基于广义各向异性强度模型的层理边坡稳定性分析

以穆利亚希露天矿为工程背景,根据现场节理及结构面测绘结果,在广义各向异性强度模型的基础上建立了边坡极限平衡分析模型。分析过程中,使用圆弧和折线两种方式搜索边坡潜在滑动面,采用简化Bishop等多种方法求解边坡安全系数来评价边坡稳定性。在此基础上,考虑节理岩体强度参数的不确定性和变异性,进一步采用概率分析方法从破坏概率角度评价了边坡的稳定性状态。选取安全系数判定值为1.0时,圆弧和折线下边坡破坏概率分别为30.4%和60.7%,边坡破坏概率较大。最后通过对比分析可知,在评价层理面控制的边坡稳定性时,采用各向异性强度模型计算得到的边坡安全系数更加合理、可靠。

正兴铁矿采空区声发射监测应用研究

随着鄂东地区矿产资源日益枯竭,很多采用空场法的小型矿山进入了残矿回采阶段,大量采空区严重威胁到采空区中的回采作业安全。为确保回采安全,对声发射监测技术应用于正兴铁矿进行了研究,运用有限元分析软件建立矿山三维模型,计算出应力场,找出存在应力集中的重大危险区域,科学布置声发射监测点。经过长期监测,初步建立了声发射活动与地压现象之间的对应关系,完善了现场监测管理制度,为地压灾害预报奠定了基础。

大直径盾构隧道施工对邻近群桩基础影响的数值模拟

随着城市地下轨道交通的发展,近接建(构)筑物施工成为盾构施工安全的主要影响因素。基于某盾构隧道工程,采用三维有限差分方法对大直径盾构隧道施工对邻近群桩基础沉降、侧移等影响规律进行了数值模拟研究,得出了一些有意义的结论。

矿山边坡爆破振动高程放大效应研究

以穆利亚希露天矿生产爆破为工程背景,对影响爆破振速衰减规律的物理量进行量纲分析,得出考虑振动传播介质高程放大效应的振动公式。通过对2次生产爆破试验数据的验算与对比分析发现,当传播介质地貌高程起伏较大时,传统的萨道夫斯基公式推算得到的振速误差较大,平均误差达40.7%,而利用量纲分析方法得出的修正公式推算的振速误差较小,平均误差为13.3%。研究结果表明,经修正的爆破振速公式能较准确地反映传播介质高程对爆破振速的放大效应,其回归结果更符合实际。

基于分形几何理论的DFN模型构建方法研究

以重庆梁-忠(梁平县-忠县)高速公路礼让隧道为工程研究背景,通过测线法调查现场节理,获得了节理产状分布概率密度函数,并从分形几何学的角度分析了节理间距及迹长的分形分布规律,推导出能反映节理间距及迹长分布状态的分形维数D及分形分布概率密度函数。在该基础上采用Matlab软件以及Monte-Carlo随机分析方法,产生节理参数随机数,结合3DEC中最新模块离散裂隙网络(DFN)技术,建立了能反映节理裂隙分布特征的离散裂隙网络模型并验证了模型的有效性,结果表明,分形分布比负指数分布包含更多的间距、迹长分布信息,更接近于实际分布;分形维数D反映了节理间距、迹长在其变化范围内的分布特征,分形维数的大小取决于小间距、小迹长部分数量在总节理数量中的比例,为节理裂隙岩体网络模型构建提供了一种新方法。

基于广义Hoek-Brown准则的节理岩体强度及变形参数随机分析

以赞比亚穆利亚希露天矿边坡为工程背景,在岩石力学试验以及现场勘察测绘数据的基础上,构建了以岩石单轴抗压强度、岩石质量指标和节理调查统计数据为输入参数的概率统计模型,并采用卡方检验对模型进行了吻合度检验。在广义Hoek-Brown准则的基础上,利用MATLAB编程及蒙特卡洛随机分析方法,由输入参数模拟获取节理岩体强度及变形参数的概率分布,得到各参数的取值范围(最小值/最大值)以及平均值、标准差等统计值。采用斯皮尔曼等级相关系数分析了强度及变形参数与各输入参数之间的相关关系。结合边坡工程实例,从破坏概率角度评价了该边坡工程的稳定性状态。该方法可充分考虑节理岩体参数的不确定性和变异性,可为实际工程安全决策提供重要的参考依据。

