粗粒料三维颗粒流数值模拟及其破坏准则研究

采用三维颗粒流程序,进行了粗粒料的三维颗粒流数值模拟试验,试验过程中保持平均主应力和中主应力系数不变,研究了不同平均主应力和中主应力系数下粗粒料的变形和强度特性。通过比较粗粒料真三轴颗粒流模型试验结果和室内真三轴试验结果,发现三维颗粒流程序能够较好地模拟该种材料的三维力学特性。基于已提出的统一破坏准则理论,通过调整准则中的材料参数,发现该准则能够较好地描述粗粒料的室内真三轴试验和数值模拟试验结果。     

砂土中等截面桩的上拔机制分析

桩的上拔承载性能的宏观力学现象与桩周土细观结构变化相关,应用细观力学的颗粒流（PFC2D）数值模拟方法对承受上拔荷载作用的桩基进行了分析,数值模拟了上拔荷载作用的桩及桩周土的细观力学特征,研究了桩侧摩阻力的分布、桩周土剪切带的形成过程,较好的再现了桩的荷载－位移关系的实验结果,并与宏观物理实物试验的位移实测结果作了对比分析。分析了土体中剪切带形成过程中的颗粒间的细观变化及其形成过程,当上拔荷载达到极限时,上拔桩的剪切带形成原因是密砂的应变软化效应;颗粒流数值模拟的颗粒接触力与实物物理试验桩侧摩阻力是同一的,数值模拟的荷载-位移曲线与实物物理试验的荷载-位移曲线一致;桩侧摩阻力、桩上拔过程中剪切带的形成过程、桩上拔荷载-位移关系与颗粒流数值模拟的颗粒分布、速度、接触力的细观参数的变化密切相关。桩承受荷载过程中土颗粒细观结构变化的颗粒流仿真,是关于细观力学特征与宏观力学响应的初步研究。     

干砂强夯动力特性的细观颗粒流分析

通过引进和开发二维颗粒流程序,基于相似理论建立了可以模拟砂土地基强夯加固的细观颗粒流模型,结合小比尺室内细观模型试验,从颗粒细观力学角度入手对干砂在强夯冲击加固过程中的动力反应特性进行了数值模拟。结果表明,数值模拟结果与试验结果有较好的一致性,利用颗粒流模型可以很好地模拟干砂在冲击荷载作用下的锤底动接触应力、颗粒间动接触应力和颗粒位移场分布情况,并可以实时跟踪颗粒的变位及接触应力变化,实现从细观角度揭示干砂强夯动力响应特性,研究工作为今后砂土强夯加固宏细观机制研究提供了一条新的思路。     

考虑破碎的堆石料颗粒流数值模拟

以双江口300 m级高土石坝为工程背景,根据有关资料的试验数据,利用二维颗粒流计算机仿真技术对堆石料在一定围压下的颗粒破碎情况进行了数值模拟,数值试样由2 574个簇颗粒单元组成。数值模拟与室内平面应变试验结果对比表明,用选定的细观参数进行数值模拟与平面应变试验结果基本一致,说明用颗粒流方法进行数值模拟能够较好的再现堆石料的颗粒破碎特性。与室内试验相比,数值仿真模拟还能得到颗粒破碎的细观演化规律和破碎带的分布范围,从而为进一步建立考虑颗粒破碎的堆石坝本构模型,研究大坝填筑、水库蓄水过程以及地震情况下的颗粒破碎过程以及颗粒破碎所引起的坝体变形提供了一条途径。     

崩落矿岩散粒体流动性能试验研究

崩落矿岩散粒体的流动性能对于降低损失贫化具有重要的意义。分析了影响散粒体流动性能的因素,采用标志颗粒法进行了崩落矿岩散粒体流动性能试验,主要考虑的因素有放矿口大小、散体颗粒的粒径以及不同的散体材料。试验内容有放矿口大小与散体移动带试验;不同散体粒径与散体移动带试验、不同散体材料与散体移动带试验;平面和立体模型时放矿口尺寸对放出量影响试验;散体堆积高度与散体移动带试验。研究结果表明,（1）移动边界与散体的材料、颗粒的尺寸大小、放矿口大小等因素有关,而散体堆积高度对其影响不大;（2）散体的流动速度与散体颗粒的大小和放矿口尺寸有关。根据所得试验结果,提出了采矿设计参数的确定方法。     

