岩体力学参数反演的代理蜜獾优化方法

针对复杂地下工程岩体力学参数反演时因大量调用数值计算模型导致计算耗时大的问题,提出一种新的仿生优化代理反演方法,即蜜獾优化算法-高斯过程回归-三维快速拉格朗日数值计算(honey badger algorithm-Gaussian process regression-FLAC^3D,HBA-GPR-FLAC^3D)方法。该方法将围岩的实测位移与数值计算结果间的误差作为目标函数,将岩体力学参数作为优化变量,利用全局寻优性能优异的HBA搜索目标函数全局极小值,并采用牛顿优化算法进行当前最优算子邻域的局部寻优,局部寻优中采用GPR代理模型而非基于FLAC^3D计算所构建的目标函数作为算子适应度评价工具。研究表明,与基于单纯仿生优化算法的反演方法相比,在达到相同计算精度条件下,所提出方法的数值模型调用次数显著降低,适用于单次数值计算较为耗时的复杂地下工程岩体力学参数快速识别。     

基于流固耦合的充水采空区渗流模型

为研究潜水面升降对充水采空区渗透系数的影响,根据立方定律推导以应变为参数的3个渗透主方向上的等效渗透系数,通过FISH函数完善FLAC^3D的非饱和渗流计算功能,基于FLAC^3D的流固耦合计算模式,对采动岩体的等效连续介质流固耦合模型非饱和单元进行修正,实现充水采空区渗流场与应力场的模拟计算.通过主渗透系数比与1差值的绝对值反映渗流场对应力场的影响程度,对比模型修正前后矿柱中部单元的计算结果可知：该值随潜水面升高而增大;模型修正前渗流场对应力场的影响大于修正后;模型修正后最大和最小主应变的变化曲线在饱和度为1后出现拐点.因修正前渗流模型参数与饱和渗流参数相同,由此可验证修正后的模型更符合非饱和渗流理论.最后通过与实际工况中地下水渗流量的数据对比,验证了修正后的模型更符合实际.     

利用ANSYS-FLAC3D三维仿真建模方法研究金灯寺石窟防渗技术

为解决石窟窟顶渗水、地基稳定性差等一系列地质病害,提出并分析了截水廊道和导流孔的综合防渗治理技术,对石窟群进行防渗治理。采用有限元软件ANSYS与有限差分软件Flac^3D组合建立高仿真三维地质模型,利用FLAC^3D软件的interface和fill命令实现层状仿真边坡钻孔模型。在原岩应力条件下分析不同方案应力、位移、塑形区效果,基于理论分析和数值模拟优选出最佳防渗方案。结果表明,增加导流孔的方式对岩体边坡损伤最小,且满足对大气降水导流和地下水截流的要求,岩体边坡稳定性主要受近山体外侧导流孔影响,岩体内部钻孔数目或深度的增加对岩体稳定性影响不明显,路基下方山体喷锚网支护和低压注浆结合的综合岩体加固治理技术可以提高山体边坡稳定性。研究结果为同类岩质边坡及内部结构的排水、地下水截流导流和岩质边坡加固问题提供了一种有效和经济的方法。     

储层注气引起地表变形的全场建模与分析

对储层注气引起地表变形的模拟分析,可用于储层工程灾害预测、指导设计监测岩层变形的倾斜仪安置阵列、校准现有地质模型等,是有效监测地表变形、实施施工过程历史拟合、反演与预测深部储层行为的基础。为对其提供有效的模拟分析,自主研发了用户可控的大规模网格化离散方法,将Eclipse储层模型自动转换并延伸成FLAC^3D全场地质模型,将Eclipse储层流动分析结果转换使其为FLAC^3D岩石力学分析所用,从而实现复杂地质结构储层流动与近远场岩石力学效应的单向耦合。基于此模拟了某大型咸水层二氧化碳封存项目注气一定时间后的地表变形。由于储层注气渗流过程引起的岩体变形在远场十分微小,必须进行高精度的数值计算,而常规模拟流程遇到逼近能力局限性等特殊问题,揭示了其原因并给出了解决方案;探讨了地质模型中储层下伏岩层的厚度对模拟精度的影响。     

