破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。     

露天矿边坡岩体稳定性各向异性分析方法及工程应用

露天矿边坡岩体通常含有大量IV、V级结构面,影响岩体稳定性。针对这种岩体特性,提出了系统的工程分析方法：首先,应用3GSM非接触测量系统对岩体出露结构面现场测试,统计结构面几何参数概率模型;进一步根据Monte Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论,在分析REV尺寸效应基础上,计算岩体渗透张量和弹性张量,实现岩体参数表征;最后,基于等效连续介质模型,建立各向异性岩体渗流应力耦合模型,采用COMSOL有限元软件分析边坡岩体稳定性。应用该方法对抚顺西露天矿南帮进行了实例分析,计算结果与实际吻合较好。提出的露天矿边坡岩体稳定性分析方法能够考虑节理分布导致的岩体各向异性特征,简单合理,具有良好的工程应用前景。     

基坑坑底隔渗体局部缺陷下渗流量计算及敏感性分析

基坑开挖过程中采用坑底旋喷隔渗体加固是降低地下水渗流对基坑影响的重要手段。一旦隔渗体出现局部缺陷,地下水将涌入基坑,影响施工,甚至会诱发突涌事故,威胁施工安全。针对矩形基坑坑底隔渗体出现局部缺陷的情况,建立了简化的坑底隔渗体缺陷渗水量计算模型,导出了渗流量计算公式;应用GeoStudio有限元软件对坑底隔渗体局部缺陷下的基坑渗流场进行了数值模拟,并与理论计算结果进行了对比分析,探讨了公式的适用条件。结果表明：隔渗体缺陷抗渗系数δ(原状土与缺陷处的渗透系数之比)是影响公式准确性的主要因素,随着δ的增大,公式计算值与模拟值之间的相对误差呈减小趋势,当δ≥20时,计算值与模拟值基本吻合,隔渗体底部水头差异对渗流量影响较小;δ<20时公式计算值误差偏大,通过经验方法对理论公式进行修正后得到半理论半经验公式,能够较好地降低因隔渗体底部水头差异引起的渗流量计算误差。研究结果对于基坑坑底涌水量计算以及隔渗体质量分析等有一定的参考价值。     

边坡层状岩体三维横观各向同性数值分析

建立层状岩体的三维横观各向同性连续介质力学模型,把三维Hoffman强度准则引入到层状边坡稳定性分析中,模拟不同岩层倾角下三维边坡破坏模式。结果表明：岩层为水平分布,剪应力起主导作用,易发生以剪切为主的损伤破坏;岩层为竖直分布,主应力起主导作用,易发生以拉应力为主的倾倒破坏;当层状岩体的走向与坡面走向一致,岩层倾角在0°~90°变化时,岩体从剪应力为主的破坏到拉剪组合破坏再到以拉应力为主的破坏过渡。另外,顺倾岩层的边坡更容易发生剪切滑移型破坏,而反倾岩层的边坡整体不易发生剪切滑移破坏,多存在局部小范围损伤,整体相对较稳定。研究结果可为层状岩体边坡的设计、支护和监测提供借鉴意义。     

基于光纤光栅技术的坑底隆起监测装置与应用初探

基坑开挖过程中实时监测坑底隆起量对于掌握基坑隆起特征，指导基坑安全施工具有重要的现实意义。基于光纤光栅感测技术，根据光线光栅位移计拉杆式的工作特点，研制了一套坑底隆起变形监测装置，通过拉杆传动原理将土体隆起变形转换为光纤光栅位移计的拉伸变形实现隆起量监测，基坑工程现场监测结果与传统基坑回弹监测结果基本吻合。该装置能够实现远程监测操作，监测频率高，测量速度快，为坑底隆起自动化智能监测提供了设备条件。     

