倾斜岩层大断面隧道塌方机制的数值模拟*

塌方是隧道施工中出现的主要安全事故,研究隧道塌方产生的机制对于保证隧道施工安全具有重要意义。以穿越倾斜岩层段某隧道塌方事故为工程背景,基于围岩的工程力学特性,采用数值分析和现场监测方法研究隧道塌方的力学机制。结果表明:在开挖爆破振动荷载作用下,隧道断面拱部左侧节理岩层极易出现超挖,隧道左侧拱腰处的塑性区显著大于右侧,使左侧拱腰处内侧出现拉应力;左侧拱腰处围岩压力显著大于右侧,造成支护结构的受力不均,初支喷层极易开裂,随着松动区范围逐渐增大,围岩压力逐渐增大,隧道变形迅速增大,极易造成围岩失稳而导致隧道坍塌。     

小煤柱巷道围岩变形的力学机理及演化过程研究

为研究小煤柱巷道围岩变形力学机理与演化过程,以石槽村矿某回风巷为研究对象,采用理论分析、FLAC3D数值模拟以及现场实测等方法,分析小煤柱条件下巷道围岩变形的主要影响因素以及表征特点。研究结果表明:侧压系数为巷道围岩变形的主控因素;侧压系数与巷道顶底板位移量呈正比关系,与两帮位移量呈反比关系;回风巷每次受采动影响时,变形可分为巷道稳定阶段、位移分化阶段以及位移加速变化阶段;围岩变形主要发生在一次采动影响时,此时巷道变形呈现明显的不对称,左右两帮的位移量差异明显,巷道的中心位置明显偏移。研究结果可为小煤柱巷道围岩支护提供技术参考。     

高压储氢系统泄漏爆炸事故的动力学演化

为研究燃料氢气泄漏、爆炸的特性和规律,预防高压储氢系统中氢气泄漏爆炸事故发生,以加氢站为背景,数值仿真45 MPa高压储罐氢气泄漏并引发爆炸事故,分析泄漏爆炸动力学性质以及爆炸波在非均匀氢气浓度中的传播机制。同时,基于泄漏爆炸事故演化的力学机理,开展氢气泄漏爆炸动态风险分析,针对氢气不同泄漏量,建立泄漏扩散形成的气云体积、气云爆炸产生的冲击波与空间x,z方向上危害距离之间关系。研究结果表明：氢气泄漏过程中,气云氢气浓度变化与流场雷诺数具有较好一致性;氢气扩散受到高压储氢罐周围装置影响,流场中氢气浓度分布不均匀;当发生燃烧爆炸事故时,冲击波参数和湍动能变化梯度大;得到复杂布局区域冲击波超压峰值与比例距离之间关系式,其相比于理论方法更精细、计算结果更准确。研究结果可为降低高压储氢系统泄漏爆炸事故后果、采取有效防护措施提供一定依据。     

含磷酸盐对聚乙烯粉尘爆燃的抑制影响实验研究

为了揭示含磷酸盐(KH₂PO₄,NH₄H₂PO₄,Ca(H₂PO₄)₂)对聚乙烯粉尘爆炸的抑制作用,通过哈特曼管实验装置和20 L球形爆炸罐,研究含磷酸盐对聚乙烯粉尘爆炸火焰和压力传播特性的抑制效果。采用高速摄影方法记录含磷酸盐对聚乙烯粉尘爆炸火焰传播的影响;采用20 L球形爆炸罐,收集压力传感器数据,分析含磷酸盐对聚乙烯粉尘爆炸压力的影响;采用同步热分析仪研究聚乙烯粉尘和含磷酸盐的热解行为。研究结果表明：含磷酸盐对聚乙烯粉尘爆炸火焰传播特性参数和爆炸压力特性参数均有显著的影响,通过对比得到NH₄H₂PO₄抑制效果相对最好。研究结果可为含磷酸盐在抑爆剂工程应用提供理论基础。     

复杂气井套管力学分析与可靠度评价

为建立考虑地层和套管参数随机性的套管可靠度评价理论方法,以便得到复杂井况下套管传统设计安全系数与可靠指标之间的关系,提出了非均匀地应力和内压联合作用下,沿套管最大外挤力方向管壁任意位置发生屈服失效时外壁等效均匀外挤力的计算方法;建立了套管抗挤和抗内压三轴强度计算公式以及有效内压计算方法;根据套管载荷和强度影响因素统计参数以及评价过程中参数测试标准值,利用蒙特卡洛法（MC）建立了完整的套管可靠度计算和评价方法;通过实例对传统安全系数与可靠指标的对应关系进行了研究。研究结果表明:指定条件下,套管安全系数与可靠指标之间存在对应关系;利用建立的方法编制计算程序可以为传统设计法中安全系数代表的安全程度进行量化;可靠度评价方法能够为安全系数的选取提供指导。     

