RFPA软件在岩石破裂过程中的应用
rfpa系统介绍
岩石材料单轴压缩的破坏过程及声发射
四、RFPA系统平台介绍
§RFPA系统平台介绍
Ⅰ、RFPA系统计算方面的特点：
① 允许模拟计算由于分步开挖引起的应力重新分布对进一步变形和破坏 过程的影响，也就是说在模拟地下开采中伴随的破坏过程时更接近于 实际情况。 ② 可以通过专门提供的作图工具和参数输入模块，在模型中考虑模拟材 料的微观缺陷，也可以考虑节理、裂隙等宏观缺陷。 ③ 可以模拟自重引起的破坏过程，新的RFPA2D软件系统增加了对地 下工程开挖，地下破坏、地表沉陷、采动影响下煤岩顶板冒落、边坡 失稳等问题的模拟功能。 ④ 增加了对多种统计分布函数如韦伯分布、正态分布、均匀分布等在 材料特性中的嵌入，来考虑材料力学参数（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。 ⑤ 新的RFPA2D软件系统增加了对流固耦合（如：水力压裂、底板突 水、水工中岩石、体渗流）、气固耦合（媒岩体瓦斯突出）、温度应 力场耦合问题的模拟分析功能。 ⑥ 边坡稳定性分析模块，主要为强度折减法和离心机法。
§基元的三种形态
◆
接触基元；压、剪破坏后的基元在一定范围内维持残余强度状 态。但是，对于现实中的介质来说，破坏后的介质在继续受压应 力、特别是各向均受压应力的条件下，将出现所谓的压密或压实 现象，其力学表现则是压密后的介质刚度不仅不降低，反而出现 上升。对于已经形成的裂纹面而言（即空气基元），当裂隙两面 的介质在压应力作用下产生接触时，则应力仍可以通过接触面传 递。这时，则可以通过激活空气基元，使其刚度增加，起到传递 应力的作用。这就是所谓的接触基元特性。在上述两种情况下， 接触基元只能传递压应力，而不能传递拉应力。即当存在拉应力 时，接触基元立刻转化成空气基元。
工作面顶板破裂变形数值模拟研究
工作面顶板破裂变形数值模拟研究元永国(辽源职业技术学院资源工程系吉林辽源136200)摘要:根据鹤岗南山煤矿18号煤层工作面的开采方法、煤层赋存条件,利用RFPA 2D (岩石破裂过程分析)系统软件进行顶板破裂变形数值模拟研究,为南山煤矿18号煤层的生产及安全管理提供理论依据。
关键词:顶板 模拟 破裂变形中图分类号:T D325+.1 文献标识码:A 文章编号:1006-0898(2010)04-0032-02 顶板事故一直是煤矿五大事故之一,也是煤矿安全管理的重点和难点。
如果能够正确的分析和研究工作面顶板破裂变形的规律,对于工作面的生产和安全管理都具有重要意义。
1 自然状况南山煤矿位于鹤岗煤田中部,距离鹤岗市区5公里,南与大陆矿、北与振兴公司和益新公司为邻。
矿区南北长5公里,东西长3公里,面积约为15平方公里。
南山煤矿共有2个可采煤层,分别是15号和18号煤层,其中15号煤层作为18号煤层的保护层已经开采。
2 数值模拟本构关系2.1 基本思想运用RFPA2D (岩石破裂过程分析)系统软件进行数值模拟,该系统是基于有限元计算方法,但又有独特的思路。
其基本思想是:通过考虑细观单元力学参数的非均质性,模拟煤岩宏观变形破坏的非线性行为;通过考虑材料破坏后单元弱化描述基元的损伤,模拟材料的非连续和不可逆行为。
2.2 本构关系在不同的应力组合条件下,岩石的破坏表现出剪切和拉伸两种形式。
通常可以利用库仑准则判别压缩破坏,利用最大拉应力准则判别拉伸破坏,研究区域细观单元在压缩或剪应力作用下的损伤,采用修正的摩尔库仑准则(可考虑拉伸破坏作为基元破坏判据),其特点是可同时考虑拉伸或剪切破坏。
其表达式为:σ1+sin φφ≥σ(σ3≥)σ3≤σ(σ3<)()式中:σc 为单轴抗压强度,MPa;σt 为单轴抗拉强度,MPa;φ为内摩擦角;σ1、σ2为最大、最小主应力,MPa 。
单轴受拉的应力状态下,细观的损伤本构关系如下:D ==0 (ε≤εto )1-f tu E 0ε(εtu ≥ε>εto )=1 (ε>εtu )(2)式中:D 为损伤变量,当D =0,对应无损伤状态,当D =1,对应完全损伤状态,当0<D <1,对应不同程度的损伤程度;f tr 为单元残余强度,M Pa;εto 为弹性极限所对应的拉伸应变;εtu 为极限拉伸应变;E 0为初始弹性模量,M Pa 。
基于数字图像的不同倾角节理灰岩破裂模式及细观尺度破裂过程研究
第43卷第1期力学与实践2021年2月基于数字图像的不同倾角节理灰岩破裂模式及细观尺度破裂过程研究”牛运玖叶海旺李宁王其洲雷涛2)(武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉430070)(矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，武汉430070)摘要为研宂节理倾角对灰岩破裂模式及破裂过程的影响，使用数字图像对灰岩的细观非均匀性进行表征，采用岩石破裂过程分析系统（RFPA2D-DIP)对不同倾角节理灰岩的细观破裂过程及宏观破坏模式进行了研究。
结果表明，细观结构对各倾角节理试样的力学特性和最终破坏模式有重要影响，含节理灰岩的弹性模量及抗压强度具有明显的各向异性，随着节理倾角的增大均呈U型变化；含节理灰岩在单轴压缩条件下以拉伸破坏为主并伴随少量剪切破坏，细观拉伸破裂的聚集导致了宏观剪切带的形成；含节理灰岩的最终破坏模式随着方位角a的不同表现出6种形式：直线形（a = 45°, a = 75°): N形（a = 60°);斜Z形（a = 0°);斜N形（a = 90°): M形（a = 15°): V 形（a = 30°)。
