三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目(最多达100×10^(4))条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明:当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。

断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明:(1)侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56º断层,45º断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。(2)声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量(能量、分形维数、频谱幅值)均呈现明显的“突增”特性。(3)声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元信号的相互补充与验证。

基于势接触连续-非连续方法的双层叠梁开裂过程模拟

弱黏结岩层容易发生滑动和离层,进而引发灾害。为了检验自主开发的势接触连续-非连续方法中的无黏结叠梁模型并深入了解其破坏后的力学行为,针对三点弯双层叠梁开展研究,并考察了势接触力求解中法向刚度系数的影响。通过将两个岩层叠合在一起建立叠梁模型,二者发生嵌入,因而存在相互作用的势接触力。通过改变单梁叠放顺序,分别形成了上砂岩下泥岩叠梁和上泥岩下砂岩叠梁。除了考察了载荷-位移曲线、最大主应力云图,还考察了裂纹区段数目的演化规律,以深化对叠梁复杂力学行为的理解。研究结果表明:(1)双层叠梁的载荷-位移曲线能与有关的实验结果吻合。(2)上泥岩下砂岩叠梁的各单梁裂缝出现时刻晚于上砂岩下泥岩叠梁的;前者的第1次硬化和第1次软化阶段比后者的长;前者的第2次硬化阶段不如后者的明显;前者的第2次软化阶段不如后者的明显,呈明显脆性。(3)对于上硬下软叠梁,随着法向刚度系数的减小,第1和第2峰值载荷对应的位移均增大。(4)对于上软下硬叠梁,随着法向刚度系数的减小,载荷-位移曲线由双峰或多峰向单峰转变。

岩石类材料拉裂过程模拟的三维可开裂拉格朗日元方法

本研究提出了适于模拟岩石类材料变形-拉裂过程的三维可开裂拉格朗日元方法,其实质是三维拉格朗日元方法与断裂力学中虚拟裂缝模型的耦合方法,主要适用于立方体单元。以三维拉格朗日元方法为基础,引入虚拟裂缝模型的具体过程主要包括3个关键步骤:首先,通过节点周围单元的应力获取节点的应力,进而利用节点的最大主应力和岩石单轴抗拉强度进行节点分离判断;然后,选择与节点最大主应力垂直平面最接近的单元边界作为裂缝扩展方向;最后,引入虚拟裂缝模型模拟裂缝的萌生和扩展过程。利用该方法模拟了单轴拉伸岩样和三点弯曲岩梁的变形-拉裂过程,并初步分析了Ⅰ型断裂能、岩样高度和单元尺寸的影响。同时,通过将本研究结果与单轴拉伸岩样峰值应力、临界位移的理论解和前人位移控制加载条件下三点弯曲岩梁的载荷-位移曲线的数值解进行对比,验证了本研究方法的正确性,这为将来的工作奠定了良好的基础。

岩层运动并行计算系统StrataKing及云平台StrataKing.UniXDE参数确定原则及应用

StrataKing(SK)及StrataKing.UniXDE(SK.U)是针对采动诱发岩层运动的首款GPU并行计算系统和云平台。介绍了主要参数的确定原则。单元尺寸的选取应综合考虑GPU的性能和计算精度。准静力计算时,局部自适应阻尼系数尽量接近上限取。通过浅埋厚煤层岩层运动模拟,展示了SK的大规模计算能力、丰富功能和鲜明矿业特色。对本文结果与相似材料模拟实验结果的异同进行了分析。对已经处于试用阶段的SK.U的使用进行了介绍。

发动机凸轮轴信号错误故障浅析

发动机的同步信号是其工作时序的基础,凸轮轴信号的构成元素有凸轮轴传感器信号盘、凸轮轴传感器、凸轮轴传感器间隙、线束及插接件、ECU等。出现凸轮轴信号错误时,要从以上软硬件一一排查。带有正时链系统的发动机,正时链系统的启车充油时间长,正时链松弛使信号盘角度偏差大,导致凸轮轴信号错误故障,严重时启车困难。有正时链系统的发动机设计时要考虑增加止回结构,进行提前锁紧;或者采用容错角度大的信号盘。

冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化数值模拟研究——基于岩层运动并行计算系统StrataKing

煤系地层属于典型的层状沉积岩层,这在传统连续介质模型中不能被较好反映。为了探究冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化规律,采用以拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法为基础发展的岩层运动并行计算系统StrataKing,基于理想化模型分析了巷道上表面附近应力波的叠加。阐明了应力波叠加导致顶板开裂机理,并且探讨了冲击载荷幅值的影响规律。研究发现:在原始压应力波传至巷道上表面附近测点后,该测点的最大主应力刚开始呈下降-上升-下降的变化趋势,这是由原始压、拉应力波不同时刻的叠加不同导致的;由于次级应力波的波长较原始应力波的小,次级压、拉应力波的单独作用更明显,它们的叠加使巷道上表面附近测点能产生更低和更高的最大主应力,甚至导致顶板开裂;冲击载荷幅值越大,近似阶梯增长阶段中拉裂纹平均发展速度越快,巷道围岩最终开裂范围越大,巷道围岩平衡越困难。

