应力波作用下巷道围岩层裂结构的稳定性研究.pdf

第3 7 卷第6 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．6 2 0 0 8 年1 1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y N o v ．2 0 0 8 应力波作用下巷道围岩层裂结构的稳定性研究 卢爱红，郁耐炼，秦昊，茅献彪 中国矿业大学理学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要通过对巷帮围岩的受力特点分析，揭示了巷帮层裂结构形成的原因，并利用板的稳定性原 理推导了应力波作用下层裂结构稳定的l 临界应力．并采用L D Y N A 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、巷道埋深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．结果表明给定应力波 强度条件下 户。。 1 5M P a 巷帮围岩层裂破坏结构的形成与巷道的埋深有关，若H 口，．无支护时，取盯， 0 ．在应力波作用 下，单元体内的初始裂纹萌生张性翼裂纹，其扩展 受I 型应力强度因子K ￡ 控制‘1 1 3 ，扩展特性可 用滑移裂纹模型来描述． a 受力特征 _ 萨 o ，弋A 图1 巷道附近煤壁受力及损伤示意 F i g ．1 L o a da n dd a m a g eo fc o a lw a l l 根据前面的分析可知，多数裂纹 主裂纹 与 应力场的主应力口。方向一致，因此，巷帮附近的裂 纹主要沿铅垂方向，这里为了方便分析，将裂纹处 理为等长度z 、等间距b 的周期共线滑移裂纹群，并 取其中距自由表面距离为h 的一组裂纹进行分析， 如图2 所示．则受到应力波作用裂纹尖端应力强度 因子可表示为 r f K ￡ 一A J 。J I l ￡一r 多 r d r ， 2 式中A 一掣为动力修正系数，K 。 P o 为静 p o 载P ．作用下的应力强度因子；多 ￡ 为作用在裂纹 上的应力户 ￡ 的时间微分，即应力速度；J l l ￡ 为阶 跃响应函数． t 口z 图2 滑移裂纹模型 F i g ．2S l i d i n gc r a c km o d e l 对于动力学问题，裂纹尖端的应力强度因子与 静力状态相比，具有本质区别，为简单起见，在静 力的应力强度因子K t 的基础上提出引入动的修正 系数口 ￡ ，使得K ￡ a C t K I ．对于动应力修正 系数a C t ，采用H o p k i n s o n 杆冲击试验的方法，在 纵向冲击破坏试验来获得K M ，令 m 急， 式中K u 为动破坏韧性，可以通过冲击破坏试验 测定；K 。。裂纹扩展时的临界应力强度因子，由实验 确定． 而静态情况下 K 。 K F ， 吾 g 吾 ， ㈤ 万方数据 第6 期卢爱红等应力波作用下巷道围岩层裂结构的稳定性研究 7 7 1 K 草 F f √K t ， F 2 以e 口 Z o ， 4 e 口 C s i n 2 a c o sa ， 式中F 为翼型张裂纹产生时裂纹滑移面上的一 对扩张力；K F 为无限大平面内裂纹表面中部受一 对集中力作用的应力强度因子；Z 。为初始预存裂纹 滑移面长度；口为预存裂纹与压应力方向的倾斜 角；C 为考虑摩擦和次生翼型张裂纹弯曲的级次单 位因子；厂 F t 为裂纹位置及尺寸影响系数， ， 丢 1 筹；g 手 为静态修正因子，对于单 个裂纹有g 1 ，对于周期性裂纹可取为口妇 g 吾 √髦t a n 荔． c 5 ， 它依赖于结构和裂纹形状及入射应力波波形，在破 坏动力学分析中，常采用K f 作为破坏判断标准， 即 K ￡ ≥K I d ． 6 在冲击破坏试验中，当裂纹尖端应力强度因子 K ￡ ≥K l d 时，裂纹不稳定扩展． 由式 3 ～6 可得出裂纹扩展的临界压应力 ％一型坠二 ． 7 2 z 。鼬 1 砑3 1 2 ～＼／z m n 万 l 若裂纹扩展面上的正应力吼 吼，时，共线周 期分布裂纹将贯通联合，顺壁面形成分离层，并产 生新的自由表面．这一过程可重复发生，使巷道两 帮附近煤 岩 体成为层裂结构，如图3 所示，并在 压应力作用下向自由空间压曲．另一方面，新生的 自由表面并不完全自由，在滑移面上存在一定的正 应力和剪应力，它对内部煤壁仍有一定的限制作 用[ 1 2 ] ．因此，附近层裂结构区的范围一般小于应力 集中区范围．从整体来看，沿巷道走向各分离层将 联合形成层裂板结构． 1 ．2 巷道围岩层裂板结构的稳定性 在层裂板结构形成后，煤壁的稳定性可由板的 稳定性来分析．根据徐州矿区某矿数次冲击矿压现 场资料来看，发生的位置大多在采场前方压力峰值 区内，破坏范围沿巷道长度达几十米，甚至上百米． 针对大范围冲击矿压情况，根据层裂结构模型，取 L 沿y 方向的一段分析，可简化为上下两端夹支承 载，厚度为h ，长为L 裂纹贯穿后总长 的层裂板 结构，其力学模型可由图3 表示． 图3 层裂板结构屈曲示意图 F i g ．