应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究.pdf

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究 摘摘 要要采用 LS-DYNA 软件，对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度 pmax对层裂结构形 成的影响进行了有效的数值模拟，得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明扰动 应力波是形成巷帮层裂结构，继而诱发冲击矿压的重要因素；扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构 的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理，及采取有效地防治技术具有重要意义。 关关 键键 词词应力波；巷道围岩；层裂结构；冲击矿压；数值模拟 中图分类号中图分类号TD 322 文献标识码文献标识码A Numerical simulation on layered crack and failure of roadway under stress wave LEI Guang-yu, LU Ai-hong, MAO Xian-biao School of Science,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China Abstract The ing process of the layered crack and failure structure and effect of the disturbing stress wave intensity pmax on the ing of the layered crack and failure structure is simulated in software LS-DYNA. The characters of the shape and thickness of the layered crack structure of the surrounding rock in the roadway-rib are acquired. It shows the stress wave disturbance is an important factor to layered crack and failure structure and induce the rockburst; and intensity of the stress wave decides whether the layered crack and failure structure is ed and how for the structure grows. It has an important significance of researching the mechanism of inducing rockburst and taking effective measures to control rockburst. Key words stress wave; surrounding rock of roadway; layered crack and failure structure; rockburst; numerical simulation 1 引 言 在煤矿井巷等深部地下结构中，常常会在巷帮 附近的围岩内破裂形成局部或整个巷帮类似于壳体 或板状结构，我们称之为层裂结构。这种结构在巷 道顶、底板的夹持作用下，极易发生类似压杆的屈 曲失稳破坏，较大范围的失稳破坏则形成冲击矿压 灾害。 巷帮层裂结构的形成与巷道围岩的应力状态、 岩性及周围的动力扰动（如掘井放炮、顶板突然来 压等）等因素有关。文献[1]用岩石破裂过程分析系 统 RFPA2D研究了静载作用下巷帮围岩层裂结构的 形成和岩石介质的均质度对层裂结构形成的影响， 文献[25]认为， 冲击矿压的发生是静力稳定条件打 破时发生的动力失稳，并分别用有限元法和有限差 分法求解围岩初始静力问题，然后在边界上叠加动 力干扰的方法，对冲击矿压发生过程进行数值模拟 研究。而巷道附近的动力扰动对层裂结构形成的影 响研究尚未见报道。事实上，层裂结构的形成是巷 帮围岩在一定应力的作用下裂纹产生并逐渐演化的 结果，弄清巷帮层裂结构的形成过程，有助于揭示 煤矿巷冲击矿压的诱发机理。 基于有限单元法的分析软件 LS-DYNA，是以 显式求解方法为主的结构仿真分析系统，被广泛应 用于结构碰撞分析、非线性动力学分析、裂纹扩展 规律分析、接触问题研究等方面。这里借助软件 LS-DYNA 模拟应力波作用下巷帮围岩内层裂结构 的形成，探讨巷道冲击矿压的诱发机理，为煤矿冲 击矿压的预测预报及防治提供理论依据。 2 数值计算模型的建立 以某矿区的采矿地质条件为背景，取模拟巷道 的埋深为−600 m， 巷道几何形状为矩形 4 m3 m。 设计计算模型的几何尺寸为 60 m60 m， 如图 1 所 示。视巷道围岩为平面应变问题，围岩的岩性参数 如表 1 所示。设置模型两侧边界为水平方向的链杆 约束，以近似模拟无穷远处的边界条件；下部边界 为固支约束；上部边界为覆岩作用于该边界的分布 载荷 q，q 由下式确定 Hqγ 1 式中 γ为覆岩的平均重度（取 3 kN/m 20γ） ；H 为覆岩的高度m。 图图 1 巷道围岩的力学模型巷道围岩的力学模型 Fig .1 Numerical calculation model of roadway’s surrounding rock 表表 1 巷道围岩的力学特性参数巷道围岩的力学特性参数 Tbale1 Mechanical parameters of surrounding rock of roadway 岩层 名称 弹性模量 E/GPa 泊松比 μ 抗压强度 σc /MPa 抗拉强度 σt /MPa 底板 10 0.3020 2.0 煤层 3 0.35 5 0.5 老顶 25 0.25 30 3.0 为考察巷道附近扰动应力波对巷帮层裂结构形 成的影响，在巷道正上方宽 4 m 的范围内施加一脉 冲分布载荷tp，该脉冲载荷的时间历程曲线如图 2 所示。 分析中分别取扰动应力波的峰值 pmax 0.5， 0.8，1.0，1.5，2.0 MPa。 