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瓦斯防治技术专业实验室 2013-05-10  信息来源: 本站

一、突出模拟实验室
功能:
1) 对煤与瓦斯突出的整个过程进行相似模拟,尤其是模拟一些典型的突出条件如煤巷掘进、石门揭煤时的突出发生规律,对突出的发生发展过程进行监测监控。并通过改变实验条件,分析地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质对突出的影响。
2) 分别分析在瓦斯占主导作用和地应力占主导作用时,所发生的突出动力现象的区别。重点验证煤与瓦斯突出发展过程中是否存在粉化和层裂这两个阶段,并分析粉化粒度和层裂厚度的控制因素。
3) 通过实验,对煤与瓦斯突出的力学作用机理进行验证,同时基于实验成果对该理论进行修正和发展。
4) 能模拟在突出发生后,突出的碎煤在被抛出过程中的抛出速度、破坏以及沉积情况,为煤与瓦斯突出的致灾机理研究提供实验依据。
5)能够通过与现场实际条件近似的突出模拟实验,对现场可能发生的煤与瓦斯突出进行预测,同时对防突措施的作用效果进行研究。同时,也可以对瓦斯在煤层中的渗流规律进行模拟。
主要参数:
(1)突出模拟实验装置垂直加载3000t,水平加载2000t;
(2)确定加载于模型煤体上的垂直应力应不小于25MPa;
(3)突出装置内腔的形状(即所得相似模型的形状)是长方体,其尺寸为:长×宽×高=1.5m×0.8m×0.8m;
(4)实验充气压力<5Mpa;
实验系统应便于对煤样腔和模拟巷道内的瓦斯压力、地应力、声发射、电磁辐射、碎煤瓦斯流速度等进行连续监测。

图1 突出模拟外形图


二、数值模拟实验室
数值模拟实验室现有软件包括:RFPA、FLAC3D、3DEC、Fluent等
RFPA
真实破裂过程分析(Realistic Failure Process Analysis)(简称:RFPA),RFPA软件是基于RFPA方法(即真实破裂过程分析方法)研发的一个能够模拟材料渐进破坏的数值试验工具。其计算方法基于有限元理论和统计损伤理论,该方法考虑了材料性质的非均性、缺陷分布的随机性,并把这种材料性质的统计分布假设结合到数值计算方法(有限元法)中,对满足给定强度准则的单元进行破坏处理,从而使得非均匀性材料破坏过程的数值模拟得以实现。因RFPA软件独特的计算分析方法,使其能解决岩土工程中多数模拟软件无法解决的问题。
功能:
R FPA具有以下功能 :

(1)模拟岩石的破裂过程 ,特别适宜于研究由局部破坏过程引起的应力重新分布对进一步变形和破坏过程的影响 ;
(2)模拟岩石破裂过程的声发射规律 ,从而研究岩石破裂过程的声发射频度与震级关系以及岩石失稳破坏的前兆特征 ;
(3)通过嵌入的韦伯分布、正态分布等各种统计分布函数 ,考虑材料力学参数 (强度、弹模等 )的非均匀性分布特征 ,从而可以从本质上研究岩石变形的非线性特征 ;
(4)可以考虑微观缺陷 ,也可以考虑节理、裂隙等宏观缺陷 ;
(5)可以模拟加载引起的破裂过程 ,也可以模拟自重引起的破坏过程 ;
(6)可以模拟巷道开挖及其破坏过程、矿柱破坏过程、边坡的滑移破坏过程、地表沉陷、采动影响 ,以及煤岩顶板冒落等。

FLAC3D
FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美国Itasca公司开发的。
FLAC3D的输入和一般的数值分析程序不同,它可以用交互的方式,从键盘输入各种命令,也可以写成命令(集)文件,类似于批处理,由文件来驱动。因此,采用FLAC程序进行计算,必须了解各种命令关键词的功能,然后,按照计算顺序,将命令按先后,依次排列,形成可以完成一定计算任务的命令文件。
FLAC3D是二维的有限差分程序FLAC2D的护展,能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型,在外力作用下,当材料发生屈服流动后,网格能够相应发变形和移动(大变形模式)。FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确发模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵,因此,基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。FLAC3D采用ANSI C++语言编写的。

