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破碎岩体压实特性的三维离散元数值计算方法研究

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岩土力学 2018年第3期39卷 1047-1055页

作者：朱德福屠世浩袁永马行生李向阳中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

研究破碎岩体的压实特性是矿井地下工程的基础工作之一,由于破碎岩体所处环境的隐蔽性与危险性,常采用实验室测试和数值计算的研究方法。提出了一种三维破碎岩体模型构建方法,即在3D Voronoi建立完整岩体数值模型的基础上,通过预定孔隙... 详细信息

研究破碎岩体的压实特性是矿井地下工程的基础工作之一,由于破碎岩体所处环境的隐蔽性与危险性,常采用实验室测试和数值计算的研究方法。提出了一种三维破碎岩体模型构建方法,即在3D Voronoi建立完整岩体数值模型的基础上,通过预定孔隙率,随机删除完整岩体中的块体反演破碎岩体结构,测定破碎岩体的压实特性。该方法可较真实地反映破碎岩体的块度特征、碎胀特性与压实特性,与现有研究方法有较高的吻合度,为矿山地下工程的安全控制提供了新的有效的研究方法。

关键词：破碎岩体离散元建模方法岩性分布模型压实特性

断层带破碎岩体采动剪切变形与渗透性演化规律

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煤田地质与勘探 2023年第8期51卷 150-160页

作者：李樯马丹张吉雄刘勇侯文涛中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

为探索采动影响下的断层活化突水机理,开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统,实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程,开展多因素影响下的破碎岩体剪切-渗流耦合试验,获得... 详细信息

为探索采动影响下的断层活化突水机理,开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统,实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程,开展多因素影响下的破碎岩体剪切-渗流耦合试验,获得连续剪切过程中颗粒级配和初始孔隙率对孔隙率和渗透性参量的影响规律。结果表明,连续剪切条件下,破碎岩体的渗透率和孔隙率变化过程大致相同,可分为3个阶段:缓慢增长阶段,破碎岩石颗粒由散乱状态向有序的组织结构调整;加速增长阶段,破碎岩石颗粒剪切膨胀;增速放缓阶段,破碎岩体颗粒的剪切变形在围压的约束下达到动态平衡。试样Talbot指数越小或初始孔隙率越大,渗透率和孔隙率敏感性越强,渗透率和孔隙率越大;非Darcy流β因子的演化规律与渗透率的演化规律相反。结合数值模拟发现,剪切作用下破碎岩体剪切带内岩石颗粒的运移是剪胀现象发生的主要原因,破碎岩体剪胀过程中颗粒的力链由随机分布向特定方向转化,表现为局部孔隙和孔喉的膨胀,是孔隙率和渗透率增加的主要原因。研究成果可为深部煤矿突水灾害机理揭示与灾害防治提供参考。

关键词：断层突水破碎岩体剪切-渗流耦合渗透特性离散元模拟

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

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煤炭学报 2023年第2期48卷 666-677页

作者：马丹李樯张吉雄刘勇侯文涛中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布... 详细信息

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律,构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明:(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构,级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大,降低破碎岩体的压缩性,增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变,降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用,束缚孔隙率对渗透率的影响较小,增大应力会降低破碎岩体渗透性,大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述,应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反,小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型,通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献,可显著提高级配破碎岩体渗透率预测效果的准确性。研究结果为发展煤矿采动突水灾害理论和防控技术提供了科学依据。

关键词：断层破碎带破碎岩体孔隙结构渗流特性预测模型

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破碎岩体注浆加固后的力学特性研究

中国公路学报 2018年第10期31卷 284-291页

作者：刘人太郑卓李术才杨红鲁山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

基于理论分析建立破碎岩体注浆加固体力学模型,通过室内试验制作加固体试样并开展单轴抗压试验,分析破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。试验表明:注浆加固体试样在单轴压缩破坏过程中... 详细信息

基于理论分析建立破碎岩体注浆加固体力学模型,通过室内试验制作加固体试样并开展单轴抗压试验,分析破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。试验表明:注浆加固体试样在单轴压缩破坏过程中,其内部石块基本保持完整性,破坏主要产生在交界面以及注浆材料内部;当V_(BP)较大时,在碎石体的阻隔作用下,破裂面无法一次性产生,且多为剪切型破坏;当V_(BP)较小时,压缩破坏过程中直接形成了上下贯通的破裂面,且多为拉断型破坏;对于未加固的破碎岩体,其强度随V_(BP)增加而减小,且强度离散程度较大;加固后其强度随V_(BP)的增大而增大,整体强度大幅提高,同时呈现出明显的线性相关性;加固体强度随碎石数量的增加而减小,二者的线性相关性不显著;加固体强度随着注浆材料黏结强度的增加而增加,随交界面体密度的增加而减小;交界面体密度与黏结强度相互影响,总体强度是二者耦合作用的结果。基于加固体力学模型以及单轴抗压试验数据提出了加固体强度计算公式,该公式考虑了破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。通过与实际试验数据比较,证明了该公式可以较好地对破碎岩体加固强度进行预测。

