巷道裂隙围岩稳定性影响因素的数值分析

对具有单一裂隙的巷道围岩问题,用边界元分区算法沿裂隙面将围岩分区,对每个子域分别建立边界积分方程。在裂端配置1/4面力奇异单元,对张开或闭合的裂隙,既模拟了裂端位移 的变化规律,又模拟了裂端应力1/ 的变化规律。以应力强度因子为指标,依据岩石断裂理论,系统地分析了裂隙几何位置、双向加载侧压比、裂隙面摩擦系数、裂隙长度等因素对围岩稳定性的影响,得出一些有价值的结论。该数值方法适用于分层介质中及复杂几何形状的巷道裂隙围岩稳定性分析。     

双河煤矿采动巷道顶板裂隙的分形研究

巷道顶板的变形量是评价巷道顶板稳定性的一个重要指标,巷道顶板裂隙的间距分形维是综合反映顶板裂隙发育、分布特征的一个重要参数,尝试建立二者之间的数学关系。利用多基点位移计对双河煤矿采动巷道顶板的变形量进行了监测,利用钻孔电视成像仪对顶板内裂隙的发育和分布状况进行了监测,并且计算出顶板内裂隙间距的分形维。结果表明,顶板0~2 m内裂隙最为发育,在此范围内,裂隙线密度与裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,二者具有线性关系;顶板的变形量与相应的裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,顶板裂隙的间距分形维增大,相应的围岩变形量增大,二者之间存在线性关系。研究结果表明,顶板裂隙的间距分形维是综合反映巷道顶板稳定性的一个指标,可以作为巷道顶板稳定性的指标,对巷道顶板稳定性进行评价,为支护设计提供可靠依据。     

深井大断面沿空留巷底板裂隙分形特征动态演化规律试验研究

深井大断面沿空留巷常见严重底鼓问题,为更好揭示底鼓机理,利用自行研制的两向四面加载试验装置,结合顾桥矿1115(1)工作面轨道顺槽工程地质条件,采用相似材料模拟方法研究了深井大断面沿空留巷底板在掘进、一次采动、留巷和二次采动影响期间裂隙动态演化规律,并基于分形几何理论定量分析了分形维数变化规律及其与底鼓量的关系。研究结果表明,底板裂隙随着回采逐步发育、扩展、贯通,以剪切破坏的中高角度裂隙分布为主;底板裂隙分形维数逐渐增加,在顶板来压和留巷期间均有明显的升维现象;由于留巷上部基本顶的"回弹"现象,第二个工作面上覆岩层作用于煤体的载荷较小,导致在第二个工作面回采前期,底板裂隙分形维数增量较小;底鼓量和分形维数呈非线性正相关关系。通过对比现场实测底鼓量和试验底鼓量,发现二者能够较好吻合,验证模型试验结果的真实可靠。     

裂隙特征对岩石渗流特性的影响规律研究

裂隙是油气储层主要的储集空间及流体渗流通道,影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要指标。以冀中坳陷任丘油田任10井为例,运用数值模拟方法研究了裂隙开展宽度和裂隙面粗糙度对岩石渗流特性的影响规律。研究结果表明,(1)裂隙开展宽度较小时,孔隙内流体压力仅在入口处小范围内呈扇形分布,裂隙中压力分布曲线呈正切函数型,流体流速在裂隙和孔隙中都较小;随着裂缝开展宽度的增加,孔隙内流体压力逐渐增大,裂隙中压力分布曲线逐渐向直线型转变,流体流速在入口处先减小后稳定,在裂隙中先增加后稳定;(2)裂隙面粗糙度对裂隙岩石渗流特性的影响与裂隙开展宽度有关,在裂隙开展宽度较大时,裂隙面粗糙度对流体压力的分布影响较大;随着裂隙面粗糙度增大,孔隙内流速逐渐增大,而裂隙中流速逐渐减小;(3)随着裂隙开展宽度的增大,影响裂隙流体流动的主控因素逐渐由裂隙开展宽度转变为裂隙面粗糙度。     

