基于RFPA-3D的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟

水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素,煤层受割理、层理和天然裂隙的影响,非均质性较强,对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。利用RFPA-3D数值模拟软件,研究非均匀分布的硬煤层和软煤层,在垂向主应力不变,不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律,研究发现硬煤层水平主应力差接近时,水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位,形成网状缝;水平主应力差较大时,水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸,随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段,注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压,煤层被挤压形成一个“大肚子”区域,待煤层挤压到一定程度,煤层开始起裂、裂缝扩展;水平主应力差接近时,注入段煤层压实后,起裂形成网状缝;水平主应力差较大时,注入段煤层压实后,压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成45°夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田Y-01煤层气水平井组进行应用,日产气突破10000 m^(3)。

岩体初始地应力场的粒子群优化反演及在FLAC^(3D)中的实现

岩体初始地应力对于地下工程的稳定性和仿真计算都十分重要,了解工程区域中的岩体初始地应力大小和分布情况通常采用现场测量和反演计算相结合来实现。粒子群优化算法是一种很好的优化反演方法,具有算法简单、收敛较快、容易实现等特点;而FLAC3D适用于大多数工程力学问题,并得到了国内外广泛认可和应用,而且内嵌有FISH语言,容易进行二次开发。因此,在研究粒子群算法原理以及地应力反演方法的基础上,利用FISH语言研制了基于粒子群算法的岩体初始地应力反演程序,并对锦屏二级水电站岩体初始地应力进行反演研究。工程实例表明,在FLAC3D中运用粒子群算法对岩体地应力反演简单易行而且精度较高,反演结果可靠。

基于神经网络结构分解与FLAC^(3D)的初始地应力场反演

介绍了采用FLAC30内嵌功能较强的FISH语言对初始地应力场生成方法的改进,建立了三维非线性地应力反演分析数值模型.模拟了断层及裂隙密集带,并采用此方法构造神经网络样本,采用神经网络结构分析的方式,对不同深度的侧向系数进行反演.通过正分析的计算结果与现场实测值对比,满足精度要求,表明所获得的岩体地应力场是基本合理的.

预应力锚索框架作用下附加应力的FLAC^(3D)模拟

研究预应力锚索框架与岩土体的相互作用机理及施加预应力产生的附加应力 ,以福建省漳 (州 )龙 (岩 )高速公路和溪段 K63 +73 0～ 95 0与 K64+690～ 790边坡的锚索框架加固为工程实例 ,在对预应力锚索框架结构力学作用机理分析的基础上 ,建立相应的三维地质力学模型 ,应用 FLAC3D快速拉格郎日差分程序对此进行数值模拟 。

基于FLAC^(3D)的不同埋深地应力场分布特征的研究

针对含断层的岩层,选取10个不同埋深的地层进行相应的计算及分析,通过对FLAC3D计算模型施加自重力和在模型边界施加切向和法向力的方法,来模拟岩体在自重和缺陷结构相互作用下产生的区域内地应力,得到埋深是决定区域内垂直应力的主控因素,并分析了断层构造及埋深对地层主应力的影响。

基于FLAC^(3D)的压裂工况下地应力重新分布规律研究

压裂液的注入将导致储层地应力的重新分布,引起套管外载荷和受力状态的改变,进而影响套管的强度安全性。为了研究压裂工况对地应力重新分布规律的影响,应用弹性力学理论和地应力叠加原理,结合隐式/半隐式有限差分分析方法,以实际井为例建立了射孔后储层-水泥环-套管模型,模拟初始地应力场和压裂过程,分析了压裂泵压对地应力重新分布规律的影响。研究结果表明:计算终止变形值设置为10^(-4)时,z方向最大地应力为60.25 MPa,变形值设置为10^(-8)时,最大地应力为60.91 MPa,二者相差1.10%;压裂泵压分别为65、80和95 MPa时,z方向最大地应力分别为105、129和133 MPa;泵压增加23%时,地应力增加23%,泵压增加19%时,地应力增加3%。采用的研究方法可提高压裂工况下地应力的预测精度,同时可为套管强度安全性分析提供载荷依据。

