磨料水射流旋转切割岩石深度计算模型

针对地下洞库结构防护设计,需对洞库围岩实施人工致裂,从而在围岩中构建人工裂隙群以达到抗爆消波的目的,提出利用环形磨料水射流切割围岩施工方法。根据磨料颗粒去除非岩石材料体积模型,推导了磨料粒子对岩石的体积去除量与磨料速度关系模型;基于磨料射流切口形状假设了环形磨料射流切割深度估算模型,并与已有数据进行对比验证了模型的有效性;定义磨料射流在外流场的流量衰减系数,提出了磨料射流岩石极限切割深度计算方法,通过算例分析了特定工况下磨料水射流切割砂岩及花岗岩的理想极限深度,得到磨料水射流对岩石的切割半径满足围岩人工割缝半径目标。研究表明:磨料水射流对花岗岩的制缝深度约为切割砂岩的55.7%;使用磨料水射流进行围岩割缝在工程应用中具备施工可行性。     

地下水封储油洞库各向异性渗流特征的数值模拟

以某地下水封储油洞库为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件分析了施工期与运营期地下水渗流场的分布规律,并比较了裂隙岩体渗流各向同性与各向异性两种工况下孔隙水压力分布的差异,最后计算了围岩渗水量.结果表明,人工水幕系统对于保证洞库水封起到至关重要的作用;采用裂隙岩体渗流各向同性评估洞库间岩柱的稳定性更为安全;利用数值模拟方法计算得到施工期及运营期单洞库渗流量分别为1 130 m3/d和775 m3/d.     

基于全位移理论的引水隧洞围岩变形全过程研究

鉴于当前隧洞监控量测方法无法测得由隧洞提前开挖扰动所产生的位移和未及时安装监测设备所损失的位移，因此隧洞围岩变形不能准确预测，基于全位移理论，提出了隧洞开挖过程中损失位移、超前位移和围岩内部变形全位移的计算方法. 对现场监测数据进行回归分析并采用FLAC3D有限差分软件模拟隧洞开挖.研究结果表明：隧洞开挖全过程中，围岩内部位移变化曲线呈S形特征，即分为初始增长、快速增长和稳定收敛3个阶段；掌子面空间约束效应的影响范围大致在前后4倍隧洞直径内；数值模拟中超前位移与全位移比值即围岩超前位移比，计算结果为0.3~0.4，与工程现场围岩实际变形规律相符. 因此，所求得的围岩内部变形全位移更符合现场实际情况，可为后续隧洞开挖过程中围岩内部变形全位移的计算，以及预留变形量的设置提供理论依据.     

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛典型特征与规律

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛特征与规律对其稳定性评价与灾害防治具有重要意义。基于地下水封洞库工程特征与典型洞库工程实例,整理分析了大量洞室围岩内部变形、表层变形、波速与锚杆应力等监测数据。结果表明：预埋的多点位移计测点位移主要为0.5-3mm,收敛位移监测值主要为4-8mm,拱顶沉降监测值主要为3-6mm,围岩时效变形不明显;围岩变形与爆破开挖有关,当掌子面或后续台阶开挖面接近监测断面时,变形出现陡增;围岩质量越差,开挖面空间效应越不明显;基于典型围岩特征曲线经验公式,结合预埋的多点位移计监测数据与数值模拟,提出了地下水封洞库洞室围岩损失位移确定方法,发现损失位移占最终收敛位移50%-60%;基于波速变化率提出围岩松弛程度评价指标,发现围岩最大松弛程度约为0.47,松弛深度为1.5m;洞室围岩锚杆受力普遍较小,锚杆拉应力与围岩变形基本同步变化。     

煤层水力割缝自吸磨料喷嘴特性与参数

针对煤矿纯水射流割缝遇硬煤失效,而磨料射流割缝技术难以实现磨料连续添加等问题,基于引射原理,采用前后双喷嘴结构,设计出一种自吸式磨料射流割缝喷嘴,可以连续吸入割缝产生的煤粒形成磨料射流,提高割缝能力.通过液固两相数值模拟,发现煤粒在喷嘴内经历了3个加速阶段:吸入口加速段、混合腔加速段和后喷嘴加速段.以提高吸入量和最终煤粒的速度为指标,得到喷嘴的最优结构:前喷嘴直径为3 mm,后喷嘴直径为5 mm,后喷嘴长度15 mm.对比割缝实验结果表明,自吸式磨料射流割缝喷嘴的割缝效率较传统割缝喷嘴明显提高.     

