MATLAB在复杂地质区域地应力反演中的应用

地应力场反演工作是深部矿井安全有序、高效生产的重要基础工作之一。为了提升复杂地质区域地应力场的建模和反演速度,利用MATLAB特性将其"胶水式"地应用于地应力场反演过程,减少手动干预的影响,主要开展了以下工作:(1)利用MATLAB编制了模型搜索程序,快速找寻到与工程现场实测测点对应的数值模型中ZONE单元编号及位置;(2)根据主应力、正-剪应力的相互关系,编写了基于MATLAB的二者转换模块,实现了由主应力向正-剪应力的快速变换;(3)利用MATLAB中的regress模块,建立了地应力反演的多元线性回归模型,求解得到的判定系数达到88.26%(1为最大),从而实现了对初始地应力场的重构,为矿井后期的开采设计、安全分析提供依据。结果表明,MATLAB的应用使整个反演与重构过程实现了无缝衔接,大大减少了人工工作量,杜绝了大量数据人工处理带来的误差,提高了工作效率。     

平顶山东部矿区地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

为了研究平顶山东部矿区地应力场特征,以及地应力对煤与瓦斯突出的影响,利用地应力实测资料,运用理论分析和数理统计计算相结合的方法,系统研究了东部矿区地应力的分布规律;并且进行了地应力区块划分,揭示了东部矿区地应力在突出中的作用。结果表明:1)东部矿区地应力场以水平构造应力为主,最大主应力方向为NEE-SWW向,最大水平主应力百米梯度为5.4 MPa左右,该区域内集聚了较高的水平构造应力,应力场类型为大地动力场;2)依据最大水平主应力随埋深增加而增大的应力梯度线,将东部矿区划分为应力升高区和应力梯度区;3)应力升高区由于地应力集中,提供了突出的动力,构造煤的发育则减少了突出阻力,造成了该区域频繁发生突出事故,突出的主导因素为地应力。     

不同地应力条件下直眼掏槽破岩的理论研究与数值模拟

为了研究不同地应力场对直眼掏槽破岩的影响,提出了基于Schwarz交替迭代法和弹性力学理论建立的掏槽区岩体的应力状态方程,同时对不同地应力条件下单孔直眼掏槽破岩过程进行了数值模拟。结果表明:在炸药爆炸前期和中期,初始地应力场对结果影响较小,主要是槽孔爆炸应力场起主导作用,在爆炸后期,初始地应力场对爆破后裂纹的扩展具有导向作用,裂纹扩展主方向趋向于最大初始地应力方向。进一步分析表明,岩体在初始地应力场与爆炸应力场共同作用后,在空孔和槽孔圆心连线上产生最大拉应力,并且在不同地应力条件下最大拉应力模拟值的发展趋势与理论计算较为一致。     

九里山井田断层构造区应力分析及区域划分

利用空心包体应力解除法对九里山矿进行地应力现场实测,得到不同位置和埋深的地应力实测数据,分析结果验证九里山矿地壳浅部以水平构造应力为主。以九里山井田区域内断层构造为骨架,建立三维有限差分地质模型。根据现场地应力测量结果,利用Flac3D软件进行数值模拟,模拟结果显示,断层存在会对原岩应力造成不同程度的扰动,造成原岩应力分布不均。在以上分析的基础上划分出井田应力增高区,应力降低区及应力梯度区     

油气田瓦斯隧道开挖掌子面围岩安全厚度研究

为降低油气田区隧道施工风险，以龙泉山隧道为依托，采用数值模拟方法对隧道开挖掌子面前方围岩安全厚度进行分析，并结合现场监测数据对所得结论进行验证。研究结果表明:隧道施工使隧址区围岩应力重分布，且应力变化与围岩距掌子面距离L有关，当L≤0.75D（D为隧道净高）时，围岩处于应力释放区；当0.75D相似文献   

煤层小断层附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小断层附近瓦斯突出防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过数值模拟研究了与工作面开采方向0°夹角、45°夹角、90°夹角小断层附近采动应力演化特征。结果表明,当工作面沿地应力场最大主应力方向开采时,小断层附近构造应力逐渐得到释放,与工作面0°夹角断层和与工作面45°夹角断层附近的采动应力场分布均匀,工作面瓦斯突出的危险性小,而与工作面90°夹角断层因断层应力阻隔效应,工作面的采动应力分布呈现差异,瓦斯突出危险部位沿断层走向分布;当沿工作面垂直最大主应力方向开采时,断层附近的构造应力叠加与断层应力阻隔效应一起导致采动应力逐渐增大,工作面采动应力分布呈现显著差异,在小断层附近存在瓦斯突出危险部位。煤矿现场瓦斯突出防治应在加强小断层探测的基础上,结合区域地应力场方向、开采条件、断层走向,对断层附近瓦斯突出危险部位做出预测,从而提高小断层附近瓦斯突出防治工作的针对性。     

