裂隙岩体渗流与应力耦合有限元分析

裂隙岩体中裂隙发育规模和分布规律控制了岩体的渗流特性和变形规律，从工程角度出发，忽略岩块的渗透性，假设水流只在岩体的裂隙网络中流动，以立方定律为基本公式，给出了非平行楔形裂隙渗流方程，利用裂隙变形与渗透系数之间关系的耦合机理，给出了有限元分析模型。给出的算例表明，所提出的模型是可靠的。     

裂隙岩体裂隙网络渗流模型研究

给出了裂隙岩体渗流的几个基本定义。将岩体裂隙网络视为一个图，利用离散数学图论中图的矩阵表示法和单一裂隙渗流的立方定律，建立了裂隙岩体裂隙网络渗流模型，并将该模型用于实际边坡工程岩体裂隙渗流分析     

裂隙岩体渗流耦合模型及在三峡船闸分析中的应用

根据岩体实际性状，提出了基于块裂介质和拟连续介质的裂隙岩体三维渗流耦合数学模型，并编制了三维有限元程序，最后以三峡高坡为工程算例，验证了所提出的数学模型基本上是合理、可信的。     

煤层覆岩采动裂隙应力-渗流耦合模型及涌水量预测

矿井涌水量的预测是煤矿安全生产、防排水设计的重要依据,以往的矿井涌水量预测方法未考虑采动引起的覆岩裂隙渗透特性变化,预测结果与矿井实测涌水量相比误差较大。以陕西招贤煤矿1307工作面为研究区,基于覆岩采动粗糙裂隙面的渗流特性,对裂隙应力-渗流耦合计算模型进行了修正,提出了修正后的三维采动裂隙应力-渗流网络计算模型;基于覆岩导水裂隙带发育特征以及矿压实时数据开展了不同间距及隙宽组合的正交数值模型实验,结合修正后的裂隙应力-渗流网络计算模型,分析了覆岩采动渗透率的动态变化规律,并根据导水裂隙带发育趋势分段预测了工作面矿井涌水量。研究结果表明:上覆岩层受采动影响,应力场及渗透性发生改变,且渗流场的扰动范围与应力场相比较大,渗透性的变化在不同方向上具有差异性,渗透系数在水平方向上的影响范围小,变化量大。在垂向上的影响范围大,但变化量小。通过模型预计涌水量与实测涌水量对比发现,试验模型分层位间距为l₁=10 m,l₂=30 m,l₃=150 m及隙宽组合■时,较为符合研究区实际工程情况。最后,基于离散元软件裂隙渗流模型,结合模型间...     

裂隙岩体渗流水-岩耦合数值分析

以单条平直裂隙中的水流运动规律和裂隙网络渗流模型为基础，介绍了裂隙岩体渗流场与应力场耦合非线性分析的基本原理以及两场耦合的数学模型，并说明了耦合计算方法及步骤，运用算例，通过对比分析耦合及非耦合两种情况下的渗流场等值线图，说明了在渗流场必须考虑水-岩耦合作用。     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

岩体裂隙网络渗流模型的数值解法

阐述了岩体裂隙调查的方法、步骤，说明蒙特卡罗方法的基本思想，介绍了随机数的产生方法和几个分布函数，并利用蒙特卡罗方法模拟岩体裂隙网络、图论法建立岩体裂隙网络渗流模型，推导出渗流方程，并求解出裂隙段渗流速度。     

三维应力作用下砂岩单裂隙渗流规律试验研究

使用劈裂方法在粗砂岩岩样上制造裂隙来模拟粗砂岩天然岩体的张性裂隙,在电液伺服岩石三轴试验机上开展单裂隙渗流应力耦合试验.在三维应力下,检测在不同嗣压、水压情况下,渗流量随时间的变化情况,对单裂隙岩体在三维应力作用下的渗流规律作了探究.     