某铁矿充填法采矿引起的地表变形的Flac分析

地下采矿必然会引起采空区围岩的崩塌,围岩向采空区的移动可能涉及到地表,造成地表的陷落．采用充填法,留矿柱法等措施能够减轻地表的沉降．本文借助Ansys进行网格划分后,将其导入Flac数值计算软件中．Flac软件能模拟开采、回填、再向下开挖、再回填等过程,与实际开采和充填一致．对金山店铁矿东区分别进行不充填、20％充填、50％充填的地下开采进行模拟,研究采矿引起的地表沉降问题．分析得出下盘稳定性好于上盘,水平位移和垂直位移在量级上相当,充填越多越能减轻地表沉降．     

隐伏溶洞隧道围岩稳定性数值分析与围岩变形动态监测

以闭寨隧道为工程背景,用Midas GTS软件对施工过程进行数值模拟,并将数值模拟结果与现场测量结果进行比较分析。结果表明:开挖断面在经过溶洞的过程中,围岩位移增加较大,其中水平收敛位移增量最大,存在溶洞断面的水平位移是没有溶洞断面的2倍左右;溶洞左侧与隧道右侧塑性区基本连通,二者所夹围岩稳定性差;数值模拟与现场监控量测所得的围岩变形规律基本一致,所得结果可以有效地指导施工。     

磨料射流固液两相流场的数值模拟

为了解决磨料射流固、液两相流场运动对割缝效果的影响问题,采用数值模拟的方法,通过建立磨料射流固、液两相流场的数学模型,研究了磨料两相射流割缝的速度场和流动场规律。结果表明:磨料射流中割缝速度可达100 m/s左右,有利于有效割缝;有效割缝需要入射压力至少达到25 Mpa;磨料射流割缝过程中会形成了一道"水墙"阻止磨料射流全部高速射出。产生二次回流。虽然二次加速的效果有限,但二次循环的水和颗粒经过二次加速能够再一次对壁面形成高速打击,提高割缝效率。研究成果对磨料两相射流割缝提高油井采收率具有指导意义。     

离散裂隙网络模拟在地下硐室稳定性中的应用——以甘肃北山地下实验室为例

以甘肃北山地下实验室为研究对象,开展了离散裂隙网络-离散元（DFN-DEM）耦合方法在花岗岩地下硐室围岩稳定性分析方面的探索研究。选取地下实验室工程勘察范围内代表性勘察钻孔和地表露头裂隙数据进行统计分析,利用三维离散单元软件3DEC构建离散裂隙网络（DFN）和等效岩体模型,模拟分析了地下实验室-560 m水平试验巷道的硐室的稳定性。结果表明：硐室开挖引起硐室围岩应力重分布,裂隙与硐室开挖面相交部位发生应力集中现象,硐室围岩出现位移变形;在现有条件下,硐室围岩变形量较小,应力集中程度不高,地下硐室稳定性较好。     

基于FLAC3D模拟隧道有无支护应力与位移演化特征

为确保隧道断面围岩稳定,保证隧道开挖顺利,基于某隧道工作面为研究背景,通过FLAC3D数值模拟软件,模拟隧道断面围岩开挖后无支护措施,及施加挂网喷浆结合锚杆支护后的围岩塑性区、应力及位移的分布情况,并结合Hoek-Brown准则分析隧道围岩有无支护的破坏条件,分析隧道断面稳定性。结果表明:当隧道开挖,围岩未施加支护,围岩四周位移量较大,岩体应变范围较广,严重影响隧道断面围岩稳定性;当隧道边开挖边支护,围岩施加挂网喷浆结合锚杆支护后,应力及位移得到较大改善,实现了对围岩有效控制,确保隧道断面顺利通过,为相似地质条件隧道围岩支护提供借鉴。     

挂帮矿充填法开采对高陡边坡及采场围岩稳定性的影响

以大冶铁矿高陡边坡下2#挂帮矿回采为工程背景,首先采用GEO--SLOPE软件对挂帮矿开采中边坡稳定性进行了分析;然后通过现场监测及模型相似实验相结合的手段,研究矿柱及围岩的应力及位移变化规律,探讨了挂帮矿充填法开采对采场围岩稳定性的影响.研究表明挂帮矿所在露天初始边坡经过扩帮及内部开采后,安全系数平均值由1.274下降至1.005,边坡稳定性较差;目前空区采场矿柱及围岩稳定性较好,但必须对现有采空区进行充填,改变空区及矿柱应力集中状态,才能进行矿柱及顶底板矿石回采.     

