基于岩石节理分形特性的岩体稳定性智能辨识

 调查国内大量矿山地质资料,分析其矿岩节理裂隙数据,采用分形理论揭示岩体节理间距和产状分布的分形特性.采用混沌算法优化神经网络,建立矿岩稳定性与其岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角、内聚力、弹性模量、岩体节理间距分形维数和节理产状分形维数的智能辨识模型,寻求岩体判别新方法.研究表明,岩体节理间距分形维数和产状分布分形维数可反映岩体节理空间分布的整体信息;节理间距分形维数越小,岩体完整性越好;产状分布分形维数越低,节理分散程度越小;即二者分形维数越小,岩体稳定性越好.智能辨识模型可以根据矿岩力学参数、岩体节理分形特征,预测不同地质条件下的岩体质量,为工程支护设计及施工提供依据.     

不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征研究

为研究神东矿区不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征,分析了基本顶周期破断距影响因素,选取大柳塔煤矿52505和上湾煤矿12401工作面进行物理相似模拟实验,探究了不同破断距影响下覆岩裂隙网络分布特征,借助Matlab软件获取不同覆岩裂隙网络分布分形维数,定量描述了覆岩裂隙发育特征,进一步探讨了覆岩裂隙传播影响下不同岩层沉降规律。研究结果表明：影响基本顶周期破断距主要因素包括基本顶厚度、抗拉强度以及承载载荷;大柳塔52505工作面、上湾12401工作面模拟开采平均破断距分别为20和30.4 m;不同破断距下覆岩裂隙网络的分形维数随煤层工作面推进呈现阶梯形增长态势,分形维数可较好地表征覆岩裂隙分布。两工作面最高离层裂隙发育高度与分形维数变化趋势均近似呈非线性正相关;不同破断距对覆岩整体裂隙发育扩展趋势影响显著,工作面回采前期大柳塔52505工作面分形维数相对较低,回采中后期则相反,破断距小,覆岩整体裂隙发育程度相对较高;两工作面覆岩沉降曲线呈“凸”型,近似以采空区中部对称。     

基于离散裂隙网络与离散元耦合方法的礼让隧道岩体力学参数确定

为了准确地确定礼让隧道节理岩体力学参数,采用3DEC程序中离散裂隙网络(discrete fracture network, DFN)技术,建立了能反映节理裂隙分布特征的离散裂隙网络模型。在此基础上,结合室内岩石、节理力学试验,运用等效岩体技术及3DEC程序,建立基于离散裂隙网络-离散元(discrete fracture network-discrete element method,DFN-DEM)耦合方法的等效岩体模型,并构建反映工程岩体节理分布特征的多尺度等效节理岩体计算模型;通过对多尺度等效节理岩体计算模型进行单轴压缩试验,获取岩体峰前及峰后的力学性质,分析节理岩体的尺寸效应、各向异性、表征单元体及等效岩体力学参数。结果表明:DFN-DEM耦合技术解决了非贯通节理的建模问题;随着等效岩体尺度增大,节理岩体峰值强度、弹性模量逐渐减小,各向异性特性逐渐减弱,且尺度达到5 m×5 m×10 m趋于稳定得到表征单元体;表征单元体尺度下等效岩体力学参数为弹性模量9 GPa、单轴抗压强度0.7 MPa、内摩擦角25°、黏聚力0.3 MPa、抗拉强度0.12 MPa,与Hoek-Brown强度准则所得力学参数对比,两者较为接近。该法为研究工程岩体的稳定性提供了数据基础。     

基于GSI的裂隙化岩体力学参数的确定

裂隙化矿岩体的力学强度特征和参数,主要受到岩块力学参数和岩体的节理裂隙参数的影响。为确定井下开采裂隙化矿岩体的力学强度参数,引入节理间距和节理面粗糙度系数(JRC)对地质强度指标(GSI)系统进行定量化的分级和参数取值,建立了定量化的GSI评价体系,综合采矿活动的影响因子,实现了裂隙化岩体力学强度参数的计算。以锌铜矿体的裂隙化矿岩体结构为研究对象,在进行的岩体工程地质调查基础上,取得了上下盘围岩的节理裂隙间距和节理结构面粗糙度系数,定量确定了上下盘围岩的裂隙化岩体强度力学参数。研究结果表明,运用定量化的GSI方法,可以实现裂隙矿岩体结构强度参数的确定,得到了锌铜矿体的上盘和下盘围岩的强度特征参数,其弹性模量分别为5.749 GPa和4.483 GPa,内聚力分别为3.126 MPa和2.772 MPa,内摩擦角分别为24.56°和23.08°。这些力学强度参数指标为裂隙矿岩体的采矿工程设计提供了基础参数。     

