矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
深井沿空掘巷应力分布数值模拟
深井沿空掘巷应力分布数值模拟摘要：沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一。
本文简要说明了沿空掘巷的原理及方式，采用岩石破裂全过程分析系统RFPA2D系统对沿空掘巷进行了数值模拟。
其结果较好地说明了沿空掘巷的应力分布规律及巷道的破坏形式。
关键词：深井沿空掘巷应力数值模拟Roadway driving along goaf deep stress distribution in numericalmodelChen Zhou(Guizhou university institute of mining)Abstract:Roadway driving along goaf is one of the effective methods to improve the coal recovery rate. This paper illustrates the principle and the method of roadway driving along goaf, the rock failure process analysis system (RFPA2D) roadway driving along goaf in has carried on the numerical simulation. The result of roadway driving along goaf better illustrates the stress distribution rule and roadway destruction form.Key words：Deep well Roadway driving along goaf stress The numerical simulation 1、引言窄煤柱沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一。
沿空掘巷技术由于巷道具有煤炭采出率高、容易维护等诸多优点，近些年来受到了广大学者和工程师的极大关注，在我国多个矿区逐渐推广应用。
矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
引 言
Ｂｏｓ ｄ曾指 出， ｌａ ｔ 虽然 岩爆 研 究 己进 行 了半个 多 世 纪 ，但 只在近 年 来才取 得 较 明显 的成就 ，这种 成 就几 乎完 全归 功 于数值 模拟 、测试 手 段 的改进 、对
ｔｋ ｎ ｔ ｎ ｌ ｒ ｃ ｕ ｉ ｎｍ ｅ ｓ ｅ ｎｒ ｃ ｕ ｓｓ ａｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔ ｎ ｍ ｅｈ ｄ ｉ ｕ ｅ ｄ ｌ ｈ ｏ ｋ ｓｒ ｓ ａ ｉ ｇ ｒ ｉ ａ ｅ ａ ｔｏ ａ ｕ ｓ ｋ ｂ ｔ． ｕ ｒｃ ｌ ｍｕ ａ ｉ ｔ ｏ ｓ ｄ ｔ ｍｏ ｅ ｅｒ ｃ ｔ ｓ ａ ｏ ｐ ｒ ｏ ｏ ｒ ｓ ｏ ｓ ｏ ｔ ｅ ｉ ｏ ｋ ｒ ａ ｗａ ． ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｏ — ｎ ｆ ｒ ｔ ｉ — ｌ ｄ ｓｒ ｓ ｓｔ ｅ ｍ ａｎ ｒ ａ ｏ ｆｔ ｅ￣ｅ ｕ ｎ ｏ ｋ ｎ ａ ｒ ｃ ｏ ｄ ｙ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ｔｎ ｎ ｕ ｉ ｍ ｎ ｗａ ｌ ｔ ｓ ｉ ｈ ｉ ｅ ｓ ｎ ｏ ｓ ｈ ｏ ｈ ｅ ｅ ｈ ｑｅｔ ｃ ｒ
ห้องสมุดไป่ตู้
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深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测
深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测刘建忠【摘要】采用有限元软件，数值模拟分析了相同侧压系数、不同埋深工况下的深埋隧洞围岩应力变化规律，初步判别了岩爆可能性及岩爆发生部位，对隧洞的设计及施工过程中岩爆的防治具有一定的指导作用。
%Through applying finite element software, the paper makes a numerical simulation analysis on changing law of the surrounding rock stress in deep tunnel under the working the condition of same lateral pressure coefficient and different depth, and prehminarily identifies the rock blasting possibility and possible rock blasting position, which has certain guiding role for preventing rock blasting in the tunnel design and con- struction process.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2012(038)014【总页数】2页(P166-167)【关键词】数值模拟;深埋隧洞;围岩应力;岩爆预测【作者】刘建忠【作者单位】内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司,内蒙古呼和浩特O10050【正文语种】中文【中图分类】U455.60 引言随着国家基础设施投入的不断增加，大量的地下工程开工建设，地下洞室围岩稳定性问题越来越为人们所关注。
而隧洞开挖过程中出现的岩爆灾害更是很大程度上影响着围岩的稳定性，岩爆不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效等问题，严重时还会诱发地震。
巷道掘进爆破中围岩损伤范围的数值模拟
巷道掘进爆破中围岩损伤范围的数值模拟我国作为发展中国家，煤炭在国民经济中依然起着至关重要的作用。
随着我国煤炭开采深度的不断加大以及露天煤矿必然转入地下开采的发展趋势，巷道作为地下工程开挖的交通命脉，不仅承担着煤炭生产工作的正常进行，而且保证人员的安全、保护煤炭资源的合理运用等方面都有至关重要的作用。
一般地，掘进巷道采用的方法中，最为经济和实用方法的是钻爆法。
如何控制爆破产生的岩石损伤，就成为目前及未来一段时间重要的课题。
本文以LS-DYNA平台，对巷道爆破施工进行了数值模拟，预测了围岩石损伤范围。
论文由以下几部分组成：1.深入比较了巷道掘进时掘进机法和钻爆法的优缺点，从巷道的地质构造、掘进效率、施工方投资能力、开挖方向的控制四个方面阐述了钻爆法在可预见的年代不可能完全被掘进机取代，确立本文的研究意义。
2.理论上研究了岩石爆破破碎机理，分别介绍了岩石爆破的本构模型：弹性模型、断裂模型、损伤模型及分形损伤模型，结合各种理论分析，确定了本文岩体爆破时的理论基础。
3.介绍了岩体爆破损伤的特征，从理论出发，在不考虑岩体初始损伤的情况下，初步预测了本文巷道爆破施工中岩体的损伤范围，即压碎区81mm,损伤因子0.92和破裂区的半径281.4mm，损伤因子0.43。
4.利用LS-DYNA软件平台，系统讨论了LS-DYNA的计算方法、控制方程、时间积分、人工体积粘性控制、时间步长控制和无反射边界等方面的参数设置，为后续工作提供理论依据。
5.在LS-DYNA软件平台上，分别对被爆岩体进行了数值模拟，通过应力分析，得出相应的岩体损伤范围约为炮孔半径的9.2倍，验证理论的正确性，促进计算机模拟技术的推广与应用。
6.从应力角度出发，分析了巷道中应力集中的地方，为施工方提供一定的理论依据。
岩体爆炸应力波衰减规律的颗粒流数值模拟
摘
要： 基于 Ｐ Ｆ Ｃ ２ Ｄ 离散 元 软件 ， 首 先对岩 石 的动 力 落锤 实验 进 行模 拟 ， 获取 岩 体 的
动 力 学细观参 数． 随后 建立 了集 中药 包作 用 下岩体 的 爆破 模 型 ， 对不 同关键 点 处的应
力波峰值 进 行 了监 测 ． 得 到 了应 力 波在 岩体 传播 过程 中的 衰减 规律 并与 理论 值 进行
Ｖｏ １ ． ３ ０ Ｎｏ ． １
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ６
文章编号 ： １ ６ ７ ３ － ０ ０ ６ ２ （ ２ ０ １ ６ ） ０ １ － ０ ｌ １ ８ — ０ ６
岩体爆炸应力波衰减规律 的颗粒 流数值模拟
陈文昭 ， 刘夕奇 ， 李 斌
（ 南华大学 城市建设学 院， 湖南 衡 阳 ４ ２ １ ０ ０ ０ ）
关键 词 ： Ｐ Ｆ Ｃ ２ Ｄ： 动 力落锤 ； 爆破 漏斗 ； 爆 炸应 力 波衰减
中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９
文献 标识 码 ： Ｂ
Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ Ｗａ ｖ ｅ Ａｔ ｔ ｅ ｎ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｒｏ ｃ ｋ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｄ ｒ ｏ ｐ－ ｈ ａ ｍｍｅ ｒ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ａ ｉ ｄ ｏ ｆ ｐａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｌｏ ｆ ｗ ｃ ｏ ｄ ｅ ｉ ｎ ｔ ｗｏ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎｓ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｇ ｅ ｔ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｓ ｏ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ． Ｔｈ ｅ ｎ， ａ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ ｕ ｎ ｄｅ ｒ ｔ ｈｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｗａ ｓ ａ ｌ ｓ ｏ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｍｏ ｎ ｉ ・ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ａ ｋ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｆ ｏ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｋｅ ｙ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ａ ｎｄ ｇ ｏ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｏ ｗ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗａ ｖ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐｒ ｏ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ． Ｔｈ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｍａ ｋｉ ｎ ｇ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｄｅ ｌ ｈａ ｓ ｐｏ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ａ ｄ ｖ ａ ｎｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｆ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｆ ｏ ｒ ａ ｍｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗａ ｖ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｂ ｉ ａ ｓ － ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｕ ｎｎ ｅ ｌ ， ｗｈｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｗｈ ｏ ｌ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎｇ ． Ｔｈ ｕ ｓ， ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｎ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｗｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍｉ ｃ， ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏｒ ｆ ｔ ｈｅ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｗｏ ｒ ｋ． ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｆ ｌｏ ｗ ｃ ｏ ｄ ｅ ｉ ｎ ｔ ｗｏ ｄ ｉ ｍｅ ｎｓ ｉ ｏ ｎ ｓ；ｄ ｒ ｏ ｐ－ ｈ ａ ｍｍｅ ｒ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ；ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ： ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗａ ｖ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕａ ｔ ｉ ｏ ｎ
岩爆危害预测与控制的数值模拟方法研究
岩爆危害预测与控制的数值模拟方法研究岩爆是指矿井、地下工程中由于地质结构和地应力的变化而导致的巨大破坏性能量释放。
岩爆的危害非常严重，可以导致人员伤亡、设备损坏和安全隐患。
因此，对岩爆进行预测和控制非常重要。
数值模拟是一种利用计算机模拟现实过程的方法，它可以以低成本进行大量试验，使我们能够更好地了解和预测岩爆的危害。
本文将介绍利用数值模拟方法进行岩爆危害预测和控制的一些基本原理和方法。
一、数值模拟方法数值模拟是将现实世界的问题转化为计算机可以处理的数学模型，并通过计算机模拟在现实系统中各种物理、化学等现象的发展过程，以得到我们感兴趣的信息。
数值模拟方法可以分为有限差分法、有限元法、边界元法等多种。
其中，有限元法是一种广泛应用的方法，因其能够处理多种复杂的工程问题而被认为是最受欢迎的数值模拟方法之一。
二、岩爆危害预测岩石中的裂隙会导致地应力的变化，进而导致矿井中岩石的破裂和岩爆事故的发生。
因此，了解裂隙的分布和变化对于岩爆危害的预测非常重要。
数值模拟可以帮助我们了解岩石中裂隙的变化和演化过程。
其中，有限元法可以建立复杂的岩体模型，模拟岩石中各种应力场的变化，并确定岩体破裂的位置和形态。
此外，有限元法还可以预测岩体在不同应力下的破断模式和破碎程度，从而了解岩体的稳定性，预测岩爆危险程度。
三、岩爆危害控制预测岩爆危害的同时，我们还需要有效地控制岩爆危害。
具体而言，我们可以从以下几方面入手：1. 改善矿井通风系统，使矿井内的气流流通良好，避免热量和气体积聚导致爆炸。
2. 采用恰当的爆破技术，减轻爆破震动对岩石的损伤，避免引起岩爆。
3. 对有岩爆危险的工作面进行加强，例如，在矿井中设置支撑和固化设施，以防止岩石破坏。
4. 定期维护和检查矿井设备和矿井环境，发现问题及时处理，防止事故的发生。
在岩爆危害控制的过程中，数值模拟方法可以帮助我们设计合适的岩体支护方案和爆破方案，以及优化矿井通风系统，减少岩爆危害。
采矿数值模拟课件——地下洞室围岩应力计算及稳定性分析
§3-1 概 述
二、地下硐室围岩应力分析方法
根据围岩的结构不同，可采用不同的分析方法。 各向同性岩体
完整结构的岩体：弹塑性力学分析 各向异性岩体
块状结构岩体：块体平衡理论分析 碎裂和松散结构岩体：松散体力学分析
普氏压力拱理论 太沙基理论
§3-2 弹性理论计算坑道围岩与衬砌应力
p
基本假定：岩体为均质、连续和各向同性
4、坑道围岩分布的共同特点：
（1）无论坑道断面形状如何，周边附近应力集中系数最 大，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为3— 5倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。
可见，σθ 与λ和θ密切相关。 当θ＝0，π时， p(3) 当θ＝ 3π/2 ，π/2时， p(31)
p q
由于岩体的抗拉强度很小，认为岩体不抗拉， 因此，坑道周边不能出现拉应力的条件为：
p(3)0 p(31)0 解得： 1 3
3
当θ＝0，π时， p(3)
可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一 致时，坑道周边不出现切向拉应力，应力分布 较合理，等应力轴比时最好。
3、矩形坑道围岩应力分布
由实验和理论分析可知，矩 形巷道围岩应力的大小与矩形 形状（高宽比）和原岩应力 （ λ）有关。
高宽比＝1/3,λ<1
矩形坑道围岩应力分布特征： （1）顶底板中点水平应力在坑 道周边出现拉应力，越往围岩 内部，应力逐渐由拉应力转化 为压应力，并趋于原岩应力q； （2）顶底板中点垂直应力在坑 道周边为0，越往围岩内部，应 力越大，并趋于原岩应力p； （3）两帮中点水平应力在坑道 周边为0，越往围岩内部，应力 越大，并趋于原岩应力q.
