崩落法采矿中放出体流动特性的影响因素

基于颗粒元理论和PFC3D程序,构建具有矿石散体细观力学性质的放矿模型,开展崩落法采矿中放出体流动特性影响因素研究.运用统计学知识确定对放出体流动特性有显著影响的主要因素及其敏感性,得出其与放出体流动特性的关系,并通过已有研究结论与模拟结果的对比分析,验证了基于PFC3D程序的放矿模型在放出体流动特性影响因素研究中的适宜性与可靠性.研究表明:放出体颗粒形状、摩擦系数及放矿口尺寸三种因素是显著影响崩落矿岩流动特性的重要参数.在放矿初始阶段,放矿口尺寸对放出体形态影响最大,其次为摩擦系数,颗粒形状对其影响最小;在之后的放矿过程中,颗粒形状对放出体形态影响最大,其次为放矿口尺寸和摩擦系数.散体颗粒形状越不规则、散体内摩擦角越大以及放矿口尺寸越小则放矿越困难.      

岩石破裂过程中声发射特性的颗粒流分析

 以颗粒流理论和PFC程序为平台,根据矩张量理论建立细观尺度上岩石声发射模拟方法。该方法可同时给出声发射事件发生的时间、空间、破裂强度等特征,再现岩石裂纹孕育、发展和贯通过程,从而揭示岩石的破坏机制。结合室内花岗岩破裂全过程声发射特性试验研究成果,通过试验和计算结果的对比分析,验证该方法的可靠性,并得到以下结论：(1) 在试样峰值强度前,声发射事件次数较少、破裂强度较低,且在试样内部随机分布;从试样峰值强度起至破坏时的残余强度,声发射事件次数较多、破裂强度较高,且主要沿宏观破裂带附近分布。(2) 声发射事件次数随破裂强度变化近似呈正态分布。在均值与最大破裂强度之间,声发射事件累积数随破裂强度的降低近似呈线性对数函数关系。(3) 每次声发射事件所包含的微破裂数,随破裂强度的提高而增加,近似呈波尔兹曼函数关系。(4) 声发射事件次数与微破裂数近似呈负指数函数关系,即包含微破裂数越少的声发射事件,其所占总数的比例越大。研究成果可弥补现有声发射试验及模拟方法的不足,并作为一种新的手段为声发射试验与现场微震监测研究所利用。       

岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析

 基于颗粒流理论和PFC程序,在解决建模过程中悬浮颗粒的消除、恒定法向荷载伺服机制的施加、拟静力加载状态的选取等问题后,较为完善地实现岩石节理PFC数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度深入探讨节理在直剪试验过程中的力学演化特征和破坏机制。结合已有的节理直剪试验成果,进行室内试验和计算结果的对比分析,验证计算方法的可靠性。研究成果如下：(1) 随恒定法向荷载的增大,剪切应力及其峰值时刻的剪切位移增大,节理面上黏结破坏颗粒增多,而剪切阻抗和节理剪胀效应却降低;(2) 随剪切位移的增加,节理面上粒间法向接触数不断减少,接触矢量方向逐渐向剪切荷载施加方向偏转,而粒间接触压力不断增大,裂纹不断沿节理面附近产生,破裂频数在剪切应力达到峰值时最为强烈;(3) 数值试验得到的剪切阻抗值普遍高于试验值,但减小模型颗粒半径可有效降低计算剪切阻抗值。室内试验和计算结果对比分析表明,新提出的颗粒流计算方法非常适用于岩石节理直剪试验的数值模拟,可为室内节理直剪试验和PFC节理模型细观力学参数选取的深入研究提供有益的参考。     

采动条件下底板潜在导水通道形成的微震监测与数值模拟

以某矿综放工作面开采过程为背景,利用微震监测技术进行现场监测,并借助有限差分FLAC3D进行数值分析,研究在采动应力场不断变化过程中底板岩体微震破裂事件的时空演化规律,揭示煤层采动条件下潜在导水通道的孕育、发展和贯通过程.微震监测结果表明:微震事件数一定程度上反映了开采扰动对底板岩体破坏程度的影响;采煤期间,回采工作面附近微震事件呈现密集分布,底板岩体采动破坏严重,底板破裂深度达15 m.数值分析表明:由于煤层采动导致采场周围应力重分布,工作面前方应力增高,采空区下方应力降低,底板岩体随工作面回采经历了应力集中、释放并最终破坏;底板塑性破坏区深度达14 m.      

卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟研究

以张家口-石家庄高速公路隧道岩爆灾害为工程背景,进行室内卸载岩爆试验;并基于颗粒流法和PFC3D程序,采用内置Fish语言编制加卸载命令流,进行卸载岩爆试验数值模拟,得出不同应力状态下的岩样细观破裂现象与过程,可有效地判别与验证岩爆的产生.研究结果表明:(1) 研究区域灰质白云岩的岩爆类型为瞬时岩爆,岩爆烈度等级为IV级;岩爆发生时试件端部全面崩垮,试件卸载面中部片状剥离并伴随颗粒混合弹射.(2) 根据应力环境的变化,卸载岩爆试验的进程可分为平静期、局部颗粒弹射期、发展期及最终爆发期等4种状态.(3) 瞬时岩爆发生时的颗粒黏结破裂机制以张拉型破裂为主、剪切型破裂为辅.(4) 模拟卸载岩爆发生时的荷载等级、试件应力-计算时步曲线、破坏形式等均与室内试验结果较为吻合,表明PFC3D数值模拟方法可部分代替室内卸载岩爆试验,大幅降低试验费用,是岩爆试验研究中的一种新的有效途径.     

