不同裂缝倾角下三维应力对岩体裂缝张开度的影响分析

为了有效地开采利用矿山中的地热水,根据水力压裂的基本原理,提出水力压裂矿山热岩石的方法,通过增加裂缝数量和裂缝连通量来提高地热水的渗流率。对水力压裂产生的裂缝形态进行分析,推导出裂缝的导水系数,假设压裂得到椭圆型裂缝,研究三维应力变化在不同裂缝倾角下对裂缝张开度的影响,计算得出裂缝的张开度变化量,总结不同倾角下矿山深井岩体裂缝张开度变化量规律。     

裂隙倾角对典型海底金属矿多裂隙围岩流热耦合的影响

为探究裂隙倾角对三山岛金矿多裂隙围岩流热耦合的影响,基于三山岛海底矿体测量数据建立多裂隙围岩流热耦合模型,应用COMSOL Multiphysics将三维裂隙降维简化,分析裂隙倾角在流热耦合过程中对渗流场中裂隙出口流量、渗流速度以及对温度场中的传热时间、温度分布、裂隙出口温度的影响。结果表明：离散裂隙的倾角对渗流场和温度场有明显的控制作用。地热水的渗流速度随着与入口处距离的增加总体呈现先减小后平稳流动最后增大的趋势,随着时间的推移裂隙出口流量皆呈现出不断减小的趋势;裂隙围岩距离巷道越远温度越高,不同裂隙倾角附近围岩的等温线分布明显不规则。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

榆家梁煤矿离层注浆充填保水效果数值研究

为探究离层注浆充填对地层保水效果的影响,构建地层岩体渗流场和裂隙场空间演变模型,分析离层空间充填后地层岩体导水性能演化特征。结果表明：受覆岩影响,岩体裂隙长度、孔隙率和水力传导率高值区由离层两端向中心区域集中;未充填时,离层上方关键层两端受拉剪破坏影响,关键层两端裂隙发育明显,孔隙率和水力传导率增大;充填高度增加,关键层断裂后受充填体支撑未完全破坏,孔隙率和水力传导率相对减小;岩层裂隙、孔隙率、水力传导率和水头的模拟结果证明对离层进行充填可有效减少含水层渗流量,离层充填高度越大,保水效果越好。     

不同倾角铜铟镓硒光伏组件燃烧行为的试验研究

为加强对于光伏组件火灾危险性的控制，进一步推动光伏建筑一体化技术的广泛应用，选择不同倾角布置的铜铟镓硒光伏组件为研究对象，改变倾斜角度，通过对引燃时间、火蔓延速度和质量损失速率等参数的测试和分析，研究铜铟镓硒光伏组件的燃烧行为及传热机制。结果表明，倾角的增大加剧了光伏组件火灾蔓延的危险性。光伏组件迎火面的引燃时间随倾角增大呈先减小后增大的变化趋势，倾角从0°增加到45°,引燃时间减少16.39%;倾角从45°增加到90°,引燃时间增加76.47%。背火面向上火蔓延速度随倾角增大而增大，倾角为90°时最大，为18.08 mm/s,横向火蔓延速度受倾角影响较小，均为1 mm/s左右；当光伏组件倾角增加，燃烧产生的熔融滴落物形成池火是造成光伏组件火灾危险性加剧的重要原因。     

不同配比下破碎岩体变质量渗透试验研究

为了分析破碎岩体不同骨架-充填物配比条件下的变质量渗透特性,揭示煤矿陷落柱、断层等含破碎岩体地质构造的突水机理,利用自主研制的可考虑颗粒迁移作用的渗透试验系统开展了不同试样配比条件下的变质量渗透试验研究,得到了破碎岩样孔隙率、渗透率、质量流失率等参量随时间的变化规律。并在试验结果的基础上,结合陷落柱突水实例,分析了充填物颗粒迁移作用下的陷落柱突水演化规律。结果表明:1)颗粒迁移作用下破碎岩体的渗透性变化可分为3个阶段,即渗流缓变阶段、渗流突变阶段和渗流稳定阶段;2)试样充填物颗粒在水流冲蚀作用下不断迁移流失,孔隙率快速增大后趋于稳定,质量流失率先快速增加后逐渐减小;3)充填物含量对破碎岩体渗透性具有重要影响,随试样中充填物比例的增加,试样的最大质量流失率不断增加,孔隙率增幅也越大,初始渗透率和渗透率增幅均呈现先增大后减小的变化规律。     

