冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化数值模拟研究——基于岩层运动并行计算系统StrataKing

煤系地层属于典型的层状沉积岩层,这在传统连续介质模型中不能被较好反映。为了探究冲击载荷下叠合岩层巷道围岩的应力演化规律,采用以拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法为基础发展的岩层运动并行计算系统StrataKing,基于理想化模型分析了巷道上表面附近应力波的叠加。阐明了应力波叠加导致顶板开裂机理,并且探讨了冲击载荷幅值的影响规律。研究发现:在原始压应力波传至巷道上表面附近测点后,该测点的最大主应力刚开始呈下降-上升-下降的变化趋势,这是由原始压、拉应力波不同时刻的叠加不同导致的;由于次级应力波的波长较原始应力波的小,次级压、拉应力波的单独作用更明显,它们的叠加使巷道上表面附近测点能产生更低和更高的最大主应力,甚至导致顶板开裂;冲击载荷幅值越大,近似阶梯增长阶段中拉裂纹平均发展速度越快,巷道围岩最终开裂范围越大,巷道围岩平衡越困难。

断层黏滑失稳过程声-电信号响应特征研究

为深入探索断层黏滑失稳的阶段特性以及声-电多源联合前兆特征,对含不同预制倾角断层的正长花岗岩开展了侧压分别为5、15、25MPa的双向剪切摩擦试验,观察和分析了断层黏滑失稳过程的力学行为以及声发射、电荷感应信号的时频响应特征。结果表明:(1)侧压和断层倾角改变了断层的黏滑特征,进而影响了感应电荷量和声发射事件震级。侧压越大,间黏滑和黏滑失稳阶段的电荷量占比以及电荷累积速度越大。相较于56º断层,45º断层黏滑失稳时基于振幅的统计指标b值更小,大尺度破裂占比更大。(2)声-电信号幅值的分形特征可以反映断层面黏滑错动释放能量的差异。声-电信号频域的阶段性响应特点可有效辨识实验室尺度下断层黏滑失稳的演化过程,可以将声-电信号主频幅值急剧提高作为断层黏滑失稳前兆特征之一。临近断层黏滑失稳时声发射和电荷感应参量(能量、分形维数、频谱幅值)均呈现明显的“突增”特性。(3)声-电信号能量突增与黏滑应力降之间具有较好的对应性,但并不完全同步。断层黏滑失稳时,声发射会先于电荷感应产生高幅值信号。仅采用单一声发射或电荷感应信号来预警有可能造成信息漏报、误报,需结合声发射和电荷感应信号特征以实现声-电二元信号的相互补充与验证。

三维连续-非连续并行计算方法及其在岩爆过程模拟中的应用

随着深部岩石工程的发展,岩爆变得越发严重。在岩爆的数值模拟方面,连续方法和非连续方法均具有一定的局限性。兼具二者优势的连续-非连续方法更具优势,且正在快速发展。基于CUDA对自主开发的三维拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法进行了GPU并行加速。为了探索岩爆的机理和过程,模拟了不同静水压力、侧压系数和单元数目(最多达100×10^(4))条件下圆形洞室围岩V形坑的演化规律和单元弹射现象。考察了洞室围岩中裂纹的定量演化规律。研究表明:当静水压力较大时,基于芬纳公式的支护设计偏于不安全。由于V形坑的位置发生改变,V形坑的平均最大深度随着静水压力的增加先缓慢增加后快速增加。关于洞室围岩V形坑的模拟结果能与有关的实验结果、数值结果和现场观测结果吻合。上述研究很好地体现了岩爆并行计算较串行计算和商业软件计算的优势。

岩层运动并行计算系统StrataKing及云平台StrataKing.UniXDE参数确定原则及应用

StrataKing(SK)及StrataKing.UniXDE(SK.U)是针对采动诱发岩层运动的首款GPU并行计算系统和云平台。介绍了主要参数的确定原则。单元尺寸的选取应综合考虑GPU的性能和计算精度。准静力计算时,局部自适应阻尼系数尽量接近上限取。通过浅埋厚煤层岩层运动模拟,展示了SK的大规模计算能力、丰富功能和鲜明矿业特色。对本文结果与相似材料模拟实验结果的异同进行了分析。对已经处于试用阶段的SK.U的使用进行了介绍。

基于核重构思想的配点型无网格方法的研究——一维问题

无网格方法按其离散原理可分为Galerkin型、配点型等。其中Galerkin型无网格方法的实施需要背景网格,不属于真正的无网格法;配点型无网格方法的实施不需要背景网格,是真正的无网格法。本文首先介绍了重构核点法的基本原理,然后基于核重构思想,与配点法相结合,以一维问题为例,研究了配点型无网格方法,对该方法构造过程中的近似函数及其导数的计算、修正函数的计算及方法的实现等问题进行了探讨。并结合若干典型算例,检验了其计算精度与收敛姓。

