煤岩组合体破坏过程RFPA^(2D)数值模拟

为研究不同组合条件下煤岩组合体的力学特性及破坏过程,使用RFPA^(2D)软件,采用位移加载方式,对不同倾角、围压下的煤岩组合体进行数值模拟,研究单轴和三轴条件下不同煤岩组合体的破坏机制,分析了围压、倾角对煤岩组合体强度的影响.研究表明:单轴压缩时煤岩组合体的强度接近煤体的单轴破坏强度.三轴压缩时煤岩组合体的强度随着倾角的增大先缓慢降低后迅速降低.围压越大组合体强度越高,但强度提高值随着围压的增大降低.煤岩组合体的内摩擦角随着倾角的增大减小,内聚力随着倾角的增大均先增大后减小.组合体单轴压缩破裂情况基本相同,破坏基元主要分布于煤体中,三轴压缩时组合体的破裂出现了3种情况.

煤岩组合体冲击倾向性的RFPA^(2D)数值模拟

通过对不同岩石组成的煤岩体在不同煤岩高度比例和不同组成倾角条件下的数值模拟,探讨不同因素对煤岩体冲击倾向性的影响。模拟结果表明,煤岩体中岩石强度越高,试样的强度随着岩石高度比例的增加增长得越快,组合试样的弹性模量也越高。煤岩体的冲击能量指数随着煤岩组合体间角度的增大而减小,并且随着倾角的增加,石灰岩煤组合体和粉砂岩煤组合体峰后塑性变形明显。

基于RFPA2D的岩石尺寸效应试验

研究高径比不同变化趋势对岩石尺寸效应的影响,考虑到岩石材料的非均质性,应用岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对不同变化趋势下的岩石样本,进行了单轴压缩下的数值模拟研究,并对数值模拟结果进行试验验证.结果表明:岩石的变形模量和弹性模量随高径比的增大而呈现非线性减小;在小高径比时岩石的破裂形式较复杂,在大高径比时,呈劈裂破坏和剪切破坏;岩石抗压强度随高径比的增大呈增大趋势.该成果对岩石尺寸效应有一定指导意义,便于为工程提供可靠岩石信息.

基于RFPA^(-2D)的岩溶陷落柱形成机理数值模拟

以潞安矿区岩溶陷落柱发育地质条件为基础,基于RFPA^(-2D)数值模拟系统,研究岩溶陷落柱的形成机理,分析不同因素影响下的岩溶发育状况,并对研究区域地下水及地质构造对岩溶陷落柱发育的影响进行模拟。模拟结果表明:含水层水头压力不变,裂隙发育越好,岩溶作用越强;裂隙发育程度相同,含水层水头压力越大,越有利于岩溶发育。依此结果为依据,分析了岩溶陷落柱的形成机理:形成岩溶陷落柱的基础是具有相对较大的可溶性岩层厚度和面积,动力条件是地下水的溶蚀,因地质构造在一定程度上对含水层的补、径、排关系起控制作用,地质构造控制着岩溶陷落柱在空间上的分布。

RFPA^(2D)软件的数据结构优化及其存储组织

由东北大学开发的岩石破裂全过程分析系统RF PA2D(RockFailureProcessAnalysis),能够较好地模拟岩石裂 纹扩展的全过程,但其运行速度还不如人意。深入地分析了 RFPA2D软件的数据结构,针对各元素的存储仅限于单个结 构的缺陷,提出分两个结构存储元素数据,结合运用内存与 磁盘,谋取速度与容量间最佳状态的解决思路。

基于RFPA^(2D)的采动区水资源流失控制方法研究

在国矿、地方煤矿和个体煤矿相继开采条件下,阜新矿区八家子自然村附近地下水水位下降到地表以下43m,导致民井断水。文章运用RFPA2D分析系统,以断水现象为例,通过对此系列采矿活动数值模拟分析,阐述了覆岩应力变化与采动裂隙发育的关系。结果表明,采动裂隙的发育(生成、扩张和贯通)及其延伸范围,与开采方式、开采层位和地下开采条件下地下岩体应力场不断变化密切相关。随着采区不断扩大、位置不断抬高导致采动裂隙扩张和贯通,使不同的水文地质单元联合,为浅部地下水迅速流失和地下水水位快速下降创造了有利条件,造成采动区及其附近区域水资源持续流失、向深部采空区渗流汇集。由于在不同的采矿阶段,水资源流失的程度和地下水水位下降的幅度是不同的,应该采取相应的控制方法,例如,在采掘前和初期应该合理设计采掘工作面、合理预留保护煤柱;在采掘中达到较大采空区时应采取实时控制措施、堵塞渗流裂隙;最后进行综合治理。

