矩形巷道矿震应力波扩散规律谱元法分析*

为明晰矿震在巷道围岩中的应力波扩散规律,采用SPECFEM2D程序包谱元法数值模拟方法,研究二维模型在有无矩形巷道情况下应力波扩散过程以及质点最大振动速度PPV值分布规律。结果表明:巷道受S波影响大于受P波影响的程度。巷道表面应力波叠加现象明显,且背波侧巷道左帮上半部分PPV值最大,但深入围岩内部后有巷道时小于无巷道时的PPV值。巷道迎波侧PPV值较背波侧大,且分布范围大,背波侧出现了应力波屏蔽区。巷道顶底板主要受水平方向应力波影响,两帮主要受垂直方向应力波影响。研究结果对理解应力波在矩形巷道周围的扩散规律有一定的参考作用,并对矿震应力波作用下的巷道支护有一定借鉴意义。     

基于Mogi-Coulomb强度准则的井壁稳定性力学分析新方法*

传统井壁坍塌失稳分析模型是基于M-C破坏准则而建立的,该方法忽略了中间主应力对岩石强度的影响,常使得预测的钻井液密度过于保守。为此,引入考虑中间主应力的Mg-C破坏准则建立任意井眼的井壁稳定性评价新模型,通过数值模拟法分析了不同地应力状态下的井斜角和方位角对井壁稳定性的影响。研究结果表明: Mg-C准则克服了M-C准则忽略中间主应力低估岩石强度的影响,其计算结果略低于M-C准则的计算结果,有助于提高钻速,降低钻井成本;正断层地应力状态时,沿最小水平主应力方向钻进时,井壁稳定性最好;走滑断层地应力状态时,沿最大与最小水平主应力之间的某一临界角钻进时井壁最稳定;逆断层地应力状态时,沿最大水平主应力方向钻进时井壁最稳定;该模型有助于指导现场钻井井眼轨迹的优化设计及安全施工。     

倾滑断层对公路的致灾机理分析

在有限元分析的基础上,对正断层和逆断层环境下公路的致灾机理进行了研究.结果表明,断层的活动将引起公路结构的弯曲变形,使公路处于拉、压、剪的受力状态.其中,正断层活动引起公路弯曲变形的范围主要为上盘距裂缝70 m至下盘距裂缝30 m,纵向应力剧增的主要范围为上盘内距裂缝170 m至下盘内距裂缝130 m,路面的开裂位移约为22 cm;逆断层活动时,公路弯曲变形的范围为上盘内距裂缝80 m至下盘内距裂缝40 m,纵向应力剧增的主要范围是上盘内距裂缝170 m至下盘内距裂缝180 m,路面的开裂位移约为12cm.根据公路的变形和受力规律,将正断层和逆断层环境下公路的破坏模式概化为张拉破坏、剪切破坏、弯曲压坏和复合破坏几种类型.按载荷-结构的方法,将上、下盘范围内的公路结构当作受均匀荷载的半无限弹性地基粱,把倾滑活断层环境下公路结构的位移、转角、弯矩、剪力等简化为断层地表竖向位移量、地基系数、路面荷载、路基路面等效刚度的函数.进行了算例分析,计算结果表明,断层活动主要使裂缝带的公路承受较大的变形、弯矩和剪力,这种影响范围主要分布在断层裂缝的两侧各30 m内.     

走滑断层作用下X80管道设计应变规律和神经网络预测

走滑断层是埋地管道常见的地质灾害威胁,断层作用下管道会发生较大的拉压应变而失效。为得到X80管道的设计应变,基于有限元方法建立了走滑断层作用下管道的应变响应数值计算模型,模型使用壳单元模拟管道,非线性弹簧单元模拟土壤约束,采用西二线实际工程的管道应变影响参数范围,计算了管道的设计应变;为预测管道的设计应变值,基于以上参数化分析得到的4 817组设计应变结果,采用人工神经网络建立了管道设计应变预测模型。结果表明:该神经网络模型预测结果的最大相对误差小于10%,预测准确性良好,且该方法具有较高的计算效率,可以为断层作用下埋地管道的应变设计与评估提供参考。     

采动影响下断层滑移失稳研究

为研究采动影响下活动断层的滑移情况,以抚顺矿区老虎台矿为背景,建立了采动条件下覆岩运动的突变力学模型,确定了断层发生滑动的必要条件;运用UDEC数值模拟软件对工作面开采条件下断层活动进行分析,现场工业性试验对断层活动进行监测和验证。结果表明,断层失稳的必要条件为刚度值k≤1,刚度比随着开采深度的增加而逐渐降低;当弹性段采出厚度大于85 m时,F25断层具备了发生滑动的必要条件,易发生冲击地压。83003工作面开采后,F25断层下盘位移基本不变,上盘位移活动幅度较大,最大位移达到了5~7m;锚索测力计的应力变化与断层活动具有较大的相关性,当锚索测力计数值突变时,表明断层已经活动,锚索测力计数值突变越大,预示冲击地压和矿震能量越大。     