基于三维节理网络模拟的顶煤块度预测研究

顶煤块度是放顶煤开采的关键,以往的块度预测方法主要是考虑节理裂隙影响的原始块度预测;而顶煤块度还与地应力及煤体的力学性质有关。以放顶煤开采的顶煤为研究对象,通过构建三维节理网络系统,对顶煤的原始块度、破断块度及放出块度的预测方法进行研究。统计分析原始构造面的空间分布状态和构造面几何参数的概率分布规律;通过Monte Carlo及破断块度修正系数模拟考虑地应力及煤体力学性质影响的三维节理网络系统;研究三维模型快速切割算法建立节理面切割的顶煤破断块度预测模型。通过提出的顶煤块度预测方法,为坚硬煤体放顶煤开采的放煤工艺过程研究提供理论和技术基础。     

采空区上覆岩体裂隙分形规律的实验研究

以山西省霍州矿务局辛置煤矿2204采掘工作面为原型,利用相似材料模拟实验模拟采空区上覆岩体裂隙的形成过程扣分布状态,运用分形几何理论研究采空区冒落带、裂隙带和弯沉带岩体裂隙的分形规律。实验结果表明：上覆岩体裂隙分形维数随工作面推进经历了由小→大→小并趋于稳定的变化过程,开采结束且岩层基本稳定之后,其分形雏数为采动前分维值的0．5％-5％,且模型采空区边缘地带“三带”的分形维数值较采空区中心的分形维数值大。     

岩石节理面粗糙度的分形效应与试件尺寸影响分析

 岩石节理面的粗糙度是影响岩体形变、位移和强度的主要因素,准确量测岩石节理表面的粗糙度对评价岩石力学特性非常重要.根据分形理论,岩石节理表面具有分形特征,可用分形维数描述节理表面的起伏度,但是岩石节理表面粗糙度一般不具有严格的自相似分形性质,因此,表面分形参数(分形维数D和截距A)的量测结果受到尺度的影响.本文运用三维表面激光形貌仪扫描10个不同尺度的试件(尺寸为100mm×100mm—1000mm×1000mm),结果表明,D和A随试件尺寸增大而减小,两参数都有尺度效应,但存在一个极限尺寸.综合考虑岩石表面尺寸、试件长度以及测量尺度对岩石节理表面粗糙度的影响,提出可靠的分形测量途径.     

层状岩体中地下厂房围岩施工力学行为研究

对缓倾角层状岩体中的大型地下厂房施工力学行为进行了综合研究.详细分析了开挖过程中主厂房围岩不同部位(包括顶拱、上下游边墙)的现场监测资料,并借助基于非连续介质理论的离散元程序UDEC,综合分析了围岩的变形特征、剪位移分布、围岩应力分布、塑性区分布和锚杆轴力分布等岩体力学行为.结果表明,结构面(如软弱夹层、层面和节理裂隙等)是控制围岩变形的主要因素,软弱夹层的存在控制了围岩剪位移、应力和塑性区的分布,是导致锚杆轴力增大的主要因素,实时监测资料和理论计算成果吻合良好.     