RFPA2D在内排土场边坡稳定性分析中的应用

利用东北大学岩石破裂与失稳中心开发的岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对宝日希勒露天煤矿内排土场的边坡稳定性进行数值模拟分析,直观地得到了坡体的滑移破坏面,采用强度折减法模拟了岩体变形、破坏,直到边坡岩体发生滑坡的整个过程。算例的模拟分析证明RFPA2D能够较为准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及相应的稳定安全系数,对于复杂的边坡稳定性分析是非常实用的。

炭质泥岩单轴加载RFPA^(2D)数值模拟

通过数值模拟软件RFPA^(2D)对炭质泥岩单轴加载的力学行为进行研究。在单轴加载条件下分别模拟了岩石破坏过程、岩石凯瑟效应、不同尺寸对岩石破坏的影响。研究表明:单轴加载条件下,岩石的破坏过程与声发射情况相对应;用数值模拟验证了岩石的Kaiser效应;针对岩石不同尺寸的影响,采用高径比为2的标准试样进行模拟,发现150 mm×300 mm是岩石强度的分界点。

基于RFPA2D-Flow软件对裂隙岩体渗透特性表征单元体的研究

大型水利水电工程多依附于高陡裂隙岩体边坡而建,而边坡的渗控结构成为研究重点。为进一步研究裂隙岩体渗透特性及其各向异性的影响因素,基于C语言程序,考虑不同迹长、密度的概率分布,通过蒙特卡罗方法生成随机裂隙,然后将随机裂隙导入有限元渗流计算软件RFPA^2D-Flow,形成渗流裂隙网络模型。通过对不同的方位、不同尺寸上的等效渗透系数的模拟计算,得到不同工况下的渗透张量,结合类张量特性和类常量特性判定依据,确定渗流表征单元体,并自定义渗透特性各向异性系数,研究裂隙的密度、迹长对岩体渗透张量、表征单元体尺寸和各向异性系数的影响。结果表明:①裂隙密度和裂隙迹长对裂隙岩体的渗透主值影响较大,但对渗透主方向几乎无影响,随密度或者迹长的增大,裂隙岩体的渗透主值逐渐增大;②在一定范围内,随着裂隙密度或迹长的增大,裂隙岩体的渗透表征单元体尺寸逐渐减小;③裂隙岩体渗透特性的各向异性系数r随密度增大逐渐减小,随裂隙迹长增大呈现先减小后增大的趋势。在此基础上,以锦屏一级水电站坝区左岸边坡裂隙岩体为例,根据地质勘探所获的裂隙概率分布特征及相关参数,利用本文研究方法进行渗流数值模拟计算,确定锦屏左岸裂隙岩体的渗透张量和表征单元体尺寸,并结合现场压水试验结果对本文数值模拟结果进行修正,修正系数在一个数量级之内,说明本文模拟计算结果与实测结果相近。

RFPA2D在井工采动对边坡影响分析中的应用

露天矿边坡下方井工开采是一个普遍存在的问题,给露天矿边坡稳定带来不利影响。文中以平庄西露天矿的顶帮边坡为研究对象,采用RFPA2D分析井工开采对边坡造成的影响,模拟岩移结果与边坡位移、应力监测结果基本一致,为横采、内排提供可靠的技术支持。