基于FISH语言的地质模型联合导入技术与实现

针对FLAC3D非完全可视化的建模方式难以便捷地完成复杂地质模型的生成,提出一种基于FISH语言的地质模型联合导入技术。分析了国内FLAC3D复杂模型导入技术,同时考虑通过提取某油藏数值模拟软件*.grdecl文件的角点网格格式,利用Fish语言编写了复杂地质模型转换为FLAC3D可识别格式的接口程序。将该技术应用在地下含水层储库储层地层压力变化规律及盖层岩体的稳定性数值模拟分析中,结果表明:这种方式在数值模拟中可以实现,对复杂地质模型的FLAC3D导入技术有参考价值。     

基于三维实测的复杂边界矿柱回采崩矿方式数值优化

针对某大型地下金属矿山存有大量复杂边界矿柱的工程实际,为了优化设计复杂边界矿柱回采崩矿方式,结合CMS精密探测技术,运用矿山三维建模软件SURPAC对复杂边界矿柱进行了三维可视化建模.在此基础上,构建了复杂边界矿柱的块体模型,并导出其数据文件,采用接口程序将其导入数值分析软件FLAC3D中,实现了复杂边界矿柱数值模型的快速准确构建.模拟分析了后退式侧向崩矿和水平上向分层崩矿2种可行的回采崩矿方式,结合模拟过程中矿柱及充填体的力学响应特征,实现了复杂边界矿柱回采崩矿方式的数值优化.     

考虑初始渗透压力的裂隙岩体本构模型二次开发及其验证

为充分研究含水裂隙岩体的力学特性,在摩尔库伦模型的基础上,充分考虑初始渗透压力的作用.对本构方程中的柔度张量进行适当的修正,生成考虑初始渗透压力的裂隙岩体本构模型.为了增加对比性,按照同样的理论推导方法及二次开发流程,在不考虑初始渗透压力的影响下,成功地生成未考虑初始渗透压力的裂隙岩体本构模型.在此基础上,利用C⁺⁺语言,将以上两种模型编译成可运行的动态链接库文件.为验证自定义本构模型的准确性,在FLAC3D中建立同一个50 m×50 m×1 m的圆形隧道数值模型进行对比分析.通过分别求解计算3种本构模型,分析各圆形隧道上4个对称点的位移变化情况.结果表明:将初始渗透压力直接引进本构方程中,利用C⁺⁺二次开发出来的本构模型是成功的.     

复杂矿体的块段模型建模算法

为实现复杂矿体表面模型至块段模型的转换,提出采用8叉树结构存储块段模型,使用有向包围盒(OBB)进行单元块与表面模型的相交检测.对于判断点在多面体内的算法进行比较,对Feito-Torres方法进行改进以更加准确地模拟复杂矿体形状.实验证明,该方法能够准确地从各种具有面片重复、相交和开口的表面模型建立复杂矿体的块段模型,减小数据量,对于输入的表面模型数据容错能力强,并且具有健壮性.     

考虑岩体损伤和注浆加固效应的单元稳定性

为了研究注浆对节理岩体损伤的加固效应,从微观角度出发,引入岩体修复因子的概念,构建考虑岩体损伤和注浆加固效应的单元安全系数,以判断岩体的稳定性;然后,利用FLAC3D软件建立数值计算模型,采用FISH语言二次开发单元安全系数程序,得到隧道开挖后围岩不同部位的单元安全系数,将其与FLAC3D软件所得的的塑性区分布进行对比.研究结果表明:单元安全系数Fs≤1的区域与FLAC3D计算得到的塑性区分布范围一致,验证了所推导的单元安全系数计算公式以及自编程序的正确性.     

基于深度学习的框架结构损伤识别研究

卷积神经网络模型和长短期记忆网络模型是两种应用广泛的深度学习网络模型,为探究两种模型在结构损伤识别应用中的效果,采用两种网络模型对钢框架结构的损伤识别进行研究.以3层框架结构为例,选用削减单元自身动力特性后的模态应变能差作为损伤指标,分别输入到两种神经网络模型中,对梁柱单元的损伤程度识别和损伤位置识别进行分析.结果表明：两种网络模型均能很快掌握结构单元的动力特性,在学习了框架结构的模态特征后,均能够精准地识别出损伤单元的位置,同时能较为准确地预测出单元的损伤程度,验证了两种网络模型在以模态应变能差为指标的损伤识别中具有较好的适用性.对比两种网络模型的表现,发现卷积神经网络具有较高的训练效率和较好的泛化性能.     

