煤岩体孔隙结构应力特征的数值模拟研究

为了探究不同加载方式下煤岩体孔隙周围的应力分布规律,通过CT三维重建技术构建含有不同孔隙形状的煤岩体骨架模型,并利用ABAQUS软件进行单轴、三轴压缩实验模拟。结果表明,球状孔隙结构在单轴压缩条件下,上下区域表现为拉应力集中,左右区域表现为压应力集中。不同倾角的椭球状孔隙结构其长短轴区域的应力集中类型不同。单轴压缩过程中,轴向加载速度影响球状孔隙周围的Mises应力峰值和σ₁应力的变化;三轴压缩过程中,孔隙结构依然经历了压密、弹性、塑性和破坏4个阶段,较低的围压条件使得弹性阶段“应力-应变”曲线与“应力-时间”曲线高度重合。从微观角度为煤岩体力学研究提供了一种新的方法和思路。      

宏观各向异性多孔介质中流体变形及溶质运移

为深入探究含水层中多孔介质的不规则形态和分布对于地下水流场及溶质运移的作用,根据沉积环境中已被发现的倾斜交叉分层地质单元结构,人为构造多孔介质双层交叉鱼骨结构,使其形成宏观各向异性水力传导特征,通过数值模拟研究该结构及其空间位置对于流场和溶质运移的影响。研究发现:宏观各向异性多孔介质引发了螺旋状流动,导致流线的拉伸和折叠,使得溶质羽发生不规则变形,显著提升了非反应性溶质的稀释程度;宏观各向异性结构和溶质羽在三维空间中的垂向相对位置对于溶质运移具有显著影响。     

基于GPU加速技术的非结构流域雨洪数值模型

为高效高精度地模拟流域雨洪过程,应用动力波法求解二维圣维南方程,并耦合水文过程,建立了包含流域降雨产流、汇流、下渗以及洪水演进等过程的高性能流域雨洪数值模型。该模型的优势在于使用非结构网格,可较好地处理不规则边界,准确贴合复杂地形表面,使得模型能精确计算模拟流域雨洪过程,同时引入GPU技术加速计算,使得大尺度流域雨洪计算成为可能。最后,将模型应用于V型经典算例及2个实际流域雨洪算例,所得结果与实测吻合较好,计算所用时间较短,表明该模型可以快速且精确模拟流域雨洪过程。研究结果有助于实现对实际流域雨洪灾害进行合理高效的预测,为应急抢险工作提供有力支撑。     

北极多年冻土区埋地输气管道周边温度场数值分析

以北极规划输气管道工程为依托,建立埋地管道与冻土热交换相互作用数值计算模型,探究了埋地管道在连续多年冻土区、非连续多年冻土区和季节冻土区内,按照不同操作温度(5、-1和-5℃)运行情况下管道周围冻土温度演化过程.计算结果表明:同一区域不同管温对冻土上限值影响差异较大,尤其是在非连续多年冻土区,无论管道是正温输送还是负温输送,由于管道的运营,极大地影响了冻土上限值.5℃正温管道将导致冻土上限下降1～3倍管径;-1℃和-5℃负温管道将有助于提高冻土人为上限.建议在连续多年冻土区管道采用-1℃输送温度;在非连续多年冻土区冬季采用-1℃输送温度,夏季可以是正温,接近环境大气温度,但全年输气平均温度要小于0℃;在季节冻土区,若按照负温输送,反而容易引起管基土冻胀,建议输气温度不作特别控制,与温带地区管道类似,正温输送.希望能够为北极多年冻土区天然气管道建设提供新的思路.     

基于水热耦合的青藏高原分布式水文模型——Ⅱ.考虑冰川和冻土的尼洋河流域水循环过程模拟

尼洋河流域是雅鲁藏布江第四大支流,受冰川、积雪和冻土影响,水循环关系极其复杂。为深入研究该区域内的水文循环过程,本文在寒区水循环模型（WEP-COR）的基础上,针对青藏高原气候和地质特点,构建了耦合“积雪-土壤-砂砾石层”连续体和“积雪-冰川”水热过程模拟的青藏高原分布式水循环模型（WEP-QTP）。在尼洋河流域通过对2013—2016年的流量过程模拟发现,工布江达和泥曲站的逐月流量Nash-Sutcliffe效率系数分别达到0.810和0.752,比改进前的0.430和0.095有明显提升;以2015年为例,对比WEP-COR和WEP-QTP模型发现,WEP-QTP模型在汛期特别是主汛前（冻土融化期）模拟的流量过程不会出现较大的波动,模拟得到的逐日流量Nash-Sutcliffe效率系数相比WEP-COR从-0.67提高到0.54。模型增强了地下水含水层的调节作用,使得流量过程更加平稳且接近实测,研究结果表明,WEP-QTP模型适用于青藏高原的水文模拟。     