考虑覆岩原生裂隙的导水裂隙带模拟

导水裂隙带高度的确定对松散承压含水层下煤矿安全开采和矿区生态环境保护具有重要意义。以往根据塑性区判断导水裂隙带范围的数值模拟方法不能完全反映覆岩的破断机制。为了更准确地预测导水裂隙带发育高度,应用断裂力学方法,将裂纹尖端K场区内的应力强度因子断裂判据与摩尔-库伦屈服准则结合,提出了原生裂隙存在时的岩石断裂准则。利用自仿射分形模型建立起原生裂隙场分布,并通过有限元分析软件COMSOL Multiphysics将原生裂隙场和岩石断裂准则应用到导水裂隙带发育的数值模拟中,对淮北煤田青东煤矿的839工作面开采进行了模拟计算。结果显示,考虑原生裂隙时,导水裂隙带在贯通后高度达到92.5 m。与传统数值模拟和经验公式法相比,考虑原生裂隙的模拟结果与现场测量结果更为接近。这说明,采用自仿射分形模型所生成的裂隙场可以较好地模拟岩体内复杂而无序的原生裂隙分布,且与传统数值模拟和经验公式法相比,考虑原生裂隙的模拟方法能够更好地反映导水裂隙带的发育规律。     

岩石圈板块的分形及其降维演化

根据分形理论和各板块的面积以及现代大陆各地块面积资料 ,分别进行了全球岩石圈板块和全球大陆地块自相似性特征尺度与频度关系的研究讨论。结果表明 ,现代全球岩石圈板块在特征线度r =30 0～ 180 0km的无标度空间范围内具有分形分布特征 ,其分维数D =0 72 ;现代全球大陆地块在特征线度r =30 0～ 150 0km的无标度空间范围内具有分形分布特征 ,其分维数D =1 16 ,比现代全球板块 0 72的分形值高出 6 1%。进一步讨论认为 :传统的“板块构造动力”应区分为岩石圈破裂形成板块动力的“板块构造动力Ⅰ”和板块水平运动驱动力的“板块构造动力Ⅱ”两个方面 ;全球板块总数为 18个左右、最小板块面积在 3× 10 5 km2 左右的板块分布 ,可能与板块的形成、演化有密切关系 ;原始岩石圈板块的分形分布 ,在地球构造演化过程中有一个降维演化趋势 ,其降维演化的速率约为 4 34× 10 -10 a-1;根据分维数反映分形客体复杂与不规则程度的物理意义 ,岩石圈破碎地块的降维演化意味着岩石圈地块的破碎状况及其分布 ,具有在总体上随时间演化而逐渐向简单、规则方向演化的趋势 ;原始岩石圈的破裂以及岩石圈破碎地块从古老大陆地块向现代板块的降维演化可能源于地球的膨胀 ,膨胀使各岩石圈块体面积以及地球总面积共同增长并从     

裂隙岩体非饱和渗流的分形模型

基于毛细吸持理论和Sierpinski空间的假定,建立了用分维数表示的毛细压力-有效饱和度及毛细压力-相对渗透系数关系的裂隙岩体非饱和渗流分形模型。根据Monte-Carlo模拟技术由平硐资料生成三维裂隙网络,利用盒维数方法计算裂隙岩体体积分维数。探讨了分维数与裂隙渗透率的关系。结合糯扎渡水利工程实例,将模型计算结果与Brook-Corey模型对比,结果表明相对渗透率主要受最大裂隙开度的影响,当裂隙开度范围不大时,分形模型可较好描述岩体裂隙的毛细压力与有效饱和度的关系。当裂隙开度范围较大时, ,忽略最大裂隙开度,模型可以等价于Brook-Corey模型。     

三轴压缩煤岩三维裂隙CT图像重构及体分形维研究

通过对煤岩试件进行常规三轴力学试验,并对破坏后的煤岩试件进行CT扫描,之后将处理过的CT图片导入Mimics10.01进行三维重构,得到了煤岩试件内部裂隙空间的分布情况。另外,利用自编的Matlab程序对煤岩试件的体分形维进行了初步分析。结果表明：煤岩试件在三轴加载条件下主要发生压剪破坏;且围压不同,煤岩试件表现出了特定的力学规律;利用Mimics10.01重构得到的煤岩三维裂隙空间分布情况显示,随着围压的增大,煤岩试件剪切破坏面的连通率和体密度有增大的趋势;体分形维计算的结果显示,煤岩内部破坏越严重,体分形维值越小。     