加轴压卸围压下含瓦斯煤岩损伤变形的能量演化机制

采动影响下含瓦斯煤岩的损伤变形是一个极其复杂的非线性过程,单纯依靠传统经典弹塑性力学无法准确分析其破坏机理。针对此情况,通过试验研究了不同初始围压条件下含瓦斯煤岩的损伤变形特征,并分析了损伤变形与能量演化规律之间的内在联系。研究表明:初始围压越高,煤样破坏时强度越大,脆性破坏特征越明显,瓦斯流量急剧增加幅度越大,煤样破坏时积累的总能量和弹性应变能越多,且初始围压与弹性能之间满足对数函数关系。采用累积耗散能定义了煤岩损伤变量,并分析了不同阶段损伤与渗透率之间的演化关系。     

低压氢气-空气混合物爆炸试验研究及数值模拟

为了预防或控制密闭容器内氢气爆炸事故,运用20 L密闭球形容器试验研究不同初始低压(0.025～0.1 MPa)下氢气-空气混合物的最大爆炸压力、最大压力上升速率;并采用Fluent数值模拟软件,通过标准k-ε湍流模型和概率密度函数(PDF)燃烧模型,模拟不同初始压力下氢气-空气混合物燃烧过程,直观再现不同初始压力下火焰传播过程及流场扰动状况。研究表明:氢气体积分数一定时,氢气-空气混合物的最大爆炸压力和最大压力上升速率与初始低压均成线性关系;初始压力从0.1MPa降低至0.025 MPa,最大爆炸压力降低75.1%～75.9%,最大压力上升速率降低77.1%～83.7%。另外,初始压力降低,火焰前沿到达器壁的时间变长。     

煤矿长壁工作面瓦斯爆炸全尺寸模拟

为丰富煤矿事故调查内容和有效应用矿井阻隔爆技术,利用气体爆炸数值模拟软件FLACS建立原型尺度的采煤工作面巷道模型进行数值模拟,并结合事故调查资料,研究瓦斯爆炸火焰、冲击波超压和动压在直巷、转角、分叉等巷道结构中的传播规律和破坏特征。结果显示:巷道分叉提供的自由空间可显著限制爆炸火焰传播;巷道分叉及转角能有效降低冲击波超压;冲击波动压气流速度衰减在巷道分叉处较为明显,但对直巷和转角不敏感;携残片和毒烟的动压高速气流是灾区远场的主要致灾因子。定量的数值仿真结果对认识矿井原型尺度下瓦斯爆炸传播规律、再现事故场景、优化阻隔爆设施布置有一定借鉴意义。     

NaHCO3分散状况对其抑制甲烷爆炸的影响研究

喷粉压力和点火延迟时间严重影响着粉体抑爆剂在空间内的分散状况,进而影响粉体抑爆剂的抑爆效果。为探究不同分散状况下粉体抑爆剂的抑爆效果,在自行搭建的5 L试验管道中,结合高速摄像和超压分析开展不同喷粉压力和点火延迟时间下不同质量的NaHCO₃抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气混合物爆炸试验。结果表明:评估不同质量粉体的抑爆效果所需的喷粉压力和点火延迟时间不同。管道底部喷粉和点火时,较小或较大的喷粉压力均无法使粉体分散均匀;粉体的总质量越大,所需的喷粉压力越高;在相同的喷粉压力下,总质量较大的粉体分散均匀时所需的时间较长;抑爆效果良好的粉体能使爆炸火焰的传播时间延缓数百毫秒,此时若仍选择粉体分散均匀时点火,火焰传播前期颗粒的沉降反会使管内粉体分散不均。因此,为合理评估不同质量粉体的抑爆效果,应选择粉体即将充满管道时的扬尘上升期作为点火时刻。     

大断面动压回采巷道围岩变形规律及其控制技术

针对大断面动压回采巷道大变形问题,以成庄矿近20 m²的强扰动回采巷道为例,采用数值模拟及现场实测的方法,对围岩破坏特征、变形规律以及稳定性控制技术进行分析。研究表明:断面尺寸的增大及强回采扰动迫使巷道发生非对称性变形,内部发生分区破坏;采掘应力作用下巷道围岩变形破坏具有明显的阶段性特征;对于大断面动压回采巷道稳定控制,单一的传统支护方式已难以奏效,需采用新型“三高”锚杆及注浆加固等分区协同支护技术;实例中采用该技术支护巷道后,底板底鼓量减少450 mm,两帮移近量减少800 mm,巷道变形得到了有效控制。