基于三维裂隙网络的岩体剪切特性尺寸效应分析

为研究复杂裂隙岩体剪切特性的尺寸效应,以西藏怒江松塔水电站PDC3平硐为例,在现场采集裂隙信息的基础上,基于颗粒流PFC3D软件通过统计学方法及蒙特卡洛原理生成三维裂隙网络,构建等效岩体,进行大尺度直剪模拟试验得到裂隙岩体的抗剪强度、内摩擦系数及内聚力,分别研究其尺寸效应并确定不同参数下的REV尺寸,继而对相关参数和试样尺寸分别进行非线性回归拟合,探究其函数关系。结果表明:抗剪强度、内聚力及内摩擦系数随着试样尺寸的变化而趋于稳定,且不同参数得到的REV大小不同;综合分析不同参数的REV尺寸,得出研究区裂隙岩体的剪切特性REV尺寸为11 m×11 m×11 m;通过函数关系拟合,抗剪强度、内聚力和内摩擦系数与试样尺寸之间均存在指数函数关系。该成果为研究复杂裂隙岩体的力学REV以及合理确定力学参数提供了依据。

有自由面的裂隙网络稳定渗流试验与数值分析

为探究裂隙网络含自由面的稳定渗流特性,设计可视化的二维裂隙网络渗流试验装置,通过调节裂隙网络模型的上、下游水头开展一系列裂隙网络渗流试验,依次记录自由面水头高度和渗流流量大小;同时基于有限元软件COMSOL Multiphysics中的Darcy接口,建立等比例二维裂隙网络数值模型,复现试验工况并与试验结果对比分析。对比发现试验结果与模拟结果基本吻合,这验证了试验结果的有效性以及数值模拟的准确性。研究结果表明:影响自由面变化的主要因素为上、下游水头高度及二者高度差:渗流水力梯度越大,自由面位置的下降越快;渗流水力梯度相同的水力条件,上、下游水头越高,形成的自由面水头越高,自由面降落曲线也越陡。其中,若上、下游水头高度不处于近似的水平,二者对于自由面位置的影响存在较大差异。自由面变化的基本规律符合Dupuit公式的表述。稳定渗流的水力梯度与平均流量仅在流量较小时符合线性相关,随着水力梯度的增加,二者关系呈现明显的非线性。

废弃矿井采空区覆岩裂隙网络水气两相渗流特性研究

在“双碳”目标实现与煤炭深化供给侧改革的大背景下,大量资源枯竭及产能落后的煤矿被逐步淘汰,我国废弃矿井的数量不断增加。覆岩裂隙对于采空区内流体的运移具有一定的控制作用,为了揭示废弃矿井长期闭坑过程中采空区覆岩裂隙网络内水气两相渗流规律,本文采用数字图像处理技术对物理相似模型覆岩裂隙网络进行了识别及提取,统计分析了纵向破断裂隙和层间离层裂隙的几何参数特征,建立了覆岩裂隙网络几何模型,采用两相流理论探究了覆岩裂隙网络内瓦斯上浮和离层水下渗的流动规律。研究结果表明:采空区覆岩裂隙整体呈现“梯形”状,纵向破断裂隙与层间离层裂隙纵横交错、互相贯通,两种类型裂隙的开度、面积、周长均随频数的增加呈现指数递减的分布趋势,迹长呈对数正态分布、角度呈正态分布。数值模拟再现了采空区覆岩裂隙网络内进水、驱气、出水的过程,揭示了采空区两侧裂隙优势渗流通道的形成机理,由于渗流速度的非均衡性,导致高位层间离层裂隙存在瓦斯滞留区,裂隙两端被封堵、交叉点处存在偏流等现象。研究成果对于废弃矿井遗留资源二次开发利用具有一定的指导意义。

