工作面顶板破裂变形数值模拟研究

根据鹤岗南山煤矿18号煤层工作面的开采方法、煤层赋存条件,利用RFPA2D(岩石破裂过程分析)系统软件进行顶板破裂变形数值模拟研究,为南山煤矿18号煤层的生产及安全管理提供理论依据。

破裂变形阶段滑坡的发育特征及灾害预测意义

根据太行山南段山区1:50万环境地质灾害调查的部分成果，参考了部分文献资料，针对滑坡破裂变形阶段的特殊性进行了实探讨，并建议在滑坡灾害防治方面建立和完善排水与监测两个系统。

锅炉防焦箱前侧炉墙破裂变形问题的探讨

针对锅炉防焦箱前侧炉墙玻裂的问题进行探讨。认为炉墙破裂的主要原因是锅炉设计选用煤种与实际使用煤种发热量相差较大;其次是施工单位,在砌筑炉墙时单纯着重炉墙的严密性而忽略了钢材与炉墙砌筑材料的膨胀率不同,致使防焦箱与炉墙间隙太小。防焦箱在高温情况下发生膨胀而挤压炉墙;再次是司炉操作不当,炉膛中火区不均匀,炉体受热程度不同,加之锅炉出现大马拉小车的情况,多数锅炉不能正常连续工作,炉体出现骤然高温,骤然低温,使炉体受热部件发生反复变形的情况较多,最终防焦箱经过多次反复变形挤垮炉墙。针对这些情况提出了一些改进意见。

含方解石脉石炭系灰岩单轴压缩的变形破裂特点

沉积岩形成后由于构造运动和热液运移而导致节理裂隙中晶体生长形成岩脉充填,方解石脉充填节理裂隙后与母岩形成整体,公路隧道及边坡工程中会经常遇到岩体中充填有大量的方解石脉。方解石脉与围岩之间的边界由于形成地质结构,所以对于岩体在应力作用下的力学响应具有重要作用,另外方解石脉的充填厚度也会显著影响到岩体的整体力学行为。本次研究从贵州省惠水至兴仁高速公路工程野外露头采集了含有不同厚度方解石脉的石炭纪石灰岩,考虑到不同厚度方解石脉充填以及区域长期降雨过程中水对岩石力学行为影响这两个重要因素,首先对天然以及饱和后的岩石切片开展了矿物组构的统计分析,然后在实验室制备了标准圆柱形岩石试样并开展了天然以及饱和后的单轴压缩力学实验。通过单轴压缩实验获得了试验过程的全应力-应变曲线,针对破裂后试样采用工业CT扫描及三维重构获得了岩石试样中的裂缝形态特点。经过对饱和以及天然状态下含不同厚度方解石岩脉灰岩的力学行为和裂缝分布的分析发现,由于方解石岩脉厚度和含水饱和度的增加,其单轴受压状态下整体塑性显著增加且强度明显降低,岩石饱和后矿物组构的变化以及方解石脉厚度的增加对其力学行为以及破裂模式有明显影响。另外随着方解石脉厚度变化而导致的力学行为变化表明,方解石岩脉充填在岩石中不仅形成地质结构面而影响其力学行为,另外由于与母岩形成整体抵抗变形而导致其力学行为产生显著变化。

隧道底板渐进破裂碎胀大变形:一种新的底鼓机制研究

底鼓是深埋高应力软岩隧道常遇灾害,现有底鼓力学机制忽略了隧道开挖导致的围岩应力释放、应力转移和应力集中现象,仅对初始地应力状态进行了分析。因此,鉴于有限元-离散元耦合数值方法(finite-discrete element method,简称FDEM)在模拟岩体材料弹塑性连续变形和断裂失效非连续变形以及破碎块体接触方面的优越性,采用FDEM数值模拟方法研究了隧道底板渐进破裂碎胀大变形演化机制,并研究了地应力侧压系数、围岩体抗拉强度和底板位置对底鼓机制的影响。结果表明:(1)隧道底板底鼓力学机制为围岩的破裂碎胀性大变形,可简述为隧道开挖导致径向应力降低、切向应力升高,当升高的切向应力超过岩体强度时便产生共轭剪切破裂并伴随拉伸断裂,最大切向应力不断向深处完整围岩演化直至与岩体强度达到极限平衡状态,剪切裂隙也随之不断向深处扩展,深部块体推挤浅部块体向隧道空间移动并产生大量空隙,发生体积膨胀现象,造成底鼓灾害;(2)根据地应力侧压系数和围岩体抗拉强度的不同,可归纳出5类不同的底板破坏模式,但都可归结为由于最大切向集中应力造成的破裂碎胀性大变形。修正了原有底鼓力学机制未考虑应力释放、转移和集中等应力演化现象的不足,提出了一种新的基于渐进破裂碎胀性大变形的底鼓力学机制,为隧道底鼓机制的研究提供了一种新视角。