基于DDEM的自然崩落采矿法崩落规律的数值模拟

利用DDEM（可变形离散单元法）原理和方法,研究了自然崩落法矿体崩落规律。针对具体地质条件和赋存情况及矿岩物理力学性质,采用计算机数值模拟分析了自然崩落法的崩落规律,得出了DDEM在用于模拟矿块自然崩落法中崩落规律和分析其崩落机理时是较适合的结论,不仅可以从力学角度对崩落的力学机理进行研究,而且能直观地用图形给出矿体在崩落过程中的具体形态变化,有效地指导放矿,现场试验验证效果良好。     

基于BP神经网络的土体细观力学参数反演分析

利用离散元方法对颗粒材料的细观力学特性研究, 目前确定数值计算模型的细观力学参数大多数通过反复调试获取, 效率低、可重复性差。本文采用开源的颗粒离散元程序LMGC开展了土体双轴压缩数值试验, 通过25组土体细观力学参数计算得到相应的宏观力学参数, 建立了BP人工神经网络反演系统。利用土体物理试验得到的土体宏观力学参数, 输入BP神经网络, 反演得到土体的细观力学参数。将所得细观力学特性参数输入所建立的土体数值计算模型, 得到土体破坏过程中的应力-应变关系曲线, 以及土体颗粒的力链图和旋转变形云图。所建立的土体数值试验模型能够较好地模拟土体变形破坏过程, 利用BP神经网络反演细观力学参数以及数值模型计算得到的土体宏观力学参数与物理试验吻合较好, 误差在10%左右, 土颗粒间力链云图以及旋转变形云图较好地揭示了土体变形破坏的机理。     

堆石料碾压试验的颗粒流模拟新方法

针对堆石料现场碾压试验,研究基于颗粒流的仿真模拟新方法。首先,以随机多边形颗粒簇形式,建立堆石料的颗粒流模型,充分体现了堆石料的级配、细观组构和破碎效应,从而可以较为真实地模拟堆石料在碾压过程中的宏、细观力学响应;然后,提出振动碾压荷载及碾压过程的模拟新方法,实现振动碾压荷载及碾压过程的仿真模拟;最后,结合水布垭主堆石料的现场碾压试验,利用该方法进行模拟验证,从而论证该方法的可靠性。该方法可为仿真模拟堆石料碾压试验以及研究碾压效应对堆石料宏观力学特性的影响奠定基础,具有重要工程指导意义。     

颗粒流理论模拟砂土的力学性质

文中采用颗粒流理论模拟了砂土双轴试验和砂土剪切带的形成与发展机理。通过颗粒流数值模拟试验再现了砂土应力－应变关系曲线，同时研究了砂土细观参数变化时其宏观力学性质的反应。对比研究了室内试验与颗粒流试验砂土剪切带的形成与发展机理，同时研究了当细观参数如颗粒大小、刚度、摩擦系数变化时，砂土剪切带的变化规律。     

无底柱崩落采矿大断面结构参数的数值模拟研究

针对金山店铁矿亟需确定的大断面结构参数问题,采用东北大学研制的SLS崩落放矿模拟系统和ITASCA公司的岩土工程软件FLAC3D,对该矿三期的采场结构参数进行了模拟分析和研究。数值放矿试验表明,崩矿步距对矿石回收指标影响较大,崩矿步距3.5～4.5 m更有利于指标回收,兼顾爆破参数因素时推荐为3.5 m。通过进路群开挖的数值模拟,并对开挖过程围岩的位移、应力和塑性区进行分析,发现开挖后塑性区范围不大,巷道具有良好的稳定性。因此,拟采用的进路参数从矿石回收指标和巷道稳定性方面看是较合理的方案。     

基于子域解析元素法的煤矿地下水流场模拟

为了分析将子域解析元素法应用于煤矿地下水流场模拟的可行性,并探究如何提高此方法的模拟精度,首先推导出了强度非线性变化的高阶线汇的复势表达式,分析了其流量势与流函数的空间分布特征,在此基础上应用python语言构建了基于子域解析元素法的煤矿地下水流场模型并应用于求解某煤矿放水试验后水位分布问题.模拟结果显示,模拟水位与观测孔水位偏差绝对值范围为1.36~5.27 m,模型外边界（实际定水头边界）上的水位接近实际值（900 m）,且通过模型外边界（实际隔水边界）的流量近似为零.对模拟原理及模拟结果的分析表明,基于子域解析元素法的煤矿地下水流场模型在全域上满足质量守恒及达西流梯度场,在全域内任意一点的水位可通过该点所处的子域所对应的流量势函数求得,因此应用子域解析元素法进行煤矿地下水流场模拟是可行的,而且将代表模型边界的非线性强度线汇剖分为更短的长度可进一步提高模拟精度.      