基于三维离散裂隙网络的采场结构参数优化

为保障深井矿山安全高效开采,以某铜矿为例,提出了一种基于节理裂隙的采场结构参数优化方法。首先,综合工程地质背景和Mathews稳定图法,实现采场结构参数初选;其次,借助COMSOL软件构建采场周围结构面的三维离散裂隙网络,通过与采场开挖模型耦合,重构结构面影响下的采场三维模型;然后,采用FLAC^(3D)数值模拟计算,确定不同采场结构参数方案的安全性指标;最后,运用多目标理想点法综合决策,获得最优采场结构参数方案。研究结果表明:结构面组成的裂隙网络会降低采场的稳定性,二步骤矿柱回采的采场稳定性远弱于一步骤矿房回采;采场宽度是影响采场稳定性的关键因素,采场宽度与开挖后产生的最大位移和最大拉(压)应力呈正相关,与安全率呈负相关;采场结构参数也受采场形状影响,确定的采场面积存在对应的最优采场结构参数。综合考虑经济因素得到的最优采场结构参数为采场宽度10 m,采场高度15 m。

基于拓扑图论的煤岩裂隙网络分形渗透率模型

错综复杂的裂隙网络为煤层气渗流提供了主要通道,其结构特征显著影响着煤层气产能。针对现有煤层气渗流模型未考虑裂隙网络连通性这一不足,基于拓扑图论分析了煤岩裂隙网络的连通性,推导了裂隙分支长度的幂律关系表达式。结合分形几何,在经典立方定律的基础上构建了考虑裂隙网络结构特征的渗透率模型,模型表明裂隙网络渗透率是分形维数、裂隙率、迂曲度分形维数、比例系数、连通性、最大裂隙分支长度、方位角、倾角以及特征长度的函数。开展了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗流试验,分析了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗透率演化规律;试验结果表明:随着主应力σ_(1)、σ_(2)和σ_(3)的升高,煤岩中的裂隙逐渐被压缩,气体的渗流通道变窄,裂隙网络渗透率随着主应力σ_(1)、σ_(2)和σ_(3)的升高均呈现出了负指数降低的趋势。从试验规律和结果出发,将构建的煤岩裂隙网络分形渗透率模型和S&D模型(Shi-Durucan)相结合,建立了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗透率计算模型,并通过试验数据验证了模型的有效性,获得的渗透率变化趋势与加载3个主应力的过程相吻合,能够体现出三向应力的变化对渗透率的影响趋势,相比S&D模型更能反映煤岩裂隙网络渗透率的各向异性特征。

基于离散裂隙网络的围岩注浆加固规律研究

基于输水隧洞裂隙围岩特征建立了二维离散裂隙网络模型,将宾汉姆流体在单一饱和裂隙中的两相流本构扩展到裂隙网络,模拟浆液在裂隙岩体中的流动扩散过程,得到不同注浆时间下注浆圈的形成范围;将注浆圈导入三维裂隙网络模型,基于水力耦合计算研究了在衬砌和注浆加固下,隧洞围岩的应力、变形与水压分布特性。结果表明:围岩注浆圈几何形态受裂隙分布特征的影响,呈各向异性分布;衬砌可有效控制围岩变形,相比无衬砌的工况隧道最大位移量减少了约50%,而注浆圈的形成可有效降低作用在衬砌上的围岩应力,缓解由外水压力引起的应力集中。本文成果可为富水岩体中隧道和地下洞室等深地工程的加固设计提供技术支撑。

基于三维裂隙网络模拟和单孔压水试验的裂隙张开度确定方法

岩体裂隙的等效水力张开度(水力学等效隙宽)是岩体的关键力学几何参数之一。目前常采用交叉孔试验等大型试验方法获取野外深部岩体裂隙的张开度,但该方法很少在一个工程中多次使用,且难以分析裂隙张开度在空间上的变化。以三峡大坝右岸地下电站硐室围岩为例,提出了一种联合利用常规单孔压水试验数据和三维裂隙网络模拟,反演确定裂隙等效水力张开度的新方法。利用实测裂隙编录资料取得的统计数据开展裂隙产状随机模拟,构建与压水试验钻孔连通的三维离散裂隙网络渗流模型,拟合单孔压水稳态流量和压力的关系,反演不同深度岩体的裂隙等效水力张开度。结果表明,研究区岩体裂隙的等效水力张开度一般为0.07~0.30 mm,符合对数正态分布的统计特征,多数钻孔反演的裂隙等效水力张开度随埋深呈指数形式衰减,少数钻孔呈现出裂隙等效水力张开度随机性强、随埋深变化不明显的特征。相较传统方法,本方法反演结果显著不同,有待进一步验证。