关键词节理灰岩，数字图像处理，非均匀性，破坏模式，数值模拟中图分类号：TU528 文献标识码：A doi: 10.6052/1000-0879-20-262FA ILU R E M O D E A N D M ESO SC A L E FA ILU R E PR O C E SSOF JO IN T L IM E ST O N E W IT H D IF F E R E N T D IP A N G L E SB A S E D O N D IG ITA L IM A G E*1)NIU Yunjiu YE Haiwang LI Ning WANG Qizhou LEI Tao2)(School of Resources and E nvironm ental Engineering, W uhan U niversity of Technology, W uhan 430070, C hina) (Hubei Key L aboratory of M ineral Resources Processing and E nvironm ent, W uhan 430070, C hina)Abstract In order to study the influence of the joint digital image processing (DIP) angle on the fracture mode and the fracture process of limestone, digital images are used to characterize the microscopic non-uniformity caused by the shape, the size and the distribution of the calcite in limestone. RFPA2D-DIP is used to simulate the fracture process and the failure inode of the jointed limestone with different dip angles. The results show that the meso structure has an important influence on the mechanical properties and the ultimate failure mode of the jointed specimens. The elastic modulus and the compressive strength of the jointed limestone have obvious anisotropy, and show shaped changes with the increase of the jointed dip angle. Under the action of the uniaxial compression, the jointed limestone is mainly subjected to the tensile failure accompanied with a small amount of shear failure on the mesoscale. The ultimate failure inodes of the jointed limestone are shown in six forms depending on the jointed dip angle: the linear shape (a =45°, a =75°), the N shape (〇;= 60°), the oblique Z shape (a = 0°), the oblique N shape (a =90°), the M shape (a = 15°), and the V shape (a = 30°). Key words jointed limestone, digital image processing, non-uniformity, failure mode, numerical simulation2020-06-22收到第1稿，2020-08-11收到修改稿。
RFPA岩石破断过程分析系统软件的应用
在 计算 岩石 力 学 中可供 采用 的数 值分 析 或 数值模拟方法很多 ，它们都 有各 自独 到的特点 。
以固体力学理论为基础 ， 以数 值方法为手段 的有 限元法 相对 于其它 方法 如边界 元法 等有 较 明显 的优点 ，在工程实践 中至今 应用得最 为广 泛 、 发 展得最成熟 ， 它可用于处理很 多复杂 的岩 土工 程 问题 ， 如岩土材 料的非线性 问题 、 岩体 中节理 、 裂
顶达到极限垮落步距 时候 ， 即煤层开采 ６ｍ， ６ 老顶
层不断 向下开采 ， 处于开切 眼上 方煤岩体开 始破
裂并逐 渐 向上延伸 ， 当煤层 开采 １ｍ 时 ， ２ 顶板 岩 体 出现破裂 并随采 动 向上 发展 ，当煤层 开采 至 ３ｍ 时 ，在 工作面上方形成一 个长条形 破碎 区 ， ０
发生 断裂 ，老顶初次垮 落几乎是 瞬间完成 的 ， 如
图 ３所示
图 ３ 工 作面推 进 １ｍ ３ｍ ５ｍ、６ ２ 、０ 、４ ６ｍ的状 态
图 ４是利 用 Ｒ Ｐ ＦＡ系 统多单 元 信 息功 能提 取 的一组单 元 信 息 。分 别是 煤 层 在开 采 １ｍ、 ２
４ Ｏ ３ Ｏ ２ Ｏ １ Ｏ Ｏ
２． 数值 计算 ． ２
岩石破 坏及变 形 的从微 观到宏 观破 坏过程 的模
拟。
１ 岩石 破裂 过 程分析 系统 Ｒ Ｐ Ｆ Ａ简 介
ＲＰ Ｆ Ａ系统 提 供 了创 建 模 型 所 需 的 初 始 条 件 、模 型的构造方式及后处 理数据 的处理方 式 。
ＲＰ Ｆ Ａ系统操 作平台在 ｗｎ ｏ ｓ８Ｎ ｉ ｗ ９ ／Ｔ等操作 系统 ｄ
下运行 ， Ｆ Ａ操 作平台是个 基于多文档 的系统 ， ＲＰ 允 许 同时创 建 、 开多个工 作 区 ， 打 并且 对一 个 和 多个岩土工程进行 多种模 型的构造 、 模拟 。
基于RFPA-3D含裂隙矿体破裂扩展数值模拟研究
世界有色金属 2023年 10月上10C omputer automation计算机自动化基于RFPA-3D 含裂隙矿体破裂扩展数值模拟研究邵陆航（首钢滦南马城矿业有限责任公司，河北 唐山 ０６３５００）摘 要：为了深入探究不同参数条件下含裂隙矿体的力学特性及破裂扩展路径、破坏模式及破裂扩展规律，借助ＲＦＰＡ－３Ｄ真实数值模拟仿真软件开展了３种不同长度预制裂隙及５种不同角度下的单轴压缩数值模拟试验。
结果表明：①随着裂隙长度增大，模型试样峰值应力逐渐降低；随着裂隙倾角增大，模型试样峰值应力出现“Ｖ”字型变化规律；当裂隙倾角为６０°时，模型试样峰值应力最低。
②张拉应力是引起模型试样裂隙尖端产生起裂的主要因素，剪切应力是造成裂隙横向扩展并形成破碎区的主要原因。
③０°~３０°模型试样以张拉劈裂破坏为主，４５°~６０°模型以剪切破坏为主，９０°模型试样呈现出明显的剪切－张拉组合破坏。