功能:
允许介质出现大应变和大变形;
?        Interface单元可以模拟连续介质中的界面,并允许界面发生滑动和开裂;
?        显式计算方法,能够为非稳定物理过程提供稳定解,直观反映岩土体工程中的破坏;
?        地下水流动与力学计算完全耦合(包括负孔隙水压,非饱和流及相界面计算);
?        采用结构加固单元模拟加固措施,例如衬砌、锚杆、桩基等;
?        材料模型库(例如:弹性模型、莫尔库仑塑性模型、任意各向异性模型、双屈服模型、粘性及应变软化模型);
?        预定义材料性质,用户也可增加用户自己的材料性质设定并储存到数据库中;
?        一系列可选择模块,包括:热力学模块、流变模块、动力学模块、二相流模块等,用户还可用C++建立自己的模型;
?        边坡稳定系数计算满足边坡设计的要求;
?        用户可用内部语言(FISH)增加自己定义的各种特性(如:新的本构模型,新变量或新命令);
FLAC3D分析的使用领域:
1.   承受荷载能力与变形分析:用于边坡稳定和基础设计
2.   渐进破坏与坍塌反演:用于硬岩采矿和隧道设计
3.   断层构造的影响研究:用于采矿设计
4.   施加于地质体锚索支护所提供的支护力研究:岩锚和土钉的设计
5.   排水和不排水加载条件下全饱和流体流动和孔隙压力扩散研究:挡土墙结构的地下水流动和土体固结研究
6.   粘性材料的蠕变特性:用于碳酸钾盐矿设计
7.   陡滑面地质结构的动态加载:用于地震工程和矿山岩爆研究
8.   爆炸荷载和振动的动态响应:用于隧道开挖和采矿活动
9.   结构的地震感应:用于土坝设计
10. 由于温度诱发荷载所导致的变形和结构的不稳定
11. 大变形材料分析:用于研究粮仓谷物流动和放矿的矿石流动

3DEC
离散单元法处理介质对象的朴素描述方法,决定了3DEC程序可以满足工程行业范围内的广泛地常规、超常规工程问题解决需求。基于UDEC方法基本理论的承袭、拓展关系,同时决定了3DEC程序在分析功能、及行业应用领域与UDEC程序具备绝对的共性特征, 3DEC均能考虑水、温度、动力等复杂受力条件对介质力学行为的影响,但就表达物理介质复杂形体特征、和赋存环境(如应力环境)等现实条件的吻合度而言。当然,以上论述并不突出强调方法论上的孰优孰劣,旨在建议应用者在分析方法选择环节,应建立在充分了解程序特征的基础上,最终根据问题自身特点和应用需求确定使用哪一款方法。
  拉格朗日求解模式决定了3DEC具备强大连续介质力学范畴内的普遍性分析能力,同时离散单元法的核心思想更是赋予3DEC在处理非连续介质环节上的本质优势,特别适合于离散介质在荷载(力荷载、流体、温度等)作用下静、动态响应问题的分析,如介质运动、大变形、或破坏行为和破坏过程研究。即便3DEC程序的开发初衷旨在满足节理岩体的研究需求,并具有大量岩土工程相关行业内成功应用历史,但离散单元法理论本身并不限于特定工程行业,从本质层面角度描述固体介质物理组成、力学特征的理论优势更是将3DEC程序拓展到其他非岩土工程领域,概括地,3DEC程序部分应用领域可以简述为:
  > 岩土工程:基本涵盖FLAC、FLAC3D、UDEC程序全部应用行业,并且本质上较之这些程序更有技术解决优势。具体地,行业问题主要集中在介质的变形、渐进破坏问题上,例如大型高边坡稳定变形机理、深埋地下工程围岩破坏、矿山崩落开采等。伴随程序功能的逐步延伸,3DEC更是成为复杂行业问题研究的首选工具,如岩体结构渗透特征(裂隙流)、动力稳定性、爆破作用下介质破裂扩展、冲击地压、岩体强度尺寸/时间效应和多场耦合(水—温度—力耦合)等问题;
  > 地质工程:地质构造运动过程、断裂过程、水文地质等;
  > 地震工程:板块运动、地震工程与工程振动
  > 建筑/结构工程:建筑结构动力稳定、建筑材料力学特征研究(如混凝土变形、强度特征);
  > 军事工程:武器系统与发射工程,如弹道运动轨迹优化、炮弹爆炸作用对目标物的破坏过程研究等;
> 过程工程:农业、冶炼、制造、医药行业的散体物质(皮带)传送、筛选、和分装,如农业中土豆按大小的机械化分选和分装、冶炼行业中按级配向高炉运送过程中的自动配料研究等。
Fluent
FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法,而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法;
定常/非定常流动模拟,而且新增快速非定常模拟功能;
FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题,用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件,余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种:弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的,而且用途广泛,可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题;
FLUENT软件具有强大的网格支持能力,支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是,FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术;
FLUENT软件包含三种算法:非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法,是商用软件中最多的;
FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型,使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型;