基于关键裂隙识别的离散裂隙网络骨架提取研究

离散裂隙网络可以用于模拟煤岩体的力学性能、渗流特性、热传导等多种物理过程,在很多领域都有重要的应用。离散裂隙网络骨架提取的实质是选取网络中较为重要的关键裂隙并将其串联起来。本文提出基于关键裂隙识别的裂隙网络骨架提取方法,该方法首先进行关键裂隙的识别,在此基础上,构建连通的离散裂隙网络骨架。在关键裂隙识别方面,引入分解次数和分解因子,对传统K-shell算法进行了改进,解决了K-shell算法对不同裂隙重要性的区分度不足的问题,提升了关键裂隙的识别效果。在关键裂隙识别的基础上,提出一种离散裂隙网络骨架提取算法,该算法在不断选取重要裂隙的同时保证裂隙间的连通性,并且考虑了裂隙网络的入面和出面属性。离散裂隙网络数据集上的模拟实验结果表明,本文所提出的算法可以有效地实现离散裂隙网络的骨架提取。

不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征研究

为研究神东矿区不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征,分析了基本顶周期破断距影响因素,选取大柳塔煤矿52505和上湾煤矿12401工作面进行物理相似模拟实验,探究了不同破断距影响下覆岩裂隙网络分布特征,借助Matlab软件获取不同覆岩裂隙网络分布分形维数,定量描述了覆岩裂隙发育特征,进一步探讨了覆岩裂隙传播影响下不同岩层沉降规律。研究结果表明:影响基本顶周期破断距主要因素包括基本顶厚度、抗拉强度以及承载载荷;大柳塔52505工作面、上湾12401工作面模拟开采平均破断距分别为20和30.4 m;不同破断距下覆岩裂隙网络的分形维数随煤层工作面推进呈现阶梯形增长态势,分形维数可较好地表征覆岩裂隙分布。两工作面最高离层裂隙发育高度与分形维数变化趋势均近似呈非线性正相关;不同破断距对覆岩整体裂隙发育扩展趋势影响显著,工作面回采前期大柳塔52505工作面分形维数相对较低,回采中后期则相反,破断距小,覆岩整体裂隙发育程度相对较高;两工作面覆岩沉降曲线呈“凸”型,近似以采空区中部对称。

煤系岩体三维裂隙网络随机生成研究与应用

[目的]更加清晰且直观地展现煤系岩体结构面的空间分布特征。[方法]基于地质学统计方法对实际裂隙资料进行分析,得到裂隙位置与密度、直径及产状等概率分布函数,借助MATLAB编辑程序,并利用Monte-Carlo随机模拟算法生成满足一定分布函数的随机变量。在此基础上,以Baecher圆盘替代实际裂隙,得到较为精准的三维裂隙网络模型。[结果]该模型不仅高度还原了实际裂隙的形态特征,还精确地再现了裂隙之间的空间关系,包括裂隙的相互交叉、平行分布和聚集区域等。[结论]将三维裂隙网络随机生成技术运用于煤系岩体裂隙探查中,不仅是研究裂隙几何特征的一种重要手段,而且可为后续岩体渗透性及开采安全性评估提供技术支持。

