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。

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。

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)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。

谢桥煤矿1201(3)工作面覆岩导水裂缝带高度预测

煤层采出后,采空区周围的岩层将产生位移、变形、破坏,直至形成导水裂缝带。导水裂缝带一旦波及煤层上覆水体,则会导致水体的水流入或溃入井下,直接威胁煤矿生产。本文针对谢桥煤矿覆岩类型和开采技术条件,参照1121(3)工作面覆岩导水裂缝带高度的实测结果,反演得出谢桥煤矿覆岩破坏的岩体力学参数,建立了数值模拟模型;通过对模拟结果的分析,得出了各影响因素对导水裂缝带高度的影响程度,归结出预测1201(3)工作面覆岩导水裂缝带高度的计算式。为谢桥煤矿预测开采上限提供了重要依据,并且对覆岩破坏的理论研究以及工程实践都具有一定的参考价值。

Weakening effects of hydraulic fracture in hard roof under the influence of stress arch

For the problem of hydraulic fracture propagation when weakening the hard roof in fully mechanized top-coal caving stope of ultra-thick coal seam, based on the stress arch theory and the fracture mechanics, a two-dimensional model for hydraulic fracture of the roof in the stope was established to investigate the propagation laws of hydraulic fracture. The result shows that, after mining, the principal stress direction of overlaying rock deflects to form the stress arch, whose arrow height and arch thickness increase with the increase of the mining width and the side pressure coefficient. Within the influence range of stress arch, the hydraulic fracture in hard roof deflects towards the stope direction in the course of propagation and forms the ‘‘arch" fracture, which cuts off the roof below the fracture in a laminated way. The deflection angle of hydraulic fracture increases with the increase of the mining width, but decreases with the increase of the side pressure coefficient and the fractured horizon. This research can provide theoretical basis for the application of hydraulic fracturing method in the stope roof weakening.

非均匀岩石破裂过程渗透率演化规律研究

应用自主开发的数值模拟系统,通过数值试验,很好地描述了岩石破坏损伤演化过程中渗流场变化规律,包括岩石在应力-应变曲线不同阶段的渗透率演化规律、非均匀性对渗流场分布和渗透率的影响。结果表明,非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及其破裂机制的影响十分明显。

煤和瓦斯突出过程中地应力作用机理

基于岩石破裂损伤理论和气固耦合方法,利用RFPA2D-GasFlow数值模拟系统,结合煤体中应力分布情况和瓦斯突出破坏过程及结果,分析了煤与瓦斯突出三要素(地应力、瓦斯和煤体物理力学性质)中的地应力在瓦斯突出过程中的作用.研究结果表明,在地应力小于1 MPa时,地应力对瓦斯突出具有阻碍作用;当地应力大于1 MPa时,地应力对瓦斯突出具有双重作用:一方面其产生的水平压应力增强了煤体抵抗破坏的能力;另一方面其产生的剪切应力促进煤体发生破坏.同时应用研究结果对浅埋煤层瓦斯突出问题进行了分析,认为浅埋煤层承受的地应力较小,煤层中存在着水平拉应力和垂直拉应力且是大范围存在的,故导致浅埋煤层发生瓦斯突出且多发生特大型瓦斯突出.

含瓦斯煤岩突出过程数值模拟

含瓦斯煤岩突出是煤炭开采过程中一种复杂的工程诱发灾害。根据煤岩体变形与瓦斯渗流的基本理论 ,考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性 ,建立了含瓦斯煤岩突出过程固气耦合作用的RFPA2D Flow模型。利用该模型对石门掘进诱发的含瓦斯煤岩突出进行了初步的数值模拟 ,模拟结果再现了煤岩介质在瓦斯压力、地应力和煤岩力学性质等因素综合作用下由裂纹萌生、扩展、相互作用、贯通直至失稳抛出的突出全过程 ,揭示了采动影响下煤岩介质渐进破坏诱致突变的非线性本质 ,包括含瓦斯煤岩破裂过程中应力场的演化 ,为含瓦斯煤岩突出机理研究提供一套全新的数值试验分析工具。