关键词：破裂演化特征；裂隙矿体；非均质性；力学特性中图分类号：ＴＤ３２７．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２３）１９－００１０－３Numerical simulation of fracture propagation of magnetite containing cracks based on RFPA-3DSHAO Lu-hang（Ｌｕａｎｎａｎ Ｍａｃｈｅｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．， Ｓｈｏｕｇａｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ． ，Ｌｔｄ．， Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３５００，Ｃｈｉｎａ） Abstract: Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｅｐｌｙ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐａｔｈ， ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ， ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ ｗｉｔｈ ｃｒａｃｋｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｔｈｒｅｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｃｒａｃｋｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｎｇｔｈｓ ａｎｄ ｆｉｖｅ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｇｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ＲＦＰＡ－３Ｄ ｒｅａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ： ① ａｓ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｌｅｎｇｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ； Ａｓ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓａｍｐｌｅ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ａ ＂Ｖ＂ ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｎｇｅ ｐａｔｔｅｒｎ； Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｉｓ ６０°， ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ． ② Ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｔ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｔｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ， ｗｈｉｌｅ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ． ③ Ｔｈｅ ０°~３０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｍａｉｎｌｙ ｅｘｈｉｂｉｔ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ， ｔｈｅ ４５°~６０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｓｈｅａｒ ｆａｉｌｕｒｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ９０° ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｏｂｖｉｏｕｓ ｓｈｅａｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｆａｉｌｕｒｅ．Keywords: Ｉｒｏｎ ｔａｉｌｉｎｇｓ；Ｆｉｓｓｕｒｅ ｍａｇｎｅｔｉｔｅ；Ｍｉｘｉｎｇ ａｎｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ收稿日期：２０２３－０８作者简介：邵陆航，男，生于１９９２年，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，矿山地质与选矿助理工程师，研究方向：矿山开采设计工作。
岩石动态剥落破裂的数值模拟
岩石动态剥落破裂的数值模拟*朱万成，逄铭璋，黄志平，唐春安东北大学 138信箱岩石破裂与失稳研究中心沈阳 110004摘要: 简单介绍了RFPA程序模拟岩石在动态载荷作用下破裂过程的原理和功能，并用该程序研究岩石在动态载荷作用下的剥落过程。
数值模拟首先再现了均匀杆在不同的应力波幅值条件下表现出的不同剥落形式，通过与理论和实验结果比较，证明了RFPA在模拟动态断裂问题时的可行性。
以此为基础，RFPA被用于模拟非均匀岩石试样在不同应力波幅值条件下的剥落破裂，预测了不同应力条件下试样的破裂模式。
数值模拟结果表明，岩石材料力学性质的非均匀性是造成动态强度提高的原因之一。
