Seepage simulation of high concrete-faced rockfill dams based on generalized equivalent continuum model

This research focused on the three-dimensional(3 D) seepage field simulation of a high concrete-faced rockfill dam(CFRD) under complex hydraulic conditions. A generalized equivalent continuum model of fractured rock mass was used for equivalent continuous seepage field analysis based on the improved node virtual flow method. Using a high CFRD as an example, the generalized equivalent continuum range was determined, and a finite element model was established based on the terrain and geological conditions, as well as structural face characteristics of the dam area. The equivalent seepage coefficients of different material zones or positions in the dam foundation were calculated with the Snow model or inverse analysis. Then, the 3 D seepage field in the dam area was calculated under the normal water storage conditions, and the corresponding water head distribution, seepage flow, seepage gradient, and seepage characteristics in the dam area were analyzed. The results show that the generalized equivalent continuum model can effectively simulate overall seepage patterns of the CFRD under complex hydraulic conditions and provide a reference for seepage analysis of similar CFRDs.

VR技术在岩石工程教学中的应用探讨

随着岩石工程教学的日益发展,在课堂上对于岩石和矿物以及地底裂缝的表述无法客观真实地展现,传统的教学存在一定的局限性。文章主要探讨虚拟现实(VR)技术在岩石工程教学中的应用。虚拟现实技术可以在工程教育教学中发挥重要作用。借助虚拟现实技术,可以设计交互式、沉浸式的练习,并与数字化学习空间相结合,对地底岩石结构和岩体表征相关内容进行训练,实现其可视化、直观化。该技术能给予学生直观的感受,加深学生对复杂结构和岩体的认识,丰富学生的岩石工程专业知识。

攀岩运动风险防范虚拟仿真实验设计

攀岩运动的参与者,特别是教练员的风险防范意识和能力事关攀岩运动能否健康可持续发展。为了提高攀岩运动参与者的风险防范意识和能力,设计开发了攀岩运动风险防范虚拟仿真实验,实验分为获取许可证、获取攀岩保护、开始攀岩三大部分,共设置了16个交互性操作步骤。该实验运用案例分析、情境模拟、虚实结合等多种教学模式,将课堂知识与课外实践结合,培养了学生的自主学习和创新能力。

数字岩矿手标本三维交互虚拟实习系统与教学应用

虚拟现实为沉浸式教学提供了重要的技术支撑,变革了教学方式。在岩矿手标本三维数字模型和数据库的基础上,基于Unity3D虚拟现实内容创作引擎,设计开发融合岩矿手标本三维模型、二维图像、文字图表、音频等各类信息与沉浸式操作功能的三维交互虚拟实习系统。该系统具有引导讲解、场景漫游、岩石检索、岩石详情4个功能模块以及友好的界面和便捷的操作方式。三维交互虚拟实习系统在实验教学的应用实践表明,它丰富了教学资源,强化了教学体验,保证了教学实习的质量,拓展了远程互联互通的沉浸式教学方式。集“图-文-声-感”于一体的数字岩矿手标本三维交互虚拟实习系统是数字化、信息化与虚拟现实技术在地球科学教学与实验室建设中的重要体现和应用实例,发挥了地球科学虚拟仿真实验教学中心培养高水平地学人才的重要纽带功能,对培养综合性创新人才具有一定的现实意义。

基于自稳隐形拱原理的锚杆支护设计

基于自稳隐形拱原理的锚杆支护设计,是在总结锚杆加固围岩机理的基础上,第一次将岩体承载能力的界限划进了屈服范围内,认为锚杆支护的主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏,最大限度地保持围岩完整性,避免有害变形出现,并提出了极限自稳隐形拱是地下巷道围岩可能失稳的最大区间边界。本文运用有限差分法程序FLAC2D对其进行了分析研究,推导出了自稳隐形拱与极限自稳隐形拱的曲线方程,为巷道的锚杆支护技术提供了参考和借鉴,对工程实际具有重要的指导作用。