一、无内压坑道围岩应力分布
1、圆形坑道围岩应力分布 设原岩垂直应力为p，水平应力为q，作用在围岩边 界，忽略围岩自重的影响，按弹性理论中的基尔希公式 计算围岩中任一点M（r,θ）的应力：
岩石爆破过碎问题数值模拟研究
岩石爆破过碎问题数值模拟研究摘要：为了解决某爆破施工过程中岩石过碎的问题，基于现场爆破参数，运用LS-DYNA显式非线性动力分析有限元程序建立有限元模型，对爆破施工作数值模拟，对比分析了孔距为3m和4m的爆破应力作用范围和各测点主应力峰值，为爆破施工确定合理的孔距提供了理论依据。
关键词：数值模拟；主应力；土石方爆破；爆破参数某大型土石方平整场地爆破工程位于贵州省遵义市，随着爆破施工的推进，发现爆破岩石过于粉碎，对炸药造成很大的浪费，由于岩石过于粉碎但破碎范围较小，铲装效率受到很大影响，严重影响施工进度，爆破施工采用3m×3m 孔网参数，为了确定更合理的爆破参数，基于LS-DYNA显式非线性动力分析有限元程序，在现实的爆破参数基础上作数值模拟，对影响爆破范围的主要因素爆破最大主应力进行分析。
1数值模拟分析LS-DYNA中，MAT_PLASTIC_KINEMATIC选项卡可以用来模拟爆破荷载下岩石的本构关系，此材料模型考虑了岩石介质材料的弹塑性性质，并且能够对材料的强化效应（随动强化和各向同性强化）和应变率变化效应加以描述，同时带有失效应变。
LS-DYNA中内嵌有高能炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，该材料类型可以用来模拟炸药的爆轰过程。
通过JWL状态方程，并设置炸药的起爆点和起爆时间，在程序中可实现对炸药爆轰过程的模拟。
JWL状态方程一般表现为如下形式：P=A(1-■)e-R1V+B(1-■)e-R2V+■式中：A，B，R1，R2，ω为常数，E0单位体积内能，V相对体积。
为了模拟爆破所引起的破碎范围主应力，利用了LS-DNYA程序可以直接模拟高能炸药的爆炸过程功能。
通过炮孔内爆轰模拟及爆轰产物与孔壁的相互作用确定爆炸荷载。
文章数值计算中2号岩石乳化炸药的具体参数为：炸药密度为950 kg/m3，状态方程中A=47.6e9，B=0.529e9，R1=3.5，R2=0.9，ω=0.3，E0=4.5e9，炸药的爆轰速度为3600 m/s，计算中所取岩石力学参数如表1所示。
冲击载荷作用下岩石破碎数值模拟及试验研究(精)
0引言花岗岩是钨矿围岩中常见的一种岩石。
目前许多钨矿矿山为了延长矿山服务年限,急需加强矿山外围和深部勘探,这就需要进行大量的矿岩破碎工程。
冲击载荷作用下破碎岩石是目前运用较为广泛的一种破岩方法,但其破岩机理还有待进一步研究。
近年来,非线性科学中的分形理论、系统科学中的突变理论和数值模拟方法等现代科学理论开始渗入岩石破碎研究领域[1-5],取得了一些成果。
但是,分形理论在岩石破碎中主要被用于研究破碎块度,无法建立破碎结果与破碎的物理机制之间的相互关系;突变理论主要研究系统参数发生微小变化后结构的稳定与否,它在岩石破碎领域的应用目前主要局限于地震与岩爆等由缓慢变形到突然破裂的现象,尚没有用于研究凿岩等由于冲击载荷产生的破坏现象;数值模拟方法是用来沟通理论模型和实验研究的桥梁,但岩石的本构模型准确性、客观性以及岩石性质参数和边界条件还需要加以研究。
因此冲击载荷破岩的数值模拟与试验研究相接合对丰富冲击破岩理论具有重要意义。
1冲击载荷破岩特点1.1岩石断裂形态如图1所示,压头侵入硬岩时一般产生径向、中间和侧向裂纹,同时在压头下方还会形成一个密实核,在钠玻璃上进行侵入试验表明,形成的密实核近似于半球形,其主要特征是发生了剪切变形[6]。
由此可看出侧向裂纹是从剪切变形区底部起裂的。
侧向裂纹一般在卸载过程产生并扩展,中间裂纹产生于加载过程,并在卸载过程有部分弹性恢复;径向裂纹既可产生于加载过程,又可出现在卸载期间,但不论何时产生都在卸载过程继续发展。
1.2冲击破岩特点岩石在冲击载荷作用下将引起应力波在岩石中的传播。
对应力波的描述包括频谱(即频率分布、能量分布、波速、波长等,同时岩石中裂纹或缺陷也有尺寸分布或谱图,这样便能根据载荷作用特点与具体岩石对象确定微观与细观以及宏观尺度的划分标准,并找出分析重点,从而采用相应的方法来对其动态破坏过程进行研究。
典型的冲击载荷有机械冲击载荷与爆炸冲击载荷。
机械冲击是动能传播到一个系统,其发生传递的时间比该系统的自由振动周期要短。
高地应力下深埋隧洞开挖岩爆数值模拟与预测
高地应力下深埋隧洞开挖岩爆数值模拟与预测 1陈文亮，章青，刘仲秋河海大学工程力学系，南京（210098)E-mail：cwl9898@摘 要：结合锦屏二级水电站辅助洞工程,通过三维弹塑性有限元数值模拟,分析隧洞掌子面 推进过程中的围岩空间应力场状态和演化趋势；基于数值模拟结果选用4种不同的岩爆预测 方法， 对开挖过程中岩爆的发生情况进行了预测， 判定在洞肩和洞底角点处发生岩爆可能性 较大，这与锦屏二级水电站辅助洞岩爆实际发生情况基本一致。
关键词：深埋隧洞；数值模拟；应力场；岩爆；预测1. 引言岩爆是高应力区进行地下开挖时,由于破坏了岩体的力学平衡,围岩中产生了应力集中而 使岩体产生脆性破坏并伴随能量释放的动力失稳现象。
有关统计资料表明 所以在深层开挖中研究岩爆显得尤为重要。
近几十年来,国内外采矿界和岩体工程界的专家、学者对岩爆机理、岩爆预测以及岩爆 防治诸方面进行了大量的研究,取得了一定成果 刚度理论、岩爆倾向理论等外，近年来谢和平[ 2~6][1],岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬岩(煤) 层中,一般而言，随着埋深的增加岩爆发生的机会将越来越大,。
在岩爆机理方面除了传统的强度理论、[ 8][7 ]采用分形理论、潘岳等采用突变理论来解释岩爆现象。
在岩爆预测方法方面根据不同的岩爆机理理论，可得出不同的判据，主要分 为应力判据，岩性判据，能量判据，临界深度判据等。
但由于岩爆是极为复杂的动力失稳现 象,岩爆的机理到目前为止还不很清楚,利用传统的岩爆分析方法来预测岩爆遇到了极大的困 难，在这种情况下,人工智能、专家系统、神经网络在岩爆预测中得到了很好的运用，如冯 夏庭等[9 ]提出的基于支持向量机的预测方法为岩爆预测提供了一条十分有效的途径。
在深埋隧洞开挖过程中,因开挖卸荷引起隧洞周边围岩应力场的扰动和重分布,导致围岩 应力值和方向发生变化。
而在影响范围之外,岩体应力维持初始地应力状态。
在高地应力区, 岩体强度高,储存的弹性应变能大,由于应力场的变化造成高强度脆性岩石内部破裂,引起弹 性应变能的突然释放,容易引起岩爆。
五沟煤矿开采围岩应力与位移变化数值模拟分析
２０１８ 年 ６ 月
兰州工业学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ������ ３ Ｊｕｎ．２０１８
