煤巷高冒区遗煤自燃数值模拟分析

煤巷高冒区因遗煤易自燃而成为煤矿内因火灾的重要危险源之一。本文在分析高冒区遗煤赋存状态的基础上,结合平煤十三矿11111巷道高冒区实际情况,应用FLUENT软件,对高冒区漏风风速、温度、氧气浓度以及CO浓度的分布进行了数值模拟。模拟结果表明:高冒区中部漏风在自燃风速范围内;在高冒区内,高温点出现在中部;高冒区中部氧气消耗量最大,煤氧反应产物CO浓度在高冒区中部最高。根据高冒区温度、氧气浓度、CO浓度、漏风风速的分布规律,可将高冒区划分为"易自燃带"和"不易自燃带"。     

温度影响下供水管道力学行为数值模拟研究∗

夏冬季节供水管道漏损和爆管事故频发,表明温度是影响供水管道结构运行安全的重要因素。然而,已有研究大多忽视温度变化对供水管道力学行为的影响。因此,本文采用有限元数值模拟方法,建立了考虑管?土相互作用的热力耦合三维数值模型,研究了地表温度变化对供水管道周围土壤温度场的影响,分析了供水管道因土壤与水温差异造成的力学行为变化,研究了不同温度影响下埋深、管径和壁厚三个因素对供水管道力学行为的影响。 最后,采用均匀试验设计方法,通过大量的有限元数值模拟,建立了供水管道最大应力、最大竖向位移和地表温度变化之间的经验预测方程。研究结果表明：土壤的温度变化幅度小于地表的温度变化幅度,即存在“冬暖夏凉”的效果。因土壤与水体的温度差异,供水管道容易出现“热胀冷缩”的现象,使得供水管道发生漏损或爆管。本文建立的经验预测方程和有限元模拟结果拟合较好,可直接用于评估供水管道不同季节的结构运行风险和沉降风险。     

切顶沿空留巷U+L型通风采场煤自燃风险判定研究

为探究切顶沿空留巷首采面U+L型通风采空区煤自燃危险性,以蒙西棋盘井煤矿东区9-1#层11101工作面为工程背景开展研究。通过封闭耗氧实验,测定得出煤样的耗氧能力弱、不同氧体积分数下煤样的耗氧速度慢、窒熄氧气体积分数(煤耗氧临界值)为15%。通过现场实测确定切顶沿空留巷和工作面的两端压差和漏风分布,现场埋管实测得到回风侧的氧分布数据,搭建了切顶沿空留巷采场相似模拟实验台,得到采场的漏风移动规律。运用CFD仿真探究了切顶沿空留巷采空区的漏风与自燃氧化分布特征,得到采空区可能具有自燃危险的3个区域分别位于开切眼附近、靠近沿空留巷的5～10 m内和工作面后方。提出在尾巷注氮和沿空留巷边界注浆堵漏防灭火措施条件下,可将U+L型通风采空区自燃模式转化为U型通风采空区自燃模式的危险性判定,得到棋盘井矿采空区自燃氧化带的最大宽度为80 m,最低安全推进速度1.2 m/d,无自燃风险,为工程防灭火做出指导。     

综放采空区特性与氧浓度分布关系研究

在现场束管监测实验的基础上,分析总结了综放采空区特性.根据计算流体力学原理,采用FLUENT数值模拟计算软件,针对综放采空区的不同特性,分别对采空区氧化带和窒息带的关键划分指标"氧浓度"进行数值模拟.将模拟结果与实测结果进行比较,讨论了在考虑综放采空区不同特性情况下的数值模拟结果对采空区自燃"三带",即"散热带"、"氧...     

大型复杂采空区空间结构演化规律研究

随着地下矿山开采活动的进行,采空区已成为影响矿山安全的主要隐患之一。以某铜锌矿为背景,利用VS150空区精密探测系统对采空区进行精密探测,采用VoidScan-Geomagic-3Dmine耦合技术,分别建立了研究时段与设计时段采空区三维精细模型,进而对比分析了采空区空间结构演化过程,采用3Dmine-Midas GTS NXFLAC~(3D)耦合的数值模拟技术,结合矿区实际生产情况对设计时段空区进行数值模拟分析,并对空区空间结构演化过程中位移场、应力场及塑性区进行系统的研究,确定了空区顶板及围岩的稳定程度,并进一步揭示了未来时段空区的演化趋势。数值模拟结果与现场实测工作结果相吻合,研究结果为采空区后续的安全治理提供了科学依据。     