软弱缓倾层状隧道围岩变形破裂规律试验研究

针对软弱缓倾层状隧道围岩变形与破裂规律的热点问题,利用基于电机双轴加载的中小型隧道物理模拟试验系统和精细化岩土数字照相量测系统PhotoInfor,对软弱缓倾层状隧道围岩变形与破裂规律进行试验研究。结果表明:隧道左拱肩位置处围岩先形成剪切楔并塌落,随后左拱腰位置处围岩继续破坏并向围岩深部发展,形成新的剪切楔体,使围岩变形破裂呈明显左右不对称状;此类软弱缓倾层状隧道围岩松动圈厚度呈左大右小不均衡分布规律,并对此提出差异化支护建议,在优化提高隧道围岩稳定性同时也可节约施工成本;通过数字照相量测技术,全过程、定量化地获得了隧道洞周围岩位移变化情况,其位移变化情况与围岩宏观破坏过程基本保持一致。

基于Weibull分布的非均质隧洞围岩破裂碎胀FDEM数值模拟研究

岩石材料具有非均质特征,矿物颗粒和胶结材料强度在统计学上服从Weibull分布。基于有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)提出了三角形单元弹性模量和四边形节理单元强度服从Weibull分布的参数赋值流程,随后研究了非均质岩样在单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂下的力学特征和破坏行为,最后对非均质隧洞围岩在高应力下的破裂碎胀大变形机制进行了模拟研究。结果表明:提出的随机参数赋值方法可建立不同弹性模量三角形单元数目服从Weibull分布、且空间分布具有随机性的FDEM数值模型;非均质岩样单轴抗压强度、三轴抗压强度、巴西劈裂抗拉强度、等效粘聚力和等效内摩擦角随着非均质度m的增大,均呈指数增大,并向均质材料逼近;高应力非均质隧洞围岩随着m的增大,裂隙网络形态变化不大,均以共轭剪切破裂为主,并伴随少量拉伸裂隙,但围岩破坏程度和裂隙扩展范围呈指数降低。

岩石变形破裂过程中电荷感应信号的检测

设计了采用非接触方式、高放大倍数、高效率的电荷传感器,并给出了电荷传感器的设计原理和技术指标。利用研制的电荷传感器对岩石变形破裂过程中产生的电荷感应信号进行了检测试验。结果表明,岩石在变形破裂过程中会产生电荷感应信号,并能够被研制的电荷传感器检测到;电荷感应信号是瞬时脉冲的;随着加载应力水平的增加,电荷感应信号强度增强,在峰值应力前,电荷感应信号强度达到最大值;在破裂面接收到的电荷感应信号较强,主破裂面接收到的信号最强,因而电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。作为正在探索的检测岩石破坏过程的手段之一,电荷感应方法应是一种很具潜力的方法,值得深入研究。

含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理FDEM数值模拟研究

巷道频繁遭遇褶皱构造,采用有限元离散元耦合数值模拟方法(FDEM)研究含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理。首先改进了FDEM剪切应力峰后软化本构模型,使其在压剪应力状态下保持残余剪应力,随后采用余弦函数y=acos(x)建立不同形态的褶皱构造数值模型,最后采用改进的FDEM数值模拟程序研究了不同地应力侧压系数λ(λ=0.5、2.0)和不同褶皱形态下(a=0、0.5 m和1.5 m)的各向同性围岩体破裂碎胀大变形机理。结果表明,对于各向同性岩体,褶皱形态的影响微弱,均呈现X型共轭剪切破坏并伴随拉伸断裂,断裂块体沿剪切带的滑移剪胀及破碎块体的翻转大运动造成破碎岩块的体积膨胀,发生破裂碎胀性大变形。

卸荷岩体的变形破裂特征

在岩石试件卸荷试验的基础上,结合大型开挖工程,研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征。研究表明,岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容,其破裂以张性破裂为特征,并存有张剪性和剪性破裂;卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外,其变形破裂程度及方式受岩体结构的控制,比岩石更易发生变形与破坏,特别是其破裂体系,很大程度上受岩体结构的控制。

