预制不同位置裂隙岩体在单轴加载过程的PFC2D数值模拟

在岩土工程领域中,岩体的稳定性关系到整个结构工程的安全。通过离散元模拟软件PFC2D模拟含裂隙岩体,建立一个包含不同位置,直径50cm,高100cm圆柱体试件二维模型,裂纹斜长l=30mm,裂纹尺寸为30mm×2mm,分别在模型上部、中间、下部位置设置预制裂隙,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果表明:单轴加载时,从岩体内部破裂情况看,破坏形式主要是拉伸破坏,细观上看是由于岩体颗粒速度发生相对错动,从而发生拉伸破坏。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,通过分析岩体的颗粒力链分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。

基于PFC2D数值模拟的煤体裂隙演化规律研究

为了研究煤体裂隙演化规律,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,理论分析了煤体延伸压力、裂隙延伸规律和裂隙延伸压力,得出研究工作面裂隙延伸和扩展以垂直方向位置为主,断层属于正断层类型,然后采用PFC 2D数值模拟,模拟分析了不同动压幅值下煤体裂隙演化规律和不同地应力下煤体裂隙演化规律。研究为煤层卸压增透提供了理论基础。

裂隙岩体在单轴加载过程中变形、破裂规律的PFC2D数值模拟研究

运用离散元软件PFC2D模拟裂隙岩体,建立一个包含不同倾角、不同组数,宽度5cm、厚度1mm裂隙的10cm×10cm模型,分析单轴加载情况下岩体的变形、破裂规律。结果显示,在单轴加载情况下,随着倾角的增加,岩体的单轴抗压强度出现先减后增的趋势,且裂纹不断增多;随着裂隙的增多,单轴抗压强度逐渐减小。岩体的破裂区集中在裂隙的尖端点部位,以翼裂纹、次生共面裂纹和次生倾斜斜纹为主。通过分析破裂后岩体的颗粒速度分布,从微观层面发现岩体破坏的主要形式及破裂原因。

土与结构物半模直剪试验的颗粒流数值模拟

使用自主改造的半模直剪仪进行土与钢板、石板的半模直剪试验,竖向荷载分级施加,分别为50kPa,100kPa,150 kPa,200 kPa。应用颗粒流离散元程序——PFC2D对土与结构物在不同法向应力条件下相互作用的半模直剪试验进行数值模拟,研究土与结构物相互作用时接触面土体变形及剪应力的变化情况。分析得出土与结构物相互作用时,土体会呈现出硬化现象。随着法向应力的增加,土的剪应力会升高。在土与结构物的接触面上,形成了一定厚度的剪切带,说明土与结构物的相互作用并不只局限于接触面,而对接触面以上一定厚度内的土体也有影响,但影响范围不大,约为5倍的粒径。土与结构物相互作用时,结构物的性质对土体剪应力的变化影响不大。

泥岩-土混合料直剪试验的PFC^(2D)模拟研究

采用PFC2D程序对泥岩-土混合料试样的室内直剪试验进行了仿真模拟,将模拟结果与室内试验结果进行了比较,得出PFC2D方法可以较好地模拟出这种特殊的散体材料的直剪特性。通过改变PFC2D颗粒的细观参数得到泥岩-土混合料试样的不同直剪强度,其结果对于研究这种特殊路基填料的力学特性以及采用仿真模拟取代室内常规直剪试验有一定的应用价值。

孔洞缺陷位置对灰岩力学特性影响的数值模拟研究

利用二维颗粒流离散元程序(PFC2D),建立了4种圆形孔洞不同位置的灰岩岩样数值模型,分析孔洞缺陷位置对灰岩力学特性的影响。结果表明:孔洞位置对岩样的单轴抗压强度、裂纹演化、竖向位移场的分布特征和模型的破坏形态等均有较大影响。不同位置的孔洞对岩样峰值应力影响的程度不同,而对岩样弹性模量的影响不大。研究成果在孔洞缺陷岩体的变形控制和加固支护等方面具有一定指导意义。

黏性颗粒在滤料表面沉积的动态模拟及规律

为研究颗粒黏性对过滤除尘性能的影响,分析了颗粒沉积过程的受力情况,应用颗粒流计算软件PFC2D对颗粒在滤料表面的沉积行为进行了数值模拟。结果表明:颗粒形成粉尘层的过程中主要受到风流力、惯性力等压缩力和范德华力、滚动摩擦力偶矩等压缩阻力的作用,颗粒黏性的增加,会使颗粒间滚阻系数和摩擦系数显著增加;PFC可实现粉尘颗粒在滤料表面沉积过程的可视化,得到不同黏性颗粒在滤料表面的沉积形态,滚阻系数或摩擦系数越大,粉尘层孔隙率越大,过滤阻力越小,其中,摩擦系数的影响作用弱于滚阻系数。