露采高边坡模型初始地应力场快速生成方法研究*

为防止露釆高边坡建模中初始地应力场畸变,采用子模型法和等效应力梯度边界面力法,用等效应力梯度边界面力替代简化部分水平构造应力,施加侧边界条件。以黄山石灰石矿山高边坡为工程实例,建立取至负地形的高边坡整体计算模型和简化子模型,计算对比整体大模型与简化子模型初始地应力场模拟结果。结果表明:整体大模型与简化子模型水平方向和竖直方向应力误差较小,证明此数值模型简化法可行;以工程边界作为简化子模型侧边界,节点和单元简化率约52%,可快速模拟初始地应力场,提高计算效率。研究结果为高边坡整体大模型初始地应力快速生成提供新思路。     

构造复杂矿区煤与瓦斯突出瓦斯地质分析

为深入认识地质构造带煤与瓦斯突出事故的发生机制,以芦岭矿为例,运用瓦斯地质理论,论述矿区的构造特征和瓦斯地质特征,分析压扭性断层形成过程中构造运动对煤体结构和瓦斯赋存的影响。研究发现,芦岭矿位于逆冲断裂地质构造带上盘,构造松软煤层发育,压扭性断层和层滑构造对矿区影响明显;在挤压应力作用下,压扭性封闭性逆断层区域煤体裂隙发育,应力控制着瓦斯向裂隙发育区运移和聚集,使其成为高压瓦斯富集区;受采掘等作业影响,在煤层暴露的瞬间,压扭性逆断层构造带附近区域煤体内储存的大量承压状态瓦斯和构造松软煤岩混合物被疾速抛出,从而形成煤与瓦斯突出。     

复杂岩溶地区隧道施工突水地质灾害研究

在岩溶山区施工的隧道工程,由于岩溶发育分布的复杂性造成对施工掌子面前方的岩溶分布状况难以准确判定,导致施工过程中岩溶突水突泥灾害发生,影响施工安全。笔者以宜万铁路齐岳山隧道为例,应用岩溶水文地质基本理论,从地层岩性、地质构造、地下水循环条件以及区域地壳运动等岩溶形成发展的控制性因素进行研究;分析了隧址区岩溶地下水的补给、径流、排泄途径;研讨了地层岩性分布规律和区域夷平面分布状况;分析了断层和褶皱等地质构造的分布规律,从而对隧址区的岩溶分布规律有了深入认识,进一步考虑隧道高程和线路走向,评价了齐岳山隧道可能发生岩溶突水突泥等施工地质灾害的危险地段;明确了施工过程中需要进行超前探测和防灾的重点区段。     

复合构造带力学特征及其对瓦斯突出的作用机制

为查明地质构造区域煤与瓦斯突出的致灾原因,利用自主研制的煤与瓦斯突出模拟试验装置,研究逆断层和褶曲复合构造带的应力分布,分析应力对复合构造带瓦斯赋存和聚集的影响,从地质角度阐述复合构造带煤与瓦斯突出发生的力学作用机制。试验发现:复合构造带应力分布较为复杂,沿逆断层的断面转折部位在其附近空间应力分布最为集中,构造集中应力可达原岩应力的1.3~1.7倍。复合构造形成的过程中煤体结构遭到严重破坏,构造煤非常发育,应力集中促使瓦斯向裂隙发育区运移和聚集,使其成为高压瓦斯的富集区;构造煤发育和大量承压状态的瓦斯为煤与瓦斯突出的发生提供了必要的条件。     

