁连山东麓，长达20050m，最大埋深1050m。在千枚岩夹板岩及构造角砾岩等软弱岩层洞段的隧道开挖过程中，围岩强烈变形，水平最大变形达1034mm，拱顶最大下沉量达1053mm，由此导致支护失效甚至型钢钢架被严重扭曲，且持续变形不收敛。原地应力测量研究表明，该洞段具有明显的现今构造应力作用，最大主应力的作用强度为20-22MPa，现今地应力状态的总体特征为σH≥σV〉σn。分析认为，隧道围岩的变形是在较强的构造应力与垂直重力的共同作用下，由于未及时支护，软弱围岩不能承受该作用力，以致产生持续性流变大变形。工程实践表明，围岩应力状态是支护设计的依据，而适时支护是非常重要的。允许围岩适度变形，使围岩应力得以适度释放。选择在流变大变形尚未形成，围岩尚未丧失其抗载能力的时刻，及时进行衬砌支护，这对确保围岩稳定和支护安全具有重要意义。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

煤样变形破坏峰值前后电磁辐射特征研究

对不同矿区7种类型的硬煤、软煤、混凝土等进行实内试验研究。试验结果表明，电磁辐射水平与煤岩所受的应力水平关系密切，不同煤岩破坏峰前阶段的电磁辐射随应力的增加而起伏增强，峰前阶段的电磁辐射在应力水平为80％-95％时最强；峰后阶段的电磁辐射在峰值强度后随着应力的降低呈上升趋势，峰后阶段的应力水平为60％左右时，电磁辐射达到最大值，之后随着应力的下降，电磁辐射逐渐下降。冲击倾向的电磁辐射指数是指煤岩变形破坏峰后电磁辐射指标与峰前电磁辐射指标的比值，可分为冲击倾向的电磁能量指数和电磁脉冲指数。电磁能量指数和电磁脉冲指数与现有的冲击倾向指标有很好的线性关系，即电磁辐射能量指数和脉冲指数越大，煤岩的冲击倾向就越强。冲击倾向的电磁辐射指数可用来评价煤岩的冲击倾向，并以此确定冲击倾向的电磁能量指数和电磁脉冲指数判断煤岩冲击倾向性的分级指标值。因此，冲击倾向的电磁辐射指数是电磁辐射预测煤岩冲击倾向性及冲击危险程度的重要指标。     

穿越煤系地层隧道围岩大变形机制及处治研究

高速公路安远隧道穿越煤系地层，围岩主要由炭质页岩、煤线、泥岩夹层组成，炭质页岩试件单轴抗压强度为3.9～4.8 MPa。开展地应力测量，测量结果表明隧址区最大水平主应力为8～10 MPa，水平应力作用占主导。通过现场监测以及数值模拟分析，分析围岩大变形的特征，总结围岩大变形产生的原因，主要有：(1)围岩强度低且易膨胀；(2)相对岩体强度，地应力较高；(3)水理作用；(4)施工不当。在此基础上探讨变形机制。提出相应的处治措施：开挖后迅速封闭掌子面，设置临时支撑，施作长锚杆和注浆小导管控制变形，待变形稳定后适时进行拱圈更换，加密钢拱架间距，及时施作仰拱及二衬衬砌。现场监测结果显示，上述措施实施后，取得较为满意的效果。     

强随机分布裂隙介质的二维逾渗规律研究

首先以介质中裂隙的方向分布为基础,将孔隙裂隙双重介质分为弱随机分布裂隙介质、分组分布裂隙介质、强随机分布裂隙介质3类。然后将岩体的主要渗流通道——裂隙引入到逾渗研究理论中,以裂隙数量分布分形规律的基础,建立了强随机分布裂隙介质的逾渗模拟方法。通过数值计算的方法研究了强随机分布裂隙介质逾渗现象与逾渗规律,得到了以裂隙分形维数、裂隙数量分布初值、孔隙率为变量的逾渗阈值的数学表达式。