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。     

节理岩体数值模拟及力学参数确定

采用FLAC3D程序和离散裂隙网络技术构建的遍布节理岩体模型能同时考虑节理岩体中节理和岩体的作用,具有概念清晰、建模快捷、计算效率高等特点. 首先对现场结构面测绘数据进行统计分析,获得其概率分布特征参数,在此基础上分两尺度考虑节理并确定其离散裂隙网络模型;其次基于离散裂隙网络模型构建相应的节理岩体模型,研究其强度特征并获取工程岩体单轴抗压强度;结合Hoek-Brown、Mohr-Coulomb准则及最大围压拟合综合确定节理岩体力学参数;最后将拟合所得参数用于边坡稳定性分析,分别运用强度折减法和极限平衡法计算两种模型的安全系数,对比发现计算结果基本一致,表明所提出的研究思路用于确定节理岩体参数是可行的.     

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.     

基于压力拱理论的深埋节理岩体隧道围岩压力研究

为研究节理岩体隧道围岩压力计算方法,以隧道压力拱理论为基础,通过离散元数值模拟分析了岩体的坚硬程度、完整程度和结构面的抗剪强度对隧道压力拱的影响,应用多元线性回归拟合了多因素围岩压力公式,并结合依托工程对拟合公式进行了适用性分析。结果表明：节理岩体隧道压力拱范围为拱顶到最大主应力方向的偏转点,隧道压力拱高度随着节理间距和结构面的抗剪强度的增大而减小,岩体力学参数对压力拱高度的影响较小;与现场实测的围岩压力相比,计算误差在15％以内。所提围岩压力公式适用性良好,为节理岩体的围岩压力计算提供了新的思路。     

基于块体体积和岩体波速的岩体力学参数估算方法

岩体力学参数的准确取值是岩土力学与工程领域关键科学问题之一.首先引入可考虑节理间距与数量的块体体积（Vb）参数,提出了基于Vb的地质强度指标（GSI）的计算公式,并将基于岩体波速（Vp）的岩体扰动参数（D）代入Hoek-Brown强度准则,提出了基于Vb和Vp的岩体力学参数估算方法.然后通过与已有GSI计算方法对比,验证了基于Vb计算GSI的正确性,并将基于Vb和Vp的岩体力学参数估算方法应用于田西高速的参数取值,同时将数值计算结果与现场调查、监测结果进行对比分析,验证了所提方法的可行性和准确性.该方法推广了Hoek-Brown强度准则的适用范围,并为工程建设初期试验资料不足情况下的参数取值提供了一种新的思路.     

裂隙岩体中隧道变形破坏的节理有限元模拟计算

裂隙岩体是地下工程施工中经常遇到的一类岩体,研究其变形和破坏机理是工程安全施工的保证。以天平线关山隧道工程为例,采用基于修正Goodman单元的节理网络有限元法,将裂隙岩体看作由岩块和节理、裂隙组成的二元结构,其中岩块和节理、裂隙分别采用线性Mohr-Coulomb强度准则和非线性Barton-Bandis剪切强度准则。通过有限元软件Phase~2模拟分析了隧道开挖过程中裂隙岩体的变形破坏特点以及不同工况下隧道拱顶的沉降量,并讨论了Barton-Bandis准则中节理粗糙程度(J_(RC))的取值对围岩稳定性的影响。研究方法为裂隙岩体的数值计算提供了新手段,节理粗糙度(J_(RC))的反演结果能为支护设计和加固措施提供参考依据。     

工程岩体抗剪强度参数的数值分析及应用

借助于地质调查和简便易行的力学实验确定复杂岩体的力学参数是岩石力学积极探索与研究的方向之一 ,根据典型的岩体结构概化模型 ,模拟现场岩体力学实验可以达到简便易行和完成大批量试验的目的 .本文使用数值分析方法 ,模拟了节理—岩桥组合剪切实验过程 ,计算了岩体抗剪切破坏强度参数并应用于工程实践     

破碎围岩条件下采场留存矿柱稳定性分析

采用岩体分级方法(RMR法)、Q系统和地质强度(GSI)指标对矿岩进行了工程地质评价,并通过扩展后的Hoek--Brown节理强度准则进行岩体力学参数确定.根据白羊矿段矿柱布置形式,推导出矿柱荷载公式,并确定了矿柱强度计算参数.针对井下矿柱主要破坏形式分别进行失稳机理分析.将正交设计法引入采场结构参数优化分析中,对各开采方案进行了三维数值模拟.运用正交极差分析法对矿柱稳定性影响因素敏感度进行评价.实践结果表明:采场高度控制在3.5～4.5 m,矿房宽度取值不大于5 m,矿柱直径不小于3.5 m留存矿柱稳定性基本能得到保障.     