考虑质量流失的破碎岩体渗透试验系统研制及应用

随着煤矿开采向深部延伸,陷落柱、断层等含破碎岩体地质构造突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。近年来虽有学者从破碎岩体流固耦合动力失稳的角度研究地质构造突水机理,但没有考虑质量流失对破碎岩体渗透特性的影响。展示了自主研制的一套可实现质量流失的破碎岩体渗透试验系统,包括加载系统、数据采集系统、水压供给系统及特制渗透仪装置,并利用该渗透试验系统,通过改变破碎岩体的配比、应力状态等条件,计算并分析充填物质量流失率、渗透率、流量等参数的变化规律,初步研究了破碎岩体的变质量渗透特性。结果表明:1)自主研制的破碎岩体变质量流固耦合试验系统通过渗透仪蜂窝状的活塞、带有缺口的溢水筒等的独特设计,实现了渗流作用下充填物颗粒的自由迁移,具有较好的开放性。2)质量流失条件下破碎岩体的渗透性变化可分为3个阶段,即初始渗流阶段、渗流突变阶段和渗流稳定阶段。在初始渗流阶段,破碎岩体渗透率缓慢变化,孔隙率逐渐增大;在渗流突变阶段,渗透率在极短时间内增大数倍甚至几十倍,孔隙率快速增大;在渗流稳定阶段,渗透率和孔隙率随时间基本保持不变。3)随渗透时间增加,破碎岩体充填物颗粒不断迁移流失,渗透性不断增强并最终发生渗流突变,这表明充填物颗粒迁移流失是引起破碎岩体渗流突变的重要原因。     

加卸载作用下裂隙岩芯渗透性变化规律研究

针对光滑平行板裂隙加载渗流规律难以准确反映实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性的问题,利用水力压裂方法制作了天然岩芯裂隙,开展了裂隙试件受轴压、围压加载和卸载作用的渗流试验,并将裂隙试件的CT扫描图像导入ABAQUS软件,对粗糙裂隙受载时的应力和变形规律进行了数值模拟。结果表明:裂隙面的法向应力是影响裂隙渗流的主要因素;在加载阶段,粗糙裂隙面受载产生接触应力致使接触部分产生变形和破坏,裂隙接触刚度增大,裂隙宽度非线性减小,渗透率降低速率越来越小;在卸载阶段,弹性变形逐步恢复,裂隙宽度缓慢增加,渗透率先缓慢增大,当载荷卸到一定值后,在孔隙压力作用下裂隙张开、渗透率突然增大。研究结果表明了粗糙裂隙与光滑平行板裂隙对载荷敏感性不同的机理,反映了实际工程裂隙岩体卸荷渗流特性。     

采动影响下采场底板岩体渗透性研究

考虑了裂隙倾角对岩体渗透系数的影响,运用断裂力学理论中压剪断裂判据,分析了采动影响下岩体中易破坏的优势角裂隙.在此基础上,建立了采场裂隙岩体优势角应力与渗透性耦合力学模型,计算了采场周围岩体的应力变化,推导了采场平面应力状态下零位破坏带渗透系数方程,分析了渗透系数比及其影响因素的关系.     