岩石力学真三轴虚拟仿真平台搭建与实验教学应用

随着岩石力学教学不断发展进步,应用真三轴实验设备进行教学具有局限性,该文建立了虚拟仿真实验教学平台,并利用该平台进行真三轴实验教学,达到了良好的教学效果。该虚拟仿真实验由教师提供实验技术要求,搭建可视化虚拟仿真用户界面,使学生深刻理解硬岩真三轴加载系统的性能参数、岩石试件真三轴应力-应变曲线测试过程以及声发射微观监测技术在岩石力学真三轴实验中的应用。学生可以通过虚拟平台便捷、直观地完成真三轴实验操作,有效解决实验设备不足、实验操作不安全等问题,有利于学生将理论学习与实践操作结合,提高学生对岩石力学专业知识的理解,对培养岩土领域人才具有重要促进作用。

国内人造岩心物理研究进展

鉴于天然岩心、特别是大尺寸的天然岩心获取困难,人造岩心在油气藏工程研究室内实验评价中具有重要作用。为了获得可以进行室内实验的三维大尺寸疏松岩心,在调研大量相关文献的基础上,综述了人造岩心的物理特性、渗流特性及制作方法,探讨了不同制作方式的特点、岩心物性的影响因素以及人造岩心的渗流特征。采用环氧树脂胶结河砂,制作了三维大尺寸岩心。结果表明:人造岩心在模拟天然岩心的非均质性、骨架性质、孔隙结构及孔隙性、渗透率、力学性质等物理特性以及渗流特性方面取得了较好的效果。制作的大尺寸岩心在各方面与天然岩心相似,可满足相关室内实验研究。通过对人造岩心的调研与大尺寸岩心的制作,认为结合人造岩心物理实验和虚拟岩石物理来解决油气勘探开发中的实际问题是发展趋势,应进一步开展大尺寸和非常规人造岩心制作的研究。

基于虚拟煤岩界面的采煤机上滚筒路径规划

针对采煤机上滚筒截割过程中在顶板煤岩界面弯曲区域极易截割到顶板岩石的问题,提出了一种基于虚拟煤岩界面的采煤机上滚筒路径规划方法。该方法定义了对上滚筒产生斥力的虚拟煤岩界面和虚拟引力场,模拟了上滚筒跟随煤岩界面落煤的运动过程,通过上滚筒的运动模拟计算出了截割路径离散点,并基于高斯核模型的l2约束最小二乘回归方法,通过训练路径离散点获得了一条光滑的上滚筒截割路径曲线。仿真结果表明,采用该方法规划的路径能够有效避免上滚筒截割到顶板煤岩界面弯曲区域的岩石。

基于虚拟样机技术的气动凿岩机设计与仿真研究

阐述了气动凿岩机虚拟样机设计的框架结构、工作流程和三维模型构建方法,并在此基础上进行了参数化设计与运动仿真的研究。该方法大大缩短了产品开发周期,提高了产品设计质量,降低了设计费用。

基于虚拟仪器的采煤机自动调高系统研究

本文结合传统的记忆截割法,并结合采煤机的振动信号和截割电机电流信号,提出了一种基于虚拟仪器系统的采煤机自动调高方法。分析了传统的记忆截割法的优劣,对振动信号进行了分析描述;对截割电机的工作特性进行了分析,包括采煤的调速状态和截割电流变化,为电流检测方法提供了更加合理的理论依据。最后根据信号的变化特性建立了基于虚拟仪器的采煤机信号检测系统,搭建了基于虚拟仪器的采煤机自动调高硬件系统;通过LABVIEW软件建立了振动信号和电流信号的分析程序和自动调高控制程序,可以进行煤岩识别,从而对摇臂摆角进行相应的调整;运用LABVIEW建立模拟电流信号和振动信号,对控制过程进行了仿真。仿真结果表明建立的基于虚拟仪器的采煤机自动调高控制系统是可行的。