中关铁矿工作面顶板突水机理及防治对策

中关铁矿属于奥陶系石灰岩岩溶大水矿山,井建期间一直受到严重的水害威胁。根据中关铁矿-260 m中段掘进工作面顶板突水特征,以突水构造条件和地下水动态监测相结合的分析方法对突水机理进行了研究。结果表明:人工采动揭露使X1隐伏断层处于顶板变形张拉区,多次发生顶板垮塌,X1断层由阻水断层活化为导水断层,形成导水通道,沟通了与上覆奥陶系岩溶含水层的水力联系,引发突水事故。在此基础上,提出了-260 m井建工程中"有掘必探,先探后掘;以堵为主,疏堵结合"的顶板岩溶突水防治对策,实现了-260 m中段复杂岩溶条件下井建工程安全、高效的施工效果。     

安家岭煤矿岩体结构数字识别及关键块体确定

安家岭煤矿存在大量不稳定块体,安全隐患非常高,必须进行关键块体的预防治理工作。以北帮1300边坡平台为工程背景,采用先进的三维岩体不接触测量技术,进行岩体结构面的现场测量,获取岩体节理几何形态空间分布信息,建立三维岩体结构面空间分布模型。在此基础上,利用获得的边坡岩体结构面基本参数信息,基于不稳定块体快速识别和分析系统(Geo SMA-3D),进行边坡关键块体的搜索,并对所得结果进行理论分析,确定边坡较易掉落的块体及影响块体不稳定的因素。     

基于流态转捩的非线性渗流模型及在陷落柱突水机理分析中的应用

岩溶陷落柱突水是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于陷落柱突水过程中流体流态转捩（含水层层流到巷道紊流）的渗流本质,建立了三流场（Darcy层流、Forchheimer流和N-S紊流）耦合非线性渗流模型,并应用于骆驼山煤矿“3·1”底板陷落柱突水数值模拟分析。结果表明：随着突水流体流速不断增大,陷落柱Forchheimer流由黏滞阻力为主,到黏滞阻力和惯性阻力共同作用,最后到惯性阻力为主发生了质的变化,陷落柱突水是流体渗流从渐变到突变的动态过程。进一步表明采用Forchheimer方程描述陷落柱内高速非线性层流,能够较好地反映水流从含水层达西层流到巷道紊流的中间状态,可以定量揭示陷落柱突水三种流态转捩的渗流本质。     

基于非达西流模型的煤矿突水渗流机制数值模拟

突水是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。以义安煤矿704工作面突水事故为例,采用非线性渗流模型模拟突水瞬态流动全过程,探讨突水过程中流速和压力的变化规律,揭示矿山突水全过程的流态转捩机制。研究表明：义安煤矿突水达到最大涌水量时,含水层的压力在0.2～0.3 MPa之间,突水实际上是一个降压加速的过程,含水层压力骤降是突水发生的前兆,且突水通道进出口压力和流速是动态变化的,3个流场有机地组成一个不可分割的整体。撑子面处突水流体涡旋是层流向紊流过渡的空间响应,表明矿山突水存在流态转捩过程。通过进一步研究发现突水通道的导水性能越强,发生突水灾害时危害越大。研究结果可为反演确定合理的工程渗流力学参数和突水通道的几何结构提供参考。     

克泥效工法对盾构隧道地表变形的作用规律研究

软土地区盾构施工面临着严峻的地表变形问题,克泥效工法辅助盾构施工是缓解地表变形的重要控制措施。为探究克泥效工法对盾构隧道地表变形的影响规律,依托苏州轨道交通11号线玉-珠区间盾构工程,首先开展克泥效浆液压缩试验,得到浆液压缩变形规律;然后建立克泥效工法下盾构隧道双等代层有限元模型,模拟研究克泥效注浆工法对地表变形的影响规律。研究表明：克泥效浆液的压缩变形曲线近似符合线性关系,克泥效浆液性能受B液添加率影响明显,当B液添加率为4%时,克泥效浆液抵抗变形能力最强;建立的双等代层模型能够模拟克泥效工法对盾构隧道地表变形的影响特征,克泥效工法辅助盾构可减少约78%的地表最大沉降量;克泥效浆液填充率对地表沉降影响显著,填充率约150%时,对地表沉降的控制效果相对最好。研究结果可为克泥效工法在类似盾构隧道工程中的应用提供参考。