工程节理岩体断裂韧性的分形效应

在考察工程节理化岩体断裂力学特征的基础上,提出了“追踪裂纹断裂”的概念,并结合分形几何原理,建立起追踪裂纹断裂的分形模型,从分形几何的角度研究了节理化岩石的微观和宏观结构效应以及使断裂韧性提高的物理力学机制,并通过实测岩样的剪切断裂而进行了验证。     

矿山岩体力学及工程的研究进展与展望

文章针对采矿工程的实际问题，综述了矿山岩体力学理论与应用的研究进展，主要内容包括矿山岩体力学的损伤研究与应用、矿山岩体力学的分形研究与应用和矿山岩体力学损伤与分形研究的工程应用；讨论了矿山岩体力学今后的研究方向，即深部开采带来的工程灾害防治、开采方法选择的科学问题与关键技术措施。     

采动岩体力学—一门新的应用力学研究分支学科

一、引言采动岩体是指随着矿体采出，受到采动应力场影响的那部分岩体（或称围岩）。采动岩体力学属矿山岩石力学的一部分，是固体力学与采矿工程相结合的一门交叉学科。如在煤矿开采中，一般情况下覆岩受采动影响后均要发生破坏，直至引起地表移动（或称地表沉陷）。因此，采动岩体往往是山破坏后的各种块状岩体所组成，它最显著的力学行为特征是破断与运动。破碎岩体的行为对采矿工程、岩体内部流体和气体运移及地面建筑和环境带来严重影响。矿山岩石力学在基础研究方面取得的成就已大大促进了采矿工程的发展和生产技术与方法的变革。60年…     

含层理构造黑云变粒岩单轴压缩试验及数值模拟

应用离散元的接触粘结模型,系统分析了节理单元的强度特性,研究了不同加载方向下节理岩体的强度、破坏模式,并与室内试验结果进行了对比验证.研究发现:对于倾角45°分布层状节理岩体,节理单元强度低于岩石基质强度的15%时,节理对整体力学性质产生显著影响,对比室内试验,节理强度为基质强度约2%~4%时可以有效地模拟节理岩体的力学行为;随着岩层倾角的增加,层状岩体单轴抗压强度逐渐减小到逐渐增大的变化过程,呈"U形"分布.研究结果可为颗粒流离散元方法研究节理岩体力学特性提供参考.     

岩体裂隙网络的分形特征

运用分形几何的方法研究了一个露天矿边坡上裂隙的以育情况,发现不同结构类型的岩体中裂隙分布均具有统计意义上的分形特征,分形研究采用了３个参数：裂隙网络分维Ｄｎ裂隙密度分维Ｄｆ和块体密度分维Ｄｂ,分别表征岩体中裂隙网络和复杂程度、裂隙发育的密集程度及裂隙之间的连通程度。３个参数的大小变化反映了岩体中裂隙发育的实际情况,可以作为岩体结构类型划分和工程岩体质量价的定量依据,裂隙网络分维Ｄｎ越大,裂隙密度分     

裂隙岩体几何和力学表征单元体尺寸的颗粒流分析

确定裂隙岩体的表征单元体尺寸对于准确分析工程尺度裂隙岩体的结构特性和力学特性非常重要。根据加拿大Brockville铁路隧道内裂隙分布的地质参数,采用Monte-Carlo法构建大尺寸的裂隙网络模型,计算不同尺寸裂隙网络模型的单位体积内的裂隙面积(P_(32))和单位体积内的裂隙数量(P_(31)),确定裂隙岩体的几何表征单元体尺寸(即几何REV)。然后采用颗粒离散元方法构建不同尺寸的等效岩体模型,利用数值试验法得到单轴抗压强度和弹性模量随岩体尺寸的变化规律,确定裂隙岩体的力学表征单元体尺寸(即力学REV)。最后探讨了几何REV尺寸与力学REV尺寸之间的关系,揭示了裂隙岩体结构特征和力学特征之间的内在联系。     

露天矿边坡损伤与可靠性变化规律的数值分析

以鞍钢眼前山露天铁矿南帮节理岩体边坡为工程背景,综合应用FLAC-3D、损伤力学、断裂力学和可靠性分析等多项理论和方法,系统研究了露天矿边坡的节理岩体伴随采矿开挖的概率损伤分析程序,定量揭示了边坡岩体概率损伤分布及演化规律。综合考虑节理、岩石和岩体初始损伤状态的抗剪强度,结合露天矿开挖的FLAC-3D模拟与损伤断裂力学分析,根据Monte-Carlo原理和极限平衡理论建立了露天矿节理岩体边坡的三维稳定性和可靠性动态评价模型,探讨了眼前山铁矿南帮 21 m铁路运输平台的节理岩体边坡在矿山不同开采深度的稳定性和可靠性的动态变化规律。     

水化学腐蚀下岩石损伤力学效应研究

水化学腐蚀条件下岩石损伤力学效应是引起裂隙岩体力学性质变化的主要原因,因此,对裂隙岩体微观结构的水化学损伤效应及其定量化的研究具有重要意义.阐述了裂隙岩体的水化学腐蚀及裂隙岩体损伤力学的国内外研究现状,定性地研究了岩石水化学损伤的化学成分分析理论及能量分析理论,对水化学溶液的腐蚀影响机理进行了分析,并研究了不同化学溶液对岩石变形及强度腐蚀效应的影响.     