城市浅埋暗挖隧道施工诱发地面塌陷的预测模型

以城市浅埋暗挖隧道上覆地层为状态量,隧道埋深、开挖直径、地下水位、上覆地层厚度等为控制量,基于突变理论建立城市浅埋暗挖隧道塌方的突变模型,揭示浅埋暗挖隧道地面塌方与各个影响因素之间的关系(比如随着地下水位的升高,浅埋隧道发生塌方的几率会大大增加)。利用该模型可得到城市浅埋暗挖隧道发生坍塌时,上覆地层地面沉降的临界值。以此上覆地层地面沉降临界值为隧道是否发生塌方的判定依据,结合广东莞惠城际铁路城市浅埋暗挖隧道工程的现场情况以及FLAC3D数值模拟,得出该模型预测沉降临界值与现场实测数据以及数值模拟结果相吻合,验证了该模型的准确性和合理性。     

基于组合赋权和未确知测度采空区遗煤自燃风险评价

为了评价采空区遗煤自燃风险的大小,构建了采空区遗煤自燃风险评价模型,该模型基于未确知测度得到单指标测度矩阵,通过改进G1法、改进CRITIC法、离差平方和最大化计算包含主客观因素影响的组合权重,从而确定评价对象的综合测度向量,引入置信度和等级赋值判定评价对象的风险等级和排序。结合建立的模型,从5个方面建立了采空区遗煤自燃风险评价指标体系,确定了指标的未确知测度分布函数,计算得到了评价指标的组合权重和评价对象的综合测度向量,利用置信度和等级赋值判定了4个采空区遗煤自燃的风险等级和排序。评价结果分析显示：评价对象风险等级和排序符合实际情况,评价结果对煤矿防灭火具有指导作用。     

含水率及温度影响非饱和土导热系数的试验研究

土体的导热系数是能源岩土工程设计与研究中重要的热物理参数。工程中土体常处于非饱和状态。非饱和土体的导热系数会影响地下结构物的力学性能、热交换效率以及整个热工结构的工作效率。为给能源岩土工程设计与研究提供可靠的热物理参数,通过室内单元试验测量了不同含水率和温度下砾砂、粉土和黏土的导热系数,研究这三种非饱和土体的导热系数与含水率、基质吸力和温度的关系。研究结果表明,三种非饱和土体的导热系数都随含水率的增加而增加,最后趋于稳定。砾砂导热系数增加的速率最快,粉土次之,黏土最小。相同含水率下,砾砂导热系数最大,粉土次之,黏土最小。粉土的导热系数与基质吸力密切相关,其关系曲线趋势近似土 水特征曲线。三种土体的导热系数均随温度的增加近似线性增加,但增加幅度仅为10^-3级别,可忽略其影响。     

冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性∗

建立了热-渗流-力(T-H-M)三场耦合能量桩有限元数值分析模型,研究了力学荷载组合不同热聚集度(桩的放热量与吸热量之比)温度荷载下黏土地基中能量桩的长期热-力学特性,包括桩身温度、桩头沉降、桩身轴向应力、 地基土温度和超孔隙水压力特性等。计算结果表明：冷-热平衡时桩头沉降随温度荷载循环的增加逐渐增大,桩头发生沉降累积,桩身轴向应力和地基土温度变化的幅值不随温度荷载循环而变化。当桩的放热量大于吸热量时, 桩身温度随温度荷载循环的增加而升高,桩头沉降随之减小,但热荷载循环对桩身轴向应力没有影响。桩周土温度随热循环的增加而逐渐增大,产生热聚集现象。温度荷载的热聚集度数值越大,桩身和桩周土的温度越高,桩身最小压应力越大,桩头沉降越小。温度荷载引起的超静孔隙水压力数值很小。     

多层采空区条件下的高速公路路堑边坡稳定性数值分析

高速公路建设过程中常穿越各种矿山采空区,采空区对路堑边坡的稳定性产生较大的影响。基于有限差分分析的快速拉格朗算法FLAC3D程序,由于具有强大的数值模拟分析功能,可以模拟多种结构形式的地质体,因而广泛应用于各种岩土工程问题。本文结合国家某重点交通项目,采用快速拉格朗算法FLAC3D程序对多层采空区条件下的某路堑边坡稳定性进行了评价,主要包括开挖、注浆和锚固等工况下路堑边坡的应力和位移分析。分析结果表明,采空区经过处理后的路堑边坡是稳定的,FLAC3D应用于多层采空区条件下的路堑边坡稳定性评价是可行的。     