瓦斯煤岩变形破裂过程声发射预警信号变化规律研究

为提高矿井瓦斯突出灾害预测准确率,基于力学、声学理论,采用实验室试验方法,以标准煤试样为研究对象,对含瓦斯煤岩变形破裂过程声发射(AE)预警声信号变化规律进行研究。试验结果表明:围岩应力增大,煤岩破裂由低围岩应力的脆性破坏逐渐过渡到高围岩应力状态的塑性破坏,可根据声发射高幅信号提前预测煤岩破裂时刻。瓦斯的力学和非力学作用对煤岩体力学性质和变形特性的影响均随瓦斯压力的增加而变大。瓦斯压力越大,则煤岩破裂进程加快,积累的声发射能量迅速释放,高值振铃计数声发射信号覆盖时间区段变长,声发射信号能及时反映含瓦斯煤岩的不稳定性。

反倾向边坡开挖变形破裂响应的物理模拟研究

通过建立边坡的地质结构模型,采用物理模拟研究中的底摩擦试验方法,研究在不同开挖比(坡角)情况下边坡的变形破裂响应;重点探讨不同开挖角对边坡变形破裂范围的影响以及掌握边坡的稳定性情况。此外,为验证物理模拟试验结果的可靠性,采用数值模拟方法,进行对比分析。研究结果表明:边坡开挖过程中,卸荷松弛带的深度为35～40m,其中,强松弛带的底界深度为20～25m;在这类特定条件下,适当增大边坡的开挖坡角对整体边坡的稳定性状况反而是有利的。这在一定意义上对传统的开挖观念是一个更新。

煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射进行了实验研究及规律分析，并对煤岩变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析．研究结果表明，煤体变形破裂时能够产生电磁辐射，电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步，电磁辐射信号较声发射信号丰富，电磁辐射与煤岩体的变形破裂过程密切相关．煤岩电磁辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理，预测、预报地震，矿山煤岩灾害动力现象及岩石混凝土建筑稳定性方面有着非常广泛的应用前景．

地下采空诱发含软弱夹层顺层岩质斜坡变形破裂的相似模拟

以重庆武隆鸡尾山顺层岩质滑坡为例,依据相似原理,利用重庆大学变滑面顺层斜坡相似模拟试验装置,进行地下顺坡开采、逆坡开采、留设上下边界矿柱形成不同采空区影响下顺层岩质斜坡变形破裂响应相似模拟试验。试验结果表明:1顺层岩质斜坡在滑动面下沉量变化最大位置,坡体变形破坏剧烈,裂隙发育明显。2同样地质环境和采矿条件下,逆坡开采后形成的采空区对斜坡变形破裂影响最严重,更易诱发坡体破坏失稳,其次是顺坡开采,留设上下边界矿柱开采相对影响斜坡变形破裂较小。斜坡下逆坡开采采空区范围较小,越易造成坡脚岩体发生断裂破坏崩滑。3不同的岩层性质及距滑动面法向距离,其形变移动响应特征不同,但坡体均出现沿滑动面向临空面的滑移。4地下采空区影响下含软弱夹层缓倾斜顺层斜坡的变形机制为弯曲-断裂、挤压-滑移-拉裂。

边坡和采场围岩变形破裂响应特征的相似模拟试验研究

以云南磷化集团晋宁磷矿6#坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿层为研究对象,依据相似模拟原则,利用重庆大学资环学院矿山压力平面应力相似模拟试验台,进行晋宁磷矿6#坑口东采区深部缓倾斜中厚磷矿露天转地下开采的相似模拟模型试验。试验结果表明:(1)受地下采动影响后,露天矿边坡顶部、腰部和底部的应力分布进行重新调整,随着开挖范围的扩大,整体上呈受压—压缩应力增大—受拉伸的动态变化趋势。受境界顶柱的保护支承作用,开挖后其垂直下沉变形很小。(2)地下磷矿体开挖后,在采空场前后方顶板一定区域内形成顶板支承压力集中区,而在采空场上方靠近磷矿层的顶板区域形成卸压区,同时在采空场下方靠近磷矿层的底板区域则形成底板卸压区。随着采空场沿磷矿层倾斜延伸方向的推进,采空场顶板和底板卸压范围逐渐增大,顶板支承压力区动态前移。(3)受采动的影响,采空场附近顶底板围岩均有不同程度的变形,顶板岩层有不同程度的下沉,底板岩层有不同程度的隆起。顶板下沉和底板隆起最大点均位于采空场中点偏下部分,随着开挖的推进而动态前移,达到充分采动后岩层整体下沉和隆起曲线趋于稳定的碗状。以采空场为中心,随着距离其纵向和水平方向距离的增加,顶底板岩层位移变形量单调递减。(4)开挖推进至断层破碎带及其影响区域时,在采动应力的影响下,断层破碎带被"活化",沿断层接触面发生滑移和剪切破坏。该研究成果对云南磷化集团晋宁磷矿6#坑口东采区深部矿体及类似条件下矿山露天转地下开采现场工程实施有重要理论指导意义。