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。

敞开式TBM穿越高地应力隧道支护优化研究

依托国家重点铁路工程雅林段孜拉山隧道穿越高地应力TBM施工段,通过精细化三维数值模拟,分析在高地应力条件下,不同支护体系对围岩变形、塑性区深度、支护结构受力情况的影响规律。研究结果表明,在高地应力条件下,围岩的超前变形在总变形量中占比较高;较早的施作刚性较大的支护,支护结构所受压应力过大,进而导致初期支护的变形与破坏,降低施工安全性。选用超前支护、多次喷混凝土与长短锚杆相结合的支护体系,与原有施工方案相比,较好地控制了掌子面前方岩体超前变形,减小了围岩总变形量,降低了支护结构的应力水平,提高了围岩及支护的稳定性。

矿井深部三维地应力场测量与特征分析

针对姚桥煤矿-800 m水平深部巷道破坏严重,采用岩石Kaiser效应测量方法,对该矿进行了地应力场测量。通过在定向岩心6个特殊方向取样,经声发射试验得到了各方向的单个应力,经计算得出了原岩主应力的大小及方向等参数。结果表明:-800 m水平最大主应力为19.00 MPa,属中高应力区,存在一定的构造应力。经-650 m水平与-850 m水平测量结果比较,得到了姚桥煤矿以-800 m为界,上部岩层主要受构造应力控制,-800 m以下以自重应力为主。

车集矿深部三维初始地应力测量研究

岩体的初始地应力是地壳地层力学状态最基础的原始数据,是采矿工程围岩稳定性分析、开采与支护设计的一个基本参数。与其它地应力测量方法相比,空心包体应力解除法测量精度高且能一次测得三维应力,论述了其地应力测量原理,并采用改进的KX-81型空心包体式应力计实测了车集矿区深部4个测点的三维地应力大小和方向。通过结果分析获得车集矿地应力场的基本分布规律如下:各个主应力均为压应力,没有出现拉应力的现象,最大主应力倾角均小于6°,方位角介于SE10°—SW11°,为近水平南北方向,说明车集矿区域地应力以水平构造应力为主,根据应力回归公式可知,垂直应力基本上等于或略小于单位面积上覆盖岩层的重量,最大主应力随深度的增加而增加。测量结果对深部采矿设计和安全生产具有重要的指导意义。

三维地应力场反演技术在冲击危险评价中的应用

为了提高冲击危险评价精度,基于三维地应力场反演技术进行相关研究,以郭家河煤矿Ⅰ盘区为研究对象,在地质构造特征分析、煤岩物理力学试验和矿井地应力实测的基础上,根据多元线性回归原理对三维地应力场进行数值模拟反演,获得研究区域内三维地应力场的地应力;在综合考虑构造应力和采动应力影响的情况下,实现了对Ⅰ盘区冲击危险的宏观评价和对局部范围内冲击危险的精确评价,共划分出11个强冲击危险区和5个中等冲击危险区。

获各琦铜矿一号矿床三维地应力场测量及分布规律研究

介绍获各琦铜矿一号矿床深部三维地应力测量方法、过程和结果,通过现场实测三个中段5个测点,获得了深部地应力状态和分布规律,可为后续矿体的高效、安全开采及巷道支护提供准确的地应力基础数据。

复杂地质条件下隧道三维变形规律分析

对乌鞘岭隧道岭脊F7断层和志留系地层的三维位移进行现场测试,并与三维数值计算结果进行对比分析;采用均值比较方法分析F7断层和板岩地段的三维变形规律,并与地应力场反演结果进行印证分析。结果表明,F7断层和千枚岩地段软岩隧道三维位移十分明显,具有隧道大变形特性,其纵向位移背离开挖面方向发展并在相距开挖面约2.0倍洞径时趋于稳定状态;F7断层地段隧道三维位移呈不均匀对称地发展变化,而板岩地段三维位移变化的一致性较好;隧道三维变形规律与隧道区域地应力场的分布存在相互印证关系。因此,在复杂地质条件下开展隧道三维位移测试并掌握其三维变形规律,对隧道工程的修建具有较大的指导作用。

侧压系数对巷道软弱互层顶板岩体破坏影响规律研究

运用FLAC3D软件,对垂直应力不变、不同侧压系数条件下,巷道软弱层状顶板岩体的塑性破坏、位移和应力变化规律进行了三维数值模拟研究。巷道两帮和底板岩层较硬,顶板岩层相对软弱,并且层理发育。顶板各岩层及软弱夹层的物理力学参数分别相同。研究结果表明,层状顶板岩体的破坏特征是由侧压系数λ决定的。当λ<1时,顶板的塑性区和卸压范围较大,但顶板挠度却较小。当λ>1时,顶板的塑性区和卸压范围较小,但顶板挠度却较大。

