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。     

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。     

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...     

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。     

冻胀力效应下寒区圆形隧洞稳定性的弹塑性分析

为探讨冻胀力效应对寒区圆形隧洞围岩稳定性的影响,基于考虑冻胀力影响的寒区圆形隧洞稳定性分析模型,采用内边界应力条件(σ_r|_r=r1=σ_r1)推导广义Hoek-Brown强度准则下寒区圆形隧洞塑性区的径向应力、切向应力以及塑性区半径、松动圈半径的弹塑性解。并以实际工程案例为背景,对比分析已有研究方法(即采用外边界应力条件计算),验证内边界应力条件计算方法的可行性和优越性。结果表明：地质强度指标、岩体常数、单轴抗压强度、扰动系数、隧洞开挖半径、冻胀力对寒区圆形隧洞围岩塑性区径向应力、切向应力以及塑性区半径、松动圈半径均有明显影响。其中扰动系数影响比较显著,理想爆破情况(D=0.7)与不考虑扰动情况(D=0)相比较,计算结果相对误差达到32.2%～55.8%。冻胀力的影响非常显著,冻胀力从0增大到1.02 MPa,计算结果相对误差可达到507.1%。如果忽视冻胀力影响会严重低估塑性区的径向应力和切向应力以及高估塑性区范围和松动圈范围。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

断层带边界岩体采动应力特征相似材料模拟研究

为了研究断层带边界岩体的采动应力特征,以龙东煤矿F张断层两侧岩体地层为原型,建立了断层带相似材料模型,对煤柱缩小过程中,近断层带煤层底板采动应力特征及断层带两侧岩体应力变化规律进行了跟踪监测。研究结果表明:随着工作面的推进,超前支撑应力在煤层底板下30m处,反应最为明显;当煤柱宽度减小至30m时,底板集中应力达到最大值为127.64kPa,应力集中系数2.8;煤柱宽度20m时,煤层底板深部近断层带附近开始明显卸压,同时断层带两侧应力变化出现明显差异,显示出断层带对应力传递的影响,上下盘表现出不同的采动特征,容易造成断层的"活化",研究结果可为断层煤柱的合理留设和巷道布置提供依据和参考。     

矿岩接触带巷道顶板变形问题研究

为研究矿岩接触带巷道顶板变形对接触带巷道稳定性的影响,以大冶铁矿矿岩接触带巷道为研究对象,通过力学分析,建立接触带巷道顶板力学模型,推导接触带巷道顶板岩梁挠度表达式;运用FLAC3D数值模拟软件,模拟接触带巷道顶板应力分布和沉降量的变化情况;通过现场监测试验,分析接触带巷道矿岩两侧顶板累积沉降量和沉降速率的变化规律。研究表明:接触带巷道两帮应力局部集中,顶底板存在卸压现象,且顶板应力在接触带处出现波动跳跃;巷道顶板沉降显著,但位移云图变化平稳,位移影响区范围为沿巷道方向接触带前后5.00m左右;接触带巷道铁矿侧顶板累积沉降量和沉降速率均比大理岩侧小;接触带巷道大理岩侧顶板沉降速率先增大后减小,铁矿侧顶板沉降速率先增大后减小再增大再减小。