3L a y e r - c r a c k e d - p l a t eb u c k l i n g 若不考虑板问的相互影响，在弹性状态下，其 临界应力为 矿 南警， 8 口≤矿， 9 式中c r d 为应力波的强度；口为围岩内层裂区域内 的压应力，它由两部分组成，一部分为传播至层裂 区的应力波d r d e 一班[ 1 3 ] ，另一部分为静载时铅垂方向 的应力吒，它主要由围岩所受的上覆岩层的重力 引起．可以用以下式表示 d r a d e - - 事 吒， 1 0 式中呀为应力波的衰减系数；z 为从扰动源传播 到层裂区的距离． 则围岩的稳定性条件转化为 c r d e _ 班 吼≤矿． 1 1 从式 1 1 可以看出，围岩的稳定性与所受的上 覆岩层的重力引起的c r z 、应力波的强度％以及应 力波的传播距离和它的衰减系数有关．在实际工 程中可以通过控制这些因素来保持围岩的稳定性， 从而避免冲击矿压的发生．由于地质条件复杂，这 些因素很难用解析方式表达出来，本文应用大型计 算软件L 孓D Y N A 来讨论巷道的埋深对层裂结构 形成的影响． 2 应力波诱发巷道屈曲失稳的数值模型 2 ．1 数值计算模型 煤矿开采是在层状岩体中进行的，由于成岩时 间和矿物成份的不同，使各岩层的厚度和力学特性 等方面总存在着不同程度的差异．在采煤过程中， 冲击矿压常发生在具有坚硬顶底岩板的采场和巷 道中，与坚硬岩体的夹持作用和煤岩体的材料性质 有关．根据这一特征，本文设计以下的包含巷道空 间的层状岩体受压计算模型．为简单见，巷道几何 形状为矩形4m 3n l ，如图4 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，巷道 埋深为H ，上覆岩层作用于模型上的压力口 7 H ， 万方数据 7 7 2中国矿业大学学报第3 7 卷 其中，y 为覆岩的平均容重 取 ， 2 0k N ／m 3 ；H 为覆岩的厚度．为模拟巷道埋深对结构的影响，改 变施加静载的数值，分析结构的受力和破坏情况， 分别取埋深H 5 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 ，8 0 0m ．模型侧面采 用铰支约束，上表面自由并承受与覆岩厚度相应的 垂直应力，下部边界为链杆约束． 襄1 巷道围岩的力学特性参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o a d w a y ’ss u r r o u n d i n gr o c k 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4m 的范围内施加 一脉冲分布载荷户 ￡ ，以模拟巷道上方的动力扰 ．动对巷道围岩的影响，如图4 所示． P 图4 数值模拟的模型 F i g ．4 M e c h a n i c a lm o d e lo fr o a d w a y ’Sr o c k 考虑到用软件L 孓D Y N A 分析时，需用显隐式 转换场模块分析，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5 所示． 图5巷遭的数值计算模型 F i g ．5 N u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e lo fr o a d w a y 在动载下岩石的破裂类型虽有较多讨论，但对 于较坚硬岩石，在冲击载荷作用下其破裂类型主要 有2 种1 压剪破坏；2 拉破坏．因此，在本文的 数值模拟中取材料的失效准则为拉失效． 2 ．2 扰动应力波的时程曲线 研究表明u “，爆炸引起的应力波可以简化成 一脉冲分布载荷p ￡ ，该脉冲载荷的时问历程曲 线如图6 所示． 3 0 ￡2 0 兰1 0 0 图6 扰动应力波的时程曲线 F i g ．6 T i m e - h i s t o r yc u r v eo fd i s t u r b a n c es t r e s sw a v e 3 巷道围岩屈曲失稳的数值模拟结果及分 析 3 ．1 巷帮层裂结构的形成 图7 给出了扰动应力波峰值为p 。。 1 5 M P a ，埋深为6 0 0m 时的数值模拟结果．清楚地显 示了巷帮层裂破坏的过程，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，随着应力波的传播，平 行于巷帮的几条裂纹相继出现，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 ．2 5 ～O ．4 5m ，为巷帮边界几何尺寸的8 ％ ～1 5 ％左右，与文献[ 1 2 ，1 5 - ] 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，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． 图7 巷帮围岩层裂的形成过程 F i g ．