泥石浆型复杂破碎岩体非线性渗流数学模型与实验研究

断层、陷落柱是影响承压水上煤层开采的主要隐患之一,由于其具有碎石块和泥质充填物(泥石浆)构成的复杂结构,其渗透性的确定通常以定性分析为主,缺少量化模型。为了研究泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的量化计算方法,开展了渗流实验研究破碎岩体非线性渗流规律,并基于多孔介质分形理论、非线性渗流理论,建立了考虑黏土成分及泥化充填作用的破碎岩体非线性渗流数学模型,最后与实验结果对比验证数学模型的准确性。结果表明:①陷落柱破碎带样品的粒度分布具有一定的分形规律,含有黏土颗粒的破碎带岩体遇水泥化后,分形维数增大,黏土充填封堵了大颗粒岩石碎块内部的大孔隙,降低了破碎岩体的渗透性;②随着破碎带岩体渗透率的降低,非线性开始发生时的临界压力梯度也增大,表明非线性临界压力梯度可以用来量化破碎岩体的阻隔水能力;③非线性开始发生时的临界压力梯度的实验结果与数学模型计算结果吻合,验证了模型的准确性。建立的破碎岩体非线性渗流数学模型首次尝试考虑了黏土成分及泥化充填作用对渗透性的影响,为泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的定量计算及水体下、承压水上等特殊开采条件下地质构造的阻隔水性能研究提供了一种新的研究思路。

长距离采煤工作面高压喷雾降温实验研究及应用

针对园子沟矿井1012102采煤工作面高温热害问题,采用喷雾降温实验确定最佳喷雾压力和喷嘴雾化参数,数值模拟分析不同喷雾温度和喷雾间距对降温效果的影响,并采用线性回归方法分析了采用喷雾前后人体的舒适度。结果表明:当综采工作面中喷雾系统采用组间距10 m,水温为286 K,压力6 MPa的参数时,单组峰值温度与常规通风方式的温差达到了1.3℃。在现场应用后,工作面人行道侧大部分区域的温度低于26℃,最高气温降至27℃以下,最低温度低至24.7℃,有效实现了区域降温。

不同单节理产状岩石力学性质数值模拟与强度预测模型

节理岩石力学性质对于各类岩体工程长期稳定具有重要意义,而岩石的力学性质受节理产状影响极大,甚至起决定作用。为研究节理产状对岩石强度和破坏模式的影响机制,基于节理产状参数准确预测岩石的单轴抗压强度,采用PFC软件建立了不同单节理产状的岩石数值模型,开展了一系列单轴压缩数值模拟试验,得到了节理尺寸和倾角对岩石力学特性的影响规律:随着节理尺寸增大,岩石破坏模式逐渐由沿一定角度的剪切破坏变为节理端部裂纹扩展破坏,单轴抗压强度逐渐减小;随节理倾角增大,当节理倾角小于内摩擦角时,岩石的单轴抗压强度逐渐减小,破坏模式主要是节理端部翼裂纹扩展破坏;当节理倾角超过内摩擦角继续增大时,岩石的单轴抗压强度则逐渐增大,破坏模式主要是沿一定角度穿切岩石或次生裂纹扩展的剪切破坏。在此基础上,结合损伤力学和断裂力学理论提出了单节理岩石单轴抗压强度预测模型,充分考虑了由单节理产状差异导致的不同破坏模式对岩石强度的影响,模型参数易于获取。经算例验证,模型具有较高精度,能够满足工程现场需求。

用于隧道减震的叠层剪切吸能结构剪切性能试验研究

提出一种新型叠层剪切吸能(LSED)结构改变衬砌连接方式,能够保证隧道在轴向上具有良好的变形能力和在环向上具有较好的抵抗变形的刚性能力。基于LSED结构的竖向承载和剪切变形能力开展LSED结构的室内剪切试验和数值试验研究,利用变异系数法评价橡胶剪切模量、橡胶层单层厚度、橡胶层层数和结构有效直径等因素对LSED结构水平剪切性能影响的权重。最后,利用有限元软件ABAQUS建立LSED结构-隧道衬砌-围岩三维精细化工程模型,并采用动力时程分析方法对其地震响应进行分析。研究结果表明:在压剪状态下,结构整体位移由下到上逐渐增大,橡胶层的受拉区主要集中在外侧边缘,拉应力及其分布面积由两端向中间逐渐减小,上表面的最大名义主应变最大值由上到下逐渐减小;钢板层较大应力区域主要分布在靠近上下封板部位。设计因素中橡胶剪切模量和结构内部钢板直径对LSED结构的水平等效刚度的影响更为显著;LSED结构的设置能有效降低衬砌的地震响应,且减震率达到45%以上。

考虑微元强度韦伯分布与裂纹长度幂律排布的砂岩强度预测模型

构建统筹考虑岩石内部宏细微观缺陷影响的强度预测模型对于保障智慧矿山的建设以及井下人员设备的安全都具有重要意义。综合考虑岩石微元强度的韦伯分布与裂纹长度的幂律排布规律,采用数值模拟与理论推导方法分别建立损伤岩石试件的离散元计算模型与强度预测模型,并利用数值计算结果对理论模型的合理性进行验证。结果表明:①通过编程同时实现了PFC2D计算模型中微元强度的韦伯分布与裂纹长度的幂律排布,分析了岩石中的宏、细微观损伤与相应分布参数间的定量对应关系。②数值建立了400个同时考虑宏、细微观损伤的砂岩试件并对其进行了模拟加载,实现了对微元强度、预制裂纹信息及岩石强度间关系的统计分析。根据模拟结果构建了砂岩试件单轴抗压强度四维空间散点,得到了多损伤参量影响下的试件抗压强度流动规律。③联合Mori⁃Tanaka方法及岩石损伤概率分布理论,推导建立了12参数的岩石强度预测模型。该模型能够同时描述细微观微元强度与宏观裂纹信息对岩石强度的影响,并且理论模型计算结果与数值模拟结果高度吻合,相关系数达0.991。