三维贯通节理对大跨隧道围岩稳定性的影响

为了探究贯通节理对大跨隧道围岩稳定性影响规律,运用3DEC软件结合离散元强度折减法,以剪切滑移区面积指标为稳定性判据计算大跨隧道围岩安全系数,分析三维状态下节理的走向、倾角、间距、力学参数对围岩稳定性的影响规律。研究结果表明：在大跨隧道围岩中,节理倾向影响稳定性程度由大到小依次为X向、Z向、Y向,仅有单向节理时,ψ>60°时围岩较不稳定;在双向节理组合下,节理倾角致使隧道失稳的经验判别式;节理间距对大跨隧道稳定性的影响程度根据不同块体形状而产生差异,拱顶分布长条形块体时影响最大,洞周分布尖条形块体时影响最小;节理力学参数对大跨隧道稳定性影响程度由大到小依次为内摩擦角、法向刚度、切向刚度、黏聚力;大跨隧道围岩节理倾角由水平到垂直的过程中,围岩变形破坏由拱顶沉降、拱底隆起转变为以拱顶、拱肩大变形及滑移为主。研究结果可为节理岩体中大跨隧道围岩稳定性判定及支护优化提供借鉴。     

节理玄武岩强度特性三维离散元压缩模拟试验

基于节理玄武岩几何结构特征和岩体强度REV尺度,利用三维离散元建立不同节理倾角下的数值模型试件,进行三轴压缩模拟试验分析.对柱状节理岩体在不同围压、不同节理倾角、不同参数比值下的强度变化规律性进行探讨,研究其各向异性比,获取并分析了柱状节理岩体在不同倾角下的等效力学参数.研究结果表明:节理玄武岩强度曲线在不同节理倾角和围压下近似呈U型分布;各向异性程度随围压升高以指数函数形式降低,以坝基原位岩体水平应力15 MPa估算,坝基处玄武岩体属于中等各向异性水平;在节理倾角75°时,对应的等效摩擦角为44.4°,等效黏聚力为1.15 MPa,参数计算值在原位测试值范围内.     

有限宽度崩落矿岩散体侧压力分布规律

金属矿山崩落矿岩散体侧压力对支撑围岩和控制岩体移动具有不可忽视的作用.采用散体颗粒流侧向压力测试实验系统,以弓长岭铁矿崩落矿石为例,研究有限宽度散体崩落矿岩侧压力分布规律:散体静止侧压力随散体埋深的增加呈非线性增加趋势,并基于量纲和谐原理回归散体侧压力随埋深和角度的变化计算式;在无散体回填工况下,散体侧压力随散体放出量的增加而减小,增加散体放出范围,可加速散体侧压力下降速度;在散体回填工况条件下,以模型中间为界,随着散体放出,下部4个测点侧压力值降低,上部4个测点侧压力值升高.上盘侧散体侧压力总体受放矿流动的影响不明显,放矿开始后的突变量也要明显小于下盘侧压力,即在散体补充条件下,散体放出对散体侧压力的影响范围在高度和宽度上都是有限的.该成果对揭示散体承压机理,开发崩落矿岩散体在矿山工程中的应用具有指导意义.     

采动影响下逆断层特征参数对断层活化的作用规律

笔者分析了采动影响下断层滑移的主要影响因素,以数值模拟为研究手段,利用FLAC3D建立了逆断层简化模型,分析了不同断层倾角、不同落差及采掘工作面与断层不同距离的断层带附近煤岩体弹性能、断层面正应力与剪应力、断层滑移量的变化规律,从而揭示了采动影响下逆断层特征参数对断层活化的基本作用规律。研究结果表明:上盘或下盘开采,断层带附近煤岩体弹性能集中程度随工作面与断层距离的增大而降低,随断层倾角及落差的增加而增大,但下盘开采对断层带的能量集中程度较上盘高。下盘开采时剪应力较上盘显著增加,但正应力变化较小,易于断层活化。上盘或下盘开采,随工作面与断层距离的增加,断层滑移量减小。上盘开采,随断层倾角增大,断层滑移量增加;随断层落差增大,断层滑移量减小。下盘开采,随断层倾角增大,断层滑移量减小;随断层落差的增大,断层滑移量增加。     

