復(fù)合頂板巷道圍巖變形與破壞特征數(shù)值模擬.pdf

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1、2010年第2期煤礦支護(hù)27石罵0莊中煤杯參評(píng)論文復(fù)合頂板巷道圍巖變形與破壞特征數(shù)值模擬王航王立凱茹曉瑩[阜新礦業(yè)集團(tuán)公司興阜煤礦，遼寧阜新123000]摘要為研究復(fù)合頂板巷道圍巖變形及破壞規(guī)律，結(jié)合興阜礦工程實(shí)際，應(yīng)用RFPA分別模擬一般頂板巷道和復(fù)合頂板巷道開(kāi)挖后圍巖的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，得出復(fù)合頂板條件下巷道圍巖變形和破壞的特征，從而為該礦巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞復(fù)合頂板RFPA破裂區(qū)驗(yàn)工具。該方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是考慮了材引言料性質(zhì)的非均勻性，是一種通過(guò)非均勻性模擬非線性、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法模擬非連

2、續(xù)介興阜礦主采煤層頂板為不穩(wěn)定復(fù)合頂質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的材料破裂過(guò)程分析新型數(shù)值分板，松軟易垮落，回采巷道支護(hù)效果差，給析方法。安全和有序生產(chǎn)帶來(lái)極大危害。本文應(yīng)用數(shù)值模擬對(duì)復(fù)合頂板巷道圍巖的變形及破壞規(guī)2力學(xué)模型律進(jìn)行研究，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2．1模型尺寸1數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介考慮到計(jì)算機(jī)容量和計(jì)算數(shù)量的龐大，既應(yīng)減少單元數(shù)量，也充分展示巷道圍巖的數(shù)值模擬方法[1啊。]的特點(diǎn)在于，具有分變形與破壞狀態(tài)。因此，將基本平面模型定析基本構(gòu)成要素性質(zhì)簡(jiǎn)單而整體性質(zhì)復(fù)雜的在巷道立體空間的軸向剖面。其寬度和高度宏觀系統(tǒng)

3、行為的優(yōu)勢(shì)。與解析理論相比，它大于巷道極限塑性區(qū)的范圍，各為21m。建可以為初值簡(jiǎn)單、演化過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題提供立兩個(gè)力學(xué)模型(如圖1所示)。模型中頂直覺(jué)的認(rèn)識(shí)。礦山巖體本質(zhì)上是一種不連續(xù)板巖層厚12m，含兩層分別厚0．45m和體，在這樣的巖體內(nèi)開(kāi)挖巷道，開(kāi)挖后圍巖0．3m的薄煤層，分別距巷道頂部0．6m和的變形到穩(wěn)定是個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。由于不連續(xù)2．1m；開(kāi)采煤層厚2．7m；底板厚6．3m。巖體的應(yīng)力、應(yīng)變及其破壞過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，巷道位于開(kāi)采煤層中，寬4．0m，高2。7m。目前還沒(méi)有成熟的計(jì)算圍巖性態(tài)的模型和方

4、按區(qū)段的準(zhǔn)備系統(tǒng)，將回采巷道基本分為兩法。對(duì)于巖石工程而言，一個(gè)數(shù)學(xué)方法上相類：對(duì)簡(jiǎn)單，但能充分考慮巖石介質(zhì)復(fù)雜性的分①回采巷道位于未經(jīng)采動(dòng)的煤體內(nèi)，即析計(jì)算方法可能更有發(fā)展前途。本文所應(yīng)用巷道兩側(cè)均為煤體，稱煤體一煤體巷道，用的是由東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)中心開(kāi)發(fā)的A模型模擬。巖石破裂過(guò)程分析系統(tǒng)RFPA(Realistic②上區(qū)段已采畢且采動(dòng)影響穩(wěn)定后掘進(jìn)FailureProcessAnalysis的簡(jiǎn)稱)。它是一的下區(qū)段回風(fēng)巷(或運(yùn)輸巷)，即回采巷道種基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計(jì)損傷理論的材一側(cè)為煤體一

5、煤柱(采動(dòng)穩(wěn)定)巷道，煤柱料破裂過(guò)程分析數(shù)值計(jì)算方法，是一個(gè)能夠?qū)?m，用B模型模擬。模擬材料漸進(jìn)破裂直至失穩(wěn)全過(guò)程的數(shù)值試2．2邊界條件28煤礦支護(hù)2010年第2期砂質(zhì)泥巖。按實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果，砂質(zhì)泥巖標(biāo)準(zhǔn)試樣單向抗壓強(qiáng)度49．4l～53．OOMPa，頂板平均52．20MPa；抗拉強(qiáng)度2．76～3．36MPa，平均3．22MPa；彈性模量17000～底飯17300MPa。煤層標(biāo)準(zhǔn)巖樣單向抗壓強(qiáng)度4．4I～5．06MPa，平均4．96MPa；抗拉強(qiáng)度0．29～0．34MPa，平均0．31MPa；彈性圈1力

6、學(xué)模型模量5200～5300MPa。以此為基礎(chǔ)，參照按重力場(chǎng)建立邊界條件。依據(jù)興阜煤礦國(guó)內(nèi)外煤巖樣單向抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)開(kāi)采條件，選擇采深450m。模型兩側(cè)和底結(jié)果，通過(guò)反演，進(jìn)行巷道圍巖強(qiáng)度和變形部為位移約束，兩個(gè)底鉸點(diǎn)是固定支座。對(duì)模量的弱化處理，給出圍巖體的力學(xué)參數(shù)。于煤體一煤體巷道，巷道第一時(shí)期受壓10．OOMPa，第二時(shí)期受壓16．90MPa。對(duì)3模擬結(jié)果于煤體一煤柱巷道，巷道第一時(shí)期受壓16．90MPa，第二時(shí)期受壓23．80MPa(應(yīng)復(fù)合頂板與一般頂板巷道頂板及破裂區(qū)力集中系數(shù)選取1．

7、69)。深度的模擬結(jié)果列于表1，圍巖破裂區(qū)范圍2．3力學(xué)參數(shù)隨時(shí)問(wèn)增長(zhǎng)變化的模擬結(jié)果示于圖2、圖3依據(jù)興阜礦部分地質(zhì)綜合柱狀圖，在模和表2，兩種類型巷道的頂板下沉量隨時(shí)間型尺寸范圍內(nèi)，頂板12m厚巖層和底板增長(zhǎng)變化的模擬結(jié)果示于圖4(a)和圖46．3m厚巖層主要為砂質(zhì)泥巖，或以砂質(zhì)泥(b)。巖為主。因此，確定巷道圍巖的基本巖性是表1復(fù)合頂板與一般頂板變形及破裂區(qū)深度的比較區(qū)段巷道煤體一煤體煤體一煤柱頂板類型一般復(fù)合一般復(fù)合數(shù)量／mm6789146l75頂板下沉量復(fù)合頂板與一般頂板之比1．331．2O數(shù)量

8、／mm900165015002100頂板破裂區(qū)深度復(fù)合頂板與一般頂板之比1．831．40表2巷道圍巖變形和破裂區(qū)深度的發(fā)展巷道類別煤體一煤體煤體一煤柱圍巖受力和變形時(shí)期圍巖受力／MPa6．2510．251O．2514．25頂板下沉量5689134181圍巖變形／tnn巷幫移近量l22242376590底板鼓起量28486l85頂板1050165010502100破裂區(qū)深度／mm巷幫210O255027003300底板3001200750】9