基于数字岩芯技术的高温压浸润岩石摩擦机理研究

基于量子力学格子玻尔兹曼理论和多尺度计算机断层成像(CT)技术,在并行中央处理器-图形处理器(CPU-GPU)平台下,为低密度砂岩、花岗岩、大理岩、榴辉岩及橄榄岩等典型岩石试样建立三维数字岩芯模型;进而,应用夹杂超奇异积分-D3Q27格子玻尔兹曼法对多时空尺度(时间尺度:10～100μs;空间尺度:10μm～10cm)、高温压(温度范围:0～600℃;压力范围:0～1GPa)饱和浸润典型岩石试样摩擦过程进行虚拟实验研究,得到摩擦面微裂纹亚临界扩展、摩擦面摩擦应力变化和摩擦面摩擦系数大小随滑动速度、滑动时间、温度和压力大小及加载方式变化规律;最后,通过分析虚拟实验中高温压饱和浸润典型岩石从静止到发生滑动摩擦过程,讨论了离子态水对摩擦系数影响和摩擦面微观摩擦机理.研究结果为地球内部物质软流圈-岩石圈-地壳间运移机理问题、水库对断层活动构造带影响机理问题分析在理论上提供了支持和帮助.

波尔兹曼数字岩芯致密砂岩渗透率研究

致密砂岩渗透率在油气勘探开发、地应力测量及水库地质灾害等领域具有重要意义,但鉴于目前实验技术局限性,温压耦合渗透率测量尚无法通过实验手段实现.在已有研究工作基础上,首次建立了基于D3Q27数字岩芯模型,并计算了高温压耦合低渗砂岩渗透率问题.首先,以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例,利用X射线CT断层成像技术岩芯获取10μm,5μm,2μm分辨率致密砂岩内部结构数据,应用基于量子力学第一性原理的D3Q27格子波尔兹曼数字岩芯模型建立数值模型.进而,利用自编3DLBM程序分别计算了不同分辨率渗透率随围压(0～200 MPa)、孔隙压(0～65 MPa)和温度(25 C～180 C)变化规律,通过与Inc AUTOLAB2 000C岩石测试分析系统实验结果对比,验证了程序的可靠性,得到低渗砂岩断层最佳分辨率;最后,在并行CPU--GPU平台上计算了高温高压耦合(0 C～400 C,0～1.4 GPa)下致密砂岩渗透率值及其各向异性随温压变化规律,并讨论了致密砂岩中水在达到超临界状态后对致密岩石内部结构的影响.

真实—虚拟多层传感器技术在煤岩识别中应用

将真实—虚拟多层传感器信息融合技术应用到煤岩界面识别系统中。采用由真实传感器层和虚拟传感器层组成的复合融合结构,并引用了多层传感器的复合融合估计算法,以解决在测量噪声干扰下的参数估计问题。通过实例仿真结果表明:采用此方法后,煤岩界面识别精度明显提高,从而使采煤系统的生产自动化程度得到进一步增强。

虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台建设

联系岩土工程实践,以及岩体的不可透视性、赋存环境复杂性等特征,提出了虚拟现实与数值模拟技术相结合的教学平台,并结合深部井巷工程介绍了该平台在教学实践中的应用。实践表明,基于该平台的教学方法改造提升了传统的教学模式,学生在安全轻松的虚拟环境中学习、感知实际工程,激发学生的学习兴趣,培养学生实际动手能力和创新思维能力,提高了学生对真实环境中实际工程问题的处理能力。

