基于双屈服模型的膏体充填数值模拟.pdf

I S S N 1 0 0 52 7 6 3 C N 4 31 2 1 5 ／ T D 矿业研究与开发 第2 7卷 第3期 MI NI NG R ＆ D，Vo 1 ． 2 7， No ． 3 2 0 0 7年 6月 J u n ． 2 0 0 7 基 于 双 屈 服 模 型 的 膏 体 充 填 数 值 模 拟 强 辉 ， 周华强， 赵才智， 常庆粮 中国矿业大学 能源与安全工程学院， 江苏 徐州市2 2 1 0 0 8 摘要 通过基 于双屈服模型的数值模拟 方法初 步研 究 了不 同膏体材料的充填作用机理和效果， 从 中分析 了材料的性质 与地表下沉的关系， 以及充填体对开采活动中周围岩体应力 的改善情况， 总结出充填体的应力分布规律， 并针对实际充 填工程提出了提高材料初凝强度、 缩短开采与充填时间间隔 等一些建议。 关键词 膏体充填； 充填材料； 双屈服模型； 弹性模量 中图分类号 T D 8 5 3 ． 3 4 ， 0 3 4 6 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 2 7 6 3 2 0 0 7 0 3 0 0 0 6 0 2 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f P a s t e F i l l i n g Ba s e d o n Do u b l eYi e l d M o d e l Q n gHu i ， Z h o uHu a q i a n g， Z h a o C a iz h i ， C h a n g Q i n g l mn g S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ， C h i n a U niv e r s i ty o f Mi nin gT e c h n o l o g y ， X u z h o u ， J i ang s u 2 2 1 0 0 8 ， C hin a Ab s t r a c t A P r e l i mi n a r y s t u d y o n t h e a c t i o n me c h a n i s m an d e ff e c t o f p a s t e fi l l i n g a r e c a r r i e d o u t b y n u me ric a l s i mu l a t i o n b ase d o n d o u b l ey i e l d mo d e l i n t h i s p a p e r ，the a ff e c t o ff d l i n g ma t e r i alg p r o p e r t i e s o n g r o u n d s ub s i d e n c e an d t h e i mp r o v e me n t of s t r e s s s t a t e o f s u r r o u n d i n g r o c k d u r i n g mi nin g w i th p as t e fi l l i n g a r e an aly z e d ．T h e s t r e s s dis t r i b u t i n g r u l e o f the p ast e fi l l i n g b o d y i s c o n c l u d e d ．