露天煤矿疏干–回灌水帷幕保水采煤模式探讨

为抑制疏干排水造成的地下水水资源量衰减,并控制露天煤矿煤炭开采对地下水资源的影响范围,采用了水帷幕保水采煤技术。以某露天煤矿为背景,建立沙槽回灌平台进行物理实验,再通过数值方法对回灌区进行模拟计算,分析疏干–回灌水帷幕的形成和变化规律。物理实验方法观察到回灌水帷幕形成定水头边界,阻止漏斗扩展的过程,获得不同回灌水帷幕水头高度对注水量的影响和注水量与排泄量平衡的最佳水头。数值模拟获得物理模拟类似的结果,回灌水帷幕位置可以有效限定疏干降落漏斗范围,回灌水帷幕定水头高度与疏干区水位和疏干时间正相关;最大回灌量受帷幕定水头高度影响显著;回灌水帷幕距离采坑越远对阻隔帷幕外水源补给的作用越大。物理模拟和数值模拟表明,改变回灌水帷幕的位置或水头高度都可以使得矿坑的排水量与帷幕的注水量相等,这就可以最大限度减少疏干水的外排水量。研究表明,疏干–回灌水帷幕可望成为我国露天煤矿区保水采煤的实用模式。      

辐射井疏干技术在露天矿地下水疏干中的应用研究

现有的井群疏干、地下巷道集中排水、地表地下联合疏干方法都已比较成熟有效,但当矿区的地下水系统由非均质各向异性、低渗透性含水介质组成时,井群疏干受到低渗透性含水层和高倾角裂隙的制约,无法达到良好的疏干效果。地下巷道集中排水方法一次性工程投入很大,含水层富水性极度不均时易造成许多不必要的浪费;地表地下联合疏干方法的地面部分对矿坑边坡安全和采场作业都会造成一定的影响。结合马钢集团南山矿业公司高村露天铁矿的地下水疏干技术研究专项,调查分析了矿区地质和水文地质条件,含水介质特点及含水层富水特征,借助GMS软件建立了高村矿区地下水水流模型,提出了辐射井疏干技术的设想,并依据前人提出的＂渗流-管流耦合模型＂模拟辐射井,完成了此类矿山的地下水辐射井疏干方法的初步研究。     

基于数值模拟技术的地下水流场变化特征分析

矿山的开采大多需要进行疏干排水,而在疏干排水时持续的地下抽水势必导致区内含水层中地下水流场的变化,对周边地下水的开发利用造成影响。为了分析矿山开采中地下水流场的变化特征,本文通过对兴隆县某金、铁矿水文地质条件分析建立研究区地下水系统的数值模拟模型,并通过对已知地下水动态水位的拟合与检验,确定模型的可靠性,然后利用识别后的模型预测兴隆县某金、铁矿运行投产含水层水位的变化特征,探讨矿山开采对地下水系统的影响。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外实验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的“空气单元”,表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在“空气单元”表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,本文提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

爆破荷载作用下岩体振动特征的数值模拟

根据福建牛头山水电站地基岩体爆破开挖监测,运用离散元方法模拟了节理岩体距爆源不同距离处质点的振动速度和频率的变化特征,由此确定岩体质点最大振动速度和振动主频随爆源距离的衰减规律,并得到了距爆源一定距离处质点最大振动速度和振动主频与爆破药量的关系。数值模拟与现场实测的结果表明,用离散元软件UDEC计算得到的岩体振动特征和衰减规律与现场监测结果是基本符合的,误差在工程应用的允许范围之内,因此UDEC用于对岩体动态响应的数值模拟是适合的。     

基于3D-FSM的预紧力端锚数值模拟及其多核并行化研究

在对传统锚杆荷载传递机制分析的基础上,提出了一种考虑托板、锚杆与岩体相互作用的数值模拟方法：通过Kelvin基本解计算出锚杆集中力对围岩的影响,同时就锚杆自由段与相应岩体两端点的位移差相等建立位移方程,结合先前开发的3D-FSM数值模拟系统中的表面受力平衡方程进行联立求解,利用所得结果可以计算域内任意点的应力及位移变化,形成完整的预紧力端锚边界元数值模拟系统。通过与Flac3D系统模拟对比,验证了该系统的可靠性。为提高运算效率,对该系统进行基于OpenMP的多核并行化改进,给出了改进的基本思路和加速比对比图。由于边界元本身具有建模简单、计算区域大、计算精度高等优点,因此,这种模拟方法有很大的应用价值。     

