考虑围岩应变软化及采空区接触的深部煤层底板破坏分析

为研究深部煤层开采底板破坏形态,提出考虑围岩应变软化和采空区接触的FLAC3D有限差分数值方法,以河北开平煤田林西矿2023工作面底板实测导水裂隙带为工程背景,结合朗肯土压力理论定性分析,研究深部煤层底板破坏特征。结果表明:采用应变软化本构关系代替常用摩尔–库伦本构关系能够对围岩塑性破坏后的力学状态更准确表述;采用“应变软化–空–弹性”模型转变的方法,达到模拟采空区顶板垮落后应力传递的效果,弥补了以往煤层开采模拟中采空区垮落后顶底板不接触的固有缺陷;通过采空区顶底板接触与否条件下应力、位移的对比,发现采空区是否接触对数值结果影响巨大,突出考虑采空区接触的必要性;根据模拟结果中塑性剪切应变率的变化,实现了底板滑移面的三维显示,形态为斜向采空区的半包围面状结构;结合朗肯土压力理论将底板塑性区与主动区、过渡区和被动区对应,3个区破坏形式分别为剪切破坏、剪切破坏、拉张与剪切的交互破坏。提出的考虑围岩应变软化及采空区接触的FLAC3D数值方法对煤层开采模拟实现了优化,并可为其他大变形后需考虑接触的工程模拟提供参考。      

济南市某铁矿采空区影响范围数值模拟

以济南某采空区为例,基于FLAC3 D数值模拟程序对采空区的稳定性进行数值模拟分析,获得了铁矿开采后采空区的应力及位移分布规律,在采空区上方确定了一个长为65 m的地表沉降严重区.数值模拟结果与经验公式计算的结果基本吻合,证实该方案合理,说明了采用数值模拟分析采空区的稳定性是可行的.     

基于逆向工程建模方法的危岩体稳定性数值模拟分析

高陡岩质边坡危岩体失稳机理与稳定性评价一直是学者们关注的重点问题。相比于以定性分析为主的传统稳定性评价方法, 数值模拟分析方法在危岩体稳定性评价工作中得到越来越广泛的应用。而如何快速准确地建立复杂三维精细化地质模型, 尽可能还原岩体结构特征信息, 并与数值模拟软件进行无损对接, 进而定量评价危岩体稳定性仍是目前急需解决的问题。在野外现场调查结果的基础上, 对浙江神仙居景区神龙瀑景点处的地质灾害隐患点进行高精度三维激光扫描, 基于逆向工程建模软件Geomagic Studio, 对扫描获取的点云数据进行模型重建, 借助有限元网格划分软件Hypermesh对曲面模型进行三维实体化和网格划分处理, 再导入数值模拟软件FLAC3D中进行计算。结果表明, 神龙瀑边坡受拉破坏危岩体后缘裂隙最大拉应力接近抗拉强度, 且存在明显位移, 极有可能发生滑移-坠落。然后通过FLAC3D内置FISH语言进行二次开发, 计算结构面塑性破坏单元数目在总单元数目中的占比, 得出危岩体失稳概率为20%以上。该结果与现场灾害调查、数值分析结果相互印证, 预测了危岩体的潜在破坏范围, 提出了相应的防治措施建议。上述分析结果可为当地旅游管理部门的灾害防治工作提供理论依据和指导。     

某水利枢纽厂房开挖三维可视化与数值模拟耦合研究

对某水利枢纽工程坝址区工程地质三维可视化与FLAC3D数值模拟耦合进行了研究。利用钻孔信息,采用多层DEM技术建立三维格网地层模型,然后,将各种工况几何形体映射到地层格网上。在此基础上,根据FLAC3D建模特点,用一系列横截面切割此三维地质模型,并保证相邻两剖面拓扑一致（或退化）,再通过对相邻剖面网格调整、连接形成FLAC3D基本单元。运用此方法实现了该水利枢纽工程三维数值模拟。     