三维初始地应力场反分析的径向基函数法

通过对初始地应力场计算方法的回顾,提出了基于径向基函数的人工神经网络初始地应力场的三维反分析方法。径向基网络的可以避免在反分析过程中出现过拟合现象,从而保证反分析结果更加可靠.此外,该方法综合了目前各种初始地应力场模拟方法的优点,并考虑了多种因素对地应力场分布的影响。实例证明,由作者提出方法所模拟的初始地应力场是合理的,精确度也较高。此外,由于考虑了断层的作用对初始地应力场的影响,可以较好地解释实测地应力值分散的原因。

CZ铁路折多山越岭段“空天地”一体化地质选线

研究目的:CZ铁路折多山地区穿越举世闻名的鲜水河断裂带,孕育高烈度地震与活动断裂、高位崩滑流灾害链、高陡岸坡稳定性、高地应力、高温热害、高压突涌水"六高工程地质问题",铁路规划面临地质信息获取困难、线路定线困难"两道难题"。本文从地质勘察技术、地质选线技术、地质选线原则三个方面对折多山越岭方案进行总结研究,优选最佳方案。研究结论:(1)系统采用"空天地"综合勘察手段,可快速、详细查明区内工程地质条件,为方案比选打下良好的基础;(2)创新引入三维物探选线、工程地质分区选线、热红外遥感选线等选线技术提高了选线效率;(3)提炼出适合本地区"六高工程地质问题"的综合选线原则:在"走硬不走软"的总体原则下,以隧道工程减轻"高烈度地震、高位崩滑流灾害链、高陡岸坡稳定性"危害,避开驼峰应力区的基础上以埋深较浅的傍山隧道改善"高地应力"危害,同时尽量拔高线路,在冷水补给区降低"高温热害、高压突涌水"风险;(4)本文研究成果可为复杂艰险山区的铁路选线提供参考。

高地应力区断层带隧道施工力学研究

应用有限差分软件FLAC3D对高地应力区断层带隧道工程中施工力学性态和变形空间效应进行数值模拟,分析了隧道施工过程中作业面的空间效应,重点研究了隧道拱顶、拱脚及边墙围岩的位移、应力随施工步的变化规律,为隧道优化设计和施工提供了参考依据。

水平应力对巷道软弱互层顶板岩体破坏的数值模拟研究

运用数值分析,对垂直应力不变条件下改变水平应力对巷道软弱层状顶板岩体的塑性破坏、位移和应力变化规律进行了三维数值模拟。巷道两帮和底板岩层较硬,顶板岩层相对软弱,并且层理发育。顶板各岩层及软弱夹层的物理力学参数分别相同。研究结果表明,层状顶板岩体的破坏特征是由侧压系数λ决定的。当λ<1时,顶板的塑性区和卸压范围较大,但顶板挠度却较小。当λ>1时,顶板的塑性区和卸压范围较小,但顶板挠度却较大。

共和干热岩地热井GR2井区三维地应力场反演分析

GR2地热井位于共和恰卜恰镇,干热岩地热井井深达到4000米,大深度井区极大增加了反演的难度.井区附近20千米内无大型构造,附近地应力场的主要影响因素为板块构造应力和自重应力.由于井中未进行三维地应力场测井工作,所以我们以地面地应力调查结果和震源机制解反演结果为依据,基于MIDAS GTS和大比例尺高清卫星云图建立有限元数值模型,使用改进的边界法进行反演计算,最终预估了井中地应力场分布特征.对于后续的井网布置以及干热岩井场开采具有重要意义.

滥泥坪铜矿三维地应力测量及巷道布置优化研究

随着矿山开采深度的持续增加,深部高地应力作用下矿区的地压灾害发生率逐渐增长。为使矿区能够安全合理地开展生产工作,准确测量区域内的地应力分布情况,并在此基础上进行巷道布置优化研究很有必要。采用套孔应力解除法对滥泥坪深部3个中段进行三维地应力测试,并对三维应力场分布特征进行分析。测量结果表明:滥泥坪矿区应力随深度基本呈线性增长,实测的各中段最大主应力值在28.62~43.10 MPa之间,原岩应力场以水平构造应力为主,总体表现为NNW-SSE向,根据测量结果调整巷道布置方向并建立三维地质模型对巷道稳定性进行分析,研究结果对巷道布置和矿山安全生产具有重要的指导意义。