动载下节理岩体破坏过程的数值试验研究

节理岩体是工程中最常见的一类岩体,其在地震、爆炸等动载下的力学响应及破坏过程对相关工程安全性的影响至关重要。采用基于有限元应力分析和统计损伤理论开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载下节理岩体的动态破坏过程进行了模拟,重点讨论了节理条数、节理贯通度、节理倾角及应力波峰值对岩体动态破坏过程的影响规律。计算结果表明,断续节理岩体动态破坏过程及破坏强度与节理构造形态、应力波峰值密切相关。相同动载下,随着节理条数的增加,岩体破坏程度以及应力波能量损失增强,但当节理条数数超过一定值后,岩体破坏程度及应力波能量损失逐渐趋于稳定;节理贯通度较小时,岩体破坏程度较低且破坏单元自上而下均匀分布。随着节理贯通度的增加,岩体破坏增强,且破坏主要出现于节理上部岩体;节理倾角较小时,节理上部岩体破坏严重,易形成次生贯通裂纹。随着节理倾角增加,破坏范围逐渐变大,不易形成次生贯通裂纹;倾角为45°～60°时,岩体破坏效果最佳;动载荷的峰值越大,试样的破坏越严重。当峰值达到一定值时,节理附近发育出多条裂隙并向上下方不断发展而导致岩体完全破坏。在不同节理贯通度工况下与岩石霍布金森压杆（SHPB）试验结果进行比较,结论吻合,证明该数值模拟的合可行性和结论的可靠性。     

南京个体经济商场基坑地下水疏干

本文论述了南京个体经济商场基坑地下水疏干排水的方法、基坑涌水量计算、疏干排水验证,以及用水位监控的方法抑制地面沉降所获得的良好效果。从而提供了基坑地下水疏干的一个成功实例。     

基于单元劈裂法的岩体黏结型结构面数值模拟

节理岩体中富含结构面等不连续体,其中很多结构面之间具有一定黏结强度,在冲击荷载作用下会发生脱结（debond）行为,从而消耗岩体应变能。在该结构面之间的黏结性质在很大程度上决定着岩体的破坏行为,发生脱结后,结构面之间不再具有黏结强度,岩体的力学性能发生弱化。为了对该类结构面进行模拟,在改进的Xu-Needleman势函数基础上推导出结构面单元,并将其嵌入到单元劈裂法中,模拟结构面的开裂过程,当结构面完全脱结后结构面单元就转化为一般节理单元。相应地,在数值实现过程中只是将结构面单元替换为一般节理单元即可。该结构面单元与单元劈裂法相结合,能够有效地模拟节理岩体的破坏过程。     

排水砂槽渗流试验与Signorini型变分不等式方法验证

排水是岩土体及工程构筑物渗流控制的主要措施之一,其实质是通过在渗流域内形成潜在溢出边界或低水位边界而实现渗流控制的。在排水渗控条件下,渗流场往往具有强烈的边界非线性特征,Signorini型变分不等式方法从理论上为稳定和非稳定排水渗流问题提供了有效的分析方法,但其实际效果还需要得到试验的验证。通过开展含5个排水廊道的排水砂槽模型试验,研究了复杂排水条件下砂土渗流的基本规律,并通过试验数据与数值计算成果的对比分析,论证了Signorini型变分不等式方法的有效性和正确性。试验结果表明,在稳定渗流条件下,排水砂槽上游侧3个排水廊道对渗流控制起主导作用,而下游侧2个廊道则失去排水功能,数值计算与试验成果吻合较好;在非稳定渗流条件下,受测压管精度、砂样均匀性和毛细效应的影响,数值计算与试验成果存在一定偏差,但也较好地揭示了复杂排水条件下砂槽中的非稳定渗流特征。排水砂槽试验结果验证了Signorini型变分不等式方法的有效性和正确性,为复杂排水条件下岩土体及工程构筑物的渗控结构优化设计提供了有效的分析手段。     

开挖过程的非线性理论分析

本文从岩土介质力学非线性和变形破坏过程自组织非线性的角度对开挖过程岩土体非线性行为进行了探讨。以此为依据,分析了岩土从微观破坏、滑移面形成、直至整体变形破坏全过程的自组织发生机理,在此基础上,建立了伴随开挖过程岩土体变形破坏的非线性动力学描述方程。     

吹填土强夯加排水地基处理的数值分析与应用

强夯加排水地基处理方法是近年来发展的一种地基处理技术,在吹填土地基处理方面得到了广泛应用。根据强夯能量耗散分析与土体密实机制,基于冲击荷载作用下孔隙水压力的发展模式,建立了强夯加排水地基处理的数值分析模型,并采用有限差分法进行了求解。采用编写的数值程序分析了强夯过程中超孔隙水压力的发展与土体密实效果,以及土体渗透系数、单击时间间隔以及砂井间距等对加固效果的影响,讨论了“重锤少夯”和“轻锤多夯”的差异,并与工程实例进行了比较。研究结果表明,建立的数值模型可以模拟强夯加排水地基处理的施工过程,较好地反映强夯过程中孔隙水压力的发展变化规律和加固效果。排水措施的设置有利于超孔隙水压力消散和加固深部土体,进而提高土体加固效果和缩短工期。最后,根据数值分析结果,提出了强夯加排水地基处理的合理设计建议。     