S o me s u g g e s t s s u c h as i mp r o v i n g the i nit i al c o a g u l a t e s t r e n g t h o f fi l l i n g ma t e r i al，s h o r tin g the i n t e r v al t i me b e t w e e n mi nin g an d fi l i n g ，e t c ． ，a r e p r o p o s e d f o r p r a c t i c al fi l l - i ng e n g i n e e ring ． Ke y Wo r d s P a s t e fi l l i n g ，F i l l i n g m a t e ri al，D o ubl eyie l d mo d e l ，E l a s ti c mo d ulu s 矿山开采导致的安全、 环境问题 日 趋严峻， 膏体 充填这一技术能够有效缓解和解决此类问题。 合理的本构模型是岩土数值分析的关键。膏体 充填材料作为一种特殊的工程材料， 力学性质、 屈服 准则与其周围的岩石截然不同； 根据膏体的受力环 境， 可以合理假定， 膏体的塑性变形 d 由两部分组 成 一种是与膏体的压缩相联系， 主要表现那些由正 应力引起体积压缩的颗粒的位移特性 ， 记为 d ； 另 一 种与膏体的膨胀相联系， 体现由剪应力引起体积 膨胀的颗粒的位移特性 ， 记为 如 ， 即 d d d 。因此 ， 用不 同形式 的屈服面和不同的硬化规 律来反映这两中不同的塑性应变是必要的， 进行数 值计算和模拟时选择一种合理 的计算模型也是必要 的， 双屈服模型是其中的一种。 1 双 屈服模 型 双屈服模型属于经典的体应变硬化塑性增量理 论的范畴 ， 在每一个载荷增量的情况下 ， 可以承受较 小的弹性和塑性应变。其加载 函数可以考虑为 3部 分组成， 即极限破坏面、 一个压缩屈服面 帽子 和 一 个剪胀屈服面 见图 1 。 q J h ＼／ A ／ 。 ／ P 图 1 双屈服模型 根据殷宗泽提出的双屈服面应力 一应变模型的 解释 ， 在图 1中， B点表示当前应力状态 ， 屈服面 和 把 P q 平面分成了4 个区域 A 0 是弹性区； A 是塑性区仅与第一种屈服有关， A 区只与第二种屈 服有关； 只在A 区中两种塑性变形同时存在， 如果 q 保持不变而降低 P ， 则应力状态落人 A 区， 根据模 型所示， 将存在塑性剪变形和膨胀变形； 若增加 P ， 则落人 A 区， 体积应变是压缩的。另一面， 若 P保 持不变而增加 q ， 或同时增加 P和 q ， 则应力状态处 于A ， 区、 当应力水平较低时 线较平坦， 根据相关 联的流动规则 ， 塑性体积应变分量就较小， 也就是与 收稿 日期 - 2 0 0 60 31 3 作者简介 强辉 1 9 8 2一 ， 男， 江苏南京人， 硬士研究生， 主要研究方向为矿山岩层控制、 承压水防治及膏体充填， E n m i l K n g k u i c m 1 2 6． t o m。 维普资讯 强辉， 等 基于双屈服模型的膏体充填数值模拟 7 相联系的膨胀应变较小 ； 而此时 较陡， 由 所对 应的压缩应变较大， 因此叠加结果一般表现为压缩 应变。 当应力水平较高时， 两种屈服面所对应的体积 应变在数值上相当。 哪一个占主导地位， 将主要决定 于反映剪胀或剪缩的参数 。 若 较高 所对应的 体积应变占优势， 则总的塑性体积应变为膨胀， 否则 为压缩。 2 F L A C计算模型 F L A C软件为用户提供了一种双屈服模型， 它 在考虑剪切和拉伸屈服的基础上， 也考虑了永久体 积改变导致的体积屈服 体积屈服面称为帽子 ， 其 屈服准则为 一 。 2 c／ 1 ／ l ‘ 一c r 3 2 1 厂 1 2 3 P 3 - 式中 1s i n ／ 1一s i r l C粘聚力 ， P a ； 内摩擦角 ， 度 ； ‘ 抗拉强度， P a ； p 等向固结压力 ， P a 。 充填体材料的硬化特性与体积塑性相关， 并且 遵从于由用户 自定义的一条分段线性 Pe 准则。 结合南 沼河铁矿实际情况 ， 有针对性地进行 了 膏体充填材料试验 ， 选取 了其 中的 4种 。为了充分 了解这 4种不 同的材料在充填后 ， 其对 围岩应力改 善、 地表下沉控制的效果及 自身特性 ， 运用 F L A C进 行数值模拟。