深部矿井煤与瓦斯突出特性数值模拟研究

为从细观结构层次上研究深部水平矿井的煤与瓦斯突出特性,利用RFPA2D软件系统对深水平煤岩的地应力、煤体瓦斯压力、围岩温度、煤与瓦斯突出的关系进行了数值模拟研究。结果表明:在深部水平,高地应力、高瓦斯压力和高温度梯度与煤岩体软弱、强度降低的矛盾更加突出,在工程扰动下更容易发生煤与瓦斯突出灾害。     

基于渐进微震损伤效应的蓄水期库岸稳定性分析

大岗山水电站自2014年12月开始蓄水,至2015年11月库区水位从975 m升至1 130 m。水电站右岸边坡地质条件复杂,发育有辉绿岩脉、卸荷裂隙带和断层等不良地质体,降低了岩体性状,使右岸边坡在蓄水期存在局部或整体失稳的风险。通过对右岸边坡实施微震监测,获得了蓄水过程中右岸边坡微破裂的演化规律。结合微震监测信息,应用三维岩石真实破裂过程分析方法（RFPA3D-Centrifuge）计算蓄水期右岸边坡在渐进性微震损伤效应下安全系数随库水位升高的变化过程。经计算,边坡安全系数随库水位升高而降低,库水位升高对边坡稳定性有不利影响。最终安全系数为1.76,满足规范要求,说明蓄水过程中边坡处于稳定状态。     

岩土工程稳定性分析RFPA强度折减法

将强度折减法的基本原理引入到岩石破裂过程分析RFPA方法中，建立RFPA—SRM岩土工程稳定性强度折减分析方法。该方法以有限元方法作为应力分析工具，不仅满足静力平衡、应变相容，且充分考虑材料的细观非均匀特性，并秉承RFPA方法的破坏过程分析优势，能够反映岩土结构随强度劣化而呈现出渐进破坏诱致失稳的演化过程。以岩土工程中的边坡为例，阐述RFPA-SRM方法在边坡稳定性分析中的应用。利用RFPA—SRM方法进行边坡稳定性分析时，不需对滑动面做任何预先假定，对复杂地质地貌的边坡稳定性分析是实用的；同时以基元的破坏次数统计作为边坡的失稳判据，不仅可直观地得到坡体的滑移破坏面，还可求得安全系数，为边坡的稳定性研究提供一种新的便捷、有效方法。特别是RFPA-SRM对边坡破裂过程的模拟对于理解边坡的破坏形成机制具有重要意义，更有利于从边坡失稳的源头入手指导边坡防护设计。最后对RFPA-SRM方法在一连拱分叉隧道安全设计中的应用进行探讨，得到该隧道结构的安全系数及潜在破坏模式，表明RFPA-SRM方法同样适合其他岩土结构稳定分析。     

岩石破裂过程分析系统并行计算方法研究

岩石工程灾害与岩石破裂过程失稳密切相关。大型岩石工程破裂过程数值分析需要高效、准确、强大的计算能力支持。一般传统串行计算方法难以满足要求，大规模并行计算是解决这一难题的有效途径。岩石破裂过程分析系统是研究岩石破裂过程的一个重要数值分析工具。代有限元方法和数值计算方法，在消息传递并行环境下，在岩石破裂过程分析系统串行单机版的基础上，结合现利用区域分解和主从编程模式，采用分布存储稀疏线性迭代并行求解方法，在Linux机群上实现应力分析模块中有限元计算的并行处理。通过Windows和Linux协调处理策略，有效地把原有的前后处理功能和机群系统强大的计算能力结合起来，建立岩石破裂过程分析RFPA^3D．Parallel并行分析系统。算例结果表明，并行程序具有很高的加速比和并行效率，能够快速完成三维条件下300万单元的大规模岩石破裂过程分析。应用RFPA^3D-Parallel并行分析系统模拟地壳介质中广泛存在的龟裂现象，再现非均匀介质破坏和裂纹演化过程，从而显示该系统广泛的应用前景。     