泥页岩微裂缝微观封堵模拟

有效致密封堵微裂缝是钻井液稳定泥页岩井壁的主要技术措施之一。微纳米封堵颗粒和微裂之间存在着复杂的力学作用关系,简单的理论分析无法精确描述这一复杂的物理过程。为了进一步说明泥页岩微裂缝的微观结构和固体颗粒封堵剂的封堵过程,利用离散元PFC 2D模拟软件对封堵颗粒侵入微裂隙封堵过程进行模拟,分别研究了4种不同裂缝倾角、3种不同开度的纳米级和微米级裂缝、3种不同压差下的封堵过程。结合观察分析缝内封堵状况,结果表明:地层倾角对封堵颗粒侵入地层程度影响较小;符合1/3规则的颗粒较适合于封堵裂缝;压差增大到1.5 MPa时,达到最佳封堵状态,再随着压差的增大,封堵效果变差;随着封堵颗粒浓度增加,封堵效果会趋于稳定。

预切顶无巷旁充填沿空留巷数值模拟分析

为了分析研究预切顶留巷技术应用效果,以某煤矿20916工作面为研究对象,采用PFC2D模拟软件模拟该工作面预切顶留巷工程实践,分析了留巷周边围岩的应力分布和裂隙发育规律。研究结果表明,采用预切顶无巷旁充填这种沿空留巷方式,使留巷围岩始终处于低应力区,从而沿空留巷上方基本顶稳定性,使覆岩压力向能够更深部煤体传递,有效防止顶板事故的发生。

缓倾斜中厚矿体崩落开采矿石流动规律仿真与放矿参数优化

采用正交数值仿真和盈利因子评价函数,建立了分段高度(H)、进路间距(L)、崩矿边孔角(α)、截止贫化率(g)四因素三水平的正交仿真模型,获得矿岩放矿流动行为规律。研究结果表明:4个因素对放矿最优效果的影响权重从大到小依次为进路间距L,截止贫化率g,崩矿边孔角α,分段高度H。得到(H-L-α-g)的最优组合,即H=12m,L=8 m,α=30°,g=0.5,在此条件下,可以使放出矿石经济效益达到最大,盈利因子F=17.38。对于缓倾斜中厚矿体,适当降低采场结构参数,采用低贫化放矿管理方式,有利于提高矿石回收率,降低贫化率。

含硬煤顶煤综放开采提高回采率措施研究

为研究秦源煤业含硬煤分层综放开采硬煤分层对顶煤放出率的影响,运用PFC2D软件建立放顶煤数值模型,模拟在随赋存变化的硬煤厚度影响下顶煤的冒放规律,统计不同硬煤厚度上位顶煤、硬煤分层、下位顶煤的回收率,提出提高散体顶煤回收率的措施。结果表明:硬煤分层的厚度影响顶煤冒放性,随着硬煤厚度增加,顶煤回收率受到严重影响;通过优化工作面综放开采工艺和采取顶煤注水弱化硬煤能增加顶煤的破碎度和降低硬煤的强度,使顶煤的回收率得到提高。

软硬互层岩体结构面宏细观剪切力学特性

针对“软+硬”和“硬+软+硬”组合形式下的2类典型软硬互层岩体结构面,通过开展恒定法向压力下的室内直剪试验和PFC^(2D)细观模拟,研究了不同含水率、法向压力及一阶起伏角下结构面的宏细观剪切力学特性,据此提出了其剪切强度估算公式并进行了算例验证分析。研究表明:①结构面剪切应力(法向位移)随剪切位移的变化具有显著阶段性发展特征,即第1类结构面历经初始非线性压剪变形、应力稳定增长压剪变形和应力陡升-脆落塑性压剪变形3个阶段,第2类结构面历经初始非线性压剪变形、应力陡-缓升压剪变形和应力恒定塑性压剪变形3个阶段;②2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切位移均随含水率增加而减小(最大法向位移则增大);2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切(最大法向)位移均随法向压力增加而增大;第1类结构面的峰值剪切强度随一阶起伏角增加而增大(残余剪切强度则先增大后减小),第2类结构面的峰值(残余)剪切强度随一阶起伏角增加而增大,且2类结构面的峰值剪切位移总体上均随一阶起伏角增加而减小(最大法向位移则增大);③2类结构面的细观损伤裂纹数量(能量)随剪切位移的变化均可划分为3个发展阶段,即初期微增、中期近似“下凹弧形”陡增和后期近似线性缓增(裂纹数量)以及初期微增、中期近似“上凹弧形”缓增和后期近似线性陡增(能量);④宏观试验结果与PFC^(2D)细观模拟结果吻合较好,统一概化描述了结构面宏细观损伤劣化机理,并将第1类和第2类结构面的典型破坏模式分别概括为压剪-起裂破坏、错动-脱空破坏和贯通-啃断破坏以及压剪-起裂破坏、磨损-啃断破坏和贯通-滑移破坏各3种基本类型;第1类和第2类结构面的细观损伤颗粒分别近似呈“倒U形”和“S形”分布于剪切面附近,且颗粒间接触力倾角于0°~90°时损伤颗粒数量分布最多;⑤着重考虑硬性岩层起伏度的影响,提出了2类结构面的剪切强度估算公式,并采用极限平衡法和强度折减法对含典型结构面的边坡算例进行了稳定性分析,验证了该公式的合理性。