大型缓倾煤矿采空区稳定性评价研究

煤矿采空区稳定性的影响因素众多,为了更好地解决大型缓倾煤矿采空区稳定性评价问题,通过FLAC 3D有限差分软件对采空区的多种开采工况进行数值模拟,提出了影响该类采空区稳定性的主要因素,并在此基础上采用层次分析法(AHP)进一步确定各影响因素的权重。针对山西中阳县多家煤矿采空区稳定性问题,根据影响因素综合评分表对各个影响因素进行评分赋值,最终计算得到采空区稳定性总得分,由此综合判定采空区稳定性等级。这种稳定性评价方法得出的结果与采空区地表位移变形观测法评价得出的结果相符,研究成果对类似采空区稳定性评价具有重要的借鉴参考意义。     

基于颗粒-界面-基体模型圆形巷道围岩中应力与应变演变分析

视岩石将由3种成分构成：颗粒、界面和基体,采用FLAC模拟圆形巷道开挖之后围岩中的剪切应变增量、最小及最大主应力的分布及演变规律。在静水压力条件下,剪切应变增量的高值区主要分布在软弱的基体之中,形成了相互交织的剪切带网格,而最小主应力的高值区（环向高受压区）主要分布在相互接触的颗粒之中,形成了若干圆环。当侧压系数不等于1时,剪切带网格的轮廓呈三角形。颗粒尺寸的增加使剪切带的数目降低,长度增加,最小主应力的高值区的数目降低,间距增加;颗粒尺寸大时的结果与分区破裂化现象相近。由此提出一种可能的裂化机制：节理岩体中的若干岩块由于自组织作用而被挤成1圈,如果应力水平足够高,就可以形成多条环向的被未破坏区隔开的破坏区。     

基于Hoek-Brown准则的隧道围岩屈服接近度分析

为了建立Hoek-Brown准则围岩稳定性评判标准,通过理论分析,推导了Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则的关系以及Hoek-Brown准则参数表征的屈服接近度(YAI)函数;通过FLAC3D建立隧道三维数值模型,编制相应Hoek-Brown屈服接近度YAIhb的程序,分析了材料参数和应力变化的影响。结果表明：①自编程序计算的YAIhb=1区域与FLAC3D计算的塑性区分布范围相同,验证了程序的正确性,并且屈服接近度能够表征各单元的屈服程度,优于塑性区判定标准。②随着地质强度指标GSI的增大,YAIhb逐渐减小,两者之间的关系采用3次多项式进行拟合的精度较高;YAIhb随岩石单轴压缩强度σci的增大而减小,采用指数方程对两者的关系进行拟合,能得到较高的相关系数;随着单元损伤的加剧,其屈服接近度逐渐增大,表征单元破坏程度增大,YAIhb和岩体损伤指标D之间符合双曲线分布规律。③最大主应力σ1增大引起YAIhb减小,两者表现出显著的线性关系;中间主应力σ2增大引起YAIhb呈现先增大后减小的趋势,可用3次多项式曲线对其关系进行拟合;YAIhb随着最小主应力σ3的增大而线性增大。     

基于FLAC3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析

宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域,其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发,对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征,以宁夏石嘴山矿区为对象,基于FLAC3D数值模拟软件,建立缓斜煤层开采三维数值模型,计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律,并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化,与数值模拟结果进行相互验证。结果表明:地下开采引起应力重分布,采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象,最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势;越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大,随着远离采空区逐渐减少,开采完成后地表垂直位移最大值约12 m;随着采空区面积的不断增大,采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大,且以剪切破坏为主;地面沉陷盆地不对称,2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向,下山方向比上山方向影响范围更大;数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致,研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据,为地表沉降监测提供新方法。      

卧龙湖煤矿102工作面顶板采动效应研究

基于卧龙湖煤矿的岩石力学测试资料,运用FLAC3D数值模拟软件,分析了102工作面在回采过程中的应力重分布、覆岩的变形和破坏特征。数值模拟结果表明,随着工作面的向前推进,垂直方向应力和位移成增加的趋势,采空区中间部位岩体位移近于垂直方向。研究结果为工作面布置方法、顶板支护方式的选择和采区设计提供了依据,为顶板事故的预防提供了参考资料。     