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无数煤矿工人的死亡．煤矿的开采存在着大量的安 角为 ５°，地质储量为 ４７８ ９８９ ｔ，其中可采储量为
全隐患，在科技不发达以前，煤矿事故发生率较高， ４４５ ４６０ ｔ．根据五沟煤矿岩体实际的发育情况，结
死亡率也很高，煤炭开采率很低，利用率同样很低， 合矿区以往的计算数据确定五沟煤矿 １０ 煤层的岩
２ 数值模型的建立
为 ｘ ＝ （ ３０，７０） ，ｙ ＝ （ ０，６０） ，ｚ ＝ （ ５６． ２９，５９． ７３） ，即 １０ 煤层所在的区域．
２．１ 数值模拟模型
２．２．１ 竖向应力变化
１） 由于煤层上方地层含有一定的水源，在建
图 ２ ～ ５ 分别为 １０ 煤层走向推进 １０ 、２０ 、４０ 、
模时要充分考虑孔隙水在开挖时对围岩的影响，所 ６０ ｍ 时的竖向应力模拟云图，可以看出：煤层开挖
高应力岩体爆破作用效果的数值模拟
高应力岩体爆破作用效果的数值模拟随着人们对能源需求量的增加和矿山开采强度的不断增大,浅部资源日益减少,国内外矿山都相继进入深部资源的开采状态。
深部岩体处于较高的地应力环境中,在深部岩体中进行开采爆破时,岩体处于高地应力和爆炸冲击波的共同作用,两种载荷相互影响,导致岩体爆破破坏过程比较复杂,因此最终的爆破效果与不考虑附加初始应力的岩体爆破效果不同。
针对此种现象,本文运用大型有限元软件ANSYS和显式动力学有限元程序LS-DYNA对高应力条件下深部岩体的爆破过程进行数值模拟研究,深入研究初始应力对岩体爆破的影响,以及在考虑初始应力的情况下爆破参数对岩体爆破作用效果的影响规律。
论文主要包括以下几个部分：(1)探讨了岩石爆破破碎机理和岩石在爆炸动载荷作用下的动力学问题,综合各种理论,分析了岩体破坏过程的形成原因以及加载应变率在每个破坏区域对岩体强度的影响。
(2)利用显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对考虑附加初始应力条件下的球状药包爆破进行数值模拟,研究爆破时岩体的破碎区、裂隙区以及爆破漏斗的形成和发展过程,同时研究爆破时围岩压应力场和Mises应力场的变化,并与不考虑初始应力情况下的作用结果进行比较,探讨初始应力对爆炸后炮孔周围岩体裂缝的发展长度、发展方向、数量以及爆破漏斗和围岩的应力场的影响。
(3)采用显式动力学有限元程序LS-DYNA对不同的附加双向初始应力条件下的岩体单孔爆破进行数值分析,并将各种条件下的模拟结果进行比较,研究了附加初始应力的大小和两个方向的初始应力的比值对岩体破碎区域和围岩应力场的影响规律,结果表明在深部岩体爆破设计时,应适当减小炮孔间距,特别是应减小较小初应力方向上的炮孔间距。
(4)模拟了不同抵抗线、起爆方式以及填塞状况下的岩体爆破过程,结果表明：围岩初始高应力对各种情况下的应力场、裂纹分布和爆破漏斗形状及大小均有不同程度的影响。
上述研究结果将为深部岩体爆破工程设计提供一定的参考。
古城煤矿原岩应力测试分析及与岩爆关联性研究
建 井 技 术
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古城煤矿原岩应力测试分析及与岩爆关联性研究
冉 金 林*赵 仁 乐#李 廷 春*
!*=山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室"山东 青岛#AAB")##=临沂矿业集团"山东 临沂#FA)))$
岩 体 初 始 应 力 "亦 称 为 原 岩 应 力 或 地 应 力 "是 指岩体在天然状态下所存在的内在应力(岩体初 始应力状态是指在没有进行任何地面或地下工程 之前"岩体中各 个 位 置 及 各 个 方 向 所 存 在 的 应 力 空间分布状态"它 是 不 取 决 于 人 类 开 挖 活 动 的 自 然应力场(岩 体 开 挖 后"改 变 了 岩 体 初 始 应 力 状 态"使 岩 体 中 的 应 力 重 新 分 布"引 起 岩 体 变 形"甚
摘 要 为 分 析 古 城 煤 矿 !# 采 区 围 岩 岩 爆 现 象 频 繁 发 生 的 原 因 采 用 应 力 解 除 法 对 采 区 原 岩 应 力 进 行 测 量 得 到 该 采 区 原 岩 应 力 场 的 分 布 特 点 分 析 研 究 原 岩 应 力 与 岩 爆 现 象 频 发 的 关 联 性 结 果 表 明 古 城 煤 矿 !# 采 区 原 岩 应 力 场 中 水 平 应 力 占 优 势 地 位 并 且 巷 道 水 平 应 力 方向性显著最大水平主应力与工作面巷道走向 夹角为 BBh左右在掘 进方 向 右 侧 产 生 应 力 集 中 这 是 导 致 岩 爆 现 象 频 发 的 一 个 重 要 原 因 关 键 词 原 岩 应 力 测 试 分 布 特 点 岩 爆 应 力 解 除 法 中 图 分 类 号 3@!** 文 献 标 识 码 : 文 章 编 号 *))#EA)#"!#)*+$)#E))##E),
岩石变形特性与岩层应力演化的数值模拟与实验优化
岩石变形特性与岩层应力演化的数值模拟与实验优化岩石的变形特性与岩层应力演化对于岩石力学、地质灾害以及岩石工程等领域有着重要的研究意义。
为了深入了解岩石的变形机制和应力演化规律，研究者们通过数值模拟和实验优化的方法进行研究，以达到预测和控制岩石力学行为的目的。
一、岩石变形特性的数值模拟研究岩石的变形特性研究是岩石力学领域的基础性工作。
数值模拟方法通过对岩石的结构和材料特性进行建模，并运用数学和计算机仿真技术，模拟岩石在不同应力和外界条件下的变形过程。
通过数值模拟，可以研究岩石的内部应力分布、强度特性以及塑性和破坏行为等。
在岩石变形特性的数值模拟研究中，常用的数值方法包括有限元法、边界元法和离散元法等。
其中，有限元法是最常用也是最成熟的方法之一。
有限元法通过将岩石颗粒划分为多个小区域，建立相应的有限元单元，利用力平衡原则和材料本构关系等，求解岩石内部的应力和位移场分布。
此外，为了准确模拟岩石的变形特性，数值模拟中需要考虑到岩石的多尺度特性。
从微观尺度上，岩石可以看作是由颗粒、裂隙和胶结物三个部分组成的复杂体系，应考虑协同作用。
从宏观尺度上，岩层应力场的演化与岩石变形特性密切相关。
二、岩层应力演化的数值模拟与实验优化岩层应力的演化是与地应力状态变化相对应的，研究岩层应力演化是预测地下岩石行为的重要手段。
数值模拟方法可以通过模拟地下运动和聚积过程，研究地应力分布及其变化规律。
在进行岩层应力演化数值模拟时，需要根据实际工程地质情况，合理设置边界条件和初始应力状态，以求得准确的模拟结果。
此外，数值模拟结果需要与实验数据进行对比验证，并对模型参数进行优化。
实验优化可以通过在实验室进行岩石试验来获取岩石的物理力学性质，并通过与数值模拟结果对比来修正模型参数。
