矿山岩体工程动力损伤数值模拟与试验研究-西安科技大学科技处

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矿山岩体工程动力损伤数值模拟与试验研究

2006-11-24 00:00

矿山岩体工程动力损伤数值模拟与试验研究
(2006-11-24)

应用行业：矿山、水利、国防、铁道
技术领域：工程评价
任务来源：原煤炭工业部基金项目，编号为93—337
中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室基金资助
Ø 主要内容及技术要点
本研究针对矿山岩体工程的特点，采用实验研究与理论分析相结合，宏观损伤与细观损伤相结合，损伤力学与数值分析相结合的研究方法。对矿山岩体工程动力损伤数值模拟与试验进行了研究。项目的技术性能达到国际先进水平。
1. 本项研究首先对矿山岩体损伤进行划分，岩体内各类损伤缺陷可视不同的“尺度”划分为宏观损伤、细观损伤和奇异性损伤三个层次。对不同的损伤，采取不同的研究和描述方法。在工程应用中，可按不同的损伤特性，在区别对待的基础上，进行符合实际的耦合分析。
2. 岩体的宏观损伤，主要表现为随机分布的节理、裂隙，本项研究在损伤节理统计概率模型的基础上，首次用计算机实现了宏观损伤节理分布的模拟。因其几何特性具有分形特性，本项研究用分形维数给予定量描述，分形维数越大，其节理的损伤程度越大，分形维数可以作为描述节理宏观损伤的定量指标。
3. 建立了分形维数和节理宏观损伤张量的关系。经过计算表明，用节理分形维数定义损伤张量比传统的几何损伤张量有更广泛的适用范围。
4. 首次将CT识别技术应用于岩体的细观损伤研究。对四种岩石的损伤进行了扫描，通过岩石的CT图象分析，CT数统计规律及其变化特征，直观的、定量的和岩石的损伤及损伤扩展联系起来。CT识别一方面可以进行无扰动的试验分析，更为重要的是可以进行定量分析。得到了其它实验手段无法达到的效果。
5. 首次将CT数和岩石的损伤变量联系起来。建立了CT数表达岩石损伤变量的公式。计算表明，这一公式比Bellion、Lemiatre损伤变量公式更有特色。
6. 对岩石细观损伤扩展的研究更有意义，岩石损伤CT数及其变化规律清楚的反映了岩石损伤扩展的全过程。为岩石损伤扩展机理和建立损伤本构关系奠定了基础。
7. 建立了岩体动力损伤有限元数值模型。探讨了岩体刚度矩阵、阻尼矩阵和岩体损伤的关系。
8. 编制了动力损伤有限元数值分析程序，并应用于黄陵矿区一号井和陕西煤建公司仓斜一号斜井，为工程施工、巷道支护方案设计提供了较为科学的依据，取得了明显的经济和社会效益。
Ø 应用情况及前景
在矿山井巷、硐室及各类岩体工程中，重要的问题就是岩体的强度计算、变形规律的认识和稳定性评价。但是，山于岩体结构的复杂性，工程中所遇到的岩体不可能是完整的各向同性材料。各种地质构造，如节理、裂隙甚至宏观断层。岩体工程的失稳事故，多数是由于岩体内的节理、裂隙及其扩展造成。岩体内的节理、裂隙就是其损伤的实质性的表现。所以，研究岩体内损伤节理、裂隙对岩体工程稳定性的影响是非常有意义的。
由于矿山岩体工程的复杂性，以至于以前的大部分工程设计和施工还停留在工程类比和单凭传统经验的基础上。施工后的返修率非常高，造成了不必要的经济损失。本研究成果已应用于黄陵矿业有限公司一号煤矿和仓村煤矿一号斜井，为巷道支护方案设计、工程施工提供了较为科学的依据，取得了明显的经济和社会效益。所以，本研究成果有广阔的推广应用价值。
Ø 研究的应用效果
本研究成果已应用于黄陵矿业有限公司一号煤矿和仓村煤矿一号斜井。根据矿区的地质资料和岩石试样，首先进行了CT扫描实验和损伤节理、裂隙的分布规律的计算机模拟。动力有限元数值计算不仅能给出矿山巷道损伤破坏区的分布范围，而且可以给出应力、位移及其稳定性评价。并全部以图形方式显示，实用方便。为巷道支护方案设计、工程施工提供了较为科学的依据，使得矿区新增产值155万余元，取得了明显的经济和社会效益。
97—99年，本研究成果继续在黄陵矿业有限公司一号煤矿推广应用，取得了明显的经济和社会效益。新增产值260万元，新增利税110万元，年增收节资86万元。这对于黄陵矿业有限公司一号煤矿这个中小企业来说是个不小的收益。更为重要的是本成果的应用对煤矿岩体工程安全生产起到了积极的作用，间接的经济和社会效益将是可观的。
Ø 相关研究成果
1、矿山岩体工程动力损伤数值模拟与试验研究
煤炭部一般项目和煤炭部优秀青年基金联合资助的科研项目，1999年获陕西省教育厅科技进步二等奖，国际先进水平。
2、《岩体损伤及检测》
2000年获陕西省教育厅科技进步二等奖；2000年西安市科学技术进步贰等奖。
3、岩石力学及矿山工程数值方法研究
能源部煤炭工业科技进步叁等奖。
4、平庄红庙煤矿软岩巷道支护工艺研究
能源部煤炭工业科技进步叁等奖。