裂隙岩体非饱和渗流问题的研究

发展了“孔隙--裂隙”二重介质模型;研究了裂隙岩体非饱和渗流问题;推导出了裂隙岩体非饱和渗流方程;并结合边坡稳定中的渗流问题进行了分析应用。     

矿山井下岩体裂隙变形与水渗流关系模型

以实现矿山井下热害治理和热能源利用一体化为出发点,阐述利用流体渗流特性开发矿山地下热能的可行性;提出用高压水泵人工制造裂隙,用冷水冲刷地下热岩获取热能的想法;找出矿山井下自然涌水的主要原因;分析岩体裂隙变形的成因、特性,用数据表明建立岩体裂隙变形和渗流关系模型可以在等效连续介质状态下进行;最后建立了岩体裂隙变形与渗流关系模型,得出矿山地下水在岩体中的流动与岩体裂隙变形之间的关系。     

岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究

为了研究岩体孔隙-裂隙双重介质渗流过程中速度变化、压力分布和不同形状裂隙影响的规律,采用COMSOL数值模拟软件对不同断裂形状的多孔介质块进行了渗流数值模拟,得到了裂隙速度场、基质块孔隙压力场和不同形状路径渗流影响的规律。结果表明:随着压力差的增大,沿裂隙路径上速度场发展最快,裂隙成为主要的渗流途径;基质块孔隙压力梯度分布均匀,压力分布在断裂的基质块中是连续的,但等压面的弯曲表明了裂隙和孔隙的不同流动状态;裂隙形状影响着流动特性,4种类型裂隙出口边界通量的大小关系为:圆角135°夹角90°夹角45°夹角,模拟结果有助于可视化地研究双重介质的渗流规律。     

破裂岩体的裂隙及结构模型在渗流分析中的应用

通过对岩体裂隙面结构特征的分析并结合裂隙在岩体中的分布规律，应用随机原理模拟生成岩体裂隙的结构及形态，最后结合渗流过程分析，得出工程岩体中裂隙赋存状态对渗流过程的影响状况。     

基于应变耦合渗流模型的裂隙岩体弹性模量研究

原地直接测定裂隙岩体的弹性模量E_m,由于各种原因,在工程实践中往往有一定的困难。作为一种替代方法,通常人们利用实验室测得的岩石弹性模量E来确定裂隙岩体弹性模量E_m。提出的耦合应变渗流模型,建立了裂隙岩体中裂隙与岩块在应力作用下的变形协调和应力平衡关系,通过考虑裂隙岩体中地下开挖体涌水量大小可直接反映裂隙的贯通情况和密度大小这一事实,用地下开挖体涌水量大小和岩体弹性模量折减系数E_m来计算岩体弹性模量。为计算岩体弹性模量提出了一个可能的新途经。 该模型的结果与实际数据吻合良好。     

水沙混合物非Darcy裂隙渗流试验研究

西部煤田因埋藏浅、厚度大,常采取大采高、快速推进的方式开采,开采时,覆岩破坏易形成贯通裂隙,当煤层上方存在水源和厚沙层时,易引发采场突水溃沙事故。裂隙中水沙混合物的渗流规律及失稳条件是探究突水溃沙的关键问题,以径向裂隙岩样和不同粒径、不同质量浓度的水沙混合物为研究对象,设计一套裂隙水沙混合物渗流试验系统;通过改变沙的质量浓度和粒径大小进行裂隙水沙混合物渗透特性测试,得到水沙混合物裂隙渗流特性参数(有效流度I_e和非Darcy流因子β)。试验结果表明:当沙粒径小于0.180 mm、质量浓度小于80 kg/m~3时,水沙混合物可以视为幂律型流体;随着沙质量浓度和粒径增大,稠度系数增大,幂指数随之减小。水沙混合物在裂隙中渗流速度-压力梯度可用二项式关系式拟合。有效流度I_e、非Darcy流因子β与水沙混合物的质量浓度ρs分别呈幂指数函数关系,随质量浓度增大有效流度I_e也随之增大,非Darcy流因子β则随之减小。水沙混合物在裂隙岩石渗流时,沙质量浓度和粒径对渗流参数都产生影响,但沙密度是主要影响因素。     

断裂破碎带岩体裂隙网络随机反演及应用

运用数理统计理论,对量测得到有限数量的断裂破碎带岩体裂隙进行统计分析,建立其裂隙的倾向、倾角、迹长、隙宽、间距等几何参数的随机概率统计模型,并应用Monte Carlo方法反演得到断裂碎裂带岩体裂隙网络系统,得出服从高斯、负指数分布规律的裂隙网络模型。实例的计算结果表明：研究区内岩体中裂隙网络的渗透性较好,80%以上的结构面相互连通,阻水性能差,并且显示出3个优势导水方向,即NE、NW和近EW。     