关键词: 岩石，应力波，剥落破裂，数值模拟分类号Numerical simulation on dynamic spalling of rockZhu Wan-Cheng, Pang Ming-Zhang, Huang Zhi-Ping, Tang Chun-An Center for Rock Instability and Seismicity Research, Northeastern University, Shenyang, 110004, China Abstract: The principle of RFPA to simulate dynamic failure of rock is briefly summarized. RFPA is used to study the dynamic spalling of rock specimen under dynamic loadings. Firstly, RFPA is validated by reproducing the different spalling characteristics of homogeneous bar under the compressive stress waves with different amplitude and comparing with the theoretical and experimental results. Then, RFPA is used to simulate the spalling failure of heterogeneous rock bar subjected to stress waves with different amplitudes, and three failure patterns are numerically predicted. Numerical results also indicate that the heterogeneity is one of factors that lead to the increase of dynamic strength of rock. Key Words: Rock, stress wave, spalling failure, numerical simulation1 引言岩石在动态载荷作用下的变形与破坏过程对于岩石破碎等与工程密切相关问题的研究具有重要的作用。
深孔爆破破岩能量分析及其应用
应用前景和展望
1、深入研究厚硬砂岩顶板的破断规律。尽管已经采取了现场监测、数值模拟 和实验室研究等方法来探究厚硬砂岩顶板的破断规律，但仍然存在许多需要深入 研究的方面。例如，可以研究厚硬砂岩顶板在复杂应力条件下的破断规律，
应用前景和展望
或者考虑其他影响因素如地下水、温度等对厚硬砂岩顶板破断的影响。
3、天然气工业
2、石油工业案例：某油田采用深孔爆破技术进行完井工程。通过在套管内进 行定点爆破，成功扩大了套管外的环空空间，提高了油田的渗透性和产油能力。 对比未采用深孔爆破技术前，产油量提高了20%，取得了明显的经济效益。
3、天然气工业
3、天然气工业案例：某天然气管道在铺设过程中遇到硬质岩石阻挡。采用深 孔爆破技术进行穿孔和破碎作业，成功为管道铺设创造了有利条件。整个作业过 程安全、高效，为天然气管道的顺利铺设奠定了基础。
深孔爆破破岩能量分析及其 应用
01 引言
03 应用场景
目录
02 能量分析 04 参考内容
引言
引言
深孔爆破技术在采矿、石油、天然气等工业领域具有广泛的应用价值。在采 矿工业中，深孔爆破技术主要用于各种硬度的矿石处理；在石油工业中，深孔爆 破技术可用于各种硬度的油田开发；在天然气工业中，深孔爆破技术则涉及各种 硬度的管道铺设
深孔超前爆破弱化技术
深孔超前爆破弱化技术
深孔超前爆破弱化技术是一种通过爆破手段对井下顶板进行弱化的技术。该 技术的原理是在工作面前方一定距离的顶板上钻设深孔，并在孔内装填炸药，通 过爆破产生的冲击波和应力波对顶板进行弱化，降低其强度和稳定性，从而减小 顶板破断的风险。
深孔超前爆破弱化技术
对于厚硬砂岩顶板，深孔超前爆破弱化技术具有以下优点：首先，可以有效 地降低顶板的强度和稳定性，提高开采安全性；其次，可以减少顶板破断的数量 和规模，提高开采效率；最后，可以降低开采成本，提高经济效益。
3D版RFPA各版本介绍及典型算例-1
维真实破裂过程分析软件【基本版】——RFPA3D-Basic 是在RFPA2D 系列软件的思想上开发的新版本。
数学理论上的复杂性、实验室试验和现场观测试验条件和技术的限制，都给岩石三维破裂过程的研究带来很大的困难，RFPA3D 系列软件正是应这一需求而隆重推出的，RFPA3D 系列软件秉承了RFPA2D 系列软件在岩土破裂过程分析方面的特色，可实现岩石试件的加载破裂、岩石破裂的声发射、三维裂纹扩展和相互作用、复合材料断裂的数值模拟，并可对地下结构工程破坏、混凝土结构破坏等实际工程开展应用分析。
计算结果为丰富的三维图形显示，可以多角度旋转和不同方位的剪切模型，观测被计算分析实体中的萌生裂纹、应力场、位移场、声发射场的时空展布特征。
【典型算例】轴向压缩岩样破坏的弹性模量以及轴向位移（RFPA3D-Basic 模拟）脆性材料薄板五点弯曲加载破坏过程（RFPA3D-Basic 模拟）混凝土梁的三点受载破坏（RFPA3D-Basic 模拟）三维真实破裂过程分析软件【强度折减版】——RFPA3D-SRM 是在RFPA2D 系列软件的思想上将强度折减基本原理引入真实破裂过程分析[RFPA]方法中而推出的新版本。
运用该版本可进行边坡、岩土工程稳定性分析，该版本的数值计算方法全面满足静力许可、应变相容、以及岩土体的非线性应力-应变关系，在求解安全系数时，无需假定滑动面的具体位置和形状，也无需进行条分，程序可自动求得滑动面；模拟过程中能够跟踪边坡起裂、裂纹发展和滑动面的形成过程；对安全系数的计算中，以基元破坏个数的最大值作为边坡失稳的判据，方法简单、有效；能够对复杂地质、地貌的岩、土质边坡进行稳定性分析，不受边坡几何形状和结构的限制，边坡中的不同构造、产状和特性的结构面均可以在数值模型中得以再现，能够为深入研究边坡的稳定性提供理论支持并为边坡的设计提供指导。
【典型算例】普通坡面三维边坡稳定性分析（RFPA3D-SRM）不规则坡面三维边坡稳定性分析（RFPA3D-SRM）多台阶三维边坡稳定性分析（RFPA3D-SRM）工程建模版——RFPA3D-Engineering三维真实破裂过程分析软件【工程建模版】——RFPA3D-Engineering 是继RFPA3D-开发成功后推出的，主要面向实际岩土工程应用分析，可对工程实体进行应力分析、位移监测及声发射（微震）监控等。
基于RFPA-HF方法的压裂裂缝模拟