基于连续⁃非连续方法的正断层下盘开采断层滑移演化研究∗

在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法的基础上,为了模拟时间较长的煤炭开采过程,提出了准静力计算模式;针对煤层离散单元形成的聚集体仍能承受超过自身承载能力的问题,发展了应力跌落方法;以济三煤矿6303工作面的地质条件为背景建立了更准确的力学模型,其中,在断层上盘下端面施加了适当的垂直向上的均布载荷,以克服前人力学模型中由于模型下端面位移被限制断层难以在此位置错动而造成的应力集中问题;通过剔除开采前的断层滑移量,提出了纯粹由采动引起的断层上盘滑移量的计算方法。结果表明:当工作面与断层的距离减少时,煤层下方测点的滑移量呈缓慢增加-缓慢减少-急剧增加的趋势,煤层上方测点的滑移量呈缓慢增加-迅速增加的趋势;同一岩层中测点的滑移量相差不大;高位岩层将先于低位岩层发生明显滑移,断层滑移基本是由上至下发展的,且高位岩层的滑移程度比低位岩层的大;当工作面与断层距离相同时,若开采间隔较小,则煤层上方测点的滑移量较小;当工作面与断层距离小于等于100 m时,采空区上方附近岩层发生明显滑移,应该加强支护。     

水下公路隧道纵向疏散通道加压送风系统研究

为研究水下公路隧道纵向疏散通道加压送风系统的关键设计参数,结合纵向疏散通道的特点,借鉴一般建筑加压送风系统的设计要求,提出了纵向疏散通道内加压送风量的计算方法,并通过数值模拟方法对纵向疏散通道加压送风系统进行了研究。结果表明,利用风速法计算得到的送风量比压差法计算得到的结果大20倍左右,并且压差法计算送风量时受疏散口缝隙宽度影响较大,工程适用性差。通过数值模拟可知,疏散通道内的送风风速达到1.5m/s时即能够满足人员安全疏散要求,这与风速法计算的结果一致。研究结果可供采用纵向疏散模式的隧道疏散通道加压送风系统设计参考。     

玻璃球动弹性模量特性试验和数值模拟研究

堆石料颗粒形状较为复杂,且存在明显的颗粒破碎特征。为剔除颗粒形状对堆石料动力特性的影响,在不考虑颗粒破碎的情况下,采用玻璃球模拟堆石料进行动三轴试验,分析了试验围压对玻璃球动弹性模量的影响。基于动三轴试验成果,开展了细观数值模拟研究。研究表明:玻璃球的动弹性模量变化规律与堆石料的基本一致;三维颗粒流方程能较好地模拟该材料的动弹性模量特性;随着粗细颗粒直径跨度增大,试样级配关系增强,最大动弹性模量随之增大;细颗粒直径变小和粗颗粒直径变大都将引起最大动弹性模量的增大。试样的动弹性模量随着细观剪切模量的增大而增大,近似为幂函数关系,动应变降低。     

地裂缝环境下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的研究

以穿越地裂缝带的西安地铁2号线为研究背景,通过数值模拟对地裂缝作用下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的机理进行了研究.研究结果表明:随着上、下盘位错量的增加,地裂缝处受影响的土体范围逐渐增大,土体的竖向位移也逐渐变大;上盘下降过程中,下盘隧道顶部沉降变形最大,上盘隧道顶部沉降变形最小;隧道的变形区域出现在预设地裂缝两侧,并...     

阜新五龙矿深部冲击地压ANSYS有限元数值模拟

基于AN SY S有限元分析软件,重点对辽宁阜新五龙矿深部冲击地压进行了数值模拟研究,根据实际开采条件建立了AN SY S有限元模型,通过模拟开采311工作面得到了推采距离为100、200、300及400 m时的顶底板Y向应力等值线图,指出顶板Y向应力大小是判断冲击地压是否发生的重要因素,当开采100 m和400 m时工作面迎头位置产生高应力集中区,极易发生冲击地压事故。数值模拟结果表明:阜新五龙矿属于煤体压缩型冲击地压,同时伴有火成岩墙侵入影响。AN SY S有限元数值模拟对深部矿井开采具有一定指导意义。     

单层采动诱发长壁开采水平岩层开裂、冒落过程模拟——基于连续-非连续方法

提出了一种适于模拟准脆性材料(岩石、混凝土等)变形、开裂、接触、摩擦及转动的连续-非连续方法。开展了单层采动诱发长壁开采水平岩层开裂、冒落过程的数值模拟研究。研究发现,在工作面推进过程中,顶板不断离层和开裂,开裂后岩块不断冒落,采空区和工作面上方的垂直应力低值区呈梯形,其尺寸不断增加,直至稳定;在垂直应力梯形低值区两个腰的位置及其顶部一定范围内,裂隙较为发育,垂直应力梯形低值区其余位置的裂隙被重新压实;在梯形低值区两个腰的位置,开裂后岩块倾斜排列,形如砌体;如果将每次工作面推进长度及每两次开采间隔的时步数目均翻番,则顶板冒落变晚,垂直应力梯形低值区的对称性变好,该差异根源于非线性动力学系统对于加/卸载历史的依赖性。在目前的模拟中,未考虑剪裂和液压支架的作用。     