南沼河铁矿选用的采矿方法 浅孔房 柱采矿法、 预控顶中深孔房柱事后充填采矿法、 底盘 堑沟漏斗中深孔房柱事后充填采矿法 3种 矿厚 ≤6 m， 采用浅孔房柱法采矿 ， 矿房宽 1 2 m， 矿柱宽 5 m； 矿厚在 6～1 2 m之问采用预控顶中深孔房柱事后充 填采矿法 ， 矿房宽 1 2～1 4 m， 矿柱宽 6～ 8 m； 矿厚 ≥ 1 2 m， 采用底盘堑沟漏斗 中深孔房 柱事后充填采矿 法， 采场宽 1 2 ～ 1 5 m， 长 4 O～ 5 0 m， 高为矿体厚度。 结合其实际生产情况并考虑研究 内容的需要 ， 选定 模型单个矿房的长度为 4 0 m， 宽度为 1 2 m， 高度为 1 2 ． 6 m； 模型总高度为2 9 2 ． 6 m， 考虑充分采动所需 采场范围4 5 0 m， 共有 3 8 个矿房。模型两侧未采范 围各3 0 0 m， 模型总长度 1 0 5 0 m； 本模型采取开挖 一 充填 一 开挖的顺序开采方式。模型总体采用 M o h r C o u l o m b 模型， 但对于充填体采用双屈服模型， 其 P一 硬化特性曲线参考经验公式 p ． 5 。 ～ 。 4 塑性体积应变。 岩体参数选值见表 1 。 表 1 岩体参数 3 计算结果 不 同膏体 材料充填后 地表最大下 沉量分 别为 1 ． 1 2 9 ， 0 ． 8 9 0 ， 0 ． 8 5 5 ， 0 ． 6 5 7 m， 其下沉系数分别 只有 0 ． 0 9 4， 0 ． 0 7 4 ， 0 ． 0 7 1 ， 0 ． 0 5 7； 而不充填 的情况下 ， 地 表的下沉量可达 1 0 ． 8 m， 下 沉系数为 0 ． 8 6 ． 。可 以 看出充填能够 明显减少地表下沉 ， 达到改善地表环 境， 保护地面建筑物的作用。 图2为不同膏体材料充填后， 底板垂直应力分 布情况 ； 不充填开采时 ， 两端最大支撑压力为 2 O ． 6 7 MP a ， 而充 填 后 ， 其 最 大 支撑 压 力 分 别 为 1 8 ． 8 8 ， 1 7 ． 2 6 ， 1 7 ． 0 5 ， 1 5 ． 3 7 8 b l P a 。因此 ， 充填体能够有效 地改善周围应力环境 ， 减少应力集中， 材料 的强度越 大， 最大集中应力越小， 充填体承载的平均应力越 大 ， 承载的规律为两端应力小、 中间应力大 ， 这是 因 为随着开采 的不断进行 ， 上覆岩层 的重量逐渐转移 至充填体所致 ； 充填体能够减少上覆岩层对下部岩 层的作用， 整个计算过程中顶、 底板未曾出现拉 一 剪 破坏塑性区。 ． NO 2 N ．3 ． NO． 4 ． 0 2 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 00 走向距离 m 图2 不同膏体材料充填后底板垂直应力分布 1 O 矿房充填 体的垂 向应力和垂 向应 变跟踪记 录见图3 ， 4组不同材料都明显地表现出了压缩硬化 的特性 ， 其承载压力已超过材料 的2 8 d 强度； 材料 下转第5 2页 ∞堪坩 H 坨 如8 6 42 O B d 暑一 趟鞯 维普资讯 5 2 矿 业 研 究 与 开 发 3 结 论 地下矿山智能化开采系统， 综合各个领域的先 进技术， 能够提高产量、 降低生产成本、 减少环境对 人体健康的影响， 同时使矿工远离灾难。智能化开 采系统能够维持矿山企业的竞争力， 并且拓展矿山 企业的生存与发展空间。 参考文献 [ 1 ] 古德生． 地下金属矿采矿科学技术的发展趋势[ J ] ．黄金， 2 0 0 4， 2 5 1 1 8～ 2 2 ． [ 2 ] 吕苗荣 ， 古德生． 矿山企业信息体系结构的研究与探讨[ J ] ． 矿业研 究与开发 。 2 0 0 6。 2 6 4 6 1～ 6 6 ． 上接第 7页 的弹性模量越大， 其压缩屈服 面越大 ， 承载能力越 强。