三、力学实验室
现有仪器设备包括:岩石三轴试验机、磨石机、切石机、双端面磨平机、AE声发射试验系统等。
实验室功能主要包括:
1、基础验证性试验
① 单轴压缩强度、变形试验
② 三轴压缩强度、变形试验
③ 单轴抗拉试验(巴西试验)
2、综合性试验
① 平面应力、平面应变试验
② 常温高压试验
③ 疲劳试验:循环载荷试验
3、探索性研究试验
① 煤岩细观力学试验
主要技术指标:
1、轴向最大试验力2000kN,有效测力范围20kN-2000kN,
测力分辨率   10N, 测力精度  ≤±1%
试验力加载速度范围    0.01 -----20kN /s
2、最大围压 70Mpa,围压测量精度   ±2%
围压分辨率    0.0005MPa。
围压加载速度范围   0.001-----0.1MPa/s
3、变形测控范围:  轴向  0-5mm   径向0-3mm
测量分辨率0.0001mm   测量精度  ±1%
变形速度控制范围  0.001mm-----5mm/min
4、位移测控范围:  0-100mm  测量精度<±0.5%FS
测量分辨率 0.001 mm

图2  三轴试验机

四、瓦斯灾害监测预警研究测试平台
作为瓦斯灾害应急信息技术实验室的重要组成部分,瓦斯灾害监测预警研究测试平台设计为监测预警技术研究提供研究、测试、集成、培训、展示平台。实验平台由工作间和设备间组成,位于上桥实验大楼316、318两个房间。工作间由4块三星460UT-B 46英寸LCD高清大屏、2台联想Think Station图形工作站、8台实验终端以及1台视频切换控制器组成,工作台配备显示器自动升降装置;设备间由采集、计算、报警3台IBM X3650 M4 服务器、1台华为赛门铁克USG2210防火墙、1台H3C ER5100路由器、1台ThinkPad W530网管工作站组成,基于千兆交换机构建实验平台网络。
本平台安装有ArcGIS 10、SuperMap Objects.NET两个图形软件平台,以及预警研究所自主开发的瓦斯涌出预警、瓦斯地质分析、地质测量管理、防突动态管理、工作面突出危险区划、通风网络在线监控预警、突出灾害预警平台等专业软件系统。基于上述软件系统,本平台既能通过数据发生器,自动重现煤矿现场瓦斯监控数据,进行现场模拟预警,也能够接入瓦斯监控系统、WTC、瓦斯含量直接测定装置(DGC)、地质雷达测试采集的信息,进行实验室模拟预警。

图3  瓦斯灾害监测预警实验室
 

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