基于RFPA-HF方法的压裂裂缝模拟肖雯【摘要】RFPA-HF(Rock Failure Process Analysis-Hydraulic Fracturing)是基于有限元技术的模拟新方法,适用于模拟分析非均质岩石条件下压裂裂缝的起裂和扩展.通过对该方法的机理分析确定其针对非均质岩层压裂模拟的准确性,建立了一种新的细观单元渗流-应力-损伤耦合模型,并将其应用于滩坝砂储层压裂模拟中,取得良好结果.通过模拟得知在以薄互层为特点的滩坝砂储层中,对于垂直井和水平井来说,形成有效裂缝所需的压裂压力值差异不大,考虑产能因素应采用水平井开发.基于RFPA-HF技术的数值实验方法,对压裂相关设计、施工具有参考和指导意义.【期刊名称】《承德石油高等专科学校学报》【年(卷),期】2016(018)006【总页数】4页(P22-24,30)【关键词】RFPA-HF;有限元;压裂;非均质;滩坝砂储层【作者】肖雯【作者单位】胜利油田分公司石油工程技术研究院,山东东营 257000【正文语种】中文【中图分类】TE122裂缝起裂、扩展、合并机理的研究对于压裂工艺发展、现场施工具有重要意义。
近几年国内在分析裂缝扩展规律时往往采用理想化的、简化的二维或三维模型，因与实际情况不符，模型所体现的扩展规律不够准确。
RFPA-HF(Rock Failure Process Analysis-Hydraulic Fracturing)是基于有限元技术的模拟新方法，该数值模拟方法基于Biot固结理论和Terzaghi的有效应力原理，同时考虑了应力和损伤变量对渗透率的影响，因此适用于模拟分析非均质岩石条件下压裂裂缝的起裂和扩展[1]，对相关设计、施工具有重要的参考和指导意义。
RFPA-HF基于Coulomb破坏准则和弹性损伤理论并将弹性力学用于应力分析[2]。
其应用流程如下：首先建立脆(塑)性岩石的数值模型，然后通过假设其基元的力学性质服从某统计规律与宏观介质力学形成联系。
RFPA数值模拟分析软件系统应用价值前景分析与经济评价
RFPA数值模拟分析软件系统应用价值前景分析与经济评价刘建兴∗孙鹏（东北大学资源与生态经济研究中心辽宁沈阳 110004）摘要：作为一种早已投入使用的研究岩石破坏过程的有力的分析工具， RFPA（Rock Failure Process Analysis）软件目前又具有不断发展升级的优良品性，无论是理论分析研究还是参与解决实际工程问题的能力均有很大的提高，该软件已经得到了国内外同行专家的认可。
可以预见，随着研究队伍的不断壮大、研究水平的不断提高和软件的功能的进一步增强，未来RFPA软件的使用价值也必将发挥更大的作用。
本文试图就其理论价值和应用前景作以分析，以探寻其战略发展之路。
关键字：RFPA数值模拟分析软件系统；理论方法基础；前景分析一、前言随着人类物质需求的不断增加，地球上自然资源的开发已经“供不应求”。
一方面，许多资源总量明显的呈现短缺的局面。
专家预测，未来２０年中国钢铁缺口总量３０亿吨，铜超过５０００万吨，精炼铝缺口１亿吨。
今后２０年中国实现工业化，石油、天然气、铜、铝矿产资源累计需求总量至少是目前储量的２至５倍[1]。
另一方面，大力开发矿产资源的结果，造成一系列的地压活动及露天边坡失稳现象，不仅对采矿生产带来了巨大的危害，破环了地质和生态环境，而且造成了资源的极大损失和浪费。
美国宾汉姆康诺露天矿在采深467米处发生大面积边坡失稳，滑坡量1600万吨，造成露天矿坑一半以上被淹没。
我国抚顺西露天煤矿在1949-1985年间从滑坡区清理出岩石量达7500万立方米。
大冶铁矿在1967-1979年间共发生规模不同的滑坡25次。
鞍钢弓长岭铁矿井下矿通峒区于1956年8月发生大规模地压活动，导致一开拓竖井报废，井下生产被迫停止两年，大量矿石被压岩石移动区内造成损失[2]。
在[1]中有关专家指出中国制定全球矿产资源战略其中很重要的目标之一是“由粗放式开发开发利用资源，向集约开发、节约资源和有效提高资源利用率的跨越式的消费方式转变”。
岩石破裂数值试验报告
研究岩石的拉伸试验一、实验目的1、通过学习RFPA，基本掌握RFPA的使用方法2、通过学习RFPA，了解数值模拟试验条件和RFPA的基本功能3、研究巴西试验不同加载方式对试验的影响二、实验数据式样尺寸：直径为80mm ；单元划分：100*100个单元；均质度：m=2.0；应力分析模式：平面应力；加载方式：点加载和线加载；加载条件：位移控制加载；加载量：每步0.002mm；弹性模量均质：50000MPa；单轴抗压强度：400MPa；最大拉应变系数：1.5；最大压应变系数200，泊松比均质：0.25；三、实验过程1、点加载实验从岩石刚开始有裂隙到最后完全破坏，通过位移分步加载，每步加载位移量为0.002mm。
实验过程图如下下图为加载步骤、应变、加载载荷和应力数据由数据绘制的应力—应变曲线如下由数据和图可知岩石圆盘的最大拉应力为9.27MPa2、线加载过程线加载就是把圆盘与压板接触的地方改为线接触，其他数据都不变，过程图如下下图为加载步骤、应变、加载载荷和应力数据由数据绘制的应力—应变曲线如下由数据和图可知，圆盘的最大抗拉强度为12.68MPa。
3、实验结果从点加载和线加载实验可以看出，岩石圆盘与压板线接触比点接触时的最大抗拉强度大。
四、实验分析巴西圆盘实验进行的拉伸试验减少了实际中需要花费的人力、物力和时间，但这并不是沿着平行于轴线的一条直线加到试件上的，那样会造成加载不均匀。
压板和圆盘不可能保持全线紧密接触，并且线加载还会造成圆盘表面破坏，实际的加载载荷是沿着一条弧线加上去的。
从实验图可以看出，岩石是由中心附近开始破坏，在压板与岩石接触的部位，岩石受到的是压应力，而在离开边缘后，沿各个方向的压应力都在减小。
在沿X方向虽然岩石受的拉应力比压应力小，但岩石的抗拉强度小，所以岩石沿着X方向破坏。
五、实验总结在学习做这个模拟实验的过程中，通过对不同加载方式实验，我们看到了试件在每一步时的变形量。
我们通过改变试件所受压力和试件的参数来研究它的变化规律，我了解了该程序的基本要求和步骤，掌握其中的加载过程，对岩石的性能有更深刻的认识，这和我们平时看到的岩石表面截然不同。
RFPA软件在岩石破裂过程中的应用
RFPA软件在岩石破裂过程中的应用
胡武辉;崔文龙;周欢站
【期刊名称】《科技与企业》
【年(卷),期】2012(000)023
【摘要】RFPA软件是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修
正后的Coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统。