基于单元状态指标的盾构隧道水-力耦合模拟分析

针对富水区土压平衡式盾构隧道施工进行了水-力耦合(H-M耦合)数值模拟。首先在既有的研究成果基础上建立了单元状态指标ZSI(Zone State Index),该指标将屈服、破坏接近度等进行适当变换,统一到单元安全度量体系(负值代表破坏),实现了单元的弹性、屈服和破坏3种状态的完整表达。然后将应变-渗透系数方程与ZSI结合,使渗透系数在耦合的过程中随单元状态发生改变,弥补了FLAC~(3D)渗流模拟中渗透系数不变的不足。最后采用FLAC~(3D)的FISH语言二次开发,以大连地铁202标段香工街站-沙河口火车站区间盾构地铁隧道为例,实现H-M耦合过程的模拟。分析了隧道掘进的过程中开挖面及围岩的变形和破坏特征,根据开挖面上ZSI的计算结果对开挖面进行了稳定性评价。研究结果表明,该方法可以较好地进行H-M耦合过程中模拟和分析,与实测结果较为吻合。     

基于精密探测的金属矿山采空区群稳定性分析

采空区群的稳定性分析是一个复杂的地质问题,而在区域内存在一种群效应。准确地掌握采空区群的三维形态和空间的相对位置是进行稳定性分析的前提。以石人沟铁矿为背景,利用空区探测系统（CMS）对采空区进行了精密探测,并对探测数据进行处理和转换,在此基础上,应用3Dmine建立了采空区群的三维空间模型,经过进一步处理实现了与FLAC3D的耦合,建立了三维数值计算模型。根据计算结果对采空区群区域的应力场、位移场进行了分析,对群区域内的群效应进行了阐述。在此基础上对群区域地表位移进行了分析,确定了地表最大位移面积和采空区水平面积的比值。研究结果表明,区域内的群效应使应力和位移较单个采空区时都有了较大增加,且增加幅度并不是单纯的叠加,这种效应加剧了采空区的危险等级,将CMS、3Dmine和FLAC3D三者的优势结合起来,为采空区群得稳定性分析提供了一个准确而有效的途径。     

FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用

本文以高治村滑坡为例,论述了FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用。作者首先介绍了FLAC3D的基本原理和主要流程,然后采用摩尔-库伦模型,对高治村滑坡在天然状态和暴雨状态下的变形和位移情况进行了数值模拟,模拟结果直观地显示了该坡体在上述两种状态下的塑性变形及水平方向位移的分布特征,清楚地显示了坡体内潜在的滑动面。文章根据数值模拟结果,对该滑坡的稳定性进行了分析和评价,对该滑坡的变形和破坏形式进行了研究和探讨。通过对该坡体的塑性变形与位移情况分析认为,该滑坡在天然状态下基本稳定;在连续高强度降雨状态下欠稳定,局部失稳滑塌的可能性很大,这与现场调查分析的结果一致。这个结果表明,利用FLAC3D进行滑坡稳定性分析和评价简单、可行,且更加直观、方便,具有传统极限平衡法所无法比拟的优势。     

复杂洞群地下水渗流效应的数值模拟

采用三维有限差分FLAC3D程序,以二滩工程地下洞群的结构形式为背景,考虑与不考虑节理岩体静水渗流对围岩稳定性进行了大量计算工况的准三维数值模拟。对毛洞开挖时主厂房边墙关键点的位移和主厂房的塑性区进行了系统分析,得到相应的结论,可供大型地下洞室群稳定分析时作为参考。     