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。     

采掘诱发地震的成因及对策

根据煤或岩体的赋存特征及采动后的受力特点，将采矿及掘进等工程进行过程中诱发的地震灾害分为三类，即完整煤岩体受压应力作用的失稳、顶底板受拉应力型地震及断层走滑受剪型诱发地震。文章在分别分析其成因的基础上，研究了采矿诱发三种类型地震的发生条件，提出了防治发生诱发地震的对策。     

基于剪切梁理论的爆破扰动对巷道顶板稳定性影响研究

厚煤层沿底布置巷道顶板维护难度较大,从爆破扰动影响顶板稳定性的角度对此进行了研究.在分析爆破应力波远区破坏效应的基础上,建立了沿底布置巷道顶板的剪切梁模型,依此研究了顶板煤、岩体的水平位移及应力分布规律,最后以某矿地质条件为原型利用Flac3D数值软件进行了模拟研究.研究发现:基于爆破应力波的远区破坏效应,沿底布置巷道的顶板煤层与上覆岩层的相对错动可以用剪切梁理论加以分析.基于此得到了厚煤层巷道顶板中煤层与岩层单调加载过程及循环加载条件下的位移及应力分布,单次爆破对顶板的影响有限,多次扰动的累积效应会对其产生一定程度的损伤.模拟中,随着装药量的增加,沿底布置巷道顶板煤、岩体的水平位移随之增加,且煤体的位移量大于岩体;持续扰动条件下,煤、岩体的水平位移均出现了累加效应,且随着动力扰动作用次数的增加,煤、岩体的相对错动逐渐增大,容易产生顶板离层垮落等动力灾害.研究成果对加强扰动作用下顶板的支护管理具有一定的理论与指导意义.     

走滑断层位移作用下X80天然气管道的管沟合理尺寸分析北大核心CSCD

活动断层是埋地长输管道安全运行面临的主要威胁,走滑断层是常见的1种断层形式,走滑断层错动下管道会产生较大的轴向应变而引发失效。采用松散颗粒状的松砂土进行管沟回填是穿越断层埋地管道主要的抗震措施之一。为得到经济有效、适用工程的管沟尺寸,基于非线性有限元方法建立了准确的考虑管沟回填的管道穿越走滑断层数值模型,使用壳单元和实体单元模型来模拟管道和土壤,采用面与面接触算法准确描述管土接触;通过参数化计算,分析了管沟的几何尺寸对管道应变的影响,并基于经济性原则给出了管沟尺寸的建议值。结果表明:管沟坡度是影响管道应变的主要因素,工程中建设管沟时建议其管沟坡度小于1,且管道尽量浅埋,对于管沟加宽裕量可不做特殊处理。研究结果可为埋地管道的抗震设计提供参考,为管道的安全运营提供保障。     

走滑断层位移作用下X80天然气管道的管沟合理尺寸分析

活动断层是埋地长输管道安全运行面临的主要威胁,走滑断层是常见的1种断层形式,走滑断层错动下管道会产生较大的轴向应变而引发失效。采用松散颗粒状的松砂土进行管沟回填是穿越断层埋地管道主要的抗震措施之一。为得到经济有效、适用工程的管沟尺寸,基于非线性有限元方法建立了准确的考虑管沟回填的管道穿越走滑断层数值模型,使用壳单元和实体单元模型来模拟管道和土壤,采用面与面接触算法准确描述管土接触;通过参数化计算,分析了管沟的几何尺寸对管道应变的影响,并基于经济性原则给出了管沟尺寸的建议值。结果表明:管沟坡度是影响管道应变的主要因素,工程中建设管沟时建议其管沟坡度小于1,且管道尽量浅埋,对于管沟加宽裕量可不做特殊处理。研究结果可为埋地管道的抗震设计提供参考,为管道的安全运营提供保障。     

特厚煤层重复采动条件下断层滑移对冲击地压的影响

为探究重复采动条件下断层滑移特征及其与冲击地压的关系,以老虎台矿83003综放工作面为研究对象,采用数值计算、现场监测和理论分析多种方法进行研究。采用UDEC数值模拟软件和预应力锚索的工作阻力监测,对重复采动条件下断层运动特征以及断层运动与冲击地压或矿震关系进行分析。研究表明,重复采动使断层活化,83003综放工作面开采后F25断层上盘的滑移量达到5~8 m;锚索工作阻力突变值大于5 k N时,将在33 h内发生能量较大(大于106J)的矿震,对冲击地压的发生具有预警作用。覆岩破坏、断层滑移、断层应力场和采动应力场耦合作用是83003综放工作面冲击地压频繁发生的根源。     

