裂隙面起伏形态对注浆固结体剪切力学特性的影响

为研究裂隙面起伏形态对裂隙岩体注浆加固后剪切力学特性的影响,首先,通过3D打印技术生成不同起伏形态的裂隙模型,并采用类岩石材料浇筑成型,然后,对裂隙岩体进行注浆加固,最后,对含不同类型裂隙的注浆固结体进行常法向荷载直剪试验。结果表明:锯齿形固结体的剪切强度最大,波浪形次之,平直形最小;随着法向荷载的增加,平直形固结体的剪切强度增幅最大,波浪形次之,锯齿形最小。剪切过程中,平直形固结体仅发生沿浆-岩界面的剪切破坏;波浪形固结体的浆-岩界面在加载初期发生剪切破坏,随着浆脉与岩壁的啮合程度降低,剪切破坏面逐渐向浆脉和岩体的内部发展,而锯齿形固结体的剪切破坏面出现在浆脉和岩石内部。

基于黏度时变性的裂隙动水注浆扩散规律分析

为探究动水环境下黏度时变性浆液扩散规律,以NF水泥基浆液为研究对象,开展浆液黏度时变性试验,确定了黏度时变函数;基于水平集方法,通过在数值模型中自定义黏度时变性函数,实现了考虑浆液黏度时变性的动水注浆数值模拟,得到了考虑和未考虑黏度时变性的浆液扩散形态和扩散距离。结果表明:水灰比为0.6~1.0的NF水泥基浆液属于宾汉流体,其黏度随着时间的推移呈指数增长;浆液扩散过程中,流场中浆液黏度变化表现出稳定区和下降区2个阶段;其扩散形态由初始阶段圆形变化为椭圆形至最后稳定为U型;浆液扩散距离与时间呈正相关,并随水灰比的减小而减小;未考虑浆液黏度时变性所得扩散距离始终大于考虑浆液时变性所得扩散距离,且随着注浆时间的增加,浆液黏度时变特性对扩散距离的影响越显著。

倾斜裂隙动水注浆扩散规律及堵水关键域研究

在煤矿开采过程中,受复杂水文地质条件的影响,工程建设经常会遭遇突涌水、塌方等地质灾害,严重制约了地下工程的安全建设和发展。注浆技术作为地下突涌水灾害治理的有效手段,在煤矿水害防治领域得到了广泛应用。为研究动水条件下倾斜裂隙注浆扩散规律及封堵机理,通过自主研发的动水注浆试验系统,进行了倾斜裂隙动水注浆试验;采用有限元法求解Navier-Stokes方程和浆水相界面控制方程,获得了注浆过程中不同时刻的浆液扩散形态和扩散面积,分析了倾斜裂隙空间内的流速场和压力场分布规律,并与试验结果进行了对比验证;基于模型试验与数值模拟结果,揭示了堵水关键域浆液运移规律,建立了倾斜裂隙动水注浆堵水关键域扩散模型。结果表明:当注浆压力恒定不变时,随着裂隙倾角和动水流量的增大,浆液沿顺水方向扩散距离均随之迅速增大至出流边界,沿逆水方向和垂直于动水流向的扩散距离明显减小,导致浆液扩散面积不断减小,使得浆液扩散形态由圆形变为椭圆形,最终到达出流边界时呈U形;在注浆扩散过程中,随着裂隙倾角的增加,浆液不断驱替过水断面逐步形成了高流速过水通道,使得裂隙横断面流速分布呈现出岭陡谷宽的形状;同时,在倾斜裂隙不同高差位置压力曲线随时间同步变化,沿顺、逆水方向(测线1)压力分布从动水入口至出流边界呈递减趋势,且裂隙倾角越大,压力场衰减越快,沿垂直于水流方向(测线3)压力分布具有对称性,表现为在注浆孔处压力值最大,且注浆孔周围压力衰减速度最快,随着与注浆孔距离的增加,压力衰减速度逐渐减小并趋于平缓。根据浆液在裂隙中的分区-分层扩散方式,确定了堵水关键域位置与范围大小,且堵水关键域面积的试验测试结果与理论计算值之间的误差均小于8.5%,表明本文所建立扩散模型能够描述堵水关键域浆液的扩散过程。根据注浆孔与堵水关键域的相对位置,合理布置注浆孔可有效提高注浆堵水效果,据此对传统注浆工艺提出改善建议。

黏土岩中水泥锚固体滑脱的有限-离散元模型初探

锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),建立黏土岩-水泥砂浆的二元体模型,对水泥锚固体拉拔过程进行模拟。研究表明:黏土岩黏聚力小于黏土岩-水泥砂浆界面的切向黏结强度,低法向压力时二元体的剪切破坏多为黏土岩的剪切破坏,但黏土岩内摩擦角较大,高法向压力下界面抗剪强度低于黏土岩,二元体剪切破坏逐渐转变为界面脱黏;考虑剪切失效的双线性黏聚力模型在模拟软岩破坏时是适用的,而二元体黏结界面更适合通过黏结-摩擦模型模拟;水泥锚固体拉拔失效过程可分为黏结变形阶段,界面脱黏阶段,剪胀咬合阶段和滑移阶段4个阶段,界面脱黏后,锚固体附近黏土岩的剪切破坏也是导致锚固失效的重要因素,剪胀咬合阶段的咬合力决定了锚固体的峰值抗拔能力。研究结果对于软岩地区锚固结构设计有一定的指导作用。