非均匀岩石介质单轴压缩强度及变形破裂规律的数值模拟

以有限差分法(FDM)为计算框架,利用Weibull分布描述细观单元弹性模量和单轴抗压强度的分布特征,采用弹塑性应变软化本构模型描述细观单元的力学响应,进而建立一种模拟非均匀岩石介质破裂的数值模型。采用该数值模型探讨了单轴压缩时细观均质度m及细观结构对数值试样宏观特性的影响。结果表明,（1）随着细观均质度提高,数值模型的非线性特征逐渐减弱,脆性逐渐增强;宏观峰值强度及弹性模量逐渐增大,峰值强度与lnm呈线性关系,而弹性模量与1/m为线性关系;数值试样表现出由塑性流动破坏至剪切破坏进而为张拉破坏的破坏模式;（2）当细观均质度一定时,细观结构或细观单元空间排列是决定岩石力学行为波动性的主要因素;应力–应变曲线峰前阶段对细观单元的空间排列不敏感,但峰值强度附近及峰后阶段对细观单元的空间排列比较敏感。     

革镇堡隧道破碎段动态施工的三维数值模拟

革镇堡隧道是辽宁省的重点建设工程,其中破碎段岩体地质条件复杂,传统方法不能很好地反映其力学行为。针对上述问题,在建立大规模的复杂地质结构的数值网格基础上,采用三维岩土工程软件FLAC3D,分别根据无支护、初次支护和二次支护3种情况,4 m一个步长,分为上下两台阶对该段隧道的分步动态施工过程进行了三维数值模拟。通过对位移场、应力场的演化情况和塑性区分布的模拟计算,分析了开挖支护动态过程的复杂力学行为。计算结果显示,位移与监测数据比较一致,现有的二次支护方案能够保证围岩的稳定性。数值模拟的结果对于该段隧道的施工具有指导意义。     

温压耦合影响下科学钻探深井结晶岩层井壁稳定性分析

科学钻探深井结晶岩处在高地应力、高地层压力和高地温的“三高”环境中,自身的结构特征和物化特性会发生根本性变化,因温度变化引起的应力变化极易导致井壁失稳。本文依据温压耦合影响下坍塌压力和破裂压力计算模式,确定不同井壁温度下的安全钻井液密度窗口,通过FLAC3D开展温压耦合影响下井壁稳定数值模拟,分析在不同钻井液密度下井眼打开后不同时间的井壁周边温度和井壁稳定变化情况。结果表明：地层弹性参数对地层破裂压力的影响较大,对于花岗岩此类弹性模量较大的结晶岩,温度变化对破裂压力影响更大;井壁处附加应力受温度变化的影响程度：附加周向应力>附加径向应力>附加垂向应力;在最小主应力方向的井壁周边地层等效应力与钻井液密度呈正比关系,在最大主应力方向呈反比关系。     

腊寨水电站坝址右岸边坡三维数值模拟分析

边坡变形破坏是水利水电工程中多发的地质灾害之一,通过三维数值模拟开展边坡稳定性评价对防灾减灾及滑坡预报具有重要的意义和价值。本文对云南腊寨水电站坝址右岸边坡进行了数值计算。经过调查边坡工程地质条件,本文试图通过分析边坡岩体结构类型、结构面与坡面的产状关系以及诱导因素研究边坡变形成因机制,在此基础上,利用FLAC3D 三维数值模拟分析方法,分别计算了原始边坡、开挖未支护和支护后的边坡应力场、位移场和塑性区分布,结合工程地质条件分析,对其变形机制进行了深入探讨。研究结果表明,边坡处于压致拉裂的初始阶段,边坡变形受开挖作用影响明显。根据边坡变形研究结果提出相应的支护方法,包括预应力锚索、网格梁和挂网喷锚等方法,使边坡变形得到有效控制。     

FLAC3D在边坡数值分析及位移监测中应用

以辽宁省岫岩县某山头边坡为例,通过槽探、钻探、大型剪切试验等多种手段,找出合理潜在滑动面。利用FLAC3D软件对该边坡进行三维数值模拟,分析应力应变关系,得出变形较大及应力集中区域,同时利用强度折减法得出边坡的安全系数,评价其稳定性。将从边坡后缘张拉裂隙上布设的位移监测点采集到的数据,与数值模拟结果进行对比分析,验证数值模拟的可靠性,为边坡抗滑设计提供依据。