用沙坝断层滑移型微震事件群活动特征分析

提出利用空间聚类算法DBSCAN与S波、P波能量比(ES/EP)相结合的方法,识别得到开磷用沙坝矿2014年3—5月IMS微震监测系统数据库中F310断层附近的断层滑移型微震事件群。对微震事件群区域的微震事件活动率与时间分布特征、视体积与施密特数、b等特征进行分析。结果表明:微震事件主要集中在每天的12时到14时,震级大于-0.5级的微震事件主要发生在每天的11时到16时;4月3—10日、5月2—9日和5月16—23日3个时间段内微震事件活动频繁,而且都具有施密特数时间序列曲线斜率增大、累积视体积曲线急剧下降、b出现下降的特性,表明这3个时间段断层区域岩体不稳定,发生危险事故的可能性较大。相比于同等能量的爆破事件,断层滑移型微震事件更能诱发顶板冒落和矿柱坍塌甚至岩爆等灾害,分析其活动特征可为分析断层活动趋势提供有效的预判信息。     

矿井巷道火灾烟流逆退数值模拟及临界风速研究

为了研究矿井发生火灾后高温烟流的蔓延规律及影响因素,利用COMSOL软件对火区进行数值模拟,建立巷道三维模型,得到火区风流速度与温度分布。通过改变边界条件,分析火风压作用下,火区烟气在不同控制风速、巷道条件作用下蔓延规律,得出不同因素与临界风速的关系,为选取合理的火灾控制风速提供理论依据。研究结果表明:火源温度一定时,巷道入口风速越低,火源下风侧高温烟流越靠近巷道顶部,随着风速增大,向巷道下部蔓延;风速较低时,在火区火风压的作用下,会产生烟流逆退现象,随着风速的增大,逆流层长度和厚度随之减小;巷道入口通风条件不变时,火区温度越高越容易产生烟流的逆退,影响范围越大;巷道高度越高、上行风坡度越小,越易发生逆退现象;不同影响因素与巷道平均温度不成正比关系,其中下行风坡度5~15°时巷道平均温度较高且易于发生烟流滚退现象,影响范围较大;火源温度、巷道条件与临界风速的数据拟合结果对预测巷道的临界风速有较好的参考价值。     

冲击地压下巷道围岩失稳机制与控制技术研究综述

为探明冲击地压下巷道围岩控制研究方向,以冲击地压下巷道围岩失稳机制与控制技术为研究对象,调研2000年以来该领域的主要研究内容及研究方法等热点问题,梳理冲击地压发生机理、锚固支护失稳机制、巷道围岩控制机理及技术3方面的研究成果;总结其要点与不足,并提出冲击地压下巷道围岩失稳机理的研究重点和手段。冲击地压下巷道围岩失稳机制、低频强扰动下的锚固体失稳机理、支护-卸压相互协调关系、经济可靠的吸能让压材料、锚-棚耦合传力机制及调控机理是今后冲击地压下巷道围岩控制的研究重点;研究手段方面,应开发能够同时施加静载和低频强冲击下的大比例相似模拟试验台,开发能够嵌入数值模拟商业软件的岩石动态本构关系模型。     

某铅锌矿巷道围岩破坏原因及治理对策分析

为了澄清1 330 m中段巷道发生冒顶、片帮及底鼓的原因,并预测深部各中段巷道的地压显现规律及治理对策,应用FLAC3D模拟实际开挖和开采过程,并分析巷道围岩的应力变化。结果表明:巷道地压显现是拉应力长期作用而发生疲劳拉坏的结果;南侧矿体无断层与巷道贯通,且离1 330 m中段巷道较远,其开采对巷道稳定性影响微弱;北侧矿体有正断层与巷道贯通,离巷道水平距离只有10 m,其开采是引起巷道围岩拉应力增大的主要原因,贯通断层是引起巷道围岩拉应力增大的次要原因;深部巷道应布置在矿体下盘分界线以外不小于15 m处;鞍部矿体采空,有利于1 330 m中段巷道卸压,对1 280 m中段巷道卸压效果微弱;确保断层附近顶柱的完整性,有利于降低巷道围岩的拉应力;对拉伸疲劳破坏的巷道,采用无预应力锚杆支护几乎不起作用。该结论与开挖、开采实践基本吻合。     