基于PFC~(3D)的无黏性土渗流临界水力梯度模拟分析

为了实现渗流作用下无黏性土临界水力梯度的计算,应用PFC3D中的渗流模型,对渗流实验算例进行了数值计算模拟,计算结果与实验结果基本吻合,说明该模型用来模拟渗流问题是正确和有效的.对不同颗粒摩擦系数下的无黏性颗粒模型进行了渗流破坏的数值模拟.结果表明:无黏性土的渗流临界水力梯度随着颗粒摩擦系数增加而增大;计算结果与使用经验公式计算所得到的结果基本一致,表明了对渗流临界水力梯度模拟计算的正确有效性.而相较经验公式,应用PFC3D进行渗流数值计算适用于更为复杂的工程和地质条件,因而具有更强的适用性,可为复杂条件下的渗透稳定计算提供可靠的参考和依据.     

力学性能对矿柱体系破坏影响的三维数值分析

在深部高应力等复杂地质条件下开采时,由多个矿柱构成的矿柱体系的稳定性对矿山安全生产至关重要.利用RFPA^3D-Parallel程序,研究了单轴抗压强度对串行和并行矿柱体系破裂过程的影响.结果表明,串行矿柱中强度较弱部分的失稳决定整个体系的稳定,对该段加固和监测有助于体系的稳定性控制;对并行布设的矿柱体系,其压力传递与柱的抗压强度密切相关,较弱柱先破坏,应力依次向强度较高的柱转移,直到矿柱系统失稳;可将声发射数的多峰现象或声发射累积增长阶梯型弧段作为矿柱体系中弱柱失稳破裂、应力向相邻强柱转移的依据.     

孔隙水压力梯度对煤层导向压裂控制影响

基于孔隙水压力梯度对孔壁及裂缝尖端应力作用,提出了煤层导向压裂扩展方法.通过研究有效应力变化,建立了导向压裂起裂压力及裂缝扩展压力计算模型.采用RFPA~(3D)-Flow流固耦合软件建立了孔隙压力梯度场下的导向压裂数值模型.对7组不同数值模型计算分析,研究了导向孔的布置方式、距离、控制水压三个主要因素对导向压裂作用效果.研究结果表明:孔隙压力梯度能有效降低压裂孔起裂压力及裂缝扩展压力.起裂压力及裂缝扩展压力降低幅度与导向孔控制水压呈正相关关系,与导向孔距离呈负相关关系.数值计算得到的起裂压力变化规律与理论计算预测相符合,论证了导向压裂起裂压力计算模型的正确性以及导向压裂裂缝控制方法的可行性.     

PFC~(2D)数值计算模型微观参数确定方法

针对目前应用"试错法"来确定PFC2D数值计算模型微观参数所存在的盲目性问题,提出一种基于物理试验响应的参数确定方法.通过模拟具体对象的基本特性计算模型物理几何参数,借助物理试验响应反演计算颗粒间的接触本构参数.以焦家金矿-450中段下盘糜棱岩为例,在单轴抗压物理试验的基础上,确定相应的数值计算模型微观参数并进行单轴、双轴模拟试验,模拟结果与物理试验具有良好的一致性,验证了微观参数确定方法的可靠性和适用性.PFC2D微观参数确定方法能够在保证精确模拟的基础上,大大降低前期建模工作量,为类似研究提供借鉴.     

无底柱深孔后退式崩矿法采场结构参数优化

为实现某铅锌矿山无底柱深孔后退式崩矿法安全高效开采,开展采场结构参数优化研究.实测-650 m中段原岩应力,运用Surpac-FLAC3D模型生成技术构建数值分析模型,进而采用多元应力回归方法反演初始地应力场.通过弹性力学小薄板理论分析得到顶板稳定性随采场结构参数的变化关系,结合实际采准条件,提出采场结构参数初选方案.基于反演地应力场,进行初选方案开采数值分析,获得各方案力学响应指标.引入多目标理想点法决策,考虑安全和经济指标,计算方案评价指标集与理想解的向量近似度,优化确定该矿无底柱深孔后退式崩矿法采场结构参数为矿房采场宽10 m,矿柱采场宽8 m.     