煤矿冲击地压源头防治理论与技术架构

我国煤矿安全状况虽持续好转,但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重,仅近5 a就发生了8起冲击地压事故,累计死亡48人。我国煤矿冲击地压防治多为“头痛医头、脚疼医脚”,冲击地压发生源头、孕灾机理不清。同时,以山东巨野、兖州等煤田为代表的东部充分采动矿井,具有开采深度大、采动影响因素复杂等特征;以内蒙古鄂尔多斯和陕西彬长矿区为代表的西部非充分采动矿井,则具有高强度开采、厚硬岩层等特征,均给冲击地压防治带来了新的挑战。因此,煤矿冲击地压源头防治已成为当前亟待解决的重大工程科学问题。针对这一难题,从冲击地压基础理论与模拟技术、监测及危险区判识技术、区域与局部防控技术装备等3方面系统的分析了当前冲击地压研究取得的成果与不足,结合前期研究基础与现场实践,提出了煤矿冲击地压源头防治思想。进而将其梳理为煤矿冲击地压源头属性与特性、煤矿冲击地压全过程孕灾与源头防治原理等2个科学问题,冲击地压全过程精细模拟技术、矿井全生命周期煤岩体应力与全尺度覆岩结构监测技术、冲击危险精准甄别与智能识别技术、煤矿冲击地压井上下协同防控技术等4个技术问题。根据生产矿井和新建矿井的特点,分别制定了相应的防治思路与技术框架。研究成果为我国煤矿冲击地压防治提供了一种新的思路,为煤矿“零冲击”目标提供理论依据与技术支撑。

基于梯度塑性本构理论的岩样侧向变形分析(Ⅰ):基本理论及本构参数对侧向变形的影响

研究了岩样在单轴压缩条件下轴向应力-侧向或环向变形的全程曲线特征。基于考虑峰值剪切强度后微小结构之间相互影响和作用的梯度塑性理论,得到了由于剪切局部化而引起的侧向塑性变形。利用虎克定律描述了试件的弹性变形,得到了轴向应力-侧向变形全程曲线的解析解。在软化阶段,试件中部侧向变形及对靠近试件上端或下端部位的侧向变形并不相同。与轴向应力-应变曲线可能出现的回跳现象类似,试件中部轴向应力-侧向应变曲线也可能出现回跳现象。在应变软化阶段,与应力-侧向应变曲线相比,应力-环向应变曲线不容易发生回跳现象。若在试件内部出现多条剪切带,则应该以等效剪切带宽度替代本文中的剪切带宽度。随着剪切带倾角、内部长度参数的降低、剪切模量的增加及弹性模量的降低,轴向应力-侧向应变曲线越陡:甚至能出现弹性回跳。

岩体假三轴压缩及变形局部化剪切带数值模拟

岩体试件应力－应变全过程曲线、剪切带图案及其演化规律不仅在理论上，而且在工程实践中有着重要的意义。利用快速拉格朗日分析法模拟了尺寸效应、加载速率和围压等因素对假三轴试件抗压应力－应变全过程曲线，变形局部化启动、稳定、剪切带图案及演化规律的影响。

平面应变岩样局部化变形场数值模拟研究

在FLAC^(3D)的基础上开发了后处理程序,对应变软化岩样的剪切局部化变形场(包括:速度场、应变率场、体积应变率场及位移场)进行了数值模拟研究。考虑扩容效应后,剪切带的倾角和宽度均增加,剪应变率的局部化程度降低。剪切带倾角和宽度的增加对岩样的塑性性质影响正相反。两条共轭剪切带将岩样分割成具有整体平移特性的4个小块体,每个小块体内部的位移场是比较均匀的,而剪切带附近的位移具有较大的位移梯度。剪切应变率(或应变)局部化区域与体积应变率(或应变)的位置重合,局部化区域就是岩样最终的破坏位置。

基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测

在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发现,随着砂样含水率的增加,变形更加均匀,最大剪切应变高值区分布变得宽广,反映了剪切带的数目增加,微裂纹出现之前的最大剪切应变提高;随着纵向应变的增加,在应变高值区,最大剪切应变以非线性方式迅速增加,但在应变低值区,一般以线性方式增加。当剪切带出现以后,特别是在变形后期,子区尺寸对最大剪切应变有明显的影响。最大剪切应变随子区尺寸变化的演变规律与子区所处位置密切相关。

基于应变梯度理论的岩石试件剪切破坏失稳判据

研究了由于剪切局部化而引起的岩样系统的失稳判据。将剪切带比拟为“试件”,而带外弹性体则被比拟为“试验机”。岩样系统是否将发生剪切失稳破坏,关键取决于:岩样高度、剪切弹性模量、剪切降模量、岩石材料内部长度参数及剪切带倾角。一旦岩样系统满足Ⅱ类变形的条件,则岩样系统必发生剪切失稳破坏。采用笔者提出的理论公式,可以用来分析和预测矿柱岩爆的倾向性。根据剪切应变梯度塑性理论来分析岩样单轴压缩剪切破坏问题的优越性在于:不仅考虑了局部化带的宽度,得到了局部化带内应变的分布规律,而且局部化带就是剪切带,比较符合岩样单轴压缩破坏的实际情况。