实验优化的过程不仅可以提高模型的可靠性和准确性，还可以为实际岩石工程提供更可信的指导。
三、岩石变形与岩层应力演化研究的应用前景岩石变形特性与岩层应力演化的研究对于岩石工程、地下岩体工程和地质灾害等领域具有重要的应用价值。
矿井瓦斯爆炸事故演化过程的数值模拟与分析
矿井瓦斯爆炸事故演化过程的数值模拟与分析随着现代矿井开采规模的不断扩大，矿井安全问题成为亟待解决的重要议题之一。
在矿井中，瓦斯爆炸是一种常见且危险的安全事故，严重威胁着矿工的生命安全以及矿井的运行稳定。
为了深入了解矿井瓦斯爆炸事故的演化过程，科学有效地预测和评估事故风险，数值模拟与分析成为一种重要的研究方法。
数值模拟与分析可以通过建立数学模型和求解方程组来模拟实际的矿井瓦斯爆炸事故。
通过对瓦斯爆炸云的扩散过程、燃烧过程以及爆炸压力和温度的变化进行计算，可以定量地分析事故的发展趋势和影响范围。
在进行数值模拟与分析时，需要考虑矿井的结构特征、瓦斯甲烷的扩散规律、瓦斯爆炸的燃烧方式以及其对矿井环境、设备和人员的影响等因素。
首先，数值模拟与分析中的关键问题是建立准确可信的数学模型。
模型的建立需要考虑矿井的几何形状、通风系统、瓦斯甲烷的扩散规律等因素。
通过收集矿井结构与参数、瓦斯爆炸实验数据及现场监测数据等信息，可以建立起较为真实的矿井模型。
在建立数学模型的过程中，需要采用合适的数值方法和计算软件对模型进行离散化处理和求解，以实现对矿井瓦斯爆炸事故演化过程的模拟与分析。
其次，数值模拟与分析需要考虑瓦斯甲烷的扩散规律。
瓦斯在矿井中主要通过扩散传播，在模拟过程中需要采用合适的扩散模型来描述瓦斯云的运动和扩散。
常用的扩散模型有多孔介质扩散模型、湍流扩散模型等。
通过合理选择扩散模型和参数，模拟得到的瓦斯云传播范围和浓度分布可以与实际情况较好地吻合，从而为事故预测和风险评估提供有力的依据。
另外，数值模拟与分析还需要考虑瓦斯爆炸的燃烧方式。
瓦斯爆炸的燃烧过程是事故演化过程中的关键环节。
在模拟瓦斯爆炸燃烧过程时，需要选择适合的燃烧模型和化学反应机理，并对燃烧速率、火焰传播速度等参数进行数值计算。
通过模拟燃烧过程的变化，可以分析事故中火焰伤害范围和对矿井设备的影响，为事故安全管理提供参考。
最后，数值模拟与分析的结果需要与实际数据进行对比和验证。
采矿作用下磨子岩山体应力场数值模拟
采矿作用下磨子岩山体应力场数值模拟宋云梅;陈洪凯【摘要】采矿活动是危岩崩塌灾害的主要诱发因素之一，本文以磨子岩W2危岩体为物理原型进行有限元数值模拟研究，分析采矿活动下陡崖及危岩应力场的变化，揭示危岩形成过程机理。
模拟结果表明：采矿活动形成新的临空面，临空面附近应力方向发生偏转，开挖工作面应力集中；其对陡崖及危岩体应力场的影响主要体现在小主应力方面，压应力明显增加；并且危岩体体内大主应力变化不明显，小主应力明显增大，压应力明显减小，并且呈由临空面向内递增的趋势；危岩体后部裂缝尖端应力集中，随着开挖的推进，裂缝尖端应力呈现先减后增的趋势，当开挖达到一定深度时，与开挖深度基本呈线性关系。
数值模拟结果科学地论证了采矿活动下陡崖及危岩应力场的变化特征，有助于进一步揭示矿山类危岩灾害的形成机理。
%Mining activities as one of the main factors inducing the collapse disasters, this paper is simulated by the finite element with the example of Mo Ziyan No2 perilous rock to analysis the effects on stress field under the mining, and to reveal the formation mechanism of dangerous rock. The simulation results show that: Under the mining activities, a new free surface is formed, the direction of stress is deflected near the free face,and stress is significantly concentrated on the excavation surface; the effect of stress field on the steep and dangerous rock body is mainly reflected in the minor principal stress, stress significantly increased; and main stress of dangerous rock is not change significantly, the minor principal stress increases obviously, compressive stress is obviously reduced, and a trend of increasing from free surface to inside;The crack tipstress concentration in the rear of perilous rock, with the advance of the excavation, the crack tip stress appears first decrease and then increase trend, when excavation reached a certain depth, linearly with the depth of excavation. The results of numerical simulation scientifically prove the changes on stress field of steep cliffs and perilous rock under the mining activities. The results are helpful to further reveal failure mechanism of perilous rock at the mine.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】4页(P5-8)【关键词】磨子岩危岩;应力场;采矿活动;有限元数值模拟【作者】宋云梅;陈洪凯【作者单位】重庆交通大学岩土工程研究所，重庆400074;重庆交通大学岩土工程研究所，重庆400074【正文语种】中文【中图分类】P642.21人类工程活动作为危岩崩塌灾害产生的主要诱发因素之一，应力场的变化直接反应了危岩崩塌灾害的形成过程，对危岩的形成机理研究具有直接的指导意义。
【采矿课件】爆炸应力波研究入门(共40PPT)