基于RFPA^2D复合局部挠曲岩体数值模拟

为研究复合局部挠曲岩体强度特征以及破坏规律,采用岩石真实破裂软件RFPA^2D,对水平层面挠曲30°,45°,60°,75°的复合岩体进行单轴压缩试验模拟。模拟结果表明:挠曲角为30°,45°,60°,75°的复合岩体破坏面几乎与挠曲段夹层重合,其挠曲端部均产生了垂直于挠曲段夹层的裂纹;复合单斜岩体与复合挠曲岩体破坏面的形成因素大致相同,夹层强度是2种岩体失稳的主要因素;复合挠曲岩体单轴抗压强度随挠曲角增大同样呈“U”型变化,与单斜岩体变化趋势一致;当水平层状岩体发生挠曲后,其单轴抗压强度减小,当挠曲角为60°时,强度降低25.19%,当挠曲角为75°时,强度降低0.17%。;随着均质系数m的增大,复合挠曲岩体单轴抗压强度以及轴向应变均出现逐渐递增的趋势,且不同m值,其岩体裂隙扩展方式具有明显差别。

基于RFPA2D岩石渗流剪切破坏过程研究

为探究岩石渗流剪切破坏规律,以砂岩为例,利用RFPA^(2D)软件进行数值模拟。结果显示:砂岩在渗流剪切破坏过程中分为稳定变形、亚稳定变形、失稳前兆和失稳破坏等4个阶段;伴随着加载过程,模型中心区域应力发生偏转升高,随之因应力集中而产生少量微裂纹,且拉伸性微裂纹出现时间先于剪切性微裂纹,两者汇合贯通后形成宏观破裂面;声发射活动贯穿整个渗流剪切破坏过程,表现为峰值剪应力前,声发射特征参数指标较低,之后,声发射特征参数指标骤增,通过裂纹扩展图与声发射图对比阐释了砂岩渗流剪切破坏过程中的裂纹扩展规律。研究岩石在剪切荷载和降雨渗流耦合作用下的破坏过程具有重要的工程应用和实践意义,利用RFPA^(2D)软件进行模拟可为受降雨影响的岩质边坡稳定性研究提供新思路。

基于RFPA^(2D)探究岩石均质度对巴西劈裂的影响

运用RFPA2D进行岩石巴西劈裂数值模拟试验,开展弹性模量和强度的不均质性对岩石宏观破坏影响研究。通过对试件设置不同弹性模量的均值度,得到了弹性模量是细观单元应力分布不均匀的主要原因。在对不同强度的均质度模拟后,均质度越高,巴西圆盘劈裂所需的峰值强度越高,脆性会越强。试件达到峰值强度时,小裂纹之间会沿着径向发生贯通,形成沿径向破坏的主裂纹。

RFPA^(2D)系统在庚_(20)煤层采场顶板岩层移动数值计算研究中的应用

该文论述了RFPA2D分析系统在平煤股份二矿庚20煤层采场顶板岩层移动数值计算研究中的应用。通过模拟计算得出老顶周期来压步距、影响范围,周期来压时煤壁前方支承压力最大应力集中系数Kmax等数据,对分析庚20煤层矿压显现规律具有重要意义。

基于RFPA^(2D)的巷道支护技术研究

通过分析红海矿区上部中段巷道的破坏情况,得知裂隙、断层和进路中动、静应力场复杂变化是引起各中段巷道顶板冒落的重要因素。对此,借助RFPA2D软件对红海矿区+180 m中段开拓巷道进行数值模拟,得到了巷道在静应力场作用下可能出现的破坏形态,即巷道帮顶交线处出现应力集中,巷道中部最先发生破坏,随后裂隙向深部延伸,车场顶板最终与上部稳定岩层发生分离并塌落;沿脉顶板出现较多的裂隙,在动应力场作用下存在安全隐患。根据数值模拟结果,通过在井底车场使用锚喷支护,脉外沿脉使用单一锚杆、隔排全长锚固支护,保证了开拓巷道的稳定性。

含孔洞多裂隙复合岩层裂纹扩展和分形特性模拟研究

利用RFPA2D模拟在单轴压缩的条件下,含预制裂隙和孔洞复合岩层的裂纹扩展、破坏模式和分形特征,通过改变裂隙倾角和岩层倾角对裂纹扩展过程进行分析。结果表明:岩层倾角为0°不变而裂隙倾角变化时,模型试件破坏模式分为X型破坏模式和Y型破坏模式,对比应力-应变曲线和声发射数、分形维数-步数曲线发现分形维数对岩层破坏具有一定的表征作用;裂隙倾角为0°不变而岩层倾角变化时,模型试件破坏模式分为穿切软岩破坏模式和沿软岩破坏模式;通过Matlab计算得到的部分含孔复合岩层裂纹的分形维数与模型试件抗压强度的变化规律相同,分形维数与抗压强度之间的拟合存在显著的线性关系。