考虑到采用软件 LS-DYNA 进行分析时，需用 显隐式转换场模块，剖分网格时，在巷道边界处尽 可能设置得稠密一些，而模型边界处网格则设置稀 疏一些，具体计算网格剖分如图 3 所示。 0 0.4 0.8 1.2 1.6 01234 t / ms p / MPa pmax 2.0 图图 2 扰动应力波的时程曲线扰动应力波的时程曲线 Fig.2 Curve of disturbing stress wave vs. time 图图 3 巷道的数值计算模型巷道的数值计算模型 Fig.3 Numerical calculation model of roadway 3 数值模拟结果及分析 3.1 巷帮层裂结构的形成巷帮层裂结构的形成 图4给出了扰动应力波峰值为pmax 1.5 MPa时 的数值模拟结果，清楚地显示了巷帮层裂破坏的过 程。图中巷帮围岩内白色显示已演化形成的宏观裂 纹。可以看到裂纹开始于应力集中的巷帮上部边 界的围岩内，并迅速向深部及平行于巷帮边界面方 向扩展，并逐渐形成几条（一般 3～4 条）主裂纹。 随后由于受巷帮初始应力状态作用，裂纹的扩展主 要由这些主裂纹沿平行于巷帮边界面的方向扩展， 直至巷帮下部。这些平行于巷帮边界的裂纹将巷帮 围岩分割成层板状结构，即层裂结构。根据计算结 果分析，两裂纹间岩层厚度约为 0.25～0.45 m，为 巷帮边界几何尺寸的 8 ～15 左右，与文献[1]给 出的结果相近。层裂结构的形成，使巷帮围岩的侧 向刚度明显下降，从而导致围岩向巷道自由空间的 变形迅速加剧，图 5 给出了 pmax 1.5 MPa，t 0.004 s 时,巷帮的变形位移沿巷帮的变化规律。 图中 ux表示垂直于巷帮方向的变形位移，y 为距巷帮底 角点的距离。从图 5 看到，巷帮的最大变形量超过 500 mm。 巷帮围岩侧向刚度的下降极易造成层裂结构 的侧向屈曲失稳，从而诱发巷道冲击矿压的发生。 pt y x z 1478 a t0.0035 s b t0.004 s c t0.0045 s d t0.005 s e t0.0055 s f t0.006 s 图图 4 巷帮围岩层裂结构的形成过程巷帮围岩层裂结构的形成过程 Fig.4 ing process of the layered crack and failure structure of surrounding rock of roadway-rib -50 50 150 250 350 450 550 650 0.00.51.01.52.02.53.0 y / m ux/mm 图图 5 巷帮围岩的变形位移曲线巷帮围岩的变形位移曲线 Fig.5 The displacement curve of surrounding rock of roadway-rib 3.2 扰动应力波强度对层裂结构形成的影响扰动应力波强度对层裂结构形成的影响 图 6 给出了 pmax 0.8，1.0，1.5，2.0 MPa，时 间 t 0.005 s 时巷帮围岩层裂破坏的状况，从图中 可以看到 a pmax0.8 MPa b pmax1.0 MPa c pmax1.5 MPa d pmax2.0 MPa 图图 6 不同扰动应力强度不同扰动应力强度 pmax下巷帮层裂破坏情况下巷帮层裂破坏情况 Fig.6 The failure of the roadway-rib under different stress intensities pmax ux /mm 1479 （1）在本文研究的岩性条件下，在 pmax 0.8 MPa 情况下巷帮围岩内尚未形成层裂破坏结构。表 明巷帮围岩层裂破坏结构的形成与扰动应力波的 强度 pmax有关，控制 pmax在一定的范围内（本文中 pmax 0.8 MPa） ，即可避免层裂结构的形成。在煤 矿开采中，扰动应力波主要来自附近巷道掘进工作 面钻眼放炮等，限制这些扰动源到具有冲击矿压危 险巷道的距离，可减少扰动应力波传播到这些巷道 时的强度，这样可以达到抑制巷帮围岩层裂结构的 形成，从而避免冲击矿压的发生。事实上，应力波 在岩体内传播时，其强度将随其传播距离和时间的 增加而迅速衰减。 （2）随着扰动应力波强度 pmax的增加，巷帮 层裂破坏的范围具有变大的趋势。巷帮层裂破坏范 围的变大， 使得层裂结构失稳时， 释放的能量加大， 向巷道内涌出的岩体量增加，预示着发生冲击矿压 的强度变大。 （3）随着扰动应力波强度 pmax的增加，巷帮 围岩的变形明显增加。图 7 给出了不同扰动应力强 度 pmax下，t 0.005 s 时的巷帮最大变形位移 uxmax 的变化曲线。巷帮围岩变形的增加，说明围岩内积 聚的能量越大， 导致可能发生的冲击矿压强度增加。 0 100 200 300 400 500 600 700 0.511.52 pmax/ MPa uxmax/mm 图图 7 巷帮最大变形位移巷帮最大变形位移 uxmax随随 pmax的变化曲线的变化曲线 Fig.7 The max displacement of the roadway-rib vs pmax 4 结 语 本文借助于 LS-DYNA 软件，有效地模拟了应 力波作用下巷帮围岩内裂纹的形成、扩展，直至层 裂破坏结构的形成。巷帮层裂结构形成的研究，对 煤矿巷道冲击矿压机理的认识具有重要意义。 研究结果表明在一定巷道围岩应力状态下， 应力波作用将诱发巷帮围岩层裂结构的形成，层裂 结构的屈曲失稳将导致冲击矿压的发生；巷帮层裂 结构形成及其范围均与扰动应力波的强度 pmax有 关。在本文研究的条件下，当 pmax 0.8 MPa 时， 将难于形成这种层裂结构， 表明不易诱发冲击矿压。 随着pmax的增大， 其巷帮层裂结构形成的范围变大、 围岩内积聚的变形能增加，从而，发生巷道冲击矿 压的危险性随之增加。因此，控制扰动应力波强度 pmax的大小， 可有效地减少和防止冲击矿压的发生。 需要指出的是，巷帮围岩层裂结构的形成，除 了与扰动应力波有关，还与巷道围岩的初应力状态 密切相关。随着煤矿开采深度的不断加大，巷道围 岩初应力状态日趋恶化，冲击矿压灾害的发生的危 险性越来越加剧，有关研究将另文探讨。 参参 考考 文文 献献 [1] 张晓春, 缪协兴. 层状岩体中洞室围岩层裂及破坏的 数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 2111 1 645－1 650. 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