多场耦合作用下岩体裂隙扩展演化关键问题研究

裂隙岩体热-水-应力（THM）耦合是目前研究的热点和难点。首先总结了裂隙岩体多场耦合的机制、模型、方法及研究内容,并通过分析裂隙对THM耦合的重要控制作用,提出了在THM耦合中考虑裂隙网络扩展演化及模拟的关键问题,同时指出了研究的3个关键点：（1）建立考虑裂隙网络演化的耦合模型;（2）裂隙扩展的数值模拟方法;（3）THM耦合及岩体变形、失稳全过程的数值模拟算法。随后通过对模拟多场耦合和裂隙扩展数值方法的归类比较,重点论述了目前适用于模拟多场耦合下裂隙扩展模拟的各种数值方法（包括有限单元法、无单元法、单位分解法、离散单元法、岩石破裂过程分析方法和数值流形方法）的优缺点,并通过对比研究,推荐采用数值流形方法（NMM）来实现对关键问题的模拟研究。最后,对研究思路和难点进行了初步探讨。     

干湿循环条件下膨胀土裂隙特征分形研究

通过膨胀土多次干湿循环的三轴和直剪实验,从试样裂隙率计算结果可以得出,三轴试样,经第1次循环,其表面裂隙率增幅最大, 2~4次循环增幅较大,第5次循环增幅较小。直剪试样,试样表面裂隙率经1~3次循环增幅较大,第4次循环增幅较小,第5次循环以后试样表面裂隙率有所降低,但降低的幅度不大。总的说来,随干湿循环次数的不断增加,膨胀土试样表面裂隙率不断增大。     

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。     

基于巷道围岩自承特性的锚杆锚固效果研究

现有锚杆锚固效果研究很少关注整体锚固围岩的自承载特性。巷道围岩切向应力σθ对围岩承载结构的力学变化反应灵敏,研究了锚杆长度和锚杆强度对切向应力σθ曲线变化的影响,可为研究锚杆锚固效果提供重要参考依据。整体锚固巷道围岩σθ曲线形状与锚固端所处弹塑性围岩位置有关,当锚固端在塑性区内,对σθ曲线的峰值位置和大小影响不大;随着锚固端向弹性区深入,σθ分布曲线形成内外两个峰值,锚固巷道围岩出现弹塑性交替的现象。同时,锚杆强度与围岩自承强度存在一定程度的匹配关系,相应地提出了通过锚固σθ曲线的双峰值来判别锚杆锚固效果的新方法,该方法能较好地解释软弱地层条件下取消系统锚杆布置的问题。     

基于损伤理论的圆形巷道围岩应力场分析

由于巷道掘进破坏了原岩地应力场,使围岩应力重新分布,应力集中区的高应力造成巷道变形破坏.特别是布置在高地应力区的巷道变形破坏更加严重.因此必须合理准确地计算巷道围岩应力场,为巷道变形破坏计算及稳定性分析提供理论依据.岩体内部存在微裂纹,其发生、扩展、并合,决定了岩石材料的宏观力学性能,因此巷道围岩应力场的计算应该考虑岩石材料的损伤特性.本文基于损伤理论计算得到的不同地应力情况下的圆形巷道围岩应力场,计算结果与实际情况符合得较好.     

基于岩体不连续面三维分形维岩体质量评价研究

岩体内部不连续面分布具有随机性、不规则性,但又具有统计自相似性。基于三维随机不连续面网络模拟技术,对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,并应用分形理论计算岩体不连续面分布的分形维数。岩体不连续面分布分维数具有尺寸效应,随着岩体尺寸增大分维数减小,到一定程度趋于稳定。这一稳定的分维值称之为表征分维数,用此值描述不连续面分布特征。将岩体不连续面分布的表征分维数与按传统岩体分类标准所得岩体质量等级进行对比,提出以岩体不连续面分布表征分维数为指标的岩体质量分类方法。在岩体分类基础上,提出基于表征分维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

基于小波能量的爆破震动巷道围岩稳定性判据

目前爆破震动荷载作用下地下围岩稳定性判别主要依靠单一强度因子的独立阈值稳定性判据,这类判据多为定性分析,没有同时考虑爆破震动三要素的综合作用效果,且未建立稳定性判据与巷道围岩破坏程度之间的定量关系,在实际工程应用中存在一定的缺陷和不足。通过建立爆破荷载作用下的不同类别巷道围岩有限元模型,提取巷道围岩的响应信号,基于小波变换理论建立时间能量密度函数分析巷道围岩响应信号的时、频域特征,进而将时间能量密度曲线与时间轴围成的面积TEDI作为评估爆破震动效应的判别指标,建立了TEDI与巷道围岩损伤程度的定量关系,为进一步完善基于小波能量理论的巷道围岩损伤预警体系奠定基础。     