基于细观特征分析的单节理岩石破裂机理研究

为揭示不同节理方位对岩石破裂机理的影响,利用PFC软件模拟岩石裂纹孕育、发展和贯通过程中产生的大量声发射数据,基于矩张量理论、P-T图法和T-k图法研究了岩石破裂各阶段中声发射事件的空间位置、破裂方位、破裂类型、应力状态、矩震级等破裂参数及其演变规律。试验结果表明:1)岩石破裂方位受加载方向和节理方位影响,当节理方位与加载方向呈一定夹角时,主压应力分量逐渐分布在与节理方位对应的P-T图位置附近。2)线性张拉破裂所占比例随节理角度的增大而减小,线性剪切破裂、混合破裂和双力偶剪切破裂所占比例随节理角度的增大而增大。3)张拉破裂主要分布于节理面上,其矩震级(能量)较小;剪切破裂和混合破裂主要分布于节理面与临空面的交线上,其矩震级较大。运用矩张量理论、P-T图法和T-k图法可有效掌握岩石破裂机理及其宏观演变规律,可为分析岩体稳定性及其发展趋势提供一种新的技术手段,是传统分析方法的有效补充。     

自适应连续体/非连续体周期边界单元耦合技术在等效岩体中的应用研究

介绍一种新颖的PFC颗粒流程序计算模型构建方法,即:自适应连续体/非连续体(AC/DC)周期边界单元耦合技术。该方法首先构建压实并达到力学平衡的周期组块,通过复制周期组块镜像快速建立颗粒体模型,因此,可避免模型在生成过程中耗费大量时间达到力学平衡状态的缺陷,从而大幅降低计算时间、节省计算资源。以一等效岩体单轴压缩试验为例,在相同初始计算条件下,比较分析AC/DC技术和常规颗粒体模型构建方法得到的计算结果,两者在单轴抗压强度、应力–应变曲线和变形破坏特征等方面表现出高度相似性,表明在保证计算结果准确性的前提下,AC/DC技术的计算效率远高于常规颗粒体模型构建方法,且这种优势将随着颗粒体规模的增大而越发突出。因此,该技术的应用可为后续研究工程尺度节理岩体力学性质等科学问题奠定坚实基础。     

预均化料场堆料机堆料层数和行走速度对均化比的影响

根据侧式悬臂混匀堆料机人字形堆料工艺的原理,分析了堆料层数和行走速度与混匀比的关系,提出满足n≥400及"混匀料堆每层每米长度的布料量(即单位长层吨)相等"这两个条件才能取得有效的均化效果。在工程实践中推荐了层数和实际速度的最佳实际解。     

圆形巷道围岩变形破坏的连续–离散耦合分析

基于有限差分理论及颗粒流理论,以FLAC及PFC程序为实现平台,将颗粒体模型嵌入有限差分网格内部空域,采用fish语言编译连续元与离散元计算数据传输交换函数,建立二维平面应变圆形巷道连续–离散耦合分析模型,从宏–细观角度深入开展不同围压条件下圆形巷道围岩变形破坏机制的研究。研究表明:(1)在低围压条件下,巷道开挖围岩发生弹性变形。当水平围压与垂直围压相等,相同径向距离处的围岩变形量近似相等,均指向圆心。(2)在高围压条件下,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道顶板、底板,当侧压系数K1,围岩破坏主要集中在巷道两帮。围岩破坏形态均呈"毡帽形",帽口朝向巷道中心。(3)在高围压条件下,随着围压不断提高,破裂总数逐渐增多,而破裂孕育扩展时间不断延长。当侧压系数K=1,围岩破坏表现出明显的分区破裂化现象。     

隧道突水涌泥AHP-Fuzzy风险评价

隧道施工过程中常会发生突水涌泥灾害,严重影响隧道施工安全,因此对灾害风险进行评估具有重要意义。本文以2022年北京冬奥会重大交通保障工程延崇高速公路玉渡山隧道为工程背景,采用调查问卷咨询现场技术指导和专家组成员,建立各层次影响因素判别矩阵,采用AHP-Fuzzy法对隧道发生突水涌泥的风险进行分级评估。研究结果表明:(1)综合23种因素建立了隧道突水涌泥风险评估层次结构模型;(2)影响隧道突水涌泥的主要因素为围岩特征和水文地质条件;(3)得出玉渡山隧道ZK18+510~ 670段突水涌泥风险等级为IV级,为高风险突水涌泥地段。本文研究结果与工程实际情况基本相符,可为相关隧道工程的突水涌泥风险分级工作提供一些参考。