连杆虚拟样机运动仿真

运动仿真是极具挑战性的新兴技术之一,能够很好地提高设计与产品之间的交互性,缩短产品的生产周期,从而降低产品的设计成本。阐述了虚拟样机的建模过程,基于Visual Basic环境下,对四杆机构运动仿真进行具体运用,绘制输出运动的速度、加速度曲线。分析摇摆式传送机的机构运动特征,划分其功能,最终对其虚拟样机进行运动仿真,结合虚拟样机技术进行产品的仿真分析和参数优化,利用该方法提高了产品的设计质量,提高了效率。

基于虚拟样机的掘进机截割头振动信号分析

利用Pro/E软件搭建掘进机整机模型,将该模型导入ADAMS软件中建立掘进机虚拟样机模型;在MATLAB中模拟掘进机截割头的受力曲线,导入ADAMS中生成样条曲线,施加于截割头质心处,进行振动仿真,得到掘进机截割头的振动信号变化规律并进行分析。了解煤岩硬度与掘进机截割头振动信号变化之间的关系,对实现掘进机动载荷智能识别以及掘进机自动化开采具有重要意义。

岩石与岩体力学参数估算虚拟仿真实验

根据岩石力学的基本原理开发了岩石与岩体力学参数估算的虚拟仿真实验软件,为学生提供虚拟仿真实验。学生通过该软件可进行岩石力学实验、岩石试件物理力学参数分析、岩体结构面识别、岩体力学参数分析的虚拟仿真实验,进而掌握岩石及岩体力学参数的估算方法。该虚拟仿真实验不仅是传统室内岩石力学实验的有益补充,也是对岩体力学参数测定试验的尝试性拓宽,有利于提高学生的学习效果。

张马屯铁矿开采虚拟现实系统的建立及应用

结合张马屯铁矿实际情况,基于东北大学虚拟现实系统软件开发出包括地层、防水帷幕、矿体、巷道、采场等三维场景,带有虚拟漫游、数据库查询和交互控制功能的一整套虚拟矿山系统。在此基础之上针对国内虚拟矿山技术存在的不足,对虚拟现实软件进行二次开发,加强其集成外部数据的能力,实现可视化微震监测、有限元计算的应力场、损伤场等数据信息并通过对众多三维数据信息的联合解读和分析达到评价围岩稳定性和定位危险区域的目的,拓宽了虚拟现实的应用领域,提高了其实用性。

节理岩体的一维动态等效连续介质模型的研究

基于黏弹性理论,提出平行节理岩体的一维动态等效连续介质模型,该模型适用于纵波(P波)垂直通过一组等间距平行节理岩体的动力学问题。该模型包含黏弹性介质模型和虚拟波源概念。黏弹性介质模型主要描述应力波通过节理的衰减和时间的滞后;而虚拟波源的概念则描述应力波在平行节理之间的多次反射。根据已有解析解可以确定黏弹性介质模型中的未知参数。通过和位移不连续方法的比较,验证平行节理岩体的一维动态等效连续介质模型的正确性;该模型可有效地应用于研究通过一组平行节理岩体的P波传播问题。结果表明,该研究可以简化应力波传播问题的复杂性。

基于Unity3D的微震监测分析虚拟现实系统研发

微震监测对矿山安全生产具有重要意义,也得到了广泛应用。针对微震监测数据数量庞大、内容冗杂、实时显示弱、与采掘工程集成度低等问题,开发了一种基于Unity3D平台的微震监测数据分析平台。其主要过程是:收集矿山三维地质坐标、地层岩性等数据建立矿山三维模型,导入到Unity3D引擎当中,对模型添加材质,进行渲染并实现模型坐标数据与现实坐标数据整合,在此基础上利用C#语言编写脚本实现采掘进度的实时模拟,再通过连接SQL Server数据库将矿井微震监测数据进行调用,完成整个系统地质数据、采掘数据与微震数据的集成和实时显示。通过调用系统数据,可实现微震数据的相关统计、分析,并分析其与地质条件、采掘活动的相关性。系统在河南义马煤田跃进、常村两矿进行了实际应用,实现了矿井群开采微震监测数据的联合分析。