高瓦斯矿井采空区瓦斯排放的数值模拟应用

以寺河矿采空区瓦斯抽放设计为例,建立了非均质采空区渗流-扩散的有限元数值模型,直观地描绘了采空区瓦斯涌出过程、瓦斯分布规律及其在采空区回风隅角瓦斯积聚的流体力学原理。模拟结果表明,在工作面后方利用回风联络巷依次进行漏风导流和瓦斯抽放,可大幅度降低采空区回风隅角瓦斯浓度;同时漏风导流可以充分抑制采空区瓦斯涌入工作面,并能够降低抽放巷道的配风量。针对高瓦斯矿井采空区瓦斯排放问题,提出了“边采边抽动排”的综合治理采空区瓦斯的设计方案,给出了瓦斯抽放最佳位置范围、抽放流量和导流风量最低临界限。     

基于逐元算法的地震勘探高精度谱元法数值模拟

针对复杂构造地震勘探,常规正演模拟算法存在精度和计算效率低的问题,笔者研究并提出了基于逐元算法的高精度谱元法数值模拟方法。基于波动方程强、弱形式,推导二维波动方程的谱元解法,进而利用逐元算法,无需形成全局矩阵,仅对于独立的小规模单元结构进行计算,提高计算效率,减少存储空间消耗。应用基于逐元算法的高精度谱元法对复杂金属矿模型进行数值模拟,得出本方法计算精度高、数值频散小,计算效率高。     

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987111000478

Convective heat transfer associated with the circulation of pore-fluid in porous rocks and fractures within the upper crust of the Earth is substantial when the temperature gradient is sufficiently high.In order to understand the process of Sn-polymetallic mineralization in the Dachang ore district of Guangxi,a finite element method has been used in this study to simulate both pore-fluid flow and heat transfer in this district.On the basis of related geological,tectonic and geophysical constraints,a computational model was established.It enables a computational simulation and sensitivity analysis to be carried out for investigating ore-forming pore-fluid flow and other key factors that may affect hydrothermal ore genesis in the district.The related simulation results have indicated that:(1) permeable fault zones in the Dachang ore district can serve as preferential pathways for pore-fluid flow on a regional-scale;and(2) the pore-fluid flow can affect the salinity distribution.This latter factor is part of the reason why Sn-polymetallic mineralization has taken place in this district.     

计算流体地球化学研究的进展

成矿作用的化学机理可以通过实验和计算机模拟进行研究。随着计算机运算能力的不断增强 ,在地球化学中正在形成一门新兴学科———计算地球化学。其中热质输运模拟、化学质量迁移数值模拟和流体输运化学反应耦合动力学研究取得了显著进展。建立在Darcy定律和守恒方程基础上的多孔介质热质输运模拟通过流函数图、等温线图及速率矢量图等 ,从古水文学和流体地球化学方面高度动态研究成矿作用。根据化学和热力学原理进行的化学质量迁移数值模拟则通过矿物和流体中化学物种的热力学数据 ,预测多组分体系中发生的流体岩石相互作用 ,定量揭示经历了复杂化学反应进程的成矿作用的化学行为。将上述两方面结合的流体输运化学反应耦合动力学 ,可以从时间和空间上模拟真实成矿流体系统复杂的动力学行为 ,是计算流体地球化学的发展方向。     

构造-流体-成矿体系的反应-输运-力学耦合模型和动力学模拟

建立了一个综合的构造流体成矿体系的反应输运力学耦合动力学模型。利用有限元方法求解岩石变形、断裂作用和断裂网络统计动力学、流体流动、有机和无机地球化学反应及成岩成矿作用、压力溶液和其它压实力学、热迁移的方程组 ,可以对构造流体成矿体系的动力学演化过程进行 1～ 3维数值模拟。模拟的主要内容是在各种过程耦合作用下描述构造流体成矿体系的主要变量的时空演化 :( 1)与成矿流体的形成和性质有关的变量 ,如地层中矿物 (包括成矿物质 )的溶解速率、流体中各组分的浓度与饱和度、流体温度、压力、离子强度等 ;( 2 )与构造变形和流体运移有关的各变量 ,如应力与变形速率、岩石孔隙度、构造 (断裂 )渗透率等 ;( 3 )与沉淀成矿有关的变量 ,如矿物 (金属矿物和脉石矿物 )的成核速率、各矿物的沉淀量等 ;( 4 )上述各有关变量间的时空耦合关系 ,如断裂渗透率时空演化与流体流动、汇聚和成矿的耦合关系等。以湖南沃溪金锑钨矿床为例 ,应用该模型和方法对成矿动力学过程和动力学机制进行了初步的模拟与分析。     

