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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

分段黏结非连续变形分析方法及其在砂岩破裂分析中的应用

2023-09-28


创新点
(1)提出一种基于分段离散的边-边黏结模型,扩充了非连续变形分析方法模拟岩石断裂中的适用性。
(2)在砂岩断裂分析中,研究了分段式黏结模型的主要几何参数及物理参数的取值方法及推荐取值。
(3)分段式黏结模型在砂岩变形、裂纹起裂、多裂纹扩展的断裂过程分析的正确性得到有效验证。

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分段黏结非连续变形分析方法及其在砂岩破裂分析中的应用

作者:郑 飞 ,邓庆龙 ,李 芷 ,王培瑞 ,靳 陆 ,焦玉勇
单位:中国地质大学 (武汉工程学院
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
深部煤炭开采中,高地温、高地压、高岩溶水压及开采扰动影响更为显著,岩石力学问题也更为复杂。冲击地压、煤与瓦斯突出灾害与岩石的多尺度断裂行为密切相关,在实验室尺度研究煤层顶底板岩层代表性岩石在动静荷载作用下的变形、断裂、强度等特性及演化规律,对于认识上述灾害的发生规律具有重要的意义。
大量试验及相关研究表明,岩石的变形及强度特性与细观尺度的颗粒、微裂纹等特征具有较强的相关关系。精细刻画岩石细观结构,考虑颗粒及微裂纹等岩石细观特征,进行宏观变形及强度特性的分析是重要的研究课题。在岩石的室内实验方面,声发射、CT扫描、3D打印等先进的技术得到运用,推动了对岩石强度特性、动力学特性的研究。
数值模拟技术由于其灵活性、定量性、过程可视性等特点,也是岩石多尺度断裂分析研究的重要手段。分析岩石断裂过程的数值方法,通常可划分为基于连续介质假定的方法、基于非连续介质假定的方法、以及混合连续与非连续框架进行求解的方法。基于连续介质假定的方法包括扩展有限元(XFEM)、岩石破裂过程分析方法(RFPA)、边界单元方法等;非连续类数值模拟方法主要包括基于显式接触力求解的离散单元法(Discrete Element Method, DEM)和基于隐式位移求解的非连续变形分析方法(Discontinuous Deformation Analysis,DDA);混合连续与非连续框架求解的方法包括FDEM、CDEM、拉格朗日元−离散元耦合法等方法。
非连续类数值计算方法可以考虑较大尺度断层、节理、层理等不连续面的张开、闭合、滑移,也可以模拟较小尺度的岩石断裂问题,其中DDA方法在接触的数学计算、块体的积分、计算收敛性方面具有严密的数学基础。不同于采用显式时间积分计算的DEM,DDA可视为基于Newmark隐式积分和接触开闭迭代求解的隐式非连续计算方法,在离散块体系统大变形、大位移计算中可以保持时间步取值的无条件稳定。DDA方法最初用于解决裂隙切割的块体系统的静态稳定性及动态响应问题。KE提出采用子块体划分DDA方法模拟裂隙岩体变形问题,焦玉勇等则通过引入节理约束的三角形子块体剖分及黏结单元来模拟节理岩体的渐进破裂过程,甯尤军等和ZHENG等相继对黏结单元的破坏准则、单元积分模型进行修正和优化。面对深部开采中与岩层破断、非连续大变形相关的岩石力学问题,DDA方法具有天然的优势。许多学者利用DDA方法研究了深部沿空掘巷过程、煤层开采导致的地表沉降、煤矿岩体大变形和开挖过程、矿山陷落柱等问题。
非连续类数值模拟方法已成为分析岩石断裂问题的重要手段,传统子块体DDA方法基于边−边接触关系和法向、切向强度参数的修正模拟断裂过程,对复杂岩石材料变形破坏过程的适用性和计算精度有所欠缺。基于离散表征黏结单元力学破坏过程的朴素思想,笔者提出了一种分段式黏结模型,提升传统黏结模型在模拟复杂本构关系时的适用性,更准确地模拟岩石动静荷载下的断裂问题。
摘要
 ABSTRACT