4.7 相关研究现状
•
应力波通过结构面的传播—结构面两侧为相同岩石的应力波
反、透射；结构面两侧岩石可自由滑动时的应力波反、透射。
• 层状岩石中应力波的传播—利用等效波阻抗法分析单频
应力波通过岩石夹层的透射；三角形应力波通过夹层的透射 ；李夕兵等总结不同应力波形通过夹层的透射应力特征。
•
顺岩石外表传播的应力波—瑞利外表波、勒夫外表波、纵波〔膨
第十页，共四十页。
2.3 HOPKINSON.J落重冲击拉伸实验
B
落重
A
一端固定的钢丝悬挂着 一物体，重物从距离物体h 处下落〔如下图〕，结果 ，钢丝断开，被拉断的一 端是B。在固定端最早到达 反射后的应力叠加，大小 为原来两倍。
第十一页，共四十页。
3 应力波反射叠加引起的破坏
入射到自由外表的压缩波经反射会形成拉伸波。这些反射 回来的拉伸波将与入射压缩波的后续局部相互作用，其结果有 可能在邻近的自由外表附近造成拉应力，如果所形成的拉应力 满足某种动态的断裂准那么，那么将在该处引起材料破断，裂 口足够大时，整块的裂片便会携带着其中的动量而飞离。
埋深超过某一临界值〔H>500m〕时，随巷道埋深的增加，
巷道层裂的范围有增大的趋势，巷帮层裂破坏范围变大，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。随关键层弹性模量的增加，巷帮层裂破坏范围具有
变大的趋势。
第三十六页，共四十页。
利用LS-DYNA系统模拟了应力波作用下巷道围岩 的应力分布和能量积聚特征，探讨了围岩应力、能量分 布随时间t、巷道埋深H、扰动应力波强度对二者的影响 。通过研究说明：在应力波作用下，围岩中的正应力随 时间呈波动变化，加上巷道边界的反射作用等，使得巷 道围岩应力比没有扰动时显著增加；
单轴压缩煤岩变形破裂应力场的数值模拟
单轴压缩煤岩变形破裂应力场的数值模拟1.本研究利用数值模拟方法对单轴压缩煤岩的变形破裂应力场进行了研究。
In this study, numerical simulation method was used to investigate the deformation and fracture stress field of coal rock under uniaxial compression.2.通过建立煤岩的数学模型，我们可以计算出其在压缩加载下的应力分布情况。
By establishing a mathematical model of coal rock, we can calculate the stress distribution under compression loading.3.数值模拟结果显示，煤岩在单轴压缩加载下呈现出复杂的变形破裂特征。
Numerical simulation results show that coal rock exhibits complex deformation and fracture characteristics under uniaxial compression loading.4.研究发现，在煤岩样品中，变形破裂主要发生在裂纹周围区域。
It was found that in coal rock samples, deformation and fracture mainly occur in the vicinity of the cracks.5.通过数值模拟，我们可以更好地理解煤岩的变形破裂机制。
Numerical simulation allows us to better understand the deformation and fracture mechanism of coal rock.6.煤岩的变形破裂特征对采矿工程和地质灾害防治具有重要意义。
爆炸应力波作用下岩体破碎特性数值模拟分析
第16卷第3期2 0 1 8年6月水利与建筑工程学报^^Journal of Water Resources^td Architectural EngineeringVol.16 No.3Jun. ,2018D O I：10.3969/j.issn.1672 - 1144.2018.03.018爆炸应力波作用下岩体破碎特性数值模拟分析廖志毅，唐春安(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：孔内爆破作为一种常用的破岩手段，广泛的用于岩体工程中。
充分认识岩体的破碎特征是岩体工程中高效破岩的基础。
通过采用RFPA2D-D—数值分析软件，建立岩体孔内爆破数值模型,分析岩体在爆炸应力波作用下的破碎特征。
数值模拟结果表明，随着爆炸应力波峰值的增大，裂纹扩展距离随之增加。
细观非均匀程度越大的岩体，在爆炸应力波的作用下，离散的破坏越多，萌生裂纹的数量越少，裂纹传播距离也越短。
另外，岩石节理对爆炸应力波的削弱作用随着节理间距的增加呈现先增加后减小的特征。
同时,节理的存在极大程度上削弱了岩体的破坏程度。
关键词：孔内爆破;爆炸应力波;节理岩体;非均匀性;数值模拟中图分类号：TU452 文献标识码：A文章编号：1672—1144(2018)03—0098—05Numerical Simulation on the Rock Fragmentation CharacteristicUnder Explosion Stress Wave DisturbanceU A O Zhiyi, TANG Chun^an(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024, China) Abstract ：Hole-blasting,as one of the most commonly used rock fragmentation methods,has been widely utilized in rock engineering.Sufficiently u nderstanding of the rock fragmentation characteristic could provide a good guidance for efficient rock breaking in rock engineering.In this study,the hole-blasting model of rock cal code RFPA2D_ to investigate the fragmentation characteristic of rock masses under the disturbance of the explosion stress w ave.Simulation results demonstrate that the l n g h of the cracks is determined