细观介质拉压比对岩石破坏过程的影响

通过应用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D，模拟了不同细观单元拉压比的岩石试件在单轴压缩试验下的破坏过程，分析了细观介质拉压比对岩石破坏过程中的力学行为和破坏机理的影响。结果表明，随着拉压比的提高，岩石的整体抗拉强度和残余强度逐渐降低，同时岩石的宏观破坏形式也由剪切破坏向拉伸破坏转变。当拉压比低于某一确定值时，拉压比对岩石的变形行为影响很小。     

基于微震与数值模拟的隐伏构造活化识别方法研究

利用微震监测技术可实现对采场内岩层破断、断层/隐伏构造活化强度识别预测,而利用数值模拟技术可以实现对构造活化区应力场的反演再现,二者互为补充,可实现隐伏构造活化过程中应力扰动-应力集中-局部微破裂-应力迁移等由内因到表象的全程捕捉。基于淮河能源集团张集煤矿1612A工作面生产地质条件及所构建的微震监测系统,分析了采场内微震事件的时空分布特征,探究了微震活动与断层活化之间的关系,提出了以微震数据为基础结合数值模拟反演的隐伏构造活化识别方法。结果表明:煤层采场内的微震事件具有典型的时间阶段性和空间区域性分布特征;结合震源参数确定F_(1611A76)~F_(1611A7677)断层邻近范围存在异常区域,疑似存在该系列构造的衍生断裂;通过数值模拟2种工况下的应力变化响应能量释放规律,反演得到该区域内存在未探明的隐伏构造。通过现场槽波踏勘等物探方法得到特定范围内存在典型异常破碎区,进一步验证了微震监测与数模结合识别隐伏构造活化的可行性及准确性。     

低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题,利用数值模拟软件RFPA^2D—Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后,瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律。研究结果表明,预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高,煤层透气性显著增加,但当裂隙圈之间不相交时,瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移,因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯。现场试验证实,低透气性煤层预裂后,有效导通裂隙增加,布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果,从而降低煤与瓦斯突出危险性。     

裂缝性储层中复杂压裂缝网形成过程的数值模拟

水力压裂技术是油气田增产的重要措施。页岩、砂岩等储层常发育不同程度的天然裂缝,在对裂缝性储层进行水力压裂改造过程中,储层中天然裂缝的存在对水力裂缝尤其是压裂缝网的形成及其发育程度具有十分重要的影响。基于有限元原理的岩石破裂过程分析系统的数值模拟,通过建立发育天然裂缝的二维平面应变模型,研究在储层水力压裂过程中,水力裂缝及复杂压裂缝网的形成过程,并对其影响因素进行分析,同时引入适合于储层复杂裂缝分形维数测定的统计方法——基于盒数法的网格覆盖法,对数值模拟的压裂效果进行评价。结果表明:天然裂缝的发育程度与压裂改造效果关系密切,水力裂缝遇天然裂缝发生分叉,并沿天然裂缝扩展滑移或直接穿过天然裂缝,形成复杂水力裂缝及复杂压裂缝网;天然裂缝发育密度越大,其迹长越长,水力裂缝的分形维数越大,对裂缝性储层改造效果越好。     

煤层气开采过程井壁稳定性的数值试验研究

煤层气开采过程中的井壁失稳及其诱发的煤岩坍塌，是煤层气开采作业中的一个主要问题。利用RFPA^2D渗流与应力耦合作用分析系统，结合工程实例，对煤层气开采过程中钻进结构效应比较明显的煤岩层中水平井眼的尺寸效应，进行了数值试验分析，结果再现了井眼周连裂纹萌生、扩展及应力迁移、释放，最终造成煤岩层坍塌的全过程。结果表明，井眼尺寸对维持井壁稳定的井底压力有显著的影响，井眼直径越大，对维持井壁稳定的井底压力要求越高。