掌握煤田岩石的破坏系统，有效组织装药、放炮、掘进；提高单进水平，加快煤矿联合试运转。
【总页数】1页(P190-190)
【作者】胡武辉;崔文龙;周欢站
【作者单位】彬长矿业集团文家坡矿业公司陕西咸阳 713505;彬长矿业集团文家
坡矿业公司陕西咸阳 713505;彬长矿业集团文家坡矿业公司陕西咸阳 713505【正文语种】中文
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4.从价值的角度考虑软件
测试过程能够增加软件的盈利。
对软件测试过程创造的价值进行量化,构造了直观
实用的软件测试工作量估算模型,可估算测试阶段的测试工作量和修改缺陷工作量,
为制定和调整测试计划提供有用信息。
模型描述了软件测试过程中的各活动与所创造价值之间的关系,并解释了缺陷修改活动依然会引入新缺陷这一常被忽略的事实。
通过一个应用实例证明,该模型有较好的可用性和有效性。
5.岩石破裂过程分析RFPA^(2D)系统在采场上覆岩层移动规律研究中的应用
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渗流作用下岩质边坡失稳过程的RFPA模拟分析
渗流作用下岩质边坡失稳过程的RFPA 模拟分析1李连崇1, 2，唐春安1, 2，杨天鸿1，李术才2，邓清禄31东北大学岩石破裂与失稳研究中心，沈阳（110004） 2山东大学岩土与结构工程研究中心，济南（250061）3中国地质大学，武汉（430074）摘 要：利用基于强度折减法的RFPA-Slope 对渗流与应力耦合作用下的软弱互层岩质边坡稳定性进行了数值模拟分析，数值模拟不但直观形象地给出了边坡的渗流场、应力场、破坏区分布，而且得到了边坡滑移破坏面的萌生、扩展、贯通以及坡体整体失稳的渐进破坏过程，同时求得安全系数。
并与无地下水的稳定性作了比较，结果表明，地下水渗流的作用使坡体位移增大，边坡安全系数减小，明显加大了滑坡范围。
对实例的分析说明RFPA-Slope 能够较为准确地预测边坡潜在破坏面的形状与位置及计算相应的稳定安全系数，本文方法对于边坡，特别是对于复杂边坡的稳定性分析是实用的。
关键词：渗流，岩质边坡，稳定性分析，RFPA1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（20030145002）的资助。
1. 引言岩质边坡相对土质边坡有其自身相对复杂的特点，实际岩体中存在的大量不同构造、产状和特性的裂隙体，给岩质边坡的稳定分析带来了巨大的困难，因此岩质边坡稳定性研究一直是国内外研究的热点和难点之一。
在影响岩质边坡稳定性的各种因素中，地下水的作用不容忽视。
水的渗入使岩体的质量增大，进而使滑动面的滑动力增大，同时，在水的作用下岩石被软化而抗剪强度降低，从而降低了边坡的安全系数；另外，地下水的渗流对岩体产生动水压力和静水压力，这些都对岩质边坡的稳定性产生不利影响。
在孔隙水压力的作用下，首先是减少了岩体的有效应力，从而降低了岩体的剪切强度；另外，岩体中渗流与应力之间的耦合作用，对边坡稳定性也具有重要的影响。
由于在自然边坡中渗流场分布极为复杂，很难用于计算，所以传统条分法分析边坡稳定时对渗流的影响考虑很粗糙，所以，如何建立能合理描述具有不连续性的岩体渗流力学行为，引起了许多学者的广泛关注，并提出了多种数值分析方法，如刚性元法、等效连续模型、离散单元法(DEM)、块体理论、DDA 等[1-6]，但是，这些模型一般只是得出边坡边坡在渗流影响作用下的应力、位移、塑性区，而无法得到边坡危险滑动面以及相应的稳定安全系数。
RFPA系列软件产品简介_2009版
6．数值试验室构建 ································································································································【产品资料】
真实破裂过程分析系列软件介绍
2．RFPA 软件基本原理
2.1 RFPA 软件概述 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。
II
【产品资料】
真实破裂过程分析系列软件介绍
目 录
1．概述 ·······················································································································································1 2．RFPA软件基本原理 ·····························································································································2 2.1 RFPA软件概述 ·····························································································································2 2.2 RFPA软件基本原理 ·····················································································································2 3. RFPA2D系列软件的新特点 ·················································································································8 3.1 计算方面的新特点 ·······················································································································8 3.2 使用方面的新特点 ·······················································································································8 4．