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。     

吻合度对节理力学特性影响的细观数值试验

岩石节理经过侵蚀、风化及工程扰动等影响后,节理面往往会呈现出不吻合特征,现有关于节理力学性质的研究均是基于Barton公式考虑节理粗糙度系数的完全吻合岩石节理,对不吻合节理还未系统深入研究,本文试图从细观力学角度研究吻合度对节理力学性质的影响规律。首先通过RIEGL LMS-Z420i三维激光扫描仪现场采集节理面起伏状态,以采集的起伏状态为骨架,采用分形插值函数构造节理面的细观几何形态,通过上、下节理面的水平错位移动来描述节理的吻合度;其次,从节理面凸凹点的细观变形出发,提出这些凸凹点集群化后表现出的宏观力学特征及其数值模拟方法,基于此方法,系统地研究吻合度对节理力学性质的影响规律,并通过试验验证该模拟方法的可靠性。研究表明节理的峰值剪切强度与节理粗糙度和吻合度系数的乘积值以及法向作用力成正比。     

基于开采环境再造深孔诱导崩矿方案优化研究

针对新疆喀拉通克铜镍矿高价值软破矿体的特征,提出了开采环境再造深孔诱导崩矿采矿技术,并主要从维护采场稳定性和保证矿石合格块度率的角度,对崩矿方案进行优化研究.首先,运用FLAC3D软件对侧向挤压崩矿和水平分层崩矿过程进行数值模拟,分别从位移场和应力场的分布和变化来分析不同方案对采场结构稳定性的影响;其次,分析了节理裂隙分布对原始矿体的切割作用,以及爆破挤压作用对崩落块度的影响.研究结果表明,侧向挤压崩矿更有利于维护采场结构的稳定,引导节理裂隙对矿体的合理切割,并能充分发挥挤压效应,提高崩落矿石块度的合格率.图4,表1,参14.     

基于变形元件的节理岩体压缩损伤本构模型

为研究节理岩体在压缩荷载作用下的力学响应,基于岩体结构力学观点,把节理岩体在压缩荷载作用下的变形视为岩块变形与节理面变形的叠加,分别采用基于统计损伤模型的弹性损伤变形元件和考虑节理面闭合及滑动的变形元件计算岩块和节理面在压缩荷载作用下的变形,进而建立相应的节理岩体压缩损伤本构模型。并利用该模型讨论节理面弹性模量、最大闭合应变及剪切刚度等对计算结果的影响规律。最后利用该模型对含单条贯通节理的岩体在压缩荷载作用下的应力-应变曲线进行分析计算。研究结果表明:对于可能沿节理面发生剪切滑移的岩体而言,节理面剪切刚度对计算结果的影响最为显著。对本算例而言节理岩体的峰值强度仅为完整岩体的51.5%,反映节理对岩体强度的弱化效应。同时利用该模型得出岩体强度随节理倾角呈现出抛物线变化规律,即当节理倾角在50°~60°之间时,岩体强度最低,该结论与目前的理论及试验研究结果相吻合,从而说明该模型的合理性。     

节理对岩体强度变形特性影响的模型实验

采用模型试验研究节理对岩体强度变形特性的影响.设计150 mm×150 mm×150mm尺寸的3组模型试验,在不同的正压力下,分别对完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体进行中型剪切试验.研究结果表明:岩体以脆性破坏为主,主要有4种典型的破坏方式,破坏形态与节理的排列方式、贯通性以及应力状态等因素密切相关;完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体变形破坏发展过程具有不同的分段特征:完整岩块曲线主要经历剪缩错动、线弹性增长、破坏和残余强度4个阶段;贯通节理岩体曲线主要经历线弹性增长区、过渡区和滑移破坏区3个阶段;断续节理岩体曲线主要经历线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段.断续节理岩体摩尔库仑曲线分别以完整岩块和贯通节理岩体的破坏包络线为上界和下界,可以通过地质力学分析缩小带宽,估算断续节理岩体的强度.     