热力耦合作用对桩及桩间土拱效应的影响研究*

为研究负温对桩侧应力及桩间土拱效应的影响，通过FLAC3D软件模拟热力耦合作用下新型排桩冻结法中桩间土拱效应的变化及温度效应下的桩间距，并根据巴霍尔金单排管冻结稳态温度场解析解，建立冻结壁平均温度区域解。研究结果表明:桩土接触面的应力分量τxy近似线性变化，应力分量σx近似均匀分布，温度降低对应力分量τxy的分布影响较小，但对应力分量σx的影响较大；负温使桩间距发生变化，且整体平均应力的分布也更加均匀化；通过与巴霍尔金解析解对比，证明单排管冻结温度场模型的可行性，在此基础上建立的单排管冻结壁平均温度区域解，其与数值模拟结果相差不超过1 ℃，计算误差满足工程要求；随着冻结时间的增加，单排管冻结壁温度场呈抛物线形式降低。     

喷头间距对城市隧道细水雾灭火的影响研究

为合理设置城市交通隧道细水雾自动灭火系统喷头间距，在实体隧道中进行了4种不同喷头间距的细水雾灭火实验，利用FDS软件模拟了8种喷头间距下细水雾对火灾温度、烟气密度的影响情况。研究结果表明:实验数据与模拟数据基本吻合；细水雾对隧道火灾抑制效果明显；喷头间距对火灾影响规律可划分为2个区域，对于Ⅰ区（间距<2.5 m），单位体积细水雾质量是影响细水雾灭火的最主要因素，对于Ⅱ区（间距≥2.5 m），细水雾灭火效果受单位体积细水雾质量、动量综合影响，并分别给出了温度、烟气密度与喷头间距的函数关系式；就宽6 m、高5 m的城市隧道而言，细水雾喷头间距宜设置为2.5 m。     

断层影响下合理煤柱尺寸留设数值模拟分析

针对潘三矿1642(1)工作面回采受F24大型逆断层影响,利用FLAC3D软件研究留设不同尺寸断层煤柱情况下,应力场、位移场和塑性区演化规律,从而提出合理的断层煤柱留设尺寸。研究发现,随着煤柱的减小,应力集中区域逐渐向断层上盘转移;在断层影响下,顶板最大下沉位置发生在靠近断层一侧;当煤柱尺寸减小到一个临界值时,采空区上方塑性区发育高度会突然增大。留设合理的断层煤柱就是确保塑性区不与断层接触的情况下,尽量减小煤柱尺寸。     

基于侧压力差异性的深部巷道多场耦合规律分析

为综合分析某深部巷道在侧压力差异性下围岩能量场、应力场及位移场之间的影响特征，为后续施工提供理论指导，考虑4种侧压力系数(κ为0.6、0.9、1.2和1.5),采用三维建模软件Rhino进行基本网格建模，再映射至颗粒流离散元软件PFC^3D进行数值模拟分析。结果表明，1)κ的差异性使围岩应力场发生变化，应力场带动颗粒的运动状态改变，从而进一步影响系统能量场：当κ从0.6增至1.5时，动能增至原来的3.8倍，应变能增至原来的2.6倍；开挖完成后同水平κ下动能衰减至初始值的2%～23%,应变能则衰减至初始值的80%～90%。2)根据κ对围岩应力场影响程度的不同，将围岩分为浅、中、深3部分，其与开挖巷道的扰动区相对应，应力场变化呈现按照深部岩体、中部岩体、浅部岩体依次增大的现象；随着κ的增大，围岩应力场中主导应力改变，体现出拱腰应力变化幅度大于拱顶与拱底的现象，其最大绝对变化量为52%。3)位移场与应力场变化相对应，当κ的差异性导致应力场发生变化时，围岩主导应力状态将会不同，具体表现为随κ的增大，拱顶、拱底竖向最大位移减小及云图中水平扰动区范围增大。     

三种强度准则的盐穴应力弹塑性解及参数敏感性分析

为了更安全地建造地下盐穴储气库，采用Hoek-Brown(H-B)，Mohr-Coulomb(M-C)及Drucker-Prager(D-P)3种强度准则，推导了在内压作用下盐穴的塑性区应力解及塑性半径，讨论了各准则对塑性区半径的影响规律及各准则参数的估计方法。分别运用单因素分析法及多因素分析法，分析了塑性半径对H-B准则参数的敏感性。研究结果表明:同等条件下，H-B准则受岩性、造腔等因素影响时，微小内压的波动使得塑性半径的变化更剧烈，岩体质量较差时更显著。盐穴塑性应力与M-C，D-P相比偏小，更接近实际工程状况。围岩塑性半径受H-B准则参数影响程度的大小依次为:GSI，mi，σci，D。各参数的互相关性对结果影响不大。其中，H-B准则参数GSI，mi，σci的增大会使塑性半径减小，参数D的增大使得塑性区半径增大。研究成果可为合理选择盐穴储库硐室的力学模型及优化参数提供参考价值。     