注浆对粗糙裂隙煤岩体应力场的影响分析

为研究注浆过程中粗糙裂隙煤岩体应力场的分布规律,采用随机中点位移法构建了二维粗糙裂隙剖面,通过COMSOL软件建立了煤岩体裂隙注浆流-固耦合数值模型,模拟了注浆过程中裂隙煤岩体的应力场,分析了裂隙剖面粗糙度及注浆速率对煤岩体应力场的影响。结果表明:注浆过程中煤岩体应力场的分布形态取决于裂隙剖面的粗糙程度,在剖面凹陷区域应力值较大,而在凸起区域则较小;裂隙剖面越粗糙,煤岩体应力场分布越复杂,局部区域应力集中越显著;同时,注浆速率也影响着煤岩体应力场,但仅对应力值大小产生影响,注浆速率与煤岩体应力值呈线性关系,且注浆速率对裂隙剖面凹陷处应力值的影响更大;随着裂隙剖面粗糙度的增大,煤岩体应力场受注浆速率的影响逐渐降低。

岩体粗糙裂隙中浆液扩散规律研究

基于分数布朗运动,采用随机中点位移法生成粗糙裂隙面,通过COMSOL软件建立岩体粗糙裂隙注浆数值模型,分析了浆液黏度及裂隙面粗糙度对浆液扩散的影响。结果表明:粗糙裂隙中浆液流场与光滑裂隙截然不同,浆液扩散速度在过流断面缩小区域,流速增大,过流断面增大区域,流速减小;裂隙粗糙度越大,低流速区域越大;裂隙面越粗糙,浆液压力越大,压力场非线性程度越强,相应的粗糙与光滑裂隙中浆液压力间的差值越大;浆液压力差随着浆液动力黏度的增加而增大,浆液黏度越大,裂隙粗糙度对浆液压力的影响越显著。

柱式采空区上行开采数值模拟研究

针对神广煤矿5^(-2)煤房式开采后4^(-2上)、4^(-3)煤上行开采安全生产问题,首先通过理论分析对4^(-2上)、4^(-3)煤上行开采可行性进行了初步论证;然后采用3DEC离散元软件建立了三维数值模型,分析了5^(-2)煤房式开采对上部4^(-2上)、4^(-3)煤整体性和连续性的影响;研究了4^(-2上)、4^(-3)煤开采对层间岩层及5^(-2)煤采空区留设煤柱稳定性的影响规律.结果表明:4^(-2上)、4^(-3)煤的比值K分别为33.07、23.46,均大于临界值7.5,5^(-2)煤采空区煤柱的极限承载强度为7.84MPa;5^(-2)煤开采后,4^(-2上)和4^(-3)煤整体性和连续性保持完好;4^(-2上)、4^(-3)煤层上行开采使得层间岩层应力降低,位移减小,且未对层间岩层及5^(-2)煤采空区留设煤柱造成破坏性影响,层间岩层矿压显现不明显.理论分析与数值模拟结果表明神广煤矿4^(-2上)、4^(-3)煤满足上行开采条件.

冻融循环作用下注浆裂隙岩体力学特性试验研究

为了研究冻融环境下裂隙岩体注浆固结体力学性能的变化规律,对类岩石预制裂隙试样及其注浆固结体开展不同循环次数的饱水冻融试验,对特定冻融次数(0次、5次、10次、20次、40次及60次)下的试样进行单轴压缩试验和同步VIC-3D观测。试验结果表明:(1)随冻融循环次数增加,裂隙试样及注浆固结体的质量均先增后减,并伴随有表面龟裂及片落,但注浆周围的剥落现象轻微。(2)裂隙试样及固结体受荷破坏过程中均先后出现翼形裂纹,并伴有次生裂纹,但固结体破坏时,翼裂纹启裂位置由裂隙尖端向中部偏移。(3)注浆固结体的单轴抗压强度和残余强度随冻融次数的增加持续降低,但均大于相应冻融次数下裂隙试样。上述研究结果对寒区注浆工程的科学施工以及寒区注浆后工程的长期养护具有参考意义。

考虑节理初始损伤的岩体本构模型

为反映岩体结构特性及荷载效应对岩体损伤及变形破坏特征的影响,选用D-P准则,考虑节理初始损伤的影响,建立节理岩体多因子耦合损伤模型,并推导模型参数的理论表达式。研究表明:岩体的损伤演化途径对应着岩体结构变化所诱发的力学性状与行为的演变。由于节理宏观缺陷的存在,使岩体性质表现出明显的差异性,当倾角为0°和90°时,岩体的初始损伤值和临界损伤值较小,对应的峰值强度值较大;当倾角为60°时,岩体的初始损伤值和临界损伤值最大,对应的峰值强度值最小。由所建模型的应力-应变曲线与试验得到的曲线具有较好的一致性,说明模型能够较好地描述不同节理状况下岩体的变形破坏过程。