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。     

甘肃礼县泰山锑矿地质特征及矿床成因探讨

三叠系是泰山锑矿的主要含矿地层。锑矿化明显受地层和断裂构造控制,矿化主要由北西、北东向构造控制,矿化赋存于褶皱构造的核部或翼部、断裂破碎带及层间破碎带、两组断裂的交汇部位、两组节理交汇处和节理裂隙中。围岩蚀变有硅化、黄铁矿化、碳酸岩化、阳起石化,其中硅化与锑矿关系最为密切。矿石自然类型主要有碳酸岩化碎裂石英岩型辉锑矿矿石、构造角砾岩型辉锑矿矿石两大类。成因初步认为它具有同生矿源的特征,应属于沉积再造型矿床。     

矿石块度预测的三维模拟

以构造面的空间展布规律及相互切割关系为基础,采用Monte Carlo技术和三维空间解析几何知识,按照统计学原理模拟构造面对岩体的切割作用及由此切割而形成的岩块大小和形状的分布组成．在块度预测原理基础上,提出了基于Monte Carlo模拟方法的三维块度预测模型,通过应用Borland Delphi 5．0软件开发工具实现对岩体不连续面网络的模拟,从而对岩块抽样,开发了三维块度预测软件系统MAKEBLOCK．应用此软件对金川Ⅲ矿区矿体、上盘和下盘的原始块度进行了预测,结果和RMR值定性评价三者的块度结果一致．     

岩体爆破性分区的分形指标探讨

讨论了岩体节理间距、块度分布和岩块周边曲线的分形特征，并分析了它们同破碎能量的相互关系，提出了以节理间距分维数、块度分布分维数和岩块周边分维数作为岩体爆破性分区指标的必要性和可行性。     

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。     

二滩水电站右坝肩纤闪石化玄武岩软弱岩带流变特性的研究

通过对二滩水电站右坝肩纤闪石化玄武岩软弱岩带的实地调查,并结合室内及现场流变试验结果,建立了该软弱岩带的流变模型——三参数固体模型。应用曲线求参及有限元反演方法获得两组流变参数,并在此基础上对现场岩体的流变参数进行预测,从而确立了该软弱岩带的本构方程。随后,引进金属材料研究领域的成果,利用“转换法”求得各级正应力下的长期抗剪强度,并对现场岩体的长期抗剪强度参数进行了预测。     

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。     

节理岩体损伤模型的有限元分析

将岩体中固有的初始节理损伤考虑成宏观损伤场，通过引入损伤张量模拟岩体的多裂隙性。损伤张量由节理组的实测数据确定，并引入有效应力来计算节理岩体的力学效应。编制了损伤模型的平面非线性有限元程序，并采用损伤模型和常规有限元模型的有限元程序对某矿山边坡进行对比计算分析。结果表明，损伤模型的有限元解析能反映节理岩体的各向异性。     

岩石爆破块度分布的分形结构

应用分形几何理论研究了岩石爆破块度的分形特性，发现岩石的爆破块度具有良好的分形结构。建立了爆破块度的分维数与爆破参数的关系。由此可进行岩石爆破后的块度估算，爆破块度的预报和爆破参数的优化。     

基于节理岩体损伤本构的洞室位移反分析研究与应用

基于对洞室位移反分析中开挖扰动区处理方法的总结分析,探讨将节理岩体损伤本构应用于反分析研究中的实现方法。通过FLAC3D预留的二次开发接口,修改其内置应变软化模型的数值计算格式,即对位于屈服面以外的应力点采用修正应力张量分量的方式替代主应力修正的方式,使修改后的本构模型可适用于各向异性的节理岩体,同时结合FISH语言编制的节理裂隙几何参数随开挖过程的演化程序实现对节理岩体等效柔度张量的更新,从而完成节理岩体损伤本构的FLAC3D二次开发。采用基于支持向量回归机与PSO-DE优化算法的增量位移反分析方法,应用该本构模型对思林水电站地下厂房围岩参数进行反分析。研究结果表明:对于开挖于含成组展布且相对结构尺寸为小量的断续节理岩体内的地下洞室位移反分析问题,将节理岩体损伤本构引入其中是一个很好的尝试,扰动区内围岩的等效弹模平均降低约为20.13%,计算增量位移值与量测值的相对误差在7.54%~16.56%,反分析成果是合理和可靠的。     