考虑互层状岩体接触状态的地下洞室围岩稳定分析

层间剪切、挤压破碎带是影响互层状岩体地下洞室围岩稳定的重要因素.针对互层状岩体层间剪切、挤压破坏问题,引入界面单元模型模拟其接触特性.在此基础之上,对该接触面模型算法进行改进,针对接触面边界上节点可能存在的接触状态:黏结、滑移、张开和嵌入,建立了相应的接触状态判别准则和修正迭代算法,可以有效模拟互层状岩体层间非线性滑移破坏问题.将本文模型应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站地下厂房围岩稳定性分析中,对比横观各向同性模型计算结果,表明考虑接触后在层间过渡处应力和位移呈现非连续性变化,且量值增大;层间出现了错动位移,在主厂房边墙侧中下部较为明显.     

急倾斜厚煤层采空区稳定性分析及注浆治理效果评价

以某急倾斜厚煤层采空区为对象.首先,通过数值模拟软件进行空区形成模拟,分析最大主应力与竖向位移特征,结合实测数据评价模拟的符合性.结果表明:空区上覆岩层偏向下山煤柱处、上山煤柱偏向下伏岩层处、上覆岩层与上山煤柱交汇处随着集中应力的减小而初期破坏减弱;空区下伏岩层偏向上山煤柱处、下山煤柱与下伏岩层交汇处、下山煤柱偏向上覆岩层处随着应力的增大而初期破坏增强;地表模拟与实际沉降量高度吻合,可以反映空区围岩实际情况.其次,进行空区煤柱失稳模拟,分析并评价围岩的稳定性.表明空区场地最大剩余沉降量为0.3～0.9 m,能破环建筑地基,空区围岩处于失稳状态.最后,模拟空区注浆充填治理,结合现场监测数据评价治理效果.表明现场与模拟监测点最终竖向位移差值在-2.3～8 mm范围,两者基本一致,注浆治理效果显著.可见注浆充填法能有效治理当地类似急倾斜厚煤层采空区失稳问题.     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

地形偏压隧道地表处理措施分析

以回头沟隧道工程为依托,对削坡法、回填法、地表注浆法等偏压隧道地表处理措施进行数值模拟,从控制围岩变形、减小围岩应力出发,分析不同地表处理措施对隧道偏压产生的影响。结果表明:削坡法将坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5后,左右拱肩位移差分别降低了52.7%和75.3%,对围岩竖向位移影响差别较大;回填法将坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5后,左右拱肩位移差分别降低了48.9%和50.0%,对围岩竖向位移影响几乎相同;注浆法注浆后,拱顶及左、右拱肩的竖直位移均比注浆前降低90%以上,地形偏压对隧道的影响基本消失,但注浆区域水泥-水玻璃浆液使围岩密度增大,引发应力场的重新分布,需提高相应位置支护强度。故从围岩变形和应力两方面考虑,采用削坡法将坡比由1∶1.65削至1∶25是处理回头沟隧道偏压段最有效的措施。     

基于屈服接近度的盐岩储气库多因素优化

利用深部盐岩洞穴进行能源地下储备是国际上广泛认可的能源储备方式,利用盐岩进行地下能源储存也已成为中国能源战略储备的重点部署方向。对于盐岩地下储库群来说,不同的设计、运行方案对地下储库的安全性影响也是不同的。针对该问题研究盐岩储库群的布置形式、矿柱宽度及运行压力对于围岩的稳定性的影响。引入屈服接近度(yield approach index,YAI)的概念,通过大量的数值模拟,以YAI作为定量参数,对比各种不同工况下储库群的围岩稳定性情况,给出盐岩地下储库群的优化布置方案,同时也得到了不同储气压力作用下的腔群稳定性结果。研究成果可为盐岩地下储库的工程设计、建设及运营管理提供有益参考和借鉴。     

大型地下洞室群变形实测与数值模拟

以某水电站大型地下洞室群开挖为例,建立了三维数值分析模型,研究了洞室群开挖后洞周围岩的变形特性并分析了锚索应力损失对周围岩体变形和应力状态的影响;通过模拟结果与实测结果进行对比,分析模拟方法的合理性和支护方案的可行性.结果表明,围岩水平位移在洞室边墙中部最大,竖向位移在洞室拱顶最大,在洞室交叉部变形也较为显著;模拟结果与实测结果较接近,能良好地反映洞室实际开挖的过程和围岩的变形规律;锚索预应力损失达到某一程度时会使围岩水平位移显著增大.     

地下厂房洞室群动力反应时程分析

采用动力时程分析法,对杨房沟水电站地下厂房洞室群地震反应进行了三维非线性数值模拟,分析了洞周围岩的加速度、位移时程变化及应力分布特征.计算结果表明,在地震荷载作用下,洞室高边墙对加速度有一定放大效应;洞周围岩地震位移波形与输入地震波形一致,围岩各质点间的相对变形及围岩永久变形均较小;围岩应力分布较为合理,最大主应力及最小主应力幅值较小,地下洞室群在设计地震荷载作用下抗震稳定性较好.