基于RFPA2D的采动区水资源流失控制方法研究

在国矿、地方煤矿和个体煤矿相继开采条件下，阜新矿区八家子自然村附近地下水水位下降到地表以下43m，导致民井断水。文章运用RFPA^2D分析系统，以断水现象为例，通过对此系列采矿活动数值模拟分析，阐述了覆岩应力变化与采动裂隙发育的关系。结果表明，采动裂隙的发育（生成、扩张和贯通）及其延伸范围，与开呆方式、开采层位和地下开采条件下地下岩体应力场不断变化密切相关。随着采区不断扩大、位置不断抬高导致采动裂隙扩张和贯通，使不同的水文地质单元联合，为浅部地下水迅速流失和地下水水位快速下降创造了有利条件，造成采动区及其附近区域木资源持续流失、向深部采空区渗流汇集。由于在不同的采矿阶段，水资源流失的程度和地下水水位下降的幅度是不同的，应该采取相应的控制方法，例如，在采掘前和初期应该合理设计采掘工作面、合理预留保护煤柱；在采掘中达到较大采空区时应采取实时控制措施、堵塞渗流裂隙；最后进行综合治理。     

对兖州煤田红层采动裂隙发育特征的讨论

兖州煤田因为红层在横向上的水力联系较好,红层在横向上受采动影响的范围并不小。纵向上,红层或煤系采动裂隙未达百米。红层水位下降,并非一定是冒裂带波及红层导致红层水下泄所引起;红层水位上升,也并非一定是采动作用后期,存在压实现象,使红层采动裂隙闭合,阻止红层水下泄之果。而压力的增减则是红层水位升降的主要原因。     

多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙发育规律的实验研究

采空区残余裂隙的发育情况是采空区充填注浆设计需要考虑的重要因素。本文采用相似材料模拟实验的方法,探讨多层采动条件下采空区覆岩残余裂隙的分布规律和发育程度。研究结果表明:开采结束后采空区残余裂隙在剖面上具有明显的分区性,从采空区两侧到中间可划分为残余裂隙发育区、裂隙压密区和地表张拉裂隙区; 残余裂隙发育区的残余裂隙率一般介于19.54％～45.27％之间,裂隙压密区的残余裂隙率介于9.28％～19.33％之间; 离层裂隙发育高度是受采宽和累计采厚综合影响的结果。研究成果对于老采空区建筑地基的稳定性评价、采空区处治工程范围与深度的确定、注浆孔的合理布置、单孔注浆量的合理计算等都具有重要的理论研究价值和实际指导意义。     

采动作用下岩溶山体深大裂隙扩展贯通机理研究

岩溶坡体裂隙的扩展贯通是造成坡体失稳破坏的重要因素。为研究采动作用下高陡岩溶坡体随裂隙扩展贯通的失稳破坏机理,采用离散元（Universal Distinct Element Code,UDEC）数值模拟,研究了采动作用下坡体裂隙的发展规律。研究结果表明：采动作用对岩溶坡体的稳定性具有重要的影响作用,主要表现在煤层上覆岩体新生裂隙的发育以及诱发坡体原有裂隙的扩展;坡体内部裂隙的发育具有一定的时空效应,裂隙带高度随着采空区范围的增加而增加;坡体原有深大裂隙对坡体的破坏具有控制作用,坡体破坏时崩滑体沿着主控裂隙发生滑动;二维模型显示,含深大裂隙岩溶坡体在采动作用下形成类似"悬臂梁结构",悬臂梁结构沿着主控裂隙发生断裂,坡体中间软岩被挤出,最终主控裂隙与临空面扩展贯通,坡体发生崩塌破坏。     

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明：随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.082 3:1.139 4:1。     

