基于梯度增强拉格朗日元法的采动条件下三维煤岩层状结构的应变局部化及稳定性研究

当前，采矿行业面临矿难频发的困境，严重影响了经济建设和能源工业的健康发展，造成了巨大的财产损失和重大的人员伤亡。鉴于传统弹塑性理论的结果存在网格敏感性、缺乏客观性等问题，而且一些方法不能准确预报煤岩层结构的失稳，对于采动条件下三维煤岩层结构的失稳破坏问题，即采空区边界变化的力学问题，本项目拟开展基于梯度塑性理论的应变局部化分析及基于变形体稳定性原理及申请人提出的失稳判据的失稳过程分析。通过二次开发平台──FISH语言──将梯度塑性理论、失稳判别方法、刚度劣化、本构参数的非均质性、独立性及相关性引入FLAC-3D中，着重研究采动条件下三维煤岩层结构的应变局部化的启动、演变规律及失稳破坏过程，通过自主研发的旋转搜索数字图像相关技术检验数值解的正确性。最终可望能预测复杂开采条件下采场的危险区域，判断失稳时刻，计算失稳施放的能量及震级。该项研究对冲击地压等灾害的预防及岩层稳定控制会产生积极的意义。

在煤矿开采中，经常会遇到冲击地压、岩爆、板裂化、分区破裂化等破坏和失稳现象，造成了严重的矿山灾害。.　　　本项目采用数值分析、实验研究作为研究手段，以巷道、采场（煤岩层结构）、典型断层系统做为主要的研究对象，研究了它们的变形破坏过程、失稳前兆、能量释放规律及失稳过程。.　　　本项目开发了多种新型的计算模型和方法，例如，包含及不包含基体的颗粒体模型、适于粘滑模拟的强化-弱化本构模型、能避免计算网格敏感性的梯度增强模型、由破坏释放的弹性应变能的时空分布计算方法、与稳定性有关的事件的频次-能量关系的计算方法，基于粒子群优化算法（PSO）及Newton-Raphson迭代方法的数字图像相关方法（DICM）等，为采动条件下煤岩层结构的变形、破坏及稳定性问题的研究奠定了强大的技术基础。.　　　基于梯度增强模型，以矩形试样为例开展计算工作，研究了网格尺寸、内部长度、缺陷强度对剪切带图案的影响。.　　　基于颗粒体模型，阐明了板裂化的机理，提出了节理岩体分区破裂化的一种可能机制。这种观点强调了岩体的结构和自组织作用，不需要“伪掌子面”的不断形成假定，也不需要引入各种非经典的模型等。.　　　基于连续介质模型，对“先加载，后开挖”条件下圆形巷道围岩的应变局部化、岩爆过程及能量释放进行了数值模拟，研究了围压、孔隙压力、扩容角、强度、侧压系数、巷道尺寸等的影响。对采动条件下实际采场模型的应变局部化、能量释放进行了数值模拟。.　　　基于三维加荷和卸荷模型，研究发现，在两种条件下分区破裂化都存在，由此提出了空间局部化机理，并经实验验证。.　　　通过建立二维非均质模型，以挤压和拉张断层构造为例开展计算工作，找到了挤压雁列区在贯通过程中表现最灵敏的力学指标；针对两类雁列构造，研究发现，裂纹扩展及变形模式、大事件发生位置存在显著的差异。.　　　基于强化-弱化本构模型（与速率和状态依赖的摩擦定律既类似，又有差异），研究发现，断层不同区段运动的非同步性是稳滑的原因。.　　　基于PSO及Newton-Raphson迭代方法的DICM，实现了软弱材料（例如，砂土、相似材料等）的变形场观测，研究了计算参数对剪切带宽度的影响。对砂土材料在单向压缩条件下剪切带进行了系统的实验观测研究。.　　　研究结果增进了对上述多种破坏失稳现象的理解，为进一步的应用奠定了技术基础。