基于持续屈服节理模型的节理直剪数值试验

根据山西平朔露天煤矿砂岩岩石及节理室内试验确定力学参数,采用块体离散元软件3DEC内置FISH语言编制程序,实现基于持续屈服节理模型的节理直剪数值试验,研究节理粗糙度、初始摩擦角和基本摩擦角差值对剪切强度的影响。研究表明:采用持续屈服节理模型的节理面数值剪切试验能反映节理剪切应力随剪切位移变化的4个阶段,即曲线上升—峰值—软化—残余应力阶段;与室内试验结果相比,持续屈服节理模型能较好地表征节理剪切峰值强度及峰值强度前剪切应力与剪切变形的非线性关系,且能较好地反映峰值强度后应变软化及残余强度等节理面力学性质;随粗糙度增大,剪切峰值强度按幂函数增大;随摩擦角差值增大,节理剪切峰值强度线性增大。

桃花山矿地表塌陷及下部采空区稳定性分析

提出了产生塌陷地质灾害的两个基本要素——塌陷势能以及失稳力学条件。应用塌陷势能概念分析了桃花山矿上部塌陷体的塌陷发展规律,采用基于太沙基理论的失稳力学条件计算了采空区顶板稳定性,同时结合有限元数值模拟方法建立矿山三维模型,计算矿山整体应力场,分析了下部采空区的稳定性。

采空区声发射实时监测系统研究

基于长期对鄂东地区小型地下矿山采空区稳定性的监测实践,研发了采空区声发射实时监测系统,具有设备费用低、可通过IE界面实时管理和实时预测、避免人工对数据的干预等优点。该系统包括WUST岩体声发射监测仪和监测系统管理平台两部分。仪器监测数据可通过XBEE无线网络、有线直连网络或人工3种方式传输到上位机,并通过上位机上的监测系统管理平台对岩体声发射实时数据分析处理,预报采空区稳定性。管理人员还可使用网页浏览器远程登录,通过实时监测曲线和数据查询,对采空区异常情况做出及时处理。

国外某露天矿边坡爆破振动监测及数值模拟

以国外某露天矿生产爆破为研究背景,采用振动监测仪进行了4组爆破振动监测试验,监测数据分析表明,边坡爆破振速较大,振动持续时间较长,两者是影响露天边坡动力稳定性的主要因素。采用三维有限差分法进行了露天矿靠帮生产爆破数值模拟,并与现场监测结果进行对比。结果表明:1数值模拟结果与现场实测的振速波形变化规律及振速峰值基本一致;2在爆破载荷作用下,邻近爆源台阶坡面底部产生了剪切塑性破坏,坡顶产生了张拉塑性破坏,最大水平位移(约10 mm)发生在台阶坡顶。上述研究结果进一步表明:靠帮生产爆破对露天矿边坡稳定性影响较大,有必要采取适当的减震措施,降低爆破振动对边坡稳定性的影响。

基于模糊层次分析法的滑坡处治方案优化

以平朔东露天矿滑坡治理方案的优选为应用实例,考虑技术指标、经济指标和安全指标,利用模糊层次分析法建立了滑坡灾害处治方案优化综合评判体系,给出了权重及判断矩阵一致性检验方法。运用模糊数学方法对各种方案指标进行了定性和定量评价,并最终由模糊矩阵选出了滑坡灾害治理的最优方案。结果表明该方法可操作性强,可以为施工决策者提供一种简单科学的评判方法。

煤层水力压裂过程中的微震活动规律及其时频特征

为了研究煤层水力压裂过程中的微震活动规律及特征,以山东某深部矿井煤层水力压裂试验数据为基础,提出基于奇异值分解SVD法的微震信号去噪方法,并结合煤层应力监测、管内压力监测等手段,利用短时傅里叶变换STFT法研究了典型水力压裂微震信号的时频特征,最后初步尝试了基于微震指标的水力压裂效果表征。结果表明,伴随水力压裂"注水-起裂-扩展-结束"过程的开展,微震信号特征呈现出规律性变化:信号的振幅值先增后减(由6.64 m V迅速跃升至97.51 m V,后回落至30.61 m V);信号频率普遍分布在30~250 Hz,呈现出缓增趋势(由64.0 Hz升高至109.5 Hz,并短暂维持在105.3 Hz)。最后利用微震事件的空间分布和能量分布,初步表征了水力压裂影响范围及煤层应力迁移规律。上述研究成果为后期利用微震数据解译、评价水力压裂效果提供了参考。