单轴压缩湿砂土试样主应变轴偏转规律试验研究

利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,获得了单轴压缩湿砂土试样观测平面内主应变轴偏转角的时空分布规律。采用双三次样条插值方法,获取了任意位置的主应变轴偏转角,分析了土样将来出现剪切带位置、剪切带的中心及其尖端附近和剪切带外的主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律。研究发现,随着纵向应变的增加,在土样观测平面内,主应变轴偏转角的范围由分散逐渐变得稳定,大部分区域最终分布在-10°~10°之间。当出现较清晰的剪切带以后（硬化阶段后期）,剪切带内不同位置处主应变轴偏转角基本趋于恒定或稍有下降,大致稳定在-5°~5°之间,这与剪切带外的点的主应变轴偏转角均处于发展之中不同;而在剪切带尖端附近的点,主应变轴偏转角随纵向应变的演变规律比较复杂。

基于SPH法的两种围压加载方式对比研究

在光滑粒子流体动力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)中,围压加载方式包括板加载和力加载。对于传统的板加载,当剪切带发展至模型边界附近时,边界应力将与预设围压不相等。为此,发展了可调控板加载的围压施加方法。在可调控板加载和力加载方式下对比分析了双轴压缩岩样和洞室围岩的变形破坏过程。数值结果表明:在两种围压加载方式下,随着围压的增加,双轴压缩岩样的抗压强度和残余强度均基本呈线性增加,并且岩样中拉破坏粒子数逐渐减少,即围压的作用阻碍了拉伸破坏的发生。对于洞室围岩,当侧压系数大于1.0时,两种围压加载方式下围岩中剪切带及其附近的未破坏区的轮廓线均呈椭圆形,且侧压系数越大,轮廓线的长轴越长,而短轴无明显变化;随着侧压系数的增大,拉伸破坏由洞壁四周向两帮转移;在力加载方式下,模型整体稍有旋转,促进了剪切带扩展的非对称性;在可调控板加载方式下,模型不能旋转,剪切带扩展的非对称性不易发生。

基于DIC方法的土样剪切带倾角的演变规律研究

采用数字图像相关(DIC)方法测量了单轴压缩长方体土样变形破坏过程中表面的应变场,并根据最大剪应变场研究了土样剪切带倾角的演变规律。剪切带倾角是通过对包含剪切带的四边形区域内最大剪应变逐行或逐列搜索获得的最大值对应的坐标进行线性拟合得到的。首先,分析了搜索方式及插值点的数量对剪切带倾角的影响,发现采用逐行搜索方法且当插值点的数量与原始测点的数量之比大于16时,获得的剪切带倾角比较准确;然后,对12个土样中24条剪切带的倾角的演变规律进行了测量,发现在剪切带发展过程中,剪切带的形状逐渐由不规则向规则转变,剪切带倾角的最大及最小变化量分别为9°和0.6°,剪切带倾角的范围为46.5°~72.3°,随着纵向应变的增加,剪切带倾角的演变规律主要包含5种模式。

Wilson非协调元构造机理研究

本文通过分析Wilson非协调元内自由度特性，给出了单元内自由度的定义和“均值法”计算公式。在此基础上，证明了Wilson非协调元与协调等参元的对应性，探讨了Wilson非协调元的构造机理。

矩形地基厚板的有限变形动力学方程

以有限变形连续体的最小加速度原理为基础 ,导出了在任意横向动力载荷作用下各类典型工程边界条件下放置于地基上的矩形厚板的有限变形运动方程 ,该方程反映了横向剪切效应、膜力效应和转动惯性效应 ;其退化形式符合公认的结果。所采用方法具有推导过程直接、简便、结果正确的特点。所得到的运动方程与几何方程、本构方程等构成地基厚板的有限变形动力控制方程 ,从而对于分析板的大变形冲击动力学问题具有意义。

关于梁动力响应计算过程中差分议程性性讨论的注记

本文主要讨论了梁动力响应计算过程中运动方程有限差分格式的稳定条件，并建议了一个新的时间步长与空间步长之间的关系式。

研究塑性大变形过程的实验分析方法及其应用

结合中频热推弯管自动控制成形过程,介绍一种研究工件大变形过程的实验分析方法。该方法不仅可以分析工件的受力、变形特点,而且可以描述工件变形过程瞬时应力、应变状态及其演化过程。为工艺或结构设计提供理论依据。