基于热流固耦合工作面前方瓦斯渗流数值模拟

通过分析温度和地应力对深部煤体瓦斯运移规律的影响，建立了瓦斯渗流热流固耦合模型，以贵州省松和煤矿15#煤层12150采煤工作面为例，利用ComsolMultiphysics软件对深部煤层工作面前方瓦斯渗流进行数值模拟。研究结果表明:受采动影响，在工作面前方“三带”中，卸压区存在大量新裂隙和通道，瓦斯压力梯度最大；在应力集中区至卸压区过渡段瓦斯压力下降速度最快，解释了在该区容易导致瓦斯突出的原因；在应力集中区，瓦斯压力和有效应力较高，压缩煤体，导致煤颗粒排列紧密，渗透率降低；在卸压区，煤体体积形变逐渐变大，产生了很多新裂隙，发生扩容，渗流通道贯通，导致渗透率急剧增加，因此在应力最大处形成了煤层渗透率最低点，随着时间的推移，渗透率最低点逐步远离工作面；在采煤工作面前方，虽然温度升高后瓦斯热运动加剧，有促进瓦斯渗透率的趋势，但由于工作面前方有效应力较大，煤体受热膨胀应力小于有效应力，导致煤体内膨胀，渗流空间减小，造成渗透率降低。     

平顶山矿区东、西分区特征关键影响因素研究

为研究平顶山矿区东西分区的特征,对比多种因素,分析矿区东西区的瓦斯分布特征、突出分布特征和构造煤分布规律,论述地应力和瓦斯耦合对东部矿区突出的控制作用。结果表明,东区瓦斯含量和突出强度明显高于西区,原因是其受控于东区褶皱区,地应力和瓦斯耦合控制着东区的突出;而锅底山断层的形成及其后期演化使西区突出危险性小于东区。东西地质构造的不同,不但导致构造煤、瓦斯含量分布不同,而且给地应力与瓦斯耦合提供了不同的条件。总之,东部褶皱区是造成东区与西区产生明显分区性差异的关键影响因素。     

危险货物集装箱堆场爆炸地震效应对地下结构的安全影响分析

为了研究危险货物集装箱堆场爆炸地震效应对地下结构的安全影响,采用我国《爆破安全规程》以及美国国家公路研究所爆破理论相结合的方法,分析某危险货物集装箱堆场建设项目发生爆炸时对已建隧道的影响。建立三维模型,采用Midas GTS有限元分析软件进行数值模拟分析,经过理论分析与数据拟合,分别确定堆场各点（区域）发生爆炸时隧道壁振动速度与地表爆炸当量的计算模型,确定隧道保护条件,并分别采用隧道壁最大应力模拟计算值进行校验,为堆场选址、堆存货种种类及数量限定提供参考建议。     

水下隧道排烟阀尺寸对侧向排烟系统烟气蔓延特性影响

为探究水下隧道侧向排烟阀尺寸对烟气蔓延特性的影响，依托苏震桃高速公路太湖隧道工程，采用理论分析与FDS数值模拟等方法，对水下隧道侧向排烟系统烟气蔓延特性展开分析。结果表明：随着排烟量的增加，侧向排烟阀变得越狭长，烟气控制效果越好，侧向排烟系统的排烟效率越高；随着排烟量的增大，每个排烟阀处的局部阻力损失有明显增加；并且随着排烟阀变得越来越狭长，排烟阀处局部阻力损失越小，最大能降低原有损失的15.6%。提出了排烟阀局部阻力与无量纲排烟量与无量纲排烟阀尺寸之间的拟合关系式。结合排烟效率分析结果，建议排烟阀尺寸(宽×高)选取4 m×1.5 m。     

示踪试验在隧道涌水与断层水力联系调查中的应用——以江西萍乡钟家山为例

以泉州至南宁高速公路吉安至莲花钟家山隧道段塌方区域为研究对象,调查隧道突水补给源。使用荧光素钠、荧光增白剂和罗丹明3种不同性质的示踪剂,在测区20km2范围内,布置投放点4个、接收点3个,进行地下水示踪试验。结果显示:断层F3经过隧洞处为风化破碎带,风化破碎岩带导水,是隧洞进洞口突水的一个通道;断层F2导水性良好,也是进洞口塌陷的一个充水通道。