by the explosion wave magnitude.With increasing wave magnitude,the len gh of the cracks increases.In captured inside rock masses with relatively low heterogeneity index.And the number a d len gh of the cracks are increased with increasing rock heterogeneity index.Moreover,the rock joint significantly influence the propagation of the explosion stress w ave.With increasing rock joint spacing,the weakness of the stress wave energy by rock joint gradually decreases before notably increasing.Keywords：hole-blasting；explosion s tres wavv；jointed rock mases；rock heterogeneity；numerical simUation近年来，随着社会经济的快速发展，人类对地下能源开采、隧道建设以及军事防护等方面的需求不断增大。
陈耳金矿原岩应力测量及分布规律模拟研究
陈耳金矿原岩应力测量及分布规律模拟研究
刘龙琼
（长春黄金研究院有限公司）
摘要：原岩应力是影响地下采矿工程稳定性的重要因素之一，是地下工程变形和破坏的根本作
用力。针对陈耳金矿 １８坑 １５３２盲竖井埋深超过 １０００ｍ，井下各中段在进行巷道开挖过程中出现
１ 原岩应力测量
１．１ 测量方法 原岩应力测量的准确性与采用的测量方法和仪
器、设备密切相关。本次原岩应力测量的地应力传感 器采用 ＣＳＩＲＯ ＫＸ－８１型空心包体三轴地应力计。
ＫＸ－８１型 空 心 包 体 三 轴 地 应 力 计 是 一 种 利 用 孔 壁 应变解除法进行地应力测量的仪器。它可以在单孔 中通过一次套心得到该点的三维应力状态。该应力 计具有测量准确、应变片多且分布合理、适用范围广 等优点，是目前应用较为广泛的一种应力计［２－３］。
矿研究所，１３００１２；Ｅｍａｉｌ：４７２８８９３３２＠ｑｑ．ｃｏｍ
２０１９年第 ２期 ／第 ４０卷
采 矿 工 程 ４３
表 １ 原岩应力测点布置基本情况
测点编号
测点位置
孔深 ／ 方位角 ／ 倾角 ／ 埋深 ／
岩性
ｍ
（°） （°） ｍ
８００－２＃ ８００ｍ中段东沿 ９．０９ １８７
３ ７３３．８９ 角闪岩
５８０－３＃ ９７０ ３３．１ ２１．８ １１．２ ９．３ －４．３ －２．２
表 ３ 各测点主应力计算结果
为使地应力传感器安装在巷道采动影响范围之 外，以真实反映原岩应力状态，原岩应力测点的选择 应尽可能避开地质构造复杂地段及受采动影响的位 置［５］。根据 陈 耳 金 矿 井 下 地 质 条 件 和 生 产 技 术 条 件，基于测点布置覆盖面广，能真实反映实际情况的 原则，地应力测点选择在 １８坑 ５８０ｍ、８００ｍ２个中 段，测点具体布置情况见表 １。 １．３ 测量结果
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辽宁工程技术大学学报（自然科学版） Journal of Liaoning Technical University（Natural Science）
文章编号：1008-0562(2010)01-0005-04
2010 年 2 月 Feb . 2010
矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
1 FLAC3D 简介
根据现场的实际条件采用美国明尼苏达大学 开发的 FLAC3D 有限差分计算程序，FLAC3D 算法的 基础是快速拉格朗日计算方法[8-9]，它特别适用于岩 石力学的非线性大变形或不稳定(如滑动或分离)问 题，其计算模型网格能以大应变模式变形并随材料
收稿日期：2007-02-05 基金项目：河南省重点基金资助项目（0623021400） 作者简介：李振华（1979-），男，山东 金乡人，博士研究生，讲师，主要从事现代采矿新技术、矿山压力及其巷道支护方面的研究。本文编校：于永江
数值试验模型的截面尺寸为宽 60 m、高 80 m， 沿着走向长 200 m，巷道按照实际尺寸模拟，形状 为半圆拱巷道，墙高 1.7 m，拱半径 2.1 m。巷道采 用端锚树脂锚杆支护，锚杆排间距 0.7 m，间距 0.7 m，支护工艺为掘进后立即支护。在模拟开挖的过 程中，开挖步长 1.5 m 是最合理的，也是和实际条 件相符合的，但是由于计算模型包含的单元数量太 多及模拟条件的限制，计算过程需要太多的时间， 所以采用巷道一次开挖 20 m、50 m、80 m 和 100 m 来进行模拟，研究开挖后掘进工作面围岩的应力状 态分布以及开挖不同长度巷道对应力分布状态的 影响。
3 模拟结果及应力状态分析
3.1 模拟结果分析 采用对巷道进行逐步开挖的方法进行数值模
拟，分别模拟巷道开挖 20 m、50 m、80 m、100 m 时掘进工作面前方及巷道两帮围岩内的应力集中 情况，模拟得出了掘进工作面前方垂直应力分布云 图、掘进工作面前方垂直应力分布等值线图、巷道
第1期
李振华，等：矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
*40.20
*48.5
*40.23
*6.23
*41.20
*52.10
*35.98
泊松比
0.12~0.14 0.14 *0.36 0.16 0.25 0.25 *0.25 *0.25
密度/ （kg·m-3）
*2 660 *2 635 1 370 2 625 2 700 2 700 2 700 2710
Numerical simulation and stress analysis of rock burst in mine