关键词：隧道工程注浆加固强度室内试验破碎岩体数据拟合

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断层带破碎岩体非达西渗流特性及模型研究

岩石力学与工程学报 2023年第S02期42卷 4099-4108页

作者：许增光曹成柴军瑞李炎隆李琳娜西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048

开展高水力梯度作用下破碎岩体非达西渗流试验,揭示试样孔隙率和级配对非达西渗流特性和临界水力梯度的影响机制;以试样孔隙率和Talbot级配系数为基础建立Forchheimer定律非达西渗流系数、线性项系数和非线性项系数计算模型;以达西定律... 详细信息

开展高水力梯度作用下破碎岩体非达西渗流试验,揭示试样孔隙率和级配对非达西渗流特性和临界水力梯度的影响机制;以试样孔隙率和Talbot级配系数为基础建立Forchheimer定律非达西渗流系数、线性项系数和非线性项系数计算模型;以达西定律为基础,对压力梯度-渗流量曲线分段处理提出非达西等效渗透系数,并构建非达西等效渗流模型。结果表明试验数据高度服从Forchheimer定律,试样临界水力梯度范围为125~183,并且由于水流惯性力的影响,试样孔隙率越大、粗颗粒占比越多,临界水力梯度值越小;Forchheimer定律非达西渗流系数、线性项系数和非线性项系数与试样孔隙率和Talbot级配系数之间呈负指数及减幂函数关系;非达西等效渗透性系数与水力梯度之间呈负指数关系,并且取值受试样孔隙结构影响;构建的非达西等效渗流模型与Forchheimer定律吻合度较高,并且具有计算参数少、能适应达西渗流与非达西渗流之间的相互转换和共存的优势。

关键词：岩石力学破碎岩体渗流试验非达西渗流压力梯度渗流模型

深部采矿工程软弱地质构造突水灾害的认识:考虑迂曲度的渗流冲蚀模型

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Journal of Central South University 2023年第2期30卷 517-529页

作者：马丹李樯蔡克川张吉雄李振华侯文涛孙强李猛杜锋 School of Mines China University of Mining and TechnologyXuzhou 221116China State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining(China University of Mining and Technology) Xuzhou 221116China Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining of Ministry of Education(China University of Mining and Technology) Xuzhou 221116China School of Resources and Safety Engineering Central South UniversityChangsha 410083China School of Energy Science and Engineering Henan Polytechnic UniversityJiaozuo 454000China

迂曲度是揭示深部采矿工程导水通道形成机制的一个重要参数。该研究提出了一种断层破碎岩体迂曲度的数值计算方法,收敛性测试结果表明该方法具有较高的精度。通过该方法获得的迂曲度演变特征与前人研究结果一致:迂曲度演变呈现四个阶段... 详细信息

迂曲度是揭示深部采矿工程导水通道形成机制的一个重要参数。该研究提出了一种断层破碎岩体迂曲度的数值计算方法,收敛性测试结果表明该方法具有较高的精度。通过该方法获得的迂曲度演变特征与前人研究结果一致:迂曲度演变呈现四个阶段,即岩石颗粒重新排列阶段、颗粒冲蚀阶段、持续渗流阶段和稳定渗流阶段。破碎岩体的迂曲度与孔隙率之间呈指数关系。提出了破碎岩体孔隙迂曲度指标的新概念,该指标可反映破碎岩石颗粒的空间分布与粒径分布特征,且不受水流行为的影响。构建了考虑破碎岩体迂曲度的渗流冲蚀模型,提高了渗透率、非Darcy因子和Forchheimer系数的计算精度,为软弱地质构造突水灾害预测提供了理论基础。

关键词：迂曲度非Darcy水力特性数值模拟破碎岩体渗流冲蚀

破碎岩体非线性渗流突水机理研究现状及发展趋势

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煤炭学报 2016年第7期41卷 1598-1609页

作者：杨天鸿师文豪李顺才杨鑫杨斌东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室辽宁沈阳110819 江苏师范大学机电工程学院江苏徐州221116