基于GSI系统的边坡卸荷岩体强度参数确定

地质强度指标(geology stresgth index,GSI)系统和Hoek-Brown破坏准则能反映岩体所处的地质环境,估算出节理化岩体的强度参数。然而,对于具有卸荷特征的岩质边坡,以往GSI的取值缺少对卸荷裂隙与坡面间空间关系的考虑。借鉴边坡岩体质量评价系数(CSMR)系统中对边坡破坏方式和结构面产状的修正方法,以西南某水电站坝肩边坡为例,提出基于GSI系统的边坡卸荷岩体强度参数。     

地应力影响下钠长岩-片岩物理力学特征随赋存深度变化规律研究

本次研究以西南某大型铜矿山的钠长岩-片岩物理力学特征为研究对象,在标高+1890~1760m之间共开展了54个点的工程地质调查工作,标高+1880~1760m之间10次地应力测试,并在标高+1984~1760m之间进行钠长岩、片岩的岩块取样,完成了岩样的物理性质、单轴抗压强度、单轴压缩变形试验,获取了各标高岩样的密度、孔隙率、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比及岩体的节理间距、地应力测试数据。研究结果表明:该矿山钠长岩和片岩的单轴抗压强度、弹性模量、密度及泊松比均随赋存深度增加而增加,孔隙率及节理间距随赋存深度增加而减小。随着岩石的赋存深度增加,地应力值随之增加,直接改变了岩石的应力环境,岩体节理间距的变化同时反映了应力环境的改变。这也引起岩石孔隙率、密度的改变,进而组成岩石的矿物颗粒受到挤压,导致岩石的结构逐渐致密,岩石力学强度特性提高。     

金属露天矿帮坡角变化对最终境界影响

基于正锥排除法基本原理优化南芬露天矿最终境界,研究上盘帮坡角变化对最终境界开采形态、矿岩量等影响.根据南芬露天矿不同时期采场生产现状,设置相关技术经济参数,对矿山进行初始境界优化;按照0.5°步长逐步提升上盘帮坡角,优化不同上盘帮坡角条件下的最佳境界.研究表明,随着帮坡角变陡,最终境界地表范围逐渐缩小,底部尺寸变大或者向下延伸;不同帮坡角加陡方案得到的最终境界,矿岩量可能增大或者减小,总成本也可能增加,但利润值增大.     

杏山铁矿斜分条分段崩落法试验研究

杏山铁矿小杏山采区为层状倾斜厚矿体,原用垂直走向布置进路的无底柱分段崩落法开采,存在矿石损失贫化大、上盘侧回采进路地压显现严重、巷道支护工程量大等生产问题.研究提出斜分条分段崩落采矿法,即沿矿体延深方向,从上盘到下盘按斜线分条开采,每一分条在矿体里布置诱导冒落进路,在崩落本分段矿石的同时,诱导近上盘矿体自然冒落,冒落的矿石由设置在下盘围岩里的回收进路回采.该法较好地顺应了倾斜矿体崩落矿石的移动规律,降低了采切工程总成本.试验采场自2019年5月开始回采,现已回采两个分段,矿石回采率由74%提高到85.6%,贫化率由18%降低到15%,取得了良好的技术经济指标.     

基于三维点云的岩体结构面自动分类与参数计算

结构面间距是岩体稳定性和力学特性分析中的一个重要参数，在岩石力学、采矿工程、边坡监测等领域的数值计算中广泛应用.本文以岩体边坡露头为研究对象，基于非接触测量获得的三维点云数据，提出一种基于密度聚类的结构面细化分类方法；在结构面粗略分组提取的基础上，通过投影变换、散乱点拟合等算法，求得结构面间距和岩体体积节理数.设计开发了结构面细化分类及间距等参数计算与分析原型系统，实际案例分析表明，本文方法可有效实现结构面的自动细化分类，并能够计算出间距等相关参数，可为岩体质量分级和岩体稳定性分析等提供方法支撑.     

开挖卸荷洞壁围岩强度变化规律研究

基于非线性Hoek-Brown强度准则,对地下岩体开挖应力重分布后岩体强度的变化规律进行了研究。结果表明,由于应力卸荷洞周一定范围岩体强度发生明显降低,不同部位降低幅值不同,距洞壁位置越远降低越小。岩体表征参数GSI、单轴抗压强度σci降低,卸荷后岩体强度降低,应力扰动系数D降低,岩体强度升高。