LI Zhenhua1,2，RONG Tao1，XU Gaoming (1. School of Energy Science & Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. School of Resource and Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 10083, China) Abstract：In order to obtain the relationship between rock burst and stress distribution, and provide a basis for taking rational precaution measures on rock bursts, a numerical simulation method is used to model the rock stress in a rock roadway. The results show that non-uniform thin-walled stress is the main reason of the frequent rock burst in driving roadway. When a hard-brittle rock body is disturbed, the stress concentration may exceed the strength limit of rock, and lead to rock burst because the stress concentration is close to the rock surface of the roadway. The results are of significance to the prevention of rock burst. Key words：mining engineering；rock burst；numerical simulation；stress analysis
李振华 1,2，戎 涛 1，徐高明 2
(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)
摘 要：为了得出岩爆与应力分布状态之间的关系，为制定合理的岩爆预防及治理措施提供依据，采用数值模拟
的方法，研究了岩爆巷道的围岩应力状态。结果表明：非均匀薄壁应力现象的存在，是掘进工作面岩爆频发的重
要原因；对于硬脆性的围岩体，在受到扰动时，由于巷道围岩体内的应力集中峰值距离巷道表面距离较近，应力
集中峰值就可能超过岩体破坏的极限强度，从而使岩石突然破坏，发生岩爆现象。该成果对岩爆的预防具有一定
的参考价值和指导意义。
关键词：采矿工程；岩爆；数值模拟；应力分析
中图分类号：TD 353.6
文献标识码：A
图 2 数值计算模型 Fig.2 numerical simulation model
图 1 综合柱状 Fig.1 the synthesis histogram
2 数值模拟模型设计
根据试验矿井的实际工程地质条件，建立计算 机数值模拟模型。巷道岩层柱状图如图 1。由于岩 爆多发生在 L1、L2 灰岩中，模型选取巷道所处岩层 （L2 灰岩）以及顶底板岩层，共 19 层岩层，但是 其中有 6 层厚度较小的软弱夹层，且距 L2 灰岩层较 远，进行地质概化，合并岩性相似的岩层，最终建 立的模型包含 13 层岩层，如图 2。模型上部边界按 照上覆岩层的重力施加应力边界条件，模型四周施
从以上结论看出，虽然在巷道侧壁的围岩体， 距巷道壁很短的距离内产生了较大的应力，但是由 于巷道采用了较强的支护方式（锚喷网），改变了 巷道围岩的应力状态，并且随着开挖长度的增加， 应力没有增加的趋势，这就是巷道掘进后方基本没 有发生岩爆现象的原因，但是如果处于断层的影响 带内，围岩体将势必受切割、挤压、扭转等作用， 造成局部应力集中，发生岩爆的可能性增大，因此 在有地质构造存在的巷道段内应该采用更加有效 的支护方式。
在巷道的左上部位置应力集中明显，应力梯度 大，这是促使岩爆发生的一个重要因素，这也与现 场统计的岩爆发生位置相吻合，因此应将研究集中 在掘进工作面左上部的应力分布特征。 3.1.2 掘进工作面前方应力分布
分析掘进工作面及其前方应力分布等值线图 或云图，可以得出以下结论：在掘进头前方没有产 生塑性破坏区域，很短的距离（0～3 m）内应力增 加明显，没有应力降低区域，基本是在掘进工作面 壁形成应力峰值；在掘进工作面前方 0～15 m 的距 离内，应力升高；在掘进工作面的左上部位置，应 力集中明显，应力梯度大，这正是导致岩爆在左上 部位置频发的原因；应力集中总是发生在掘进工作 面的左上部位置，巷道开挖长度的增加，对巷道开 挖后的应力集中情况并没有产生大的影响。
这里以圆形巷道为例，分析掘进巷道的围岩应 力分布及非均匀薄壁应力的形成。
未经采动的岩体，在巷道开掘以前通常处于弹 性变形状态，岩体的原始垂直应力 p 为上部覆盖岩 层的重量 γH(岩体的体积质量与埋藏深度的乘积)。 在岩体内开掘巷道后，巷道塑性变形区和弹性变形 区内的应力分布如图 3。在塑性区内圈(A)，围岩强 度明显削弱，能够负担的压力显著降低，且低于原 始应力 γH，围岩发生破裂和位移，称破裂区，为卸 载和应力降低区。塑性区外圈(B)的应力高于原始应 力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称 应力增高区。支架受力是支架与非弹性区的岩体相 互作用的结果。
单轴抗拉 强度/MPa
粘聚力 /MPa
内摩擦角 /(º)
弹模/GPa
*1.03 *0.07 *0.03
2.0 *7.16 4.96
*4.0 *1.4 1.0
3 *43.41 23.78
*42 *32 *32 30 *47.6 53.3
6.1 5.1 1.986 5.7 *29.67 34.62
*5.26
7
截面上的应力分布等值线图。 3.1.1 巷道侧壁应力分析
由巷道开挖 20 m 和 80 m 时掘进工作面截面上 的应力分布模拟图可以看出：巷道所处的岩层为 L2 灰岩，该岩层厚度大、强度大、硬度大，再加上较 强的支护措施，巷道开挖后并没有引起围岩的破 坏，没有产生塑性区，巷道的位移量很小，模拟显 示的最大位移不足 1 cm；在巷道两帮的围岩体内应 力升高明显，距巷道侧壁很短的距离内达到了应力 峰值；应力在巷道断面左上部集中明显，应力梯度 大；巷道侧壁应力集中情况随开挖长度的增加，有 增加的趋势，但是幅度不大。
0引言
Bolstad 曾指出，虽然岩爆研究己进行了半个多 世纪，但只在近年来才取得较明显的成就，这种成 就几乎完全归功于数值模拟、测试手段的改进、对 岩体性质的进一步了解和新声发射仪器的研制[1]。 数值模拟计算方法被用来分析矿山的岩爆问题最 早可追溯到 1968 年，Starfield 和 Fairhurst[2]在论文 中采用数值模拟方法来确定矿山的局部刚度，分析 矿柱合理尺寸，预防发生不稳定性破坏（岩爆）。 国内对岩爆的数值模拟研究则集中在矿山和水电 工程方面。陆家佑等人[3]采用有限元方法对水电洞 室的岩爆问题进行了分析和预测，章梦涛[4]提出了 冲击地压的统一失稳理论，并采用有限元法对煤矿 冲击地压进行了数值模拟研究。乐晓阳等[5]采用离 散元法对节理岩体圆形隧洞的岩爆进行了模拟研 究，并将其所得结果与有限元模拟的结果和岩爆实