基于有限元RFPA^(2D)数值模拟对上行开采可行性研究与应用

慈林山煤矿分上下可采煤层9号煤层和15号煤层,目前15号煤层局部已采完,造成上覆岩层产生移动,对上部9号煤层有一定的影响。为分析9号煤层的开采可行性,以慈林山煤矿的15号煤层为工程背景,采用RFPA^(2D)数值试验系统,建立15号煤开采的数值计算模型,动态分析15号煤层开采过程中上覆岩层及采煤面前后方上覆岩层破坏规律,得出9号煤层处于15号煤层裂隙带与弯曲下沉带的交界处的结论,分析认为9号煤层在15号煤层开采稳定后,可以进行开采,最终得出可以对9号煤层正常进行开采,并进行了工业性实践。通过对9号煤层正常开采时的超前压力数据进行监测分析,表明该围岩压力满足矿井的正常生产需要。

岩石剪切破坏过程的RFPA^(2D)数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA2D系统,对岩石剪切破裂过程进行了数值模拟研究。将剪切岩石视为非均匀弹-脆岩石材料,模拟结果再现了岩石剪切滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程,剪断面是滑动形成的主要形式,并首先在试样一端出现,然后再形成由一端及里的剪断面扩展直至另一端最后产生剪断面破坏贯通,形成统一的滑动面,岩石剪切破裂面分形维数还对应着剪断面的粗糙程度和力学行为。

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。

滑动构造带下采煤覆岩破裂演化过程的RFPA^(2D)数值模拟分析

为了研究告成矿21021工作面在开采过程中上覆岩层破裂动态演化规律,通过岩石破裂过程分析系统RFPA^(2D),分析滑动构造带对工作面顶板破坏过程的影响及特征。研究结果表明:滑动构造带对顶板运动规律起着主导作用;对岩石完整性的破坏是由下往上逐渐减弱的;矿压指标在纵向上具有明显的规律性,即由上而下初次来压、初次来压步距及周期来压步距呈现逐渐递减趋势;随着工作面的推进,煤层上的支承压力是动态变化的,并且出现明显的支承压力集中区。

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。

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。

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。

基于RFPA^(2D)的不同角度穿层钻孔水力压裂技术模拟研究

为了提高水力压裂技术在一些高瓦斯低透气性煤层的压裂效果,通过理论分析与现场实测,利用RFPA^(2D)数值模拟软件,构建与煤层夹角为30°,45°,60°和90°的底板穿层钻孔的水力压裂模型,并利用RFPA^(2D)数值模拟软件对4种角度穿层钻孔水力压裂技术模拟的压裂效果进行对比研究。结果表明:未改变压裂钻孔的角度前,钻孔壁周围会有未压裂部分,钻孔角度改变后,钻孔的影响半径扩大,煤体破裂半径增大,进而增大了煤层透气性,提高了瓦斯钻孔抽采率;在本模型条件下,最佳常规钻孔压裂角度参数为45°～60°,钻孔角度在45°～60°范围之间的压裂效果较好,而且45°钻孔的卸压带最宽,影响范围较大。

节理岩体的尺寸效应及强度特性研究

采用岩体破裂软件RFPA^(2D)建立相应的试样模型和岩体模型,分析不同尺寸岩石试件在单轴压缩下的变形破坏特性和声发射规律,在此基础上分析隧道模型在不同跨度尺寸效应和节理倾角效应下岩石力学参数变化规律,进而研究节理岩体尺寸效应与隧道围岩力学参数之间的关系。通过对不同试件尺寸的破坏特性分析可知:小试件以横向裂隙和局部剪切破坏为主,大试件则以剪切破坏为主;随着试件尺寸增加,试件抗压强度、峰后强度逐渐减小,尺寸较小的试件出现大数量的声发射个数较多,而大尺寸试件中大数量声发射数出现较少,充分体现了随着试件尺寸的增大,脆性破裂特征越来越明显。对不同跨度及节理倾角隧道模型尺寸效应分析可知:隧道开挖后产生应力集中,出现了“内空收敛”现象,隧道拱顶及拱腰处剪应力值比较大,随着开挖跨度增大,围岩岩体“显得”更破碎,最大剪应力相应增大,拱顶和仰拱先后出现了断裂,节理岩体强度随隧道开挖跨度的增加,逐渐降低,围岩稳定程度变差,当跨度增加到30 m,节理岩体的强度逐渐趋于稳定,研究成果可为节理岩体力学参数的强度确定提供参考。

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.

煤岩串联组合模型及冲击地压机理的研究

用两体相互作用理论和RFPA2D系统对煤岩组合模型的变形与破裂过程进行了理论和数值试验研究。理论分析表明利用煤岩组合试样可以反映冲击地压过程中的基本力学现象。数值试验考虑了煤岩组合模型中岩石体积含量对于两体最终破裂过程的影响,得到了组合试样的应力-应变曲线和破裂过程中应力场和声发射的分布规律,并把数值和理论结果进行了对比分析。最后,应用数值模拟系统对矿柱示例进行了模拟分析。

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.

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。

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．

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。

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。

短壁开采合理煤柱宽度的确定

为了确保“三下”开采的安全性,本文建立相应力学模型对在短壁开采中留设煤柱的合理宽度进行理论计算;再运用RFPA2D对在短壁式开采中留设不同宽度煤柱的开采过程进行数值模拟,分析比较了留设不同宽度的煤柱对底板和上覆岩层的影响,再现了采动岩体的破坏机理和移动规律。通过理论和数值模拟的综合比较,得出合理的煤柱宽度。为实现井巷保护、资源合理利用和经济的可持续发展提供基础性的依据。