高速铁路采空区地基活化判据与工程实例分析∗

为探究高速铁路采空区地基活化问题,基于附加应力分析法,以引起叠加附加应力值等于 5% 岩土层自重应力的深度为附加应力影响深度,推导出高速铁路有砟轨道双线路堤段及路堑段在无列车、有列车情况下的附加应力影响深度计算公式,提出了以附加应力影响深度与垮落断裂带深度大小关系为依据的采空区地基活化判别标准,并分析了高速铁路采空区稳定性影响程度的评价标准。以沁水煤田太焦高速铁路为工程实例,研究结果表明： 高速铁路在采空区地基附加应力影响深度从大到小分别是列车交会、单车、无车;路堤段在采空区地基中附加应力影响深度大于路堑段;路堤段与路堑段在采空区地基中附加应力随深度衰减规律相同;随着路堤高度的增加,附加应力影响深度几乎成线性增加。     

地铁振动下盾构隧道道床剥离病害演化规律研究∗

盾构隧道整体道床剥离病害是影响地铁行车稳定和运营安全的重要因素。为研究列车振动作用下剥离病害的演化规律，以成都地铁某区段为背景，使用有限元软件 ABAQUS 建立盾构隧道数值模型，根据地层情况、列车轴重及载客情况确定隧道结构受力，利用 DLOAD 子程序编写移动荷载实现列车动载模拟，分析列车动载作用下剥离的分布及发展规律，确定结构最薄弱位置。同时，设计剥离裂缝现场动态监测系统并用于实测，得到的实测结果与数值模拟规律一致。最后根据研究中涉及的影响因素提出了剥离病害的防治建议。研究结果表明：①列车动载作用初期的冲击荷载对道床剥离影响最大，随后在动载作用下，剥离量幅值会逐渐减小；②道床伸缩缝是结构最薄弱位置，列车动载作用引起伸缩缝处的剥离量最大；③提升道床?管片结构整体性可作为病害防治设计思路，如提升道床与管片间粘结面强度、增加锚固措施等，可减少剥离病害的发生。     

长江中下游地区21世纪气候变化情景预测

利用IPCC数据分发中心提供的7个模式的模拟结果,分析了由于人类活动影响,温室气体(GG)增加以及温室气体和硫化物气溶胶(GS)共同增加时,长江中下游地区未来50～100年的气候变化情景.结果表明,长江中下游地区21世纪的未来温度变化与全球和全国一样,都将呈增加的趋势.GG作用下,2050年和2100年长江中下游地区的变暖幅度分别为2.2℃和4.5℃左右,比全国以及东部和西部地区的变暖幅度小;GS作用下2050年和2100年,其分别为1.2℃和3.9℃,总体上,长江中下游地区的变暖幅度低于全球与全国的变暖幅度.各个季节相比,春季和冬季的增温幅度最大,夏季最小,在两种情形下,长江中下游地区21世纪中期夏季温度将分别增加2.3和0.8℃,2100年将分别增加4.1和3.1℃.对降水变化的分析表明,GG作用下,长江中下游地区与全球、全国以及中国西部和东部地区相比,降水增加的幅度最大;GS作用下,降水增加趋势不明显;综合7个模式的模拟结果,GG作用下,春季和秋季降水增加最明显,夏季次之;GS作用下,长江中下游地区的年平均降水变化不明显,夏季降水增加.同时,本文还对长江中下游地区21世纪中期和末期的温度和降水变化的地理分布进行了分析,两种情形下,都是长江以北的增温幅度大于长江以南.GG作用下,春季长江中下游地区21世纪中期降水将增加5%～7.5%,夏季则是长江下游地区降水增加较大,将增加10%,而长江中游地区降水增加不明显;21世纪末,春季和夏季长江中下游地区的降水增加幅度都将加大,尤其是长江以南地区的降水增加最明显;考虑GG和GS的共同影响后,长江以南的地区降水增加,长江以北地区降水减少.     

静载作用下埋地管道数值模拟及其力学性能分析

针对静载作用下埋地管道变形与力学性能,通过有限元数值模拟与模型试验对比分析,验证了有限元数值方法可靠性,进而综合分析了管周砂土相对密实度Dr、加载板宽度B、加载板中心距管道中心水平距离L、管道埋深H和管壁厚度t等因素对管道性能的影响。结果表明:增加Dr,管道正上方加载板极限承载力显著增加,相同荷载下管道应变和径向变形相应减小,管道应变以环向压应变为主;同等条件下随着B的增加,加载板极限承载力呈近似线性增加,管道径向变形和应变增长速率明显增加;随着管道埋深H增加,管道正上方加载板极限承载力先增加后减少,并最终趋于稳定,当埋深为3 D时管顶处竖向应力约为无管道时的50%,管顶土拱效应明显;当增加L时加载对管道径向变形和应变的影响持续减弱,二者沿管周的分布规律明显变化;增加管壁厚度可有效抑制管道环向应变,但对管道径向变形和加载板极限承载力无明显影响。