围岩结构面对巷道稳定性的影响分析

巷道围岩结构面与主应力方向的夹角以及结构面的倾角是巷道开挖以后围岩破坏模式的关键影响因素。为了掌握结构面对围岩强度的影响规律,根据现场实际地质条件,采用数值模拟软件PFC2D对巷道围岩的结构面进行预设,从结构面与主应力的方向关系、层理的倾角等因素对巷道围岩的破坏模式的影响进行分析。结果表明垂直主应力占主导作用时,层理倾角达到30°时是巷道围岩发生整体失稳的临界点,得出了层理倾角达到巷道破坏的起始部位、转移路线以及重点破坏区域,以此为依据,现场施工取得良好效果。

不同应力下土与结构物接触面力学性状的数值模拟

使用自主研发的土与结构物相互作用试验仪进行室内土单元试验,分别在土体只受自重应力、土体受大小不同的竖向应力、结构物不同粗糙度、结构物不同位移速率等4种不同的工况下使土体与结构物相互作用。应用颗粒流离散元程序——PFC2D对土与结构物在不同应力条件下相互作用的试验进行数值模拟,研究土与结构物相互作用时接触面的土体变形及剪应力的变化情况。分析得出土与结构物相互作用时,在土与结构物的接触面上,形成了一定厚度的剪切带,说明土与结构物的相互作用并不只局限于接触面,而对接触面以上一定厚度内的土体也有影响,但影响范围不大,约为10倍的粒径。土与结构物相互作用时,土体会呈现出剪胀及应变软化现象,土体所受剪应力会出现应力峰值。随着竖向应力的增加,土的应力峰值也会升高。结构物的粗糙程度对土体剪应力的变化影响不大。结构物位移速率越大,土体剪应力变化越快。

三轴压缩下裂隙岩体破坏模式及能量演化研究

为研究不同围压条件下含不同长度单裂隙岩体的裂纹扩展特征和能量演化规律,基于室内三轴压缩试验结果标定细观参数,开展了PFC^(2D)颗粒流数值模拟试验。结果表明:拉伸裂纹先于剪切裂纹产生,两者呈指数增长,裂隙长度减小和围压增大使拉伸裂纹和剪切裂纹快速增长时间滞后;最终破坏时,随裂隙长度增加,拉伸裂纹和剪切裂纹减少。应力集中于裂隙两端,裂纹周围存在应力集中现象。相同围压下,裂隙长度增加,岩样破坏时块体数减少。岩体破坏本质为能量储存、耗散与释放的过程,在加载过程中,岩体能量转化被分为4个阶段。裂隙长度增加削弱岩样储存应变能的能力,总能量减少,围压增强岩样储存应变能的能力。岩样破坏时,耗散能大于应变能,随裂隙增长,耗散能减少。

围压效应下煤岩组合体破坏与裂纹发育的细观模拟

为研究不同围压下煤岩组合体破坏和裂纹发育的特征及两者的关系,利用PFC2D对组合体进行了不同围压下的模拟研究。结果表明,随着围压的升高,组合体破坏由脆性转为延性;破坏前剪切裂纹的快速发育是脆性转延性破坏的直接原因;不同围压下煤岩组合体以煤体剪切破坏为主,破坏前剪切裂纹在张拉裂隙面附近快速扩展、发育,占据主导地位,导致了组合体的剪切破坏。

青藏高原察达高速远程滑坡运动过程与形成机理

为了了解青藏高原察达高速远程滑坡的运动过程与形成机理,运用遥感测绘、无人机地形测绘和现场勘查资料对滑坡进行分区,对滑坡形成机理进行研究,并利用PFC^(2D)数值模拟对地震工况下滑坡运动过程进行模拟.将察达高速远程滑坡分为源区,流通区和堆积区;数值模拟结果得到滑坡平均运动速度为15~20 m/s,运动时间150 s,最大运动距离为2 800 m.察达滑坡为地震条件下诱发的高速远程滑坡,源区砾岩对上部堆积体后缘铲刮推移,使得上部堆积体产生整体变形,其运动过程可分为崩滑→铲刮→滑移→堆积4个阶段.