在充填初期， 充填体侧向压力不明显， 0 ， 静水应力 P很小 ， 广义剪应力 q 偏大 ， 受顶板垂 向不均匀压力作用 ， 单个充填体先在与顶板接触处 出现剪切屈服； 随着顶板压力的不断增加 ， 充填体侧 压增大 ， 充填体的静水应力 P增大 ， 体积屈服也逐渐 出现。 直至充填体的底部 ， 最后单个充填体外部 出现 体积屈服， 内部以剪切屈服为主。 口一 R ．叵 1l llI 图3 1 0 充填体垂向应力应变 对地表下沉量及材料压缩量进行 比较 ， 发现地 表下沉量大于材料压缩量。分析整个模拟过程， 认 为多出的下沉量是由于在开采过程中， 矿房顶板 自 然弯曲下沉累加所致 。因此， 减小矿房宽度、 缩短开 采与充填之间的时间间隔、 提高材料的初凝强度都 能有效地减小顶板下沉量。 4 结 论 1 膏体充填能有效控制地表下沉， 减少应力 集中， 改善开采环境， 提高采矿活动的安全性， 对于 芬兰技术开发中心．智能矿山的研究与发展[ J ] ．国外金属 矿山 ，1 9 9 4，l 1 8 6～8 8 ． 王李管 ， 曾庆田 ， 贾 明涛．数字矿山整体实施方案及其关 键技 术[ J ] ．采矿技术， 2 0 0 6 ， 6 3 4 9 3- 4 9 8 ． 罗昌俊， 陈希 ， 周明天．无线传感器网络技术研究[ J ] ．测 控技术 ， 2 0 0 6， 2 5 7 6～ 9 ． 杨维， 冯锡生 ， 程时昕， 等．新一代全矿井无线信息系统理 论与关键技术[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 4 ， 2 9 4 5 0 6～ 5 0 9 ． 杨扬， 张申， 朱永红， 等． 井下蓝牙语音网络分析[ J ] ．矿 业研究与开发 ， 2 0 0 6， 2 6 4 7 O～ 7 4 ． 郭星歌， 赵培培 ， 李世银． 工业以太网技术在矿井通信的应用 [ J ] ． 煤矿机电， 2 0 0 6 ， 2 2 9 ～ 3 2 ． 煤矿及非煤矿山是一种先进的值得推广的技术。 2 材料 的弹性模量对地表下沉量控制有着很 大的影响； 弹性模量越大， 压缩屈服面越 大， 充填体 的承载能力越大 ， 压缩量就越小 ， 地表下沉量也小。 在 3向受压条件下， 由于硬化作用， 材料的承载能力 大于材料的单轴强度。膏体材料在充填作用过程 中， 首先 由于受顶板的垂直压力 ， 在局部区域出现剪 切屈服。随着材料的逐渐压缩， 侧向压力的提高， 充 填体内的体积屈服注浆增大 ， 待整体稳定后 ， 充填体 内部出现剪切屈服， 外部 出现体积屈服。 3 在施工工艺上 ， 为节约成本 ， 进行充填时 ， 适当降低矿房两端的充填体强度对充填效果没有太 大影响。减小矿房宽度、 缩短开采与充填之间的时 间间隔、 提高材料的初凝强度等能有效地减小顶板 下沉量。 4 本次模拟没有考虑开采顺序对于地表下沉 量和应力分布的影响， 该问题有待另外的工作解决。 参考文献 [ 1 ] 赵才智， 周华强． 膏体充填材料性能的初步试验[ J ] ． 中国矿 业大学学报 ， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 5 9～1 6 1 ． [ 2 ] 周华强， 侯朝炯．固体废物膏体充填不迁村采煤[ J ] ． 中国矿 业大学学报 ， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 5 4～1 5 8 ． [ 3 ] 殷宗泽． 一个土体的双屈服面应力 一应变模型[ J ] ． 岩土工程 学报 ， 1 9 8 8， 1 0 4 6 4- 7 1 ． [ 4 ] 孙雨明， 高广运， 邱畅， 等． 帽子模型在强夯动应力计算中的 应用[ J ] ． 地下空间， 2 0 0 3 ， 2 3 2 2 5 ～ 2 7 ． [ 5 ] 张军辉， 缪林昌． 连云港海相软土流变特性试验及双屈服面流 变模 型[ J ] ． 岩土工程学报 。 2 0 0 5 ， 2 6 1 1 4 5～1 4 9 ． 维普资讯