深部采煤面临高地温、高地压、高岩溶水压及开采扰动的综合影响,岩石的非连续变形及破裂行为也比浅部更为复杂,开发模拟岩石破裂行为的数值计算方法,进行从实验室尺度到工程现场尺度的分析是研究岩石破裂相关灾害规律和机理的重要手段。非连续变形分析方法(Discontinuous Deformation Analysis,DDA)在接触理论、块体积分、计算收敛中具有严格的数学基础,采用子块体剖分和黏结处理的DDA模型可以有效模拟岩石及裂隙岩体从连续弹性变形到渐进断裂和完全破断的全过程。基于边−边黏结效应分段线性表征的朴素思想,提出分段式边−边黏结模型,将线性及非线性黏结本构关系通过分段中心点处的成对罚弹簧进行等效表征,嵌入三角形剖分的非连续变形分析求解框架内,实现模拟岩石断裂的优化DDA模型。

通过简支梁中心受压、单轴压缩、巴西劈裂案例的变形、应力结果分析,验证了优化模型的准确性,获得了边−边黏结模型中分段数目、黏结刚度比、切向法向刚度比等参数的合理取值范围;通过完整及带孔洞的砂岩试样的单轴压缩试验,阐明了块体弹性模量、泊松比等变形参数及黏结单元抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等强度参数的赋值方法,验证了优化模型在应力−应变曲线,裂纹起裂位置捕获的准确性;通过含单裂隙及组合裂隙的砂岩巴西圆盘劈裂试验的分析,验证了优化模型在裂纹起裂、裂纹扩展、多裂纹交汇等复杂裂隙扩展问题中的适用性;采用分段式边−边黏结的优化模型可推广用于包含复杂裂隙网络的岩体破坏规律和机理的分析。

部分图片



 1    分段式黏结模型


 2    不同块体尺寸的简支梁模型


 3    简支梁监测点的垂直位移与相对误差


 4    不同块体尺寸单轴压缩模型


 5    单轴压缩监测点的轴向应力与相对误差


 6    巴西劈裂模型


 7    巴西劈裂监测点应力与相对误差


 8    含孔洞岩样数值模型


 9    完整岩样实验与模拟应力应变曲线对比


 10    应力应变曲线对比


 11    单裂纹巴西圆盘模型及其裂纹萌生和破坏模式


 12    含有多条裂纹的巴西圆盘及其裂纹萌生和破坏模式



作者简介


郑飞,男,19901月生,山东邹平人,教授,博士生导师。中国地质大学(武汉)土木工程学科骨干人才,兼任国际岩石力学与岩石工程学会非连续变形分析专委会(ISRM DDA Commission)秘书长。主持国家自然科学基金项目2项、智慧矿山地质保障系统建设及轨道交通地质云系统建设项目2项,作为骨干参与德国洪堡基金会、国家自然科学基金、武汉市轨道交通等多项海内外科研项目。独立开发DDADEMNMM相关计算岩土力学软件模块,发表国内外期刊及会议论文20余篇


研究方向

裂隙岩体多场耦合非连续计算方法、地下工程数据分析挖掘及三维可视化技术 


主要成果

围绕岩体的非连续变形破坏机制这一科学问题,针对岩体非连续计算模拟中的块体接触检索与求解、算法效率及计算规模、水-力耦合及岩体渐进破坏系列难点,提出了复杂块体鲁棒性接触检索与精确接触力求解方法、离散块体系统高效求解算法与云计算体系、裂隙岩体水力耦合及渐进破裂分析模型,自主开发了计算软件,解决了接触检索不完备、计算效率偏低、计算规模较小的问题,为非连续变形分析方法在复杂岩体工程安全分析中的应用提供理论和技术支撑。



来源:

郑飞,邓庆龙,李芷,等分段黏结非连续变形分析方法及其在砂岩破裂分析中的应用[J]. 煤炭学报202348(9):3372−3383.


责编:韩晋平
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


  责任编辑:宫在芹
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