基于节理网络模拟和分形理论预测矿岩体块度

块度尺寸和分布特征是自然崩落法选择与设计的重要依据之一,块度预测的可靠性决定采矿方法设计的成败。以金川镍矿Ⅲ矿区贫矿自然崩落采矿法可行性研究为工程背景,开展了岩体块度预测研究;根据Ⅲ矿区开拓工程所揭示的工程岩体,进行了3个区域的岩体节理裂隙调查与统计分析,获得了节理裂隙统计结果及空间分布特征参数;采用蒙特卡罗随机模拟方法生成节理网络模型,并结合岩体分形理论,推导出矿岩体块度尺寸与分布的预测模型;基于所建立的预测模型进行矿岩体初始块度预测。结果表明,当特征尺寸确定为1.2m时,根据1 570m中段调查的4个区域的矿岩体大块率分别达到8.8%,20%,14.83%,6.51%,平均大块率为12.54%;虽然Ⅲ矿区矿岩体破碎,但矿石比岩石强度高,导致矿岩体初始块度的大块率较高,不利于自然崩落法的放矿控制和连续生产。本研究结果为金川矿山的采矿方法选择与决策提供了理论依据。     

节理岩体爆破破坏过程数值模拟

 针对目前常用的有限元和离散元等数值方法难以客观反映岩体中存在的大量断续节理和在外力作用下岩体破碎及块体运动的不足,提出采用最近新出现的数值方法——数值流形方法以解决目前岩体爆破中存在的上述问题.数值流形方法采用数学网格与物理网格以形成求解流形单元,很容易反映岩体中存在的众多初始节理,本文采用断裂力学准则模拟岩石节理和裂纹扩展,采用DDA中的块体运动学理论模拟块体运动,并通过算例对比分析了完整岩体和节理岩体爆破破坏模式的差异.模拟结果表明,节理存在对岩体爆破破坏模式有着重要影响,且其影响程度与节理的几何分布和物理力学性质有着密切关系.     

基于分形理论的岩体原生节理分布特征研究—以长河坝水电站为例

由于岩体内部结构面的分布规律具有随机性、复杂性的自相似的特征,可以运用分形理论对其进行研究。通过现场节理调查,描绘了待爆破区域原生节理的分布网络,并统计分析了节理迹长和倾角的概率分布模型;运用盒维数计算方法得出了结构面分布的分形维数D,讨论分形维数D与岩体的工程质量以及结构面分布之间的关系,实现了对岩体的工程性质以及不同尺度结构面的定量对比分析。结果表明:节理面的倾角和迹长分别服从正态和对数正态分布;江咀料场节理分布的分形维数D=1.315,响水沟料场节理分布的分形维数D=1.275,河口料场断层系的分维数D=1.164,可见分形维数D越大,结构面越发育,岩体的工程质量就越差;另外随着调查尺度范围的增大,分形维数D反而减小。研究结果可对分形理论在岩土工程质量评价及节理岩体的爆破块度预测等方面提供参考价值。     

适于全断面岩石掘进机的围岩分类方法

为了研究影响全断面岩石掘进机(TBM)掘进速率的地质因素,利用三维离散元程序3DEC建立TBM滚刀破岩三维仿真模型,分析不同的地质条件对TBM掘进速率的影响,根据TBM在围岩中的可钻性对南水北调西线工程中的围岩进行分类。分析结果表明:TBM掘进速率与岩石物理力学性质及岩体中的节理条件密切相关,在一定范围内,围岩强度越低,节理分布越密集,TBM掘进速率越高;而围岩强度越高,节理间距越大,使得TBM掘进速率大大降低。