动力应变局部化传播及尺寸效应数值模拟

采用 FLAC-3 D模拟了应变软化岩土材料局部化剪切带的发展、扩容对剪切带倾角的影响及试件的宽度效应。随着加载时步的增加 ,彼此孤立的两个应变场逐渐靠近、叠加 ,最终形成了剪切带网络。无论端面约束强或弱 ,剪切带的倾角的数值模拟结果都与罗斯科倾角比较接近。增加试样宽度 ,剪切带的宽度增加 ,剪切带变得不平直 ;宽度越大 ,岩样上端面中点的压应力 -加载时步曲线的峰值强度越大 。

岩石试件端面效应的变形局部化数值模拟研究

试件端面效应直接影响试件内的应力分布、试件破坏形式和剪切带图案。采用FLAC - 3D模拟了端面效应对岩石试件剪切带图案、速度场和位移场的影响。试样端部的缚束作用较强时 ,仅在试样中部出现X形的剪切带 ;反之 ,在试样端部出现了倾斜的剪切带。压头刚性越大 ,剪切带倾角越大。块体具有整体平移的特性 ,剪切带边缘位移梯度却较大 ,反映了块体沿剪切带发生滑动的剪切破坏本质。数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证。

准脆性材料试件应变软化尺度效应理论研究

研究了由于剪切局部化而引起的试件长度的尺寸效应。基于可以考虑微结构相互作用的非局部理论,得到了非局部塑性剪应变与局部塑性剪应变及其二阶应变梯度的关系。通过获得剪切带内部的塑性剪切应变,得到了岩样轴向的平均应变与位移的理论关系。研究结果表明,这一关系具有尺寸效应。随着试件高度的增加,应力-应变曲线变陡;当试件高度非常大时,发生II类变形行为,而且,随着剪切带倾角的增加,应力-应变曲线也变陡。将理论结果与前人的试验结果进行了比较,结果表明吻合良好。

剪切带-弹性岩体系统的稳定及失稳滑动理论研究

首次应用应变梯度塑性理论对剪切带 -弹性岩体的稳定及失稳滑动进行了理论分析 ,得到了剪应力与剪切带上、下盘相对错动位移的理论关系 ,提出了采用软化段剪应力 -相对错动位移的斜率来评价系统稳定性的方法。研究结果表明 :剪切带上、下盘弹性岩石宽度越大 ,岩石材料剪切带宽度 (或内部长度 )越小 ,剪切弹性模量越小及降模量越大系统越不稳定 ;试验机剪切模量越小 ,岩样

弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用

在弹性-脆性-损伤本构模型中,采用了由线性的莫尔-库仑剪切屈服函数和非线性的虎克-布朗屈服函数复合后的屈服函数,以适应高压应力条件下岩石变形及破坏规律的研究.为了考虑脆性岩石在应力突然跌落过程中的弹性模量的变化,引入了一个损伤因子,以描述损伤的程度.此外,还考虑了围压对弹性模量的增强作用.对平面应变压缩条件下的矩形岩样的破坏过程进行了计算,并与接近脆性的带拉伸截断的应变软化莫尔-库仑模型的结果进行了对比,发现了它们之间的差异.又对静水压力条件下的平面应变模型开挖圆形巷道之后的破坏区、轻微的剪切及拉伸岩爆区和体积模量的分布进行了计算.研究发现,当考虑围压对弹性模量的影响后,体积模量的高值区位于V形坑的尖端,而V形坑内部的损伤程度随着损伤因子的增加而增加.如果不考虑围压对弹性模量的影响,V形坑尺寸大、较钝.研究结果表明,不同岩石脆性破坏过程中的损伤程度及围压对弹性模量的影响程度不相同是导致V形坑形态差别的原因之一.

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则,提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题,断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则,得到了断层带-围岩系统的失稳判据,它不仅与岩石材料的本构参数有关,也与岩石结构的几何尺寸有关,说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于:断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示;而且,断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变,这一点与有关的实际观测结果相符合。

剪切带内部应变(率)分析及基于能量准则的失稳判据

应用应变梯度塑性理论对局部化剪切带内部(塑性)剪应变(率)规律进行了理论分析。研究了剪切降模量及岩石材料内部长度等参数对剪切带内部应变(率)的影响。推导了剪应力(率)与剪切带相对错距(速度)的本构关系。研究了剪切降模量和岩石材料内部长度对剪切带稳定性的影响。将岩石试件直剪试验试验机简化为钢块,采用能量准则对岩石试件(剪切带)及钢块系统的稳定性进行了理论研究,提出了系统失稳判据。研究表明:岩石材料的剪切降模量越大,岩石材料的内部长度越小,试验机的剪切刚度越小及试验机的等效高度越大剪切带--钢块系统越容易失稳。