采动裂隙岩体压剪渗透规律试验研究

根据采动过程中裂隙岩体的应力变化,用法向载荷、剪切载荷和渗透水压分别模拟开采过程中采场的水平应力、垂向应力和水头压力,应用JAM-600型剪切-渗流耦合试验系统对裂隙岩体进行压剪-渗流藕合试验,探讨在恒定法向荷载(CNL)和法向刚度(CNS)条件下,裂隙岩体的法向载荷、裂隙粗糙度与渗透水压对试样的位移、应力和渗流性的影响规律,分析剪切位移大小和岩体裂隙的剪胀特性对裂隙岩体的剪切应力、法向位移、节理水力开度及渗透率影响规律。研究表明:剪切应力和水头压力对裂隙水力开度起促进作用,水平地应力对水力开度变化起抑制作用。随着剪切位移变化,水力开度可分为变小或持平、增大、稳定3个阶段。裂隙表面粗糙度越大,裂隙岩体的刚度越小,则水力开度最终稳定值越大。由于裂隙岩体的剪胀作用渗透率先变小后增大,剪切位移增大,渗透率增大;法向荷载增大,试件的渗透率越小;裂隙表面越粗糙,其渗透率越大,其研究结果可为岩体透水通道形成时的孕育、萌生和爆发的导渗灾变演化过程提供理论基础。     

基于覆岩结构效应的导水裂隙带发育特征

为探讨黄陇煤田煤层采动引起的顶板水害问题,以煤层顶板不同覆岩结构采动导水裂隙为研究对象,概化了煤-软-硬-软-硬（组合一）、煤-软-软-硬-硬（组合二）、煤-硬-软-硬-软（组合三）及煤-硬-硬-软-软（组合四）4种典型的岩性组合结构,运用数值模拟和理论计算等方法,分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系,研究了覆岩结构对导水裂隙发育高度（简称“导高”）的影响规律。研究结果显示：在相同的采高条件下,煤-软-硬-软-硬型覆岩结构导高最小,煤-硬-硬-软-软型覆岩结构导高最大;工程实例表明,黄陇煤田煤层开采导高与采高之间并非简单线性关系,利用覆岩结构效应预测的导高更接近实测值。     

煤层顶底板采动破坏同步动态监测电性特征分析

随着煤炭开采深度的增加,深部复杂条件下开采的水害问题日益严重.复杂条件下煤层回采过程顶底板破坏动态监测对于工作面突水预测、采煤方法改进等具有重要意义.本文基于并行电法监测技术,结合双模式电极数据采集方式,同时在采煤工作面进行煤层顶、底板全空间地电场特征监测研究,获得了煤层围岩顶底板采动前后电阻率及自然电位同步响应特征....     

煤岩体采动裂隙网络的逾渗与分形特征关系研究

以平煤八矿己15-22060工作面为背景,引入逾渗和分形理论,分析了煤岩体裂隙网络的演化特征,得到了逾渗概率和分形维数随工作面推进度的变化规律及二者的变化关系。结果表明：逾渗概率的大小受横向离层裂隙和竖向破断裂隙的发育、贯通等因素影响,随工作面推进分阶段线性增大,且增幅有增大的趋势;随工作面推进煤岩体的裂隙网络逐步向工作面前方煤体和上覆岩层扩展,分形维数大小受裂隙的长度、宽度、数量、分布等因素控制,升维过程大致可分为3个阶段;煤岩体裂隙网络的逾渗概率与分形维数的关系可分段拟合为1个幂函数和2个线性函数,且具有很好的相关性,数学模型的建立可为研究煤岩体裂隙网络的等效渗透率奠定一定的基础。     

裂隙注浆偏流机理及帷幕体采动效应研究综述与展望

注浆堵水是地下工程和矿山水害防控的常用技术措施,但是,目前浆液扩散机理与采动效应的研究滞后于工程实践的要求,制约了注浆工程科学有效地实施。本文跟踪裂隙岩体中注浆浆液扩散研究,受裂隙地下水“偏流效应”启发,提出了深部矿山裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流效应的命题,包括2个关键科学问题：裂隙岩体动水注浆浆液扩散偏流机理、偏流形成的“浆-岩”组合体采动变形破坏和渗透性变化机理。结合研究趋势,提出了跨学科综合研究方法。以典型矿山注浆防治水工程为背景,研究深部矿山水文地质结构及其采动时空演化,揭示裂隙岩体动水条件下注浆浆液扩散偏流机理及其影响因素,获得裂隙岩体内帷幕注浆形成的三维异形“浆-岩”组合体形态和力学特性,建立浆液偏流扩散数学模型,构建“浆-岩”组合体渗透性采动效应评价方法,为深部矿山水害防治和安全生产提供科学基础。     