地热储层单裂隙岩体渗流传热数值模拟研究

研究地热储层裂隙岩体中的渗流传热过程对干热岩地热资源的开采具有重要的意义。本文以干热岩地热工程为背景,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对地热储层单裂隙岩体中渗流传热机理进行了研究,并分析了流体注入速度和温度对岩体温度场的影响及其对干热岩地热工程的影响。研究发现流体参数对岩体温度场的影响主要体现在2个方面:一方面是对岩体温度场受扰动区域以及幅度的影响,另一方面是对岩体温度场达到稳态所需要时间的影响。流体注入速度的提升会降低系统的寿命和寿命期的出口法向总热量值,当考虑出口法向总热通量时,存在最佳流体注入速度,本研究中最佳流体注入速度为0.011 m/s。流体注入温度的提升会增加系统的寿命和系统的出口法向总热通量和总热量。研究为干热岩自热资源的开发与利用提供了理论依据,为工程运行参数的设计提供了参考依据。     

裂隙岩体渗透性影响因素的研究

采用UDEC离散单元法中关于裂隙岩体开挖模拟及水力全耦合分析模型,分析裂隙岩体洞室开挖后,因围岩应力与水力耦合作用导致裂隙隙宽变化及渗流变化的过程。为了更直观地了解耦合作用对裂隙岩体渗透特性的影响,以隧洞开挖为例,用开挖后隧洞内总涌水量来表征岩体的渗透特性。利用数值试验的方法,研究了块体边界大小、初始应力比、裂隙隙宽和裂隙夹角对开挖后隧洞内涌水量变化的影响,进而可以看出它们对裂隙岩体渗透性的影响。并得出如下结论:随着块体尺寸和初始应力比的增大,隧洞内总涌水量减少;随初始隙宽的增大涌水量增加并当达到某一固定值时保持不变;隧洞涌水量在θ2/θ1=3.5,其中θ1=30°,即两组节理的夹角为75°处达到最大。     

裂隙岩体应力渗流耦合规律及对底板隔水性能研究

采用MTS815.02型岩石力学伺服试验系统,对桃园煤矿10煤底板的岩样进行全应力-应变渗透试验,得到岩样裂隙在闭合、萌生、扩展过程中的渗透特性。通过对不同非承压状态下裂隙岩石的渗透性能的研究,为采场底板隔水性能的研究提供重要参数。数值研究表明,在工作面的不断推进过程中,底板将处于压缩-膨胀-压缩的状态,而在压缩与膨胀变形过渡区,底板最容易出现剪切破坏,最终形成导水通道。基于上述研究,对桃园煤矿10煤底板隔水性能进行评价,并提出了防治实践。研究结果对于制定裂隙岩体的防治水措施,防止采动过程中突水事故的发生具有一定的指导意义。     

渗流裂隙岩体冻结温度场模型试验研究

我国西部地区有丰富的煤炭资源埋藏在富水岩层下,普遍采用冻结法凿井实现井工开采。与我国中东部地区表土冻结不同的是,西部地区人工冻结的目标为富水岩层,其为孔隙储水、裂隙导水,易在裂隙处形成优势流。当出现裂隙优势流时,将不可避免地对岩体的冻结温度场产生控制性影响,裂隙面处往往会成为冻结壁的薄弱部位,这与表土冻结温度场研究中所考虑的孔隙渗流影响迥异。为此,本文在人工冻结温度场模型中引入裂隙参数和渗流参数,推导渗流裂隙岩体人工冻结水热耦合温度场的相似准则,并在此基础上开展裂隙岩体双管冻结温度场的模型试验和数值模拟研究。研究结果表明:裂隙渗流显著延缓了冻结壁交圈时间,裂隙面冻结壁交圈时间远大于岩块,且其冻结壁厚度也显著降低。在富水裂隙岩体人工冻结中,在冻结管与裂隙垂直,裂隙开度为20 mm,管间距为1.736 m时,冻结壁能够交圈的极限渗流速度为(17±1) m/d研究结果对西部地区富水岩层的冻结法凿井具有重要参考价值。