双重采动影响下复采煤层巷道稳定性分析与维护方案设计

为了解决薛虎沟煤矿复采煤层回采巷道受双重采动影响下的支护问题,经现场观测,部分巷道顶板存在上部空巷与煤体并存现象,增加了支护难度。通过理论分析和数值模拟的方法对2-106A2巷道在双重采动影响下围岩稳定进行了受力状态分析,并对原支护方案进行了校验,结果表明原支护方案不能满足此条件下的巷道稳定,需要对巷道顶板和右帮(2-106B工作面侧)采取补强支护。利用数值模拟的方法对2-106A2巷道采取补强支护方案后的围岩稳定性进行了分析,模拟结果表明所设计的补强方案合理。另外,在现场采用十字布点法对2-106A2巷道受双重采动影响230 m这段巷道进行了围岩变形量观测,巷道顶板下沉最大量195 mm,左、右两帮移近量分别为124 mm、265 mm,巷道顶板破碎区变形得到了很好的控制,实现了工作面的安全高效回采。     

玄武岩纤维加筋黏土数值模拟及机理研究

为研究玄武岩纤维加筋黏土的力学特性及纤维加筋机理,采用ABAQUS有限元软件构建了玄武岩纤维加筋黏土数值分析模型,同时基于Python语言对ABAQUS建模进行了二次开发,按纤维与干土质量的百分比0、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%和0.60%,考虑了不同纤维长度和分布模式的影响,建立了一系列玄武岩纤维加筋黏土的无侧限抗压试验数值分析模型,并结合室内试验结果进行了对比验证,探讨了纤维加筋机理。结果表明:(1)采用筋土分离的方法,在ABAQUS中基于Python语言进行二次开发可实现纤维加筋土模型的简化建立,模拟结果与室内试验结果基本相符; (2)玄武岩纤维的掺入可以显著提高土体的无侧限抗压强度,并减少土体的侧向鼓胀变形量,纤维掺量、长度和分布模式对土体强度和侧向鼓胀变形量均具有一定影响; (3)纤维加筋机理与纤维在土体中的受力特征有关,通过对不同掺量、长度和分布模式的纤维在土体中受力特征的分析,可以解释其对土体力学特性的影响规律。     

西南印度洋中脊斜向扩张分段特征及构造成因探讨

斜向扩张是超慢速扩张洋中脊独特的构造特征,其地形分段特征明显区别于经典的快速-慢速端元洋中脊模型,是理解超慢速扩张洋中脊地质过程的重要切入点。基于西南印度洋中脊Indomed-Gallieni和Shaka-DuToit段多波束地形数据,分析了不同斜向扩张角度(α)洋中脊的地形分段样式。其中,46.5°~47.5°E(α=5°)、16°~25°E(α=10°)和48.5°~52°E(α=15°)为近正向扩张段,发育雁列式叠置的中央火山脊;47.5°~48.5°E(α=50°)和16°~25°E(α=60°)为斜向扩张段,仅在洋脊段中部形成中央火山脊。利用有限差分+颗粒法(FD+MIC)数值模拟技术研究了洋中脊应变分布特征对不同α值的响应,结合地形分析,认为斜向扩张角度和温度异常分布共同控制了洋中脊地形分段样式。近正向扩张洋中脊(α＜20°)在温度异常处形成地壳伸展应变的集中区,有利于岩浆汇聚,发育雁列式叠置的中央火山脊,其位置随温度异常分布的变化而改变;斜向扩张洋中脊(α>20°)地壳伸展应变集中区的位置受斜向扩张几何样式控制,在洋脊段中部发育中央火山脊,对温度异常不敏感,形成位置长期固定的岩浆活动中心。     

黄山某岩质高边坡稳定性分析与评价

在山区建设中,岩质边坡普遍出现,因此分析岩质边坡的稳定性尤为重要.黄山某岩质边坡勘察,采用极射赤平投影法、力学计算法分别对该岩质边坡稳定性进行定性分析和定量计算,并利用FLAC3 D数值模拟法进行验证.结果表明:该岩质边坡整体较稳定,但因L1、L2两组节理面与岩层面组合成楔形体,在不利条件下,易沿L2节理面向下滑动,破坏模式为滑塌式.数值模拟验证了该边坡在天然工况下处于稳定状态,在暴雨工况下处于欠稳定状态.