RFPA2D系列软件 ································································································································10 4.1 二维真实破裂过程分析软件【基本版】——RFPA2D-Basic ··················································10 4.2 二维真实破裂过程分析软件【岩层分析版】——RFPA2D-Strata ·········································13 4.3 二维真实破裂过程分析软件【渗流分析版】——RFPA2D-Flow ···········································14 4.4 二维真实破裂过程分析软件【温度分析版】——RFPA2D-Thermal ·····································15 4.5 二维真实破裂过程分析软件【瓦斯分析版】——RFPA2D-Gasflow······································17 4.6 二维真实破裂过程分析软件【动态分析版】——RFPA2D-Dynamic ····································18 4.7 二维真实破裂过程分析软件【蠕变分析版】——RFPA2D-Creep ·········································19 4.8 二维真实破裂过程分析软件【强度折减版】——RFPA2D-SRM ···········································20 4.9 二维真实破裂过程分析软件【离心加载版】——RFPA2D-Centrifugal ·································22 4.10 二维真实破裂过程分析软件【细观分析版】——RFPA2D-DIP ···········································23 4.11 二维真实破裂过程分析软件【工程建模版】——RFPA2D-Engineering ·····························24 5．RFPA3D系列软件 ································································································································25 5.1 5.2 5.3 5.4 三维真实破裂过程分析软件【基本版】——RFPA3D-Basic ··················································25 三维真实破裂过程分析软件【强度折减版】——RFPA3D-SRM ···········································26 三维真实破裂过程分析软件【工程建模版】——RFPA3D-Engineering ·······························27 三维真实破裂过程分析软件【并行分析版】——RFPA-Parallel ··········································30
岩土工程稳定性分析RFPA强度折减法
演化过程。以岩土工程中的边坡为例，阐述 RFPA-SRM 方法在边坡稳定性分析中的应用。利用 RFPA-SRM 方法
进行边坡稳定性分析时，不需对滑动面做任何预先假定，对复杂地质地貌的边坡稳定性分析是实用的；同时以基
元的破坏次数统计作为边坡的失稳判据，不仅可直观地得到坡体的滑移破坏面，还可求得安全系数，为边坡的稳
定性研究提供一种新的便捷、有效方法。特别是 RFPA-SRM 对边坡破裂过程的模拟对于理解边坡的破坏形成机制
具有重要意义，更有利于从边坡失稳的源连拱分叉隧道安
全设计中的应用进行探讨，得到该隧道结构的安全系数及潜在破坏模式，表明 RFPA-SRM 方法同样适合其他岩土
破裂过程和确定边坡安全系数的过程。RFPA 能够
模拟岩土结构破坏过程，该系统基于对岩石细观层 次结构的认识，假定岩石的细观力学性质具有统计 性。首先把岩石离散成适当尺度的细观基元，对于这 些组成材料的细观基元，考虑其非均匀性特性，假 定其服从给定的 Weibull 统计分布函数。然后，对 这些单元的力学性质进行赋值，生成非均匀岩土结 构的数值模型。这些细观基元可借助有限元法作为 应力分析工具来计算其受载条件下的位移和应力。 在此基础上，通过基元破坏分析，考察基元是否破 坏，从而获得基元材料性质的新状态。RFPA-SRM 将细观基元的强度以线性关系、按一定步长逐渐折 减，每折减一次，应力分析程序将进行迭代计算， 寻找外力与内力的平衡，并在此基础上进行破坏分
第 25 卷 第 8 期 2006 年 8 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.25 No.8 Aug.，2006
岩土工程稳定性分析 RFPA 强度折减法
岩石破裂数值方法
1数值计算方法—基本流程
求解控制
前处理
区域离散
力学参数
边界条件
表格
计
图像
算
曲 线
机
求
后处理
解
载荷位移 编程实现
应力分布
变形大小
有限元方法(FEM)
原理：通过变分原理（或加权余量法）和分区
插值的离散化处理把偏微分控制方程转化为线 性代数方程，把待解域内的连续函数转化为求 解有限个离散点（节点）处的场函数值。
连续介质模型 等效连续介质模型 （岩层与节理）
（各向同性或异性） 离散元模型
复杂岩石隧洞
等效连续介质+接触 （节理）单元
1数值计算方法—分类
➢有限单元法(Finite Element Method, FEM) ➢离散单元法(Discrete Element Method, DEM) ➢有限差分法(Finite Difference Method, FDM) ➢边界单元法(Boundary Element Method, BEM) ➢块体理论(Block Theory)