基于GA-BP的渗透系数多目标反演分析模型研究

针对渗透系数反演结果不唯一问题,以扬压力和渗流量2类渗流监测效应量为反演目标,建立了基于正交设计、有限元正分析和GA-BP相结合的渗透系数多目标反演分析模型。结合水口大坝2009—2018年渗流监测时间序列数据,开展了大坝坝体、坝基岩体渗透系数反演研究,并对反演结果进行了验证。研究结果表明:建立的渗透系数反演模型可较好地解决渗流单目标反演的缺陷,反演结果为绝对渗透系数,且反演结果真实可靠。     

顺层或逆层岩质急倾斜边坡坡角的确定

为了解当岩体具有急倾斜构造和水平裂隙发育时,由该岩体形成顺层和逆层边坡情况下,不同坡角对该边坡稳定性的影响,使用基于颗粒流理论的PFC3D进行了模拟。利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续性和连续性的岩体构造形式。构建了坡角为40°、50°、60°、70°和80°的顺层和逆层边坡,并对边坡稳定性进行了模拟。模拟结果表明,岩层的重力作用在逆层时有利于岩体外倾,顺层时抑制外倾。相同坡角时顺层较逆层更为稳定。大变形裂隙区的出现位置与岩体构造有很大关系。提出的修建边坡坡角建议为顺层时坡角不应大于60°,逆层时坡角不应大于50°。     

矿井巷道对流换热系数的现场测定

对流换热系数是计算围岩壁面与风流之间热交换量的重要参数。根据矿井风流与围岩热湿交换理论,提出测算井下巷道平均对流换热系数的方法。并在现场进行实测,通过对实测结果的回归分析,得出U型钢支护、断面形状为半圆拱以及工字钢支护、断面形状为梯形的巷道平均对流换热系数的简化计算式。并且当风速一定时,U型钢支护、断面形状为半圆拱的巷道平均对流换热系数值比工字钢支护、断面形状为梯形的要小;在这两种巷道条件下,其平均对流换热系数都随平均风速的增加而增大。     

软煤样断裂韧性加载速率效应实验研究*

为探究加载速率对软煤样Ⅰ型断裂韧性的影响,对取自云南老厂的煤样开展压入硬度实验及不同加载速率条件下的断裂韧性实验,分析加载速率及割理角度对软煤样断裂特性的影响。结果表明:实验老厂煤岩压入硬度分布在51.84～125.03 MPa之间,按压入硬度划分属于软岩类别;实验岩样Ⅰ型断裂韧性分布在0.009 9～0.208 2 MPa·mm^0.5之间,平均值为0.096 5 MPa·mm^0.5;在0.2～1.1 mm/min的位移加载速率范围内,实验软煤岩Ⅰ型断裂韧性值随加载速率的增大呈现先增大后降低的规律,割理角度对软煤岩Ⅰ型断裂韧性有较大影响,Ⅰ型断裂韧性与割理角度的关系呈现为负线性相关性。低加载速率条件下,软煤岩表现为韧性断裂,高加载速率条件下,软煤岩表现为脆性断裂,加载速率的变化导致软煤岩断裂类型的变化。     

基于RFPA2D复合局部挠曲岩体数值模拟

为研究复合局部挠曲岩体强度特征以及破坏规律,采用岩石真实破裂软件RFPA^2D,对水平层面挠曲30°,45°,60°,75°的复合岩体进行单轴压缩试验模拟。模拟结果表明:挠曲角为30°,45°,60°,75°的复合岩体破坏面几乎与挠曲段夹层重合,其挠曲端部均产生了垂直于挠曲段夹层的裂纹;复合单斜岩体与复合挠曲岩体破坏面的形成因素大致相同,夹层强度是2种岩体失稳的主要因素;复合挠曲岩体单轴抗压强度随挠曲角增大同样呈“U”型变化,与单斜岩体变化趋势一致;当水平层状岩体发生挠曲后,其单轴抗压强度减小,当挠曲角为60°时,强度降低25.19%,当挠曲角为75°时,强度降低0.17%。;随着均质系数m的增大,复合挠曲岩体单轴抗压强度以及轴向应变均出现逐渐递增的趋势,且不同m值,其岩体裂隙扩展方式具有明显差别。     