利用采场覆岩裂隙研究优化采空区瓦斯抽放参数

为了在采空区顶板实施瓦斯抽放技术获得较高的瓦斯抽放效果,对采空区瓦斯治理方法进行了探讨.针对高位走向倾斜钻孔瓦斯抽放效果不稳定、钻孔有效利用率低、过钻场时瓦斯超限时有发生,提出利用高位近水平钻孔代替高位走向倾斜钻孔进行采空区瓦斯抽放.采用相似模拟试验、关键层理论分析和RFPA2D软件模拟研究采场上覆岩层中裂隙特征,分析采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况及其变化规律;寻找采场上覆岩层中裂隙位置和顶板瓦斯富集区;从而确定高位近水平钻孔的钻场高度、钻场间距、钻孔最佳布孔层位及与回风巷之间的平距、压茬距离等抽放工艺参数,为采空区高位瓦斯抽放钻孔的设计提供了理论依据.

非均匀性对岩石水压致裂过程的影响

使用岩石破裂失稳的渗流应力耦合系统研究带有圆孔的圆形岩石试件水压作用下的开裂、扩展和失稳过程。结果表明,岩石的非均质性导致破裂的初始压力和失稳压力明显不同,水压破裂路径不规则发展。

基于数字图像处理的岩石细观破裂力学分析

将数字图像处理技术引入到岩石破裂过程分析RFPA2D(Rock Failure Process Analysis)系统,建立了岩石细观结构破坏过程分析方法．首先提取岩石的细观结构图像,再转化成RFPA2D的前处理数据和数值分析网格,然后进行应力求解和破坏分析．以花岗岩细观结构为例,阐述了运用基于数字图像处理技术的RFPA2D方法进行岩石细观结构破坏分析的过程．结果表明,在岩石破裂过程数值模拟分析中引入数字图像处理技术是岩石细观结构破坏力学行为研究的一种方便而有效的方法．

混凝土静态破碎的物理试验与数值试验

本文在对混凝土模型静态破碎进行物理试验的基础上应用RFPA2D软件系统对其进行了数值模拟,物理试验和数值模拟结果表现为良好的一致性。通过数值模拟可以观察到物理试验难以观测到的裂纹的萌生、扩展直至贯通的过程。在此基础上对双孔混凝土静态破碎进行了数值试验,得到相同条件下使孔间主裂纹贯通的经济合理孔距,为混凝土等静态破碎施工中优化布孔提供了一种有效的方法。

深部矿井煤与瓦斯突出特性数值模拟研究

为从细观结构层次上研究深部水平矿井的煤与瓦斯突出特性,利用RFPA2D软件系统对深水平煤岩的地应力、煤体瓦斯压力、围岩温度、煤与瓦斯突出的关系进行了数值模拟研究。结果表明:在深部水平,高地应力、高瓦斯压力和高温度梯度与煤岩体软弱、强度降低的矛盾更加突出,在工程扰动下更容易发生煤与瓦斯突出灾害。

荷载和水压力作用下岩石裂纹贯通过程的数值模拟研究

应用自主开发的数值模拟系统F-RFPA^2D，研究荷载和水压力作用下岩石裂纹和内部缺陷结构相互作用下的贯通过程，内容包括岩石应力应变过程中，不同裂纹扩展阶段的渗透率演化规律，水压力对裂纹扩展模式和峰值强度的影响，岩石内部缺陷结构对裂纹贯通模式的影响等。结果表明，水压力和缺陷结构分布的非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及裂纹贯通机制影响十分明显。

侧向压力作用下巷道围岩破坏机理的数值模拟

作者通过应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的RFPA2D程序模拟巷道在侧向压力作用下的破坏过程,了解巷道围岩在侧向压力作用下围岩应力分布状态和围岩非线性渐进破坏机理。巷道围岩在侧向压力作用下首先在巷道拱顶左侧及底板右侧产生拉破坏。产生拉破坏后,应力集中程度减弱。接着应力场向远处转移,最后远处形成的拉裂纹与拱顶右侧及底板左侧的剪切裂纹贯通,造成巷道的失稳破坏。这些研究工作,对于将来调整矿体回采顺序,选择安全合理的支护方案以及改善围岩应力分布状态,具有一定的指导意义。