岩体渗流分析的无网格方法

岩体的渗透破坏、岩体中石油渗流、地下工程的防渗设计等无不与渗流计算有关。但由于岩体渗流介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定性等因素制约着解析法在渗流计算中的广泛应用。应用无网格方法来求解岩体的渗流问题,通过变分原理详细推导无网格方法求解岩体渗流的离散方程及相关的计算公式,并利用有限元耦合方法对边界条件进行了处理。通过两个数值算例说明该方法的正确性和有效性。     

宁夏甜水河煤田地下水模拟及涌水量预测

地下水模拟技术是进行煤田地下水环境影响评价和矿区疏干排水设计的主要工具。该文以宁夏甜水河煤田为研究对象,根据矿区地质条件和水文地质条件的分析,确定模型边界条件并建立了水文地质概念模型,应用基于有限差分法的MODFLOW程序,建立地下水流三维模型,进而对煤田各开采阶段的地下水流场和涌水量进行预测,从而为煤田地下水有效防治和安全生产提供依据。     

地下结构地震破坏静-动力耦合模拟研究

地下结构地震破坏过程模拟是研究地下结构抗震性能的有效手段,通过人工边界条件设置将围岩土体的自重应力作为动力响应模拟的初始状态,实现了地下结构地震响应静-动力耦合数值模拟。基于有限元分析软件ABAQUS,将极限剪应变作为破坏标准,采用生死单元法模拟了地下结构的地震破坏过程,通过结构埋深考虑了初始地应力对地下结构抗震性能的影响。模拟结果表明,地下结构的抗震性能存在一个最不利埋深,即最容易地震破坏的埋深,当结构的埋深超过最不利埋深时,结构的极限抗震能力增强,若结构产生地震破坏,则结构埋深越深即初始地应力越高其破坏程度也越强。     

重庆市洪崖洞危岩发育机理

危岩是山丘地区常见的地质灾害,严重威胁着人民的生命及财产安全。但是,其在发育过程中具有明显的链式规律,包括宏观链及微观链。根据这一原理,以重庆市整治、开发的重点工程——洪崖洞危岩为例,对危岩发育的链式机理进行了探讨,将危岩体划分为群体及单体两类,分析了影响危岩形成的主要因素与过程。运用材料力学和断裂力学方法,初步得到洪崖洞危岩体的天然稳定时间约为661年。基于平面应变假定,采用有限元数值模拟软件对洪崖洞危岩的发育过程进行计算。在链式发育过程中,危岩体的形成主要是由于岩腔形成过程中危岩体顶部受拉,形成卸荷带裂缝,进而促进了危岩体发生以受拉破坏为主的崩塌,实际与理论计算的结果基本吻合,为危岩治理提供了可靠的理论依据。     

岩体三维非稳定渗流模型及数值模拟

地下水是导致地质灾害发生的重要因素之一。岩体本身的复杂性及地下水在岩体内随时间而变化造成地下水在岩体内运动机理的复杂性。文章采用数值模拟方法探索地下水在岩体内的运动规律,了解其致灾机理。以岩体结构力学为基础,运用现代分形理论,建立主干裂隙分形网络;根据裂隙发育规模与工程尺度关系将岩体看作拟连续介质与块裂介质混合介质,并根据两类介质接触处水头相等及节点流量相等建立合理的三维非稳定渗流模型;给出渗流模型的有限元解法,开发出相应的有限元软件;给出算例,计算结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用及网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应;强调根据裂隙发育规模与工程尺度关系确定合理渗流模型的重要性。     

沁水盆地南部煤层气直井合层排采产气效果数值模拟

随着煤层气勘探开发的深入,多煤层合层排采受到广泛关注。合层排采管控工艺是确保煤层气合采井高产稳产的关键,而多煤层组合条件下复杂的地质条件增加了合层排采管控的难度。数值模拟技术是研究煤层气井合层排采管控工艺的有效手段,科学、可靠的模拟结果可为合采井排采管控提供依据。考虑温度效应、煤基质收缩效应、有效应力作用对煤层流体运移规律以及渗透率等煤层物性参数的影响,建立煤层气直井合层排采生产动态过程多物理场耦合数学模型,并进行有限元法的多物理场耦合求解。通过对沁水盆地南部郑庄区块煤层气合采井组的模拟,探讨不同排采速率下煤层气直井合层排采产气效果及渗透率等煤层物性参数动态演化特征,提出煤层气直井合层排采工程建议。模拟结果显示,郑庄区块3号、15号煤层整体含气量较高,煤层气合采井组具有较大增产潜力,提高排采速率对提高煤层气采收率的效果不显著;排采过程中,煤基质收缩效应对渗透率的影响强于有效应力作用,是提高煤层气井排采速率的保障,在确保排采速率不超过煤层渗流能力上限的基础上,适当提高排采速率可实现煤层气井增产。基于模拟结果,建议排采速率的调整以控制动液面或液柱压力为主;以3号、15号煤层气合采井增产为目标,产水阶段和憋压阶段,郑庄区块煤层气直井合层排采速率以液柱压力降幅0.12~0.20 MPa/d或动液面降幅12~20 m/d为宜,既可实现煤层气增产,又可避免储层伤害。