主应力对巷道交岔点围岩稳定性影响研究

为研究主应力对交岔点围岩稳定性的影响,以某矿为工程背景,建立5组交岔点数值计算模型,研究了交岔点开挖前的扰动应力场偏转规律,并引入点安全系数法研究了主应力和交岔角度对交岔点围岩位移场、扰动破碎区的影响规律。研究结果表明：在交岔点开挖之前,交岔点附近围岩的主应力方向发生偏转,偏转后的应力场类型由σh型变为σv型,交岔点开挖过程中围岩受σv型应力场影响;交岔角（α≤90°）越大,交岔点越稳定;交岔角度相同时,新掘巷道轴向较靠近最大水平主应力方向的交岔点更稳定。交岔点现场实测数据验证了研究结果。     

顾桥煤矿深井岩巷破碎软弱围岩支护方法探索

为探索煤矿深井岩巷破碎软弱围岩的支护方法,结合淮南矿业（集团）公司顾桥煤矿-780 m水平南翼轨道大巷的支护工程实践,揭示了深部岩巷的变形规律,并分析了煤矿深部破碎软弱围岩支护的难点及其支护机制,提出顾桥煤矿南翼轨道大巷分步联合支护的设计理念和优化支护方案。结合围岩表面位移、深部位移等现场监测数据,对新旧支护方案的效果进行了对比,研究结果表明,顾桥煤矿-780 m水平南翼轨道巷采用分步联合支护方法取得了较理想的支护效果。深部岩巷的支护受高地应力、岩体力学性质等因素影响,应结合巷道围岩地质条件采取适当的支护措施,让各种支护手段在时间和空间上实现有效结合,充分发挥并提高围岩的自身承载能力。     

考虑渗流和剪胀的圆形巷道围岩广义SMP准则解

本文基于广义SMP准则,综合考虑中间主应力、孔隙水压力和围岩的剪胀特性,建立了巷道围岩的理想弹塑性模型。根据弹塑性理论,推导了渗流作用下的围岩应力场、位移场和塑性区半径的统一解析解。结合具体算例对SMP准则计算得到的围岩应力分布和塑性区半径与Mohr-Coulomb（M-C）准则进行了对比,并对孔隙水压力和围岩剪胀角等影响因素进行了分析。研究结果表明：SMP准则计算得到的塑性区半径小于M-C准则,说明M-C准则相较于SMP准则更为保守;孔隙水压力对巷道围岩的位移场具有很大的影响,表现为孔隙水压力越大,巷道洞壁附近围岩位移量越大,且围岩塑性区半径和弹塑性交界面处的峰值切向应力与孔隙水压力成正比;采用相关联流动法则会低估围岩的强度,不考虑剪胀则会低估围岩的实际变形。     

下伏煤层开采对上覆巷道围岩应力的影响

为了掌握淮南矿业集团潘三矿17101(3)高抽巷下伏11-2槽煤开采前后高抽巷的应力状态,采用空心包体应力解除法对巷道在下伏煤层开采前后各做了6个点的地应力测量,并通过有限差分软件FLAC3D对该工程进行了数值模拟计算。结果表明,该区最大主应力大小为21.62 MPa,最大主应力方向接近水平方向,最大水平主应力是竖直应力的1.42倍左右,具有明显的构造应力特征。通过下伏煤层开挖实测地应力分析比较得知,最大水平主应力比开挖前减小了3%。     

高应力软岩巷道围岩与支护结构相互作用分析

基于Mohr-Coulomb应变软化模型,将收敛-约束法应用于高应力软岩巷道围岩-支护相互作用分析中,构建典型支护结构特征曲线。以FLAC3D数值模拟软件为工具,分析应变软化模型、剪胀角及不同巷道断面类型对围岩-支护相互作用的影响,并对支护系统稳定性进行评价。研究结果表明：考虑应变软化行为的围岩所需支护压力与Mohr-Coulomb模型计算结果相差较大,剪胀角对围岩应力释放过程及围岩-支护相互作用影响较小,巷道不同断面形式及断面不同位置点围岩所需支护压力有一定差异性;初期支护系统的稳定性是围岩与支护系统最终稳定的关键,采用收敛-约束法评价高应力软岩巷道初期支护系统的稳定性,对高应力软岩巷道的支护结构设计及施工具有一定指导意义。