在RFPA系统中，应力分析求解器和相变分析相互 独立，应力计算器仅完成应力、应变计算，不参 与相变分析。
相变分析
在RFPA系统中，通过应力求解器完成各基元的应力、变 形计算后，程序便转入相变分析。相变分析是根据相变准 则来检查各基元是否有相变，并依据相变的类型对相变基 元采用刚度特性弱化（如破裂或分离）或刚度重建（如压 密或接触）的办法进行处理。最后形成新的、用于下一步 计算的整体介质各基元的物理力学参数。
岩石类材料的非均匀本质
矿物颗粒、微裂隙 微孔洞
节理裂隙、破碎带
骨料、砂浆、结合裂缝
3岩石破裂过程分析系统—RFPA
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RFPA软件在岩石破裂过程中的应用【摘要】rfpa软件是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统。
掌握煤田岩石的破坏系统，有效组织装药、放炮、掘进；提高单进水平，加快煤矿联合试运转。
【关键词】weibull；弹性力学；岩石破裂
1.rfpa系统简介
rfpa是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的coulomb破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统。
其基本思路是：（1）岩石介质模型离散化成有细观基元组成的数值模型，岩石介质在细观上市各向同性的弹-脆性介质；（2）假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律（weibull分布），由此建立细观与宏观介质力学性能的联系；（3）引入适当的基元破坏准则（相变准则）和损伤规律，基元的相变临界点用修正的coulomb准则；（4）基元的力学性质随演化的发展是不可逆的；（5）基元相变前后均为线弹性体；（6）岩石介质中的裂纹扩展是一个准静态过程，忽略因快速扩展引起的惯性力的影响。
2.rfpa主要功能
岩石破裂过程分析系统rfpa主要功能包括应力分析、破裂分析、热应力分析和流固耦合分析等。
2.1 岩石中的应力分析应力分析是工程设计中的基础，对于复杂的、大型的岩土工程尤其如此。
一般来讲，解析理论只能得到
几种简单围岩结构中应力场的理论解。
即使是简单几何形状的巷道断面，如椭圆端面巷道，其应力分布的表达式也极其复杂。
而许多岩体中的开挖工程，涉及到比椭圆断面更为复杂的断面结构。
虽然通过特殊的简化方法我们也能得到一些复杂问题的近似解，但从工程应用来说，寻求一种比解析方法更方便得到的复杂结构中的应力场是十分必要的。
这种必要性还表现在岩体介质往往是层状的，充满结构面，甚至是非均匀的。
解析理论对这种具有复杂结构的介质将显得无能为力。
2.2 岩石破裂过程分析岩石破裂过程分析是rfpa系统的重要组成部分和主要特点。
rfpa提供相变分析模型，适用于介质从加载初期损伤到后期宏观裂纹形成扩展的破裂全过程的分析。
通过赋予介质不同构成部分相变前后的力学性质参数，可以完成岩石介质的破裂过程分析。
2.3 岩石热应力与热开裂分析当岩石经受高温作用时，将产生热膨胀。
当这种膨胀遭到阻碍时，便在岩石中产生热应力。
不仅如此，由于岩石是由各种矿物颗粒组成的非均匀介质，各种非均匀介质的热尾性质不一样，因此在岩石经受高温时，将因为组成岩石介质矿物颗粒的热膨胀差异而产生内应力。
当内应力达到一定程度时，就会诱发岩石介质的破裂，即岩石的热开裂。
2.4 岩石破裂过程中的流固耦合分析通常岩石力学的流固耦合问题可分为三类：一是固体与流体耦合；二是固体与热耦合；三是热与流体耦合。
目前，rfpa系统仅包括固体与流体耦合作用的
模拟，可分析的问题包括：①岩石破裂过程中渗流性能的演化规律；
②岩体破裂过程中水力梯度、流速的变化规律；③渗透作用力的分布及其对岩体变形、损伤的影响和相互作用。
在本文的模型中，基于以下基本假设：（1）岩石介质为带有残余强度的弹脆性材料，其加载和卸载过程的力学行为符合弹性损伤理论，（2）最大拉伸强度准则和mohr coulomb准则作为损伤阈值对单元进行损伤判断，（3）材料细观结构的力学参数，按weibull 分布进行赋值，以引入非均匀性式反映了某种岩石细观非均匀性分布的情况。
随着均匀性系数的增加，基元体的力学性质将集中于一个狭窄的范围之内，表明岩石介质的性质较均匀；而当均匀性系数减小则基元体的力学性质分布范围变宽，表明岩石介质的性质趋于非均匀。
（a）岩石的细观本构关系及基本方程
岩石的本构关系在一定情况下可以用岩石的应力-应变全过程
来描述。
在理论方面，已经做了不少工作，但大多是经验形式的。
近些年来，材料的损伤力学有了很大发展，人们逐渐认识到当材料受载变形，在宏观裂纹出现前，损伤已经影响了材料与结构的强度和寿命。
20世纪70年代末期，lemaitre等从损伤力学的角度，考虑到材料损伤的过程，提出了连续损伤力学的概念，并建立了一组损伤模型：
下面给出了rfpa中用到的基本方程及其计算中的破坏原理。
平衡方程：
在模型中，非均匀材料由大量的参数互有差异的细观单元组成，在单轴应力状态下，考察单元应力水平后，确定以下三种基本状态：（1）弹性状态：当或者σ3>-ft，单元处于弹性状态，式中fc为抗压强度，ft为抗拉强度，为摩擦角。
（2）断裂状态：当拉应变达到极限拉应变（ε-εtu）时，单元完全丧失承载能力和刚度，其弹性模量赋予小值，画黑形成裂纹单元。
（3）裂纹闭合状态：当裂纹单元的压应变达到极限压应变（ε-ctu）时，裂纹处于闭合状态，单元弹性模量随着压应力的增加而增高。
3.rfpa的主要特点
岩石破裂过程分析系统认为节理、裂隙与岩石一样，也是岩体的组成部分，区别仅仅是力学性质上的不同，尽管节理、裂隙造成了事实上的不连续面，但不连续面的性质同空气介质一样，具有极低的弹模和强度，或者说具有极大的变形能力。
因此，岩石破裂过程分析系统可以用连续介质力学的方法处理非连续性问题，而在传统的有限单元法中，节理、裂隙的处理是一个困难的技术问题。
以往数值模拟方法研究开挖对采动岩体的影响时，常常只用分步开挖来模拟应力场的重新分布。
岩石破裂过程分析系统采用分步开挖来研究采动工作面的推进引起的应力场的重新分布以及巷道底板的
进一步变形和破坏。
因此岩石破裂过程分析系统可以模拟采动岩体的动态发展过程。