节理岩体力学参数确定的数值试验方法

为解决现场或室内试验条件下难以测试大尺度岩体并确定其参数的问题,总结提出了应用数值试验方法确定节理岩体宏观力学参数的方法流程.即将节理岩体单元离散为岩块和节理两种类型,通过室内试验分别研究其力学特性,再把岩块和节理进行组合形成岩体,通过数值计算得出节理岩体的力学特性.将这套方法应用到贵州省某高速公路岩质边坡的岩体参数优化分析中,研究了试件尺寸、各向异性、岩块及节理力学参数等对岩体宏观力学参数的影响.数值试验方法为工程节理岩体参数的确定和优化提供了一种新的思路.     

不同间距和倾角的岩石节理对TBM滚刀破岩的影响

在隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)开挖过程中会遇到表面节理条件不同的围岩,影响TBM操作参数的选取和施工效率。为研究节理条件对滚刀力的影响,本研究设置了三种岩面切缝方案模拟不同间距和角度的节理岩石进行线性切割试验,观察岩面破坏情况,收集岩渣并记录滚刀破岩的三向力和振动信号,从岩体破坏、刀具振动情况分析贯入度、切缝的间距和角度对滚刀破岩效果的影响。结果表明：滚刀法向力和滚动力均随着贯入度的增大而增大;切缝间距400 mm比间距200 mm的岩样所需的破岩力更大,但是破岩效果较差;斜切缝岩样相比平行切缝岩样所需破岩力更低而破岩效果较好。在此基础上本研究利用多元线性回归方法建立了滚刀力预测模型,具有较高的预测精度。     

江西大布铀矿床溶浸地质条件及溶浸方法研究

围绕溶浸采矿这个主题 ,从岩、矿石的物质成分 ,矿石结构构造 ,铀的存在形式 ,岩、矿石物理力学参数 ,矿体形态、产状、规模及矿床水文地质等诸多方面阐述了大布铀矿床溶浸的天然地质条件 ,并通过一系列矿石铀浸出工艺试验 ,获得大量溶浸工艺参数 ,提出大布铀矿床以原地破碎浸出辅以堆浸为最佳采矿方案。     

裂隙岩体施工监测反馈分析中的参数辨识

对包含中等尺寸的成组分布裂隙的岩体，采用岩体几何损伤本构模型，用监测位移反馈分析法同时辨识岩体弹性模量、地应力及损伤参数。讨论了含一组裂隙和两组裂隙情况下弹性模量与损伤参数共同辨识、地应力与损伤参数共同辨识以及三者同时辨识时的可靠性问题。由识别结果给出了可靠辨识的参数组合。     

节理岩体中隧洞开挖的渐进破坏模式

节理岩体中隧洞的破坏模式与节理属性密切相关．基于一个能描述多组节理的岩体模型,采用数值模拟技术研究了节理倾角和侧压力系数对节理岩体中隧洞破坏模式的影响结果表明,节理岩体中隧洞的破坏模式受节理倾角控制．在较小节理倾角下,主要表现为肩部岩体的弯曲断裂、节理之间的分离和边墙岩体的压碎;在较大的节理倾角下,主要以边墙岩体的压碎和节理之间层状岩体的滑移为主侧压力系数亦影响隧洞破坏模式,在较小的侧压力系数下,隧洞破坏主要受节理倾角影响;随着侧压力系数的增大,其破坏主要受构造应力影响．这些结论可为隧洞支护设计和施工提供参考