Evaluating the stress intensity factors of anisotropic bimaterials using boundary element method

This paper presents a boundary element method (BEM) procedure for a linear elastic fracture mechanics analysis in two‐dimensional anisotropic bimaterials. In this formulation, a displacement integral equation is only collocated on the uncracked boundary, and a traction integral equation is only collocated on one side of the crack surface. A fundamental solution (Green's function) for anisotropic bimaterials is also derived and implemented into the boundary integral formulation so that except for the interfacial crack part, the discretization along the interface can be avoided. A special crack‐tip element is introduced to capture the exact crack‐tip behavior. A computer program using FORTRAN has been developed to effectively calculate the stress intensity factors of an anisotropic bimaterial. This BEM program has been verified to have a good accuracy with previous studies. In addition, a central cracked bimaterial Brazilian specimen constituting cement and gypsum is prepared to conduct the Brazilian test under diametral loading. The result shows that the numerical analysis can predict relatively well the direction of crack initiation and the path of crack propagation. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

准噶尔盆地新生代构造应力对石炭纪火山岩构造裂缝发育的控制

构造裂缝的发育对改善储层的储渗条件有着重要的作用,特别是火山岩这种非传统储层,构造裂缝的发育是其成为有效储层的必要条件。本文主要借助构造应力场有限元数值模拟这一成熟的方法对准噶尔盆地石炭纪火山岩构造裂缝的发育状况进行预测。其两个主要的步骤是首先对区域构造应力场进行模拟计算,然后结合岩石的强度指标判断构造裂缝的发育状况。通过对准噶尔盆地地质背景和构造演化的分析,明确了新生代构造应力场的的决定性作用和石炭纪火山岩的分布区域(划分出六个区域),建立了数值模拟的计算模型、确定了边界条件与载荷。通过二维有限元数值模拟(应用Ansys软件)得到了新生代盆地应力场的分布特征和应力值。结合岩石强度指标,对火山岩构造裂缝(张裂缝和剪裂缝)的发育进行了预测并圈出相应的区域,主要为盆地西北缘、中央坳陷中部、滴西1东部,彩参2周缘、大井-将军庙等地区,对石炭纪火山岩的油气勘探战略选区, 优化勘探部署具有重要指导意义。     

A virtual experiment technique on the elementary behaviour of granular materials with discrete element method

Multi‐scale investigations aided by the discrete element method (DEM) play a vital role for current state‐of‐the‐art research on the elementary behaviour of granular materials. Similar to laboratory tests, there are three important aspects to be considered carefully, which are the proper stress/strain definition and measurement, the application of target loading paths and the designed experiment setup, to be addressed in the present paper. Considering the volume sensitive characteristics of granular materials, in the proposed technique, the deformation of the tested specimen is controlled and measured by deformation gradient tensor involving both the undeformed configuration and the current configuration. Definitions of Biot strain and Cauchy stress are adopted. The expressions of them in terms of contact forces and particle displacements, respectively, are derived. The boundary of the tested specimen consists of rigid massless planar units. It is suggested that the representative element uses a convex polyhedral (polygonal) shape to minimize possible boundary arching effects. General loading paths are described by directly specifying the changes in the stress/strain invariants or directions. Loading can be applied in the strain‐controlled mode by specifying the translations and rotations of the boundary units, or in the stress‐controlled mode by using a servo‐control mechanism, or in the combination of the two methods to realize mixed boundary conditions. Taking the simulation results as the natural consequences originated from a complex system, virtual experiments provide particle‐scale information database to conduct multi‐scale investigations for better understanding in granular material behaviours and possible development of the constitutive theories provided the qualitative similarity between the simulation results from virtual experiments and observations on real material behaviour. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.