动静组合加载作用下块系岩体动力响应分析

深部复杂地质条件下,煤岩破碎更趋呈块系岩体,在动载作用下易于产生超低摩擦效应并失稳诱发煤岩动力灾害。采用FLAC-3D软件模拟块系岩体在垂直冲击载荷和水平静力共同作用下的动力响应,深入分析块系岩体超低摩擦效应发生机理,得到垂直冲击载荷和水平静力共同作用对工作块体位移和应力的影响规律,确定了块系岩体产生残余位移和超低摩擦效应的水平静力特征值条件。研究结果表明:仅垂直冲击载荷作用时,冲击载荷作用强度对残余位移影响并不明显;垂直冲击载荷和水平静力共同作用下,水平静力与残余位移曲线呈半抛物线关系;不同垂直冲击载荷作用下,产生残余位移的突变点不同,且当施加的水平静力处于不同特征值区间时,工作块体运动状态随之不同。     

顺层或逆层岩质急倾斜边坡坡角的确定

为了解当岩体具有急倾斜构造和水平裂隙发育时,由该岩体形成顺层和逆层边坡情况下,不同坡角对该边坡稳定性的影响,使用基于颗粒流理论的PFC3D进行了模拟。利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续性和连续性的岩体构造形式。构建了坡角为40°、50°、60°、70°和80°的顺层和逆层边坡,并对边坡稳定性进行了模拟。模拟结果表明,岩层的重力作用在逆层时有利于岩体外倾,顺层时抑制外倾。相同坡角时顺层较逆层更为稳定。大变形裂隙区的出现位置与岩体构造有很大关系。提出的修建边坡坡角建议为顺层时坡角不应大于60°,逆层时坡角不应大于50°。     

煤岩体巷道壁面钻孔减震吸能性能研究

为了掌握瓦斯爆炸冲击载荷在煤岩巷道壁面钻孔下的传播衰减规律,揭示煤岩巷道壁面钻孔减震吸能机理,提高巷道系统的安全稳定性能,基于一维平面应力波理论和节理刚度模型分析了煤矿井下巷道围岩钻孔的减震吸能机理,解释了煤岩壁面钻孔的存在对应力波传递的减弱和阻隔作用。为了深入研究巷道壁面钻孔的减震吸能性能,利用ANSYS/LS- DYNA建立方形巷道模型,模型壁面设置有钻孔,针对巷道右壁面和顶板布置相应监测点,对瓦斯爆炸冲击载荷作用下巷道壁面钻孔的减震吸能性能进行了数值模拟。结果表明:由于介质的非连续性和不同介质之间特性存在差异,煤岩体巷道壁面钻孔有效消减了钻孔后煤岩体质点中波的强度及速度,具有一定的减震吸能作用。研究煤岩巷道壁面钻孔在冲击载荷作用下的减震吸能性能,为研究瓦斯爆炸冲击载荷对巷道系统安全性和稳定性提供依据。     

煤岩体巷道壁面钻孔减震吸能性能研究北大核心CSCD

为了掌握瓦斯爆炸冲击载荷在煤岩巷道壁面钻孔下的传播衰减规律,揭示煤岩巷道壁面钻孔减震吸能机理,提高巷道系统的安全稳定性能,基于一维平面应力波理论和节理刚度模型分析了煤矿井下巷道围岩钻孔的减震吸能机理,解释了煤岩壁面钻孔的存在对应力波传递的减弱和阻隔作用。为了深入研究巷道壁面钻孔的减震吸能性能,利用ANSYS/LS-DYNA建立方形巷道模型,模型壁面设置有钻孔,针对巷道右壁面和顶板布置相应监测点,对瓦斯爆炸冲击载荷作用下巷道壁面钻孔的减震吸能性能进行了数值模拟。结果表明:由于介质的非连续性和不同介质之间特性存在差异,煤岩体巷道壁面钻孔有效消减了钻孔后煤岩体质点中波的强度及速度,具有一定的减震吸能作用。研究煤岩巷道壁面钻孔在冲击载荷作用下的减震吸能性能,为研究瓦斯爆炸冲击载荷对巷道系统安全性和稳定性提供依据。     

甲烷体积分数及巷道结构对甲烷爆炸特性影响研究

为明确甲烷体积分数及巷道结构对甲烷-空气爆炸特性的影响机制,采用Fluent软件建立3种不同结构的巷道模型,对甲烷体积分数分别为6%、9.5%和13%条件下的巷道甲烷爆炸过程进行数值计算,分析爆炸压力和温度的变化特性以及火焰的传播特性。结果表明:当甲烷的体积分数为9.5%时,直巷道中冲击波峰值压力及爆炸温度最高;随着测试距离的增加,冲击波峰值压力不断降低,并且符合指数衰减特征;不同巷道结构甲烷爆炸后压力峰值的差异主要出现在弯道处,其冲击波峰值压力大小为90°巷道直巷道分叉巷道;分叉巷道中经过拐角后的冲击波峰值压力明显下降,对冲击波阻碍作用显著;此外,当冲击波进入弯道并沿壁面传播时,受压缩波、稀疏波及反射波等多波系共同影响,火焰沿壁面传播特性发生改变。