岩溶塌陷时管土相互作用准静态部分模拟研究

为预估岩溶塌陷时输油、气、水管道的附加力,进而指导防护结构设计,基于牛顿第三运动定律,在不考虑动力冲击条件下采用颗粒离散元法,模拟了土洞塌陷时管土相互作用的准静态过程,获取了管道的附加力。探讨了仿真结果的离散性和尺寸效应问题,揭示了由于土洞塌陷导致的管道最大附加力与其主要影响因素(管径、管道埋深)的关系。结果表明:仿真结果具有一定的离散性,随着模型尺寸和颗粒数量的增加,离散性会减小;管道埋深和管径均与最大附加力亦呈线性关系,当管道埋深和管径同时增加时,最大附加力呈幂函数形式增加。在此基础上,提出了基于管径和管道埋深预估最大附加力的经验公式。提出的将颗粒离散元法应用于土洞塌陷时管土相互作用的准静态过程模拟具有潜在的应用前景,其结果可为岩溶塌陷区管道支撑防护结构的设计提供理论依据。

基于PEM--JFEM方法的节理岩质边坡稳定性评价

以赞比亚一露天铜矿南帮边坡(矿体下盘)为研究对象,将Rosenbluth点估计方法与节理有限元方法相结合应用于该节理发育的岩质边坡稳定性评价中.建立以边坡岩体材料强度参数(内摩擦角和黏聚力)为输入变量,安全系数为输出变量的概率模型,点估计状态函数的求解过程引入节理有限元方法.通过现场节理及结构面调查,建立边坡节理有限元模型求解边坡安全系数,得到基于安全系数的边坡变形破坏概率统计指标,对边坡稳定性进行了概率分析,分析结果与现场失稳情况一致.该方法既考虑了岩体材料参数在赋值过程中实际存在的不确定性,同时也考虑了节理岩质边坡的节理属性,充分体现了岩层接触作用的非线性关系,使得对节理岩质边坡的稳定性评价更加合理.

顺层岩质边坡变形破坏特征及稳定性数值模拟

针对顺层岩质边坡岩层结构面倾角θ和边坡角α两个参数,采用离散单元法研究了不同工况下总计270个边坡模型的变形破坏特征,统计得到不同变形破坏模式对应的岩层结构面倾角θ与边坡角α的范围,并基于强度折减法研究了两个参数与边坡稳定性的关系,揭示了顺层岩质边坡变形破坏机制及稳定性特征.研究结果表明:依据边坡变形破坏特征,提出了四种顺层岩质边坡变形破坏模式,即坡脚沿岩层结构面的滑移-剪切破坏,坡顶沿岩层结构面的滑动-剪切破坏,岩层下缘弯曲-剪切破坏,以及岩层上缘翻折-拉裂破坏.在此基础上,分析并归纳了这四种模式的产状、变形特征以及可能的破坏模式等一般规律.边坡安全系数fs随结构面倾角θ的增大先减小后增大,在减小过程中达到最小值后迅速上升,然后变缓回落.边坡安全系数fs随结构面倾角θ变化过程中,当θ约等于α-7.3°时,fs取得最小值,此时对应的边坡稳定性最差.

节理岩体数值模拟及力学参数确定

采用FLAC3D程序和离散裂隙网络技术构建的遍布节理岩体模型能同时考虑节理岩体中节理和岩体的作用,具有概念清晰、建模快捷、计算效率高等特点.首先对现场结构面测绘数据进行统计分析,获得其概率分布特征参数,在此基础上分两尺度考虑节理并确定其离散裂隙网络模型;其次基于离散裂隙网络模型构建相应的节理岩体模型,研究其强度特征并获取工程岩体单轴抗压强度;结合Hoek-Brown、Mohr-Coulomb准则及最大围压拟合综合确定节理岩体力学参数;最后将拟合所得参数用于边坡稳定性分析,分别运用强度折减法和极限平衡法计算两种模型的安全系数,对比发现计算结果基本一致,表明所提出的研究思路用于确定节理岩体参数是可行的.

考虑服务年限的露天矿边坡时变目标可靠度研究

为了建立可以反映时间效应的露天矿边坡目标可靠度,针对露天矿边坡的可变形性和安全等级要求,基于类比法与校准法建立了非煤露天矿边坡的目标可靠指标建议值,延性破坏的I,II,III级目标可靠指标分别为3.2,2.7及2.2,脆性破坏分别为3.7,3.2及2.7。基于岩土体强度参数时间效应特征,通过理论研究和数值计算分析了可靠度时变性,随着时间的推移,安全系数和可靠指标呈现下降趋势,衰减速度逐步变缓,然而,可靠指标可以反映失稳概率,表达边坡时变稳定性比安全系数更加敏感与直观。最后根据可靠指标的时变性特征,结合国内非煤露天矿设计规范,划分露天矿边坡设计服务年限等级,并提出服务年限修正系数,实现了考虑边坡安全等级与服务年限双重因素的露天矿边坡目标可靠度。