单轴压缩黏性土剪切带相互作用及损伤试验研究

剪切带损伤研究对于理解材料破坏机制和建立剪切带本构模型具有重要意义。为了研究单轴压缩黏性土样的剪切带损伤演化规律,根据纵向应变较高时清晰剪切带位置布置切向测线,对数字图像相关方法获得的结果进行双三次样条插值,从而获得光滑性较好的各种应变场。将土样整体的损伤变量-纵向应变曲线与各条剪切带的损伤演化曲线进行了对比。研究发现:(1)总体上,土样整体的损伤变量演化曲线呈线性,而各条剪切带的损伤变量演化曲线均上凹,这表明随着纵向应变的增加,各条剪切带的损伤发展越来越快;(2)各条剪切带的损伤变量演化曲线的轮廓线呈马尾形,这说明随着剪切带的逐渐发育,各条剪切带的相互影响和作用规律变强;(3)对于含水率较低的土样,平行或共线剪切带的损伤变量变化基本同步,特别是在剪切带充分发育之后,但两条剪切带的距离应较小;在一定时期,共轭或交叉剪切带中剪切带的损伤占优,这与剪切带的相互竞争有关,但若两条剪切带达到独立发展的程度,则二者的损伤变量变化可以同步;对于含水率较高的土样,各条平行或共轭剪切带的损伤变量变化基本同步,剪切带的相互作用不明显。

基于数字图像相关方法的单轴压缩黏土试样剪切带剪胀实验研究

剪切带的体积变形研究对于正确认识剪切带的变形破坏机理具有重要意义。为了研究单轴压缩黏土试样剪切带的体积变形特征,在土样微裂纹出现时根据局部体积应变较高的位置(位于剪切带上)布置测线,在利用数字图像相关方法获得的应变场进行插值的基础上,统计获得局部体积应变的均值和标准差的演变规律,提出了局部扩容角的概念。研究发现:(1)总体上,在压缩过程中,剪切带的体积变形由压缩向膨胀转变,但期间会出现由膨胀到压缩的反复过程。(2)尽管在加载过程中土样整体一直表现为压缩,但局部(剪切带上一些位置)体积膨胀发生于纵向应变=0.04~0.09时,若以测线上局部体积应变的均值出现大于0作为评价标准,则局部体积膨胀发生于纵向应变=0.06~0.14时。(3)局部体积应变的峰迁移的速度可达(3.77~8.48)×10-5m·s-1。(4)若根据局部体积应变的高值区位置布置测线,当测线上局部体积应变的均值从小于0变为大于0之后,土样整体体积表现为压缩,剪切带上局部扩容角的最大值在13.47°~56.26°之间快速增加。若根据狭长剪切带位置布置测线,剪切带上局部扩容角的平均值在16.60°~45.79°之间快速增加。在土样整体表现为压缩的前提下,通过定义常规意义上的扩容角,不能解释客观发生的局部体积膨胀现象。

采动诱发逆断层滑移的理论分析及数字图像相关方法观测研究

断层是采矿工程中经常遇到的一种地质构造,研究采动诱发断层的活化规律对安全开采具有重要意义。为了研究采动诱发逆断层滑移规律,以逆断层上盘煤层上方部分岩层整体为研究对象,通过引入工作面煤壁前方支承压力经验公式和有关假定,在其水平和垂直方向上建立平衡方程,获得了断层面上剪应力和正应力公式。研究发现,二者呈线性关系。以千秋矿21221工作面为例进行理论分析,获得了断层面上剪应力和正应力随工作面与断层距离的变化规律,通过引入莫尔-库仑准则得出工作面与断层距离超过31 m才能防止断层快速滑移。以千秋矿21221工作面为原型进行相似材料模拟试验,并利用自主研发的基于粒子群优化算法和牛顿-拉斐逊迭代的数字图像相关方法计算了开采过程中断层附近的位移场以研究断层滑移规律。通过分析得出工作面与断层距离超过35 m才能防止断层快速滑移,这与上述理论分析较为一致。

基于连续-非连续方法的正断层下盘开采断层滑移演化研究

在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的基础上,为了模拟时间较长的煤炭开采过程,提出了准静力计算模式;针对煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,发展了应力跌落方法;以济三煤矿6303工作面的地质条件为背景建立了更准确的力学模型,其中,在断层上盘下端面施加了适当的垂直向上的均布载荷,以克服前人力学模型中由于模型下端面位移被限制断层难以在此位置错动而造成的应力集中问题;通过剔除开采前的断层滑移量,提出了纯粹由采动引起的断层上盘滑移量的计算方法。结果表明:当工作面与断层的距离减少时,煤层下方测点的滑移量呈缓慢增加-缓慢减少-急剧增加的趋势,煤层上方测点的滑移量呈缓慢增加-迅速增加的趋势;同一岩层中测点的滑移量相差不大;高位岩层将先于低位岩层发生明显滑移,断层滑移基本是由上至下发展的,且高位岩层的滑移程度比低位岩层的大;当工作面与断层距离相同时,若开采间隔较小,则煤层上方测点的滑移量较小;当工作面与断层距离小于等于100 m时,采空区上方附近岩层发生明显滑移,应该加强支护。