新疆土屋铜矿床某些成矿地球化学特征探讨

在分析土屋铜矿床I号矿体中部主要围岩和矿(化)体的硅酸盐、稀土元素、微量元素及成矿元素含量的基础上,借助MVSP等专业软件系统统计对比了上述示踪元素在各类围岩和矿(化)体中的分布分配规律.根据矿区的斑岩体与矿(化)体在多种元素组合特征上的相似性判断,二者有物质上的亲缘关系.而成矿元素表现出的某些地球化学行为则说明初步聚集了成矿元素Cu、Au、Ag、Sb、(Mo)的斑岩体,经热液蚀变使其中的成矿物质活化迁移,并富集在有利的构造和岩相部位,在后期复合成因热液所携矿质的多期次叠加下,形成大型斑岩-热液型铜矿床.     

玛纳斯河流域地下水水位变化及水量平衡研究

天山北坡玛纳斯河流域地下水长期大规模开采引发了一系列生态环境问题,地下水均衡状态和地下水流动模式明显发生了改变。为研究节水灌溉条件下的地下水系统流动模式及其对地下水均衡要素的改变规律,以平原绿洲区为研究对象,采用三维地下水数值模拟方法,研究玛纳斯河流域地下水水位动态变化及水量平衡规律。结果表明:研究区地下水水位的抬升和回落受农业灌溉的影响显著,具有一定的周期性,存在着明显的时空差异;地下水均衡处于负均衡状态,补排差为-2.81×108m3。模拟期内观测水头与计算水头两者相关系数各月均在0.81以上,模拟效果较好。     

剪切带构造-流体-成矿系统动力学模拟

剪切带构造成矿系统动力学模拟可以定量,并能展示成矿系统时空结构与发展,从而揭示其本质。可从质量平衡、输运反应耦合、转换界面成矿和动力分形弥散等四个方面对剪切带构造成矿系统动力学进行理论分析与数值模拟。质量平衡分析指出：（１）剪切蚀变作用过程中,各种物质组分发生了不同程度的迁移;（２）体积应变为增加型,金矿床定位于剪切带的扩容带中;（３）存在较大的流体与岩石比值,金矿体定位于流体流量最大部位。耦合成矿动力学模拟表明：（１）金属硫化物成矿作用发生于剪压构造变形岩相向剪张构造变形岩相转换的时空界面;（２）其决定因素是成矿元素的地球化学特性及成矿流体的特征和性状;（３）岩浆侵入后,形成以岩体为中心的温度梯度带,是热液成矿作用的主要动力之一;（４）成矿流体的流速可以促进混合热液的生长,剪切破碎带是强烈输运反应耦合成矿的有利场所。动力弥散作用过程理论分析与计算机模拟指出：（１）点源淀积弥散机制,Ｃ＝Ａρｖ２ｄｘｄｙｄｔｅ－ｋｒ／［２π（ｈ２－ｖ２ｔ）ｄｌ］;（２）分形弥散度,αｍ＝ｘｓ２Ｄ－１σ２（εｃ１－Ｄ）／２;（３）剪切带构造成矿系统是自相似的变形变质系统,在动力系统作用下,矿源系统与输运系统耦合,弥散作用发生;?     

脉状金矿成矿控矿构造的研究进展

综述了国内外脉状金矿床成矿控矿构造的新近研究成果, 认为脉状金矿床的产出大多与遭受挤压作用所造成的地壳缩短机制有关, 与地壳大规模造山作用过程关系密切,主要产于造山带及其边缘;金元素沉淀的构造部位主要是韧性剪切带中的强变形部位、叠加的韧－脆性和脆性裂隙, 低角度断层既是成矿地球化学界面也是重要赋矿构造;含金成矿流体虽然有多种来源,但构造变形过程中的构造动力分异作用是成矿流体的一种重要成因;成矿流体的运移机制主要受断裂构造控制,高角度逆断层作为阀门引起成矿流体压力的周期性变化, 并导致成矿物质结晶与变形呈同步交替发生;值得进一步深入研究和探讨的问题有金成矿与深部构造的关系、低角度断层的成生演化与金成矿物理化学场耦合关系、构造动力变形作用引发含金热液形成的高温高压成矿实验以及韧性剪切带的四维控矿机制等。