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速... 详细信息

在收集整理国内外相关资料的基础上,从非线性渗流理论方程、非Darcy渗流试验和非线性渗流数值模型方法等方面总结目前破碎岩体非线性渗流突水研究现状,认为破碎岩体渗流具有突水通道的非Darcy渗流特性、3种流场(Darcy层流、非Darcy高速流及Navier-Stokes紊流)动力学系统的统一性和突水3要素(含水层水源的Darcy流、突水通道的非Darcy流和开采扰动作用)中的应力扰动特性。据此,提出了破碎岩体非线性渗流突水机理研究的发展趋势:从矿山采动岩体渗流突水3要素这一渗流特征出发,通过试验和现场测试研究不同围压、水力梯度和流速条件下破碎岩石渗流规律,建立考虑应力作用的耦合Darcy,Forchheimer和Navier-Stokes方程混合流场的模型,提出有限单元弱形式和有限体积法耦合积分解算混合流场方法,把采动应力作用下含水层、冒落岩体破碎带和巷道整个突水水流路径连接在一起,Forchheimer流域的边界流量压力是动态变化的,可以有效解决破碎岩体非线性渗流模型存在的问题,能比较合理模拟采动应力作用下矿山突水瞬态流动全过程。

关键词：破碎岩体突水非Darcy渗流试验 Forchheimer方程渗流模型

采空区破碎岩体负压注浆加固试验研究与机制分析

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岩石力学与工程学报 2023年第S02期42卷 4174-4188页

作者：吕鑫杨科方珏静段敏克王于张寨男安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽合肥230031

注浆充填不仅是应对深部开采围岩高应力大变形行之有效的方法,也是实现绿色低碳开采的关键技术。因此针对注浆加固工艺,设计不同负压压力注浆加固单轴压缩试验,探究负压注浆加固效果,结合多孔介质浆液流动效应,确定负压注浆浆液扩散模式... 详细信息

注浆充填不仅是应对深部开采围岩高应力大变形行之有效的方法,也是实现绿色低碳开采的关键技术。因此针对注浆加固工艺,设计不同负压压力注浆加固单轴压缩试验,探究负压注浆加固效果,结合多孔介质浆液流动效应,确定负压注浆浆液扩散模式,归纳出注浆加固体力学特性影响因素,研究不同负压压力引起的试件物理参数变化,探讨负压注浆加固试件应力-应变曲线的4个阶段,分析注浆加固体的强度特征及变形趋势,总结负压注浆加固后的3种破坏形态,阐明负压注浆过程中的多方面作用机制。结果表明:破碎岩体实际情况与理论相左,负压注浆需考虑4个方面作用力,其加固力学特性受4个因素影响;随负压压力的增加,试件发生水灰比、孔隙率和掺入量的三重改变,试件密度整体呈先上升后下降趋势,表现出3个阶段特征,且试件孔隙率持续下降;负压注浆加固试件应力-应变曲线呈现出4个阶段变化,试件强度均值曲线与弹性模量均值曲线表现为先上升后下降趋势,而轴向应变均值曲线则先下降后上升,确定负压压力60 kPa为负压注浆加固压力阈值;负压注浆压力的不同,使得试件内部结构产生差异,最终表现为三类破坏形态;负压注浆过程受4个方面因素共同作用,既要考虑浆液水化反应,又要思考固液交界面液桥特性,同时还要兼顾注浆过程中的孔隙变化及真空脱水效应。研究成果对于注浆加固工艺改进有较大的参考价值,为煤炭清洁高效稳定开采提供理论及试验依据。

关键词：采矿工程注浆加固负压注浆破碎岩体水化反应真空脱水

破碎岩体注浆加固的二维分形平面模型构建与模拟分析

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金属矿山 2022年第2期51卷 54-61页

作者：郭闪闪崔德永王建华闫庆峰文磊郑州工商学院工学院河南郑州450000 河南省建筑科学研究院有限公司河南郑州450000 重庆工业职业技术学院建筑工程学院重庆401120

模拟注浆加固过程中注浆液在破碎岩体中的扩散特性时,构建与现场实际破碎岩体一致的几何模型对模拟结果的准确性至关重要。为构建与工程现场破碎岩体一致的几何模型,对于破碎岩体的注浆加固问题,提出了一个构建破碎岩体二维平面模型的... 详细信息

模拟注浆加固过程中注浆液在破碎岩体中的扩散特性时,构建与现场实际破碎岩体一致的几何模型对模拟结果的准确性至关重要。为构建与工程现场破碎岩体一致的几何模型,对于破碎岩体的注浆加固问题,提出了一个构建破碎岩体二维平面模型的新方法。首先,通过对破碎岩体的压水实验获得破碎岩体的透水系数;再根据裂隙岩体的分形特征,运用透水系数计算破碎岩体的分形维数;最后根据分形维数确定最大和最小裂隙构建破碎岩体的平面二维几何模型,并结合压水实验和数值模拟分析模型的可靠性。结果表明:通过对分形维数所构建的平面几何模型的数值模拟,对比分析数值模拟结果与现场压水试验结果,该方法能够获得与现场破碎岩体状况一致的二维平面几何模型,为模拟分析破碎岩体的注浆加固提供可靠的参考。

关键词：注浆液破碎岩体分形维数数值模拟