煤矸石推剪试验的颗粒离散元细观模拟

以现场推剪试验为基础,基于二维颗粒离散元(two dimensional particle flow code,PFC^2D)建立煤矸石推剪试验模型.通过不同级配和孔隙率反映治理前后不同密实度的矸石散粒体,较好地模拟煤矸石现场推剪试验的推力-位移曲线;对比分析治理前后推剪模型推力-位移曲线的差异性,从细观力学角度验证推剪试验中矸石颗粒的运动规律.颗粒离散元模拟结果表明：治理前后推剪模型都存在接触力沿滑裂面传递的现象;由于碾压作用,治理后推剪模型的接触力呈倒月牙形分布;治理后煤矸石试样在推剪完成后,其颗粒接触力与水平方向的夹角比治理前更大,集中分布区域更狭窄.通过颗粒位移矢量图确定推剪试验的滑裂面,解决了煤矸石推剪试验中滑裂面难以确定的问题.     

深部复杂金矿体充填开采对地表建筑物稳定性影响

为研究深部复杂矿体开采对地表建筑物稳定性的影响，借助概率积分法计算安全开采深度;采用3D Mine-Rhinoceros-FLAC^3D耦合构建矿区三维模型，进行地表安全性及变形规律研究.结果表明:①采用充填法进行深部矿体开采，地表产生均匀沉降变形，最大主应力随回采步骤增加呈多项式增长趋势，最小主应力呈线性增长趋势，扰动高度沿矿体走向呈正态分布趋势;②矿体的开采使其正上方产生“盆地式变形”，并依据安全性参数进行地表扰动边界圈定;③当下沉变形值小于10mm、变化率大于0.5时和下沉变形值大于10mm而小于20mm、变化率大于1.5时，地表均为整体下沉现象，稳定性不受影响.     

基于主要目标法的堑沟底部结构位置优化

以西石门铁矿堑沟底部结构诱导冒落法开采边角残留矿体为背景,对堑沟回采矿石量、金属量、品位等指标进行计算,建立了以采出金属量和采出品位为目标的多目标最优化数学模型.结合残矿开采实际情况,选择采出金属量作为最优化问题的主要目标.利用TCL脚本语言对SURPAC软件进行二次开发,并应用其对最优化问题约束条件下堑沟底部结构空间位置的可行方案进行全因子实验.最后得出采切工程布置的最优方案为：堑沟底部结构位于103.1 m水平,与矿体间距为18.65 m.较原设计方案,最优方案采出金属量提高27.79%.     

基于SURPAC的残矿开采堑沟巷道空间位置优化

由于残矿空间形态的复杂性,传统的剖切作图方法难以直观全面地掌握该类型矿体形态,进而难以精确指导采切工程的设计,而SURPAC软件采用三维建模方法,能很好地解决这一难题。以西石门铁矿堑沟底部结构诱导冒落法开采残矿为背景,采用SURPAC软件对堑沟内矿石量、金属量、品位等指标进行计算,将堑沟巷道所在的水平和垂直位置作为优化对象,经过对临界冒落跨度和现场工程技术条件的分析,得出堑沟巷道在两个方向上可布置的范围。依据该范围,设计了正交试验方案。以回采金属量和平均品位作为考核指标,对正交试验结果进行极差和方差分析,得出最优的堑沟巷道空间位置：堑沟巷道间距24 m,位于118 m水平。通过现场实施,取得理想的试验效果,实现了残矿的精细化开采。     

基于Scatchard法的碳酸酐酶-脂质体与药物结合常数测定

 为更好地模拟药物小分子与碳酸酐酶在体内的相互作用,采用碳酸酐酶-脂质体毛细管电泳法,以4-羧基苯磺酰胺为分析对象建立碳酸酐酶药物筛选模型,并以此模型为基础计算12 种药物小分子与碳酸酐酶的结合常数,分析药物小分子与碳酸酐酶的相互作用。结果表明,4-羧基苯磺酰胺与碳酸酐酶-脂质体的结合常数为1.172×10⁴ mL·g^-1,具有较强的相互作用。基于此,筛选出4 种(咖啡酸、L-抗坏血酸、2, 4-二氯-5-磺酰胺基苯甲酸和4-氯-3-磺酰胺基苯甲酸)和5种(阿魏酸、马兜铃酸、没食子酸、原儿茶酸、烟酸)与复合物具有较强或较弱相互作用的药物。通过该法可快速、有效、经济地测定碳酸酐酶或其他靶标与药物的相互作用,缩短药物研发周期。