充水溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值模拟

为探讨充水溶洞中水压对隧道围岩稳定性的影响,利用岩石破坏过程渗流-应力-损伤耦合分析软件F-RFPA~(2D),对隧道底部含充水溶洞的围岩破坏过程进行数值模拟研究,并与岩体中存在裂隙时隧道围岩的破坏过程作对比。结果表明,水压的增加使溶洞与隧道间的岩体逐渐产生裂纹,并不断延伸,最终使隧道与充水溶洞贯通;岩体中裂隙的存在改变了裂纹的扩展方向,加速了隧道底部围岩的破坏进程;实际工程中应将隧道底部围岩垂直方向上的位移变化作为事故发生的前兆,制定相应的预防措施,避免事故的发生。     

圆锥形喷嘴出口直径对水射流冲击动力特性的影响研究*

为探讨喷嘴结构对水射流冲击动力特性的影响,以圆锥形喷嘴为研究对象,基于COMSOL数值模拟软件,建立不同出口直径的圆锥形喷嘴模型,研究出口直径对水射流冲击动力特性的影响。研究结果表明:圆锥形喷嘴水射流冲击煤岩体过程中,不同喷嘴出口直径下水射流流场分布特征相似,整个流场可分为集中区、发散区、回流区和卷吸区4个区域,随喷嘴出口直径增大,卷吸区逐渐消失,其余3个区域分布也明显减弱;煤岩体应力分布可分为中心应力集中区和两侧应力集中区,随喷嘴出口直径不断增大,中心应力集中区与两侧应力集中区的范围逐渐减小,当喷嘴出口直径为6 mm时,两侧应力集中区基本消失;主体段入口速度恒定条件下,圆锥形喷嘴优选以2~3 mm出口直径为宜,此时水射流冲击煤岩体效果较佳,且不会对喷嘴产生结构破坏。     

Regimes and critical conditions of detonation propagation in expanding channels in gas suspensions of ultrafine aluminum particles

Under study are the regimes of detonation propagation in channels with linear expansion filled with monodisperse mixtures of oxygen and ultrafine aluminum particles of various loading; the methods of numerical simulations are used. The detonation combustion of submicron aluminum particles is described within the semi-empirical model of reduced kinetics with due regard to the transition from the diffusion-limited regime of combustion to the kinetic one. Waves of both planar and developed cellular detonation are considered as initial conditions. The characteristics of the main flow regimes are obtained and described: the subcritical (detonation failure), critical (detonation failure in some part of the channel) and supercritical (continuous detonation propagation). The maps of flow regimes in suspensions of 200-nm – 400-nm particles are presented in the plane of parameters: the channel width, expansion angle. The obtained critical conditions are similar to those observed in the gas detonation. The critical channel width linearly depends on the expansion angle up to a first critical value (35°–38°). Behind the second critical value (50°), the channel width is independent on the expansion angle. Between these values, there is an interval of nonmonotonicity similar to the detonation of micro-sized suspensions of aluminum particles. The effect of particle loading on the critical conditions in poor mixtures appears in the form of a sharp increase in the critical channel width, if the mass concentration falls below 0.25.     

Simulation test on mixed water and sand inrush disaster induced by mining under the thin bedrock

Coal seam mining under thin bedrock will make transmission fissure zone go through to the water-rich aquifer under the covering layer, which will cause water flooding and sand gushing in the working face. The test model of the mixed water and sand inrush transfer and inrush was designed and manufactured to simulate the startup, transfer and inrush process of the mixed water and sand inrush in the overburden fracture channel. The characteristics of the mixed water and sand inrush in the fracture channels were researched. The variation characteristics of water pressure in different positions of the fracture channel were revealed through analyzing “\/” type fracture form which is wide at the top and goes narrower down to the base, of various inclination angles under the water pressure of 0.06 MPa and 0.08 MPa. The results show that the water and sand inrush took place instantly in the mined area. Based on the characteristics of water pressure variations, changes in water pressure are divided into two phases: rising phase and lowering to stable phase. Under the other same conditions, when the fissure channel angle increases, the pore water pressure and its sudden drop will increase too, and the inrushing process will get more rapidly; the bigger the water pressure is, the pore water pressure increases more rapidly and violently. From this, the transfer characteristics and dynamic mechanism of the mixed water and sand inrush were explored.