基于环绕测点子区分割的数字图像相关方法剪切带宽度测量研究

提出了一种致力于改善狭窄、高应变梯度剪切带宽度测量精度的数字图像相关方法。通过对测点的原始子区的有限分割,使后代子区环绕在测点周围,以使一些后代子区位于简单变形区域,进而以最佳后代子区的结果作为测点结果。通过对比提出方法和粗-细方法的虚拟剪切带宽度测量结果,验证了提出方法的有效性,并从理论上分析了剪切带宽度测量误差。研究表明:对于虚拟剪切带,在理论上,提出方法的剪切带宽度不受子区尺寸的影响;与粗-细方法相比,受子区尺寸的影响较小,而受测点间隔的影响较大,但测量结果更准确。

岩层运动并行计算系统StrataKing及应用

为了克服国外串行商业软件的功能有限、计算规模小和计算效率低的问题,历时10余年,自主研发了拉格朗日元与离散元耦合的岩层运动GPU并行计算系统StrataKing。介绍了Strata-King的计算流程、基本原理和功能,各计算模块均在GPU上执行。通过模拟三点弯梁的开裂过程,检验了StrataKing的正确性。在静水压力条件下,当单元数目较多时,巷道围岩的裂纹以更加弯曲、柔美而非突兀、生硬状向围岩深部发展,这与塑性力学中圆环形的各处均破坏的塑性区有所不同。在采动条件下,工作面煤壁超前支承压力和水平应力均具有峰值,后者与岩层之间的黏结作用有关,这与基于连续介质假定的厚壁筒径向应力特征有所不同。由此,StrataKing的大规模计算能力、丰富的功能和行业鲜明特色得到了进一步呈现。

基于岩层运动并行计算系统的锚杆单元原理、实现及巷道支护效果分析

在自主开发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的岩层运动并行计算系统(基于拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法)中,引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元,形成了锚杆模块。2个锚杆节点与之间的构件组成锚杆单元,其本质是在任一种覆盖(将1个四边形单元离散成2个三角形子单元,离散方式有2种,即2种覆盖)中,锚杆节点相对于子单元的位置保持不变。控制循环由CPU执行,密集的计算任务由GPU执行,锚杆模块与其他模块同时执行以获得较高的计算效率。考察了拉拔试验中不同位置锚杆单元轴力的演化规律。随着拉拔的进行,距离拉拔端一定距离内的锚杆单元轴力呈振荡上升趋势,从围岩对锚杆作用的角度对此进行了解释。通过将目前的锚杆轴力分布与基于Mindlin问题的位移解推导出的理论结果进行对比,验证了锚杆单元的正确性。为了研究锚杆单元对巷道的支护效果,以巨野矿区某轨道大巷为背景建立力学模型,得到了有无锚杆支护条件下巷道围岩的变形—开裂—运动过程。研究发现,锚杆单元对于阻碍巷道围岩变形、控制裂纹发展和改善应力分布具有良好的效果,这是由于锚杆长度范围内围岩围压增大导致了围岩承载力提高。目前的锚杆支护条件下的结果(巷道附近破坏区内岩石单元之间的明显裂纹使围岩发生了较大膨胀)比传统连续方法的结果更符合实际。

势接触法中法向刚度系数取值研究及岩层运动过程模拟

采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化。正确模拟岩层运动对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义。在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法中,只有法向刚度系数正确取值,势接触力才更可靠。为了模拟时间较长的开采过程和解决煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,采用了准静力模式和应力跌落方法。为了有助于正确选择适于模拟岩层相互作用的法向刚度系数,首先对其进行了标定,以考察嵌入引起的误差的影响。然后设计了4组(上相对较软-下相对较硬、两相对较软、上相对较硬-下相对较软和两相对较硬)两岩块撞击-平衡过程的数值试验,并以其中一组为例进行了重点分析。通过考察两岩块的嵌入量和上岩块下表面的平均应力的演化以及上块从运动到平衡的时长,最终得到了具有普适性的结果,即法向刚度系数与弹性模量的比值为15 m^(-1)时较为适当。为了检验上述建议值是否适于模拟采场岩层运动,以某煤矿1141工作面为例进行了计算。研究发现,在法向刚度系数取为建议值时,计算结果较为合理,且计算效率较高。