含复杂裂隙网络岩质边坡三维稳定性计算方法

岩质边坡稳定性主要受控于结构面的空间组合关系,二维稳定性计算结果往往忽略结构面切割的空间效应,无法准确反映其真实稳定性情况。基于离散裂隙网络模型(DFN)提出了考虑复杂裂隙网络分布的岩质边坡三维稳定性计算方法,该模拟方法假定岩体由岩块和裂隙面组成,分别采用实体单元和无厚度摩擦接触界面单元模拟,基于有限元强度折减法求得岩质边坡的潜在滑动面及安全系数。结果表明,该方法可有效分析含多条裂隙面三维边坡稳定性;二维平面应变模型无法准确反映真实三维边坡失稳问题,忽略三维效应的边坡稳定性分析易出现过于保守设计的情况;在保证精度的前提下,所提方法可有效减小前处理网格剖分难度,对于解决含复杂裂隙网络岩质边坡三维数值模拟问题具有优势。

有自由面渗流问题的等效裂隙网络模型

为降低传统连续介质渗流模型的网格依赖性并提升数值计算稳定性,基于连续介质渗流模型,通过引入表征单元体将均匀多孔介质水平和竖直孔隙概化为正交裂隙网络,建立了有自由面渗流问题的等效裂隙网络模型。推导了等效裂隙网络模型的渗流速度、连续性方程及边界条件的等效形式,将二维渗流问题转化为一维等效裂隙网络渗流问题。结合连续型罚Heaviside函数,将湿区渗流流速扩展至整个研究区域,给出了等效裂隙网络渗流分析的有限元求解格式。通过与均质矩形坝和梯形坝其他数值解的对比分析,验证了等效裂隙网络模型的有效性。最后将该方法应用于土质斜心墙坝稳定渗流分析,计算结果很好地反映了黏土心墙防渗体与上下游坝壳堆石区的自由面分布规律,揭示了黏土心墙防渗体的阻水效应。

三维裂隙网络非稳定渗流数值分析

研究裂隙岩体中渗透水流随时间、边界条件的变化规律,从而客观反映渗透水流情况,具有重要的意义。本文针对分布特别稀疏的三维主干岩体裂隙网络,以渗流区内的水量平衡原理为依据建立基本方程,推导三维岩体裂隙网络非稳定渗流的基本方程;并将三维裂隙网络渗流理论及有限元数值方法运用于主干岩体裂隙网络渗流分析中。基于裂隙岩体网络非稳定渗流数学模型,编制相应的程序。对于工程实例,根据实测情况利用Monte-Carlo模拟出岩体中二级裂隙网络分布情况进行分析,然后进行了三维非稳定渗流分析。计算结果充分体现了岩体中裂隙网络的储水性,当边界条件发生变化时,裂隙岩体中水头分布变化存在一定的滞后性;并表明主干裂隙的强导水性,使得裂隙岩体中的主干裂隙的渗流分析成为渗流分析中的重点。

岩溶地区岩体裂隙网络渗流分析

岩溶区由于其特殊的岩性,造成岩体裂隙非常发育,这些发育的裂隙很容易形成连通网络,在具有化学侵蚀性水流的作用下,裂隙通道被加宽,从而导致渗漏量增加。在岩溶区岩体裂隙发育特点的基础上对岩体裂隙网络进行了划分,用Monte-Carlo三维模拟技术模拟岩体裂隙的发育程度,同时也模拟出裂隙网络连通图,该图再现了优势裂隙的发育方向。在岩体节理网络的基础上,将各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为四级处理,即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系、四级连续介质体系,各级裂隙之间以水量平衡原理建立联系。然后采用多重裂隙网络渗流模型对岩溶区岩体裂隙的渗流进行分析。研究表明,将多重裂隙网络渗流模型应用于岩溶区坝基岩体渗流分析中,能够比较确切而直观的反映出岩溶区岩体裂隙系统渗流分布规律,对岩溶区水库的防渗和防腐蚀措施具有重要的指导意义。