考虑地下水害防治的水力压裂缝形态分布特征研究

为深入探讨裂隙性储层水力压裂缝的穿隙特征及影响因素,基于RFPA2D有限元软件,根据焦作矿区煤岩测试结果,模拟岩石破裂过程,分析裂缝形成的主导因素;其次,运用ABAQUS中Cohesive单元,考虑裂缝尖端应力场和煤层内部原生裂隙系统的耦合作用,根据该矿区地质条件和二1煤层物理力学参数,建立有限元分析模型,并进行压裂缝延伸的数值模拟。结果表明:不同地质条件下压裂缝延伸路径分为3种基本模式,即定向直线延伸、转向折线延伸和二次转向折线延伸;裂缝尖端应力差、原生裂隙发育特征是影响水力压裂缝形态与分布的关键因素。在应力差较小时,原生裂隙的力学性能对压裂缝分布形态起主导作用,随着应力差增大,其主导作用逐渐减弱。应力差过小、原生裂隙强度过弱,均易在原生裂隙处发生交叉转向,从而容易触及含水层,诱发各种地下水害。

层理性页岩岩石力学特性数值模拟

为了探究层理性页岩在不同层理条件下的力学性质,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,基于岩石破裂过程分析系统RFPA2D数值模拟软件,模拟了在不同层理密度、层理角度的情况下,页岩的抗压强度、弹性模量、泊松比、抗张强度和断裂韧性的变化。随着页岩层理密度的增大,抗压强度、弹性模量、抗张强度和断裂韧性均出现不同程度减小,而泊松比呈现增大趋势;在层理密度不变的条件下,随着层理角度的增加,页岩的抗压强度、弹性模量、抗张强度和断裂韧性均呈现先减小再增大的趋势,而泊松比则先增加后减小。其中,抗压强度和弹性模量在层理角度约40°时出现最小值,抗张强度在层理角度约20°时出现最小值,断裂韧性在层理角度约30°时出现最小值。研究结果表明:层理密度、层理角度均对页岩的破坏形式和力学性质具有显著影响,且随着层理条件的改变,页岩的抗压强度、抗张强度、弹性模量和断裂韧性变化趋势相同,泊松比变化趋势则相反。

灰岩单轴压缩破坏声发射特征与数值模拟研究

随着煤层开采深度和强度的增加,煤层顶底板岩层及煤柱的受压变形和破坏特征是决定井下施工人员安全的重要影响因素。为了研究特定煤矿岩层受压破坏特征,以葛泉矿1195工作面顶板大青灰岩为研究对象,采用室内试验、数值模拟和声发射的综合研究手段,对大青灰岩的单轴压缩破坏过程及声发射特征进行研究。室内试验结果表明,岩石破裂过程主要分为弹性阶段、屈服阶段和峰后阶段,岩石残余强度为峰值强度的40%;数值模拟结果表明,模型呈现从顶部开始的倒“V”字型断裂,RFPA^(2D)软件计算结果基本符合试验结果;声发射特征结果表明,模型破坏时,声发射个数和能量剧增,且主要集中出现在破坏单元处,即声发射可有效地预测该岩石的破裂位置及破裂过程。

单轴加卸载扰动下石灰岩声发射特性研究

以取自拟建大连地铁二号线的石灰岩试件为研究对象,用单轴循环加卸载扰动来模拟交通荷载,进行该加载过程的声发射特性研究,并利用RFPA2D模拟岩石加卸载循环下的破坏过程。试验结果证实该种石灰岩存在Kaiser效应,也证实加卸载下的Felicity效应的存在。将加卸载理论应用于岩石的声发射前兆分析中,将加卸载响应比Y值达到(接近)1作为此种岩石失稳破坏前兆特征;石灰岩破裂过程中声发射能量加速释放现象明显。数值模拟结果能看到明显的Kaiser效应以及各步对应的声发射现象,将模拟结果与试验结果进行对比发现,岩石均质度系数m=5时,二者最为接近。所得结果可望为地下工程的施工安全研究提供理论依据。