7 P r o c e s so fl a y - c r a c kf o r m e di n r o a d w a ys u r r o u n d i n g 3 ．2 巷道水平速度矢量变化 图8 为巷帮水平方向速度矢量变化，随着应力 波对围岩的作用，在巷帮出现层裂结构之前，巷帮 的最大水平速度矢量出现在巷帮的顶部和底部，并 且随着应力波的继续作用，巷帮中部的速度矢量逐 渐增大，并向纵深方向发展，水平速度矢量表明巷 万方数据 第6 期 卢爱红等应力波作用下巷道围岩层裂结构的稳定性研究7 7 3 帮位移的方向，水平速度矢量形成的形状与上面巷 帮形成的层裂范围一致．图9 给出了t 0 ．0 0 4s 时 巷帮的变形位移沿巷帮的变化规律，显示了巷帮变 形位移的加剧情况．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． 图8 围岩水平速度矢量变化 F i g ．8V a r i t yo fh o r i z o n t a lv e l o c i t yv e c t o ri nr o a d w a ys u r r o u n d i n g 图9巷帮围岩的变形位移曲线 F i g ．9D i s p l a c e m e n tc u r v eo f s u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a y - r i b 3 ．3 埋深对巷道围岩破裂的影响 图1 0 给出了H 5 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 ，8 0 0m ，时间t 2 ．5m s 时巷帮围岩层裂破坏的状况，从图1 0 中 可以看到 图l O不同埋深下巷道围岩的层裂破坏情况 F i g ．1 0 F a i l u r eo ft h er o a d w a y - r i b u n d e rd i f f e r e n td e p t ho fr o a d w a yH 1 对于不同埋深条件，在给定应力波强度条 件 P m ．。一1 5M P a 下，若H 5 0 0m 时，随着巷道埋深的增加，巷 帮层裂的范围有增大的趋势，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．此外随着埋深的 增加巷帮形成的层裂板的厚度变小，使得层裂板的 稳定性减少，即发生失稳的临界应力减小，同时巷 道受到的垂直方向的应力必定增加，这就导致发生 冲击矿压的可能性增加． 3 随着巷道埋深的增加，巷帮围岩的变形明 显增加，图1 1 给出了不同埋深条件下t 一2 ．5m s 巷帮最大变形位移曲线．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． 4 随着巷道埋深的增加，巷道两帮水平速度 的矢量也明显增加，由图1 2 可得，在埋深5 0 0m 时 巷道围岩的最大水平速度矢量为0 ．3 6 60m ／s ，而 万方数据 7 7 4 中国矿业大学学报 第3 7 卷 埋深8 0 0m 时巷道围岩的最大水平速度矢量增加 到0 ．5 0 53m ／s ，增加了0 ．1 3 93m ／s ，增幅达 3 8 ％，这说明埋深越深围岩积聚的能量越多，发生 冲击时围岩的弹射速度越快，发生冲击的烈度越 大． H ／m 图1 1 巷帮最大变形位移“～随H 的变化曲线 F i g ．1 1 M a xd i s p l a c e m e n to ft h er o a d w a y - r i bV SH 图1 2 不同埋深条件下巷帮水平速度矢量 F i g ．1 2 H o r i z o n t a lv e l o c i t yv e c t o ro ft h er o a d w a y - r i bu n d e rd i f f e r e n td e p t ho fr o a d w a yH 4 结论 1 巷帮围岩层裂破坏结构的形成与巷道的埋 深有关，若H 5 0 0m ，即可避免层裂结构的形成． 2 当H ≥5 0 0m 时，随着巷道埋深的增加，巷 帮层裂的范围有增大的趋势．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 巷帮围岩层裂结构的形成，除了与巷道埋 深有关，还与应力波强度密切相关。应力波强度越 大越易于围岩形成层裂结构，也越容易诱发冲击矿 压，但冲击矿压形成的烈度的影响因素涉及煤体物 理力学特性、层裂结构的区域大小与裂层厚度大小 以及周边约束条件，需作进一步深入研究． 参考文献 [ 1 3M O R R I S O NRGK ．T h e o r ya n dt h ep r a c t i c a lp r o b l e mo fr o c kb u r s t s [ J ] ．E n g i n e e r i n ga n dM i n i n gJ o u r - 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