采动岩体分形裂隙网络研究

采动岩体裂隙网络发展规律和定量描述是当今矿山开采沉陷学科中基本的也是极其重要的难题之一。借助相似材料模型实验，模拟了采动岩体的裂隙分布状态，应用分形几何理论研究采动岩体裂隙分布的自相似规律，继而研究分形裂隙网络随着采宽增加的演化规律。研究结果表明：采动岩体裂隙分布具有分形特征，用分形维数可以综合描述采动岩体裂隙化程度；随着采宽的增加。

岩体裂隙网络非线性渗流特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件(CCD)照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络(DFN)模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes(简称N-S)方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时(比如J>0.1),通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时(比如J<10-4),Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。

采动裂隙网络实时演化及连通性特征

以平顶山煤业集团八矿己15-14120采煤工作面为试验基地,借助改进后的本质安全型钻孔裂隙窥视仪,实时采集采煤工作面前方煤岩体裂隙网络随工作面推进的演化过程。结合分形几何理论与裂隙岩体连通率投影算法,揭示了采动影响下,工作面前方裂隙网络演化分形特征及连通率变化规律。结果表明:采动对平煤八矿己15-14120采煤工作面上覆岩层裂隙网络沿开采方向的影响范围约为50 m;随着工作面不断接近试验测点,煤岩体采动裂隙网络分形维数总体呈上升趋势,并与矿压分布有较好的对应关系;同时,煤岩体连通率随采煤工作面推进上升趋势明显,可依次分为线性缓慢增长阶段、指数增长阶段及平稳阶段。

基于离散裂隙网络模型的节理岩体渗透张量及特性分析

节理岩体几何结构非常复杂,研究其渗流特性对于指导含水岩层稳定性分析具有重要价值。应用离散裂隙网络模型DFN方法,基于VC++6.0软件平台,建立了平面渗流分析方法,分析了节理岩体不同几何分布情况下的渗透率张量特征,通过定义渗流定向性系数对岩体渗流的定向性特征进行了定量分析。结果表明:单组节理岩体渗流具有明显的各向异性特征,渗流定向性随着节理角度变化显著;节理随着节理贯通性增加,节理渗透率呈现对数增加趋势;两组节理情况下,各向异性特征随着节理组间夹角变化;两组节理岩体渗流特征研究中,正交分布下,岩体仍存在各向异性,但渗流定向性系数较低;当节理倾角服从正态分布时,随着节理倾角标准差增大,渗透率增加;两组节理夹角不同时,节理渗透主方向倾角随着夹角增大而相应增大,基本沿两组节理夹角方向的角平分线方向。

岩体离散裂隙网络的非饱和渗流数值分析

针对裂隙岩体的非饱和渗流问题,基于离散裂隙网络模型并结合非饱和Darcy定律、Richards方程、非饱和本构模型以及Signorini型饱和-非饱和互补溢出边界,提出了离散裂隙网络非饱和渗流问题的数学模型。采用有限单元法建立了裂隙网络非饱和渗流模型的数值求解格式和对应的迭代算法。通过与矩形坝稳定渗流、一维竖直裂隙非饱和入渗以及室内二维瞬态排水渗流的试验、数值及理论结果对比分析,验证了文中算法的有效性;根据流量等效原则,指出了裂隙网络模型应用于求解连续介质非饱和渗流问题的有效性。验证了该算法对于求解裂隙边坡降雨入渗问题的可靠性,揭示了降雨入渗过程裂隙网络流量分布的非均匀性及裂隙产状对降雨入渗流动具有重要的控制作用。

空间岩体裂隙网络灌浆数值模拟研究

为提高和评估岩体灌浆效果,研究和预测浆液在空间岩体裂隙网络内的渗透规律,结合宾汉流体在单一光滑倾斜裂隙内的流动公式,建立了空间岩体裂隙网络的宾汉浆液渗流和裂隙变形耦合模型。在此模型上对灌浆进行实时模拟。另外还研究了灌浆过程中裂隙变形及对灌浆的影响。计算结果表明,通过该模型可预测浆液在岩体中渗透状态,改进灌浆参数。