基于FLAC^(2D)模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律研究

通过FLAC2D模拟了矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场的分布规律;根据提取的模拟计算应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式,对巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律进行了研究。研究结果表明:电磁辐射模拟计算值在巷道中间高度的电磁辐射信号是最强的;在不同的加载应力下,监测点接收的电磁辐射模拟计算值也有较大的差别,加载应力越大,产生的电磁辐射信号越强;监测点接收的电磁辐射模拟计算值随着频率的增加而呈幂率关系下降;将应力集中区域看作电磁辐射源区是可行的。研究成果为煤岩灾害动力现象电磁辐射监测技术的研究提供了一种新的研究思路和方法。

矿井岩石变形破裂电荷感应试验研究

基于岩石变形破裂过程的电荷感应规律是预测顶板断裂型冲击地压的基础。提出电荷感应方法检测岩石破坏的前兆信息。利用自主研制的单轴压缩岩石电荷感应试验系统,检测到花岗岩和砂岩变形破裂过程的电荷感应信号,并与煤进行对比。综合分析获得岩石变形破裂过程的电荷感应规律。结果表明:岩石变形破裂过程中有明显的电荷感应信号产生,且与岩石的应力水平有一定关系;岩石较大破裂面接收到的电荷感应信号较强;与煤相比,岩石的电荷感应信号更强,信号也更丰富;岩石电荷感应信号的优势频率较低,其中10 Hz以下的信号更占优势。岩石电荷感应信号可作为检测岩石破坏的前兆信息。

单轴压缩煤岩变形破裂电磁辐射与应力耦合规律的研究

利用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的耦合规律。在煤岩材料损伤特性和强度统计理论的基础上,研究了受载煤岩变形破裂的三维力-电耦合本构关系,从理论上分析了煤岩变形破裂过程中电磁辐射强度和脉冲数与加载应力之间的关系,认为它们之间的关系可以用多项式来表征。煤岩变形破裂过程中的力-电耦合计算结果表明:EME先是逐渐增加,达到一个峰值后快速降低,这与实验测定结果的趋势是一致的;加载速度越大,EME 信号也越强;随着煤岩样品强度的增加,EME 也是逐渐增大的,其中强度最高的砂岩产生的 EME 强度也最大,以下依次是泥岩、硬煤和中硬煤。这些都说明采用的模型和计算方法是合理的,可以有效地模拟煤岩单轴压缩过程电磁辐射信号的变化规律。

基于FLAC^(3D)模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究

首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行了数值模拟,并提取了各个单元的应力值;然后根据数值模拟应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式研究了巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律。研究结果表明:模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际围岩应力显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩受采动影响时内部应力场的变化规律;将较大范围煤岩体单元当作电磁辐射源时的计算结果只比将应力集中区看作电磁辐射源的计算值大3%～8%,说明在现场监测到的EME强度反映的是应力集中区煤岩变形破裂的程度;EME强度在迎头沿着走向符合先逐渐增大达到峰值后再逐渐降低的规律,呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律;随着迭代时间的增加,EME强度在同一监测点的变化关系先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律;巷道开挖后内部应力变化的快慢表现在EME强度的变化上。现场钻孔内不同深度EME强度测定结果基本上也呈现出与模拟结果相同的变化趋势,同时证明了力电耦合方法的合理性。

埋深对软岩圆形巷道变形破裂规律的影响分析

为研究埋深对深部岩体稳定性的影响,采用离散颗粒元软件PFC^(3D)和透明岩体实验技术对不同埋深下圆形巷道周边岩体的变形破裂时空演变规律展开研究。研究结果表明:(1)不同埋深条件下,圆形巷道顶底板岩体与帮部岩体都会约在模型两个对角线方向上发生水平交错分离现象;(2)巷道周边岩体的径向位移都与其距巷道表面的距离呈指数衰减式分布,且随着埋深的增大,巷道周边岩体的连续性变形现象将越来越不明显;(3)随着巷道埋深的增加,巷道两帮岩体破裂逐渐往深处及拱顶底方向扩展,导致巷道顶底部岩体会因在拱腰处"立足不稳",形成"X"型破裂;(4)巷道岩体裂纹总数和横断面岩体裂隙分形盒维数分别与巷道埋深呈指数增长和线性增长关系。