深部高应力巷道围岩破裂演化过程数值模拟
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ser ies N o. 391 January 2009
金 属矿 山
M ETAL M IN E
总 第 391期 2009年第 1期
深部高应力巷道围岩破裂演化过程数值模拟*
张晓君 1, 2 靖洪文 2 郑怀昌 1
( 1. 山东理工大学; 2. 中国矿业大 学 )
摘 要 运用岩 石破裂过 程分析 RFPA 对不同围压 下的深部 高应力巷道 围岩破裂演 化过程进 行了研究。通 过模拟, 再现了不同围压下的高应力巷道围岩破裂演 化的全 过程。据此, 对 比分析 了模拟 结果并探 讨了深 部巷道 变形破坏类型。数值模拟结果表 明, 不同围压下的高应 力巷道 围岩破坏 过程是 有很大 差别的; 围压 与顶压 的对比 关系决定了高应力巷道 围岩破坏的主趋势和主要区域, 这些区 域应作 为重点 的加固区; 巷 道墙下角 和拱部 起拱线 是破坏的重点部位, 应作为重点加固区的重点; 高应力巷道围岩破裂演化首先表现为 较长阶段的 缓慢递增变 化, 随 后进入短暂的加速破裂阶段和宏 观破坏阶段。因此, 对巷道破坏过程的研究和工 程现场具有 重要的借 鉴价值和现 实意义。
图 4 70 M Pa围压下巷道的破裂演化过程
2. 2 对比分析
最大值优先发生剪切破坏, 最小主应力最小值优先
图 5~ 图 7分别给出了垂直载荷 60 MP a, 围压 发生拉伸 破坏, 从 图 6 和 图 7 中 可以 看 出, 在 30
模型加载方式如图 1所示, 垂直方向载荷为 60 M Pa不变, 围压载荷分 30 M Pa, 50 M Pa, 70 MP a 3种 情况分别计算, 整个模拟过程是先施加水平和垂直载 荷, 不分级, 然后开挖巷道, 观察整个巷道的变形破坏 过程。计算模型中材料参数和边界条件见表 1。 2 模拟结果与分析
), 其中参数 m 为形状参数, 反映岩石材料力学性 质的均质度, m 越大, 表明岩石的性质 越均匀; 为 反映岩石材料平均性质的参数。本模型中, 泊松比均 质度取 100, 平均值取 0. 25, 采用修正的莫尔 - 库仑 判据作为单元破坏的准则, 其中摩擦角取 30∃, 拉压 强度比取 10。
RFPA 2D 系 统是 一个 岩石 渐进 破 裂直 至 宏 观破 坏过程的分析程序, 非常适合本研究的破坏过程研 究。由于是分析巷道的破坏过程, 所以本研究采用 平面 应 变 模 型, 模 型 高、宽 尺 寸 为 1 000 mm # 1 000 mm, 划分为 100 # 100= 10 000个单元, 直墙半 圆拱巷道尺寸为巷 道宽 100 mm, 巷道 高 150 mm。 考虑岩石 非均匀 性的影 响, 设定 岩石 的力学 性质 ( 单元的弹性及强度性质 ) 服从韦布尔分布 c (m,
应力分布不能象弹塑性分析那样变形是均匀的、连 续的, 最容易破坏 ( 或强度最弱 ) 的局部会 先破裂, 然后转移高应力并影响后 续的应力分布与 变形破 坏, 高应力下貌似杂乱无序的岩石破裂, 会形成一种 有规律的有序结构。在深部岩体中开挖洞室或巷道 时, 其两侧和工作面前的围岩中会产生交替的破裂 区和不破裂区, 称这种现象为分区破裂化现象 [ 2 5] 。
( 1. Shandong University of T echnology; 2. Ch ina University of M ining and T echnology )
Abstrac t F a ilure processes o f deep roadw ays unde r d ifferent confining pressures are num er ica lly stud ied by using a rock fa ilure pro cess analysis code( RFPA ). The who le process of prog ressive fa ilure lead ing to collapse is num er ica lly dem onstra ted. The results of num er ica l simu la tion a re ana lyzed and the fa ilure m odes of deep roadw ays discussed. T he resu lts o f num erical s imu la tion indicate that failure processes o f deep roadways in high stress a rea var ies greatly under different confi n ing pressures, and the re lationship between vertica l and hor izonta l pressures de term ines the m a in trend and m a in area o f the fa ilure of the w all rock o f h igh stress roadway, wh ich shou ld be espec ia lly re inforced; and the w all corne r and arch bot tom are the m a jo r fa ilure sites and shou ld be g iven top cons idera tion. F a ilure processes of deep roadw ays w ill exh ib it a slow transform ation in a long phase at first and then enter into a transitor ily accelerated fa ilure process and m acroscopic failure phase. T herefo re, it is of im po rtant re ference and rea listic s ignificance to investigating the fa ilure process of roadw ay and to the m ining s ite.
图 3为试样 2在垂直方向载荷 60 M Pa, 围压 50 M Pa作用下的破坏过程部分剪应力图, 从图中可以 看出, 巷道开挖后, 应力集中分布呈现明显, 呈现从 拱顶到底板中心的两个弧形应力集中带, 并逐步由 巷道边缘向两侧深部发展, 此时拱的上方已产生多 处微破裂, 随着逐步深入, 塑性区也不断增大, 拱底 两侧和两帮尤其是左侧形成宏观破坏, 两帮深部和 拱上方的应力集中大大消弱, 片帮的结果加速了顶 板的冒落, 最终巷道的破坏形式表现为片帮和顶板 冒落, 整个顶板冒落形态未呈现漏斗状, 同样底板也 产生了破坏, 但并不严重。
分别进行了不同侧压力系数条件下动态扰动触 发深部巷道发 生失稳破 裂的整个 过程模拟、3DEC 巷道围岩破碎范围的数值模拟和高地应力状态对巷 道变形破坏影响的 FLAC2D 分析 [ 8 10] 。
在软岩领域, 采用理论分析、数值模拟和现场试 验的方法, 研究深部巷道围岩稳定和破坏问题。
虽有对深部巷道围岩破坏问题的论述, 但目前 还未见有关研究深部巷道围岩破裂 演化过程的报 道, 本研究运用岩石破裂过程分析 RFPA 系统, 对不 同围压下的深部高应力巷道围岩破坏过程进行了数 值模拟, 模拟结果再现了其从开挖卸荷到破坏的全 过程, 在此基础上对模拟结果做了对比分析, 得出了 很有价值的结论, 根据模拟结果, 探讨了深部巷道变 形破坏类型。 1 数值模型与方案设计
关键词 深部巷道 破坏过程 数值模拟 围岩
Num erical S im u lation of th e Crack ing and Evolu tion Processes of W all Rock of D eep Roadways in H igh Stress A rea Zhang X iao jun1, 2 Jing H ongw en2 Zheng H ua icang1
∀ 33∀
总第 391期
金wenku.baidu.com 矿山
2009年第 1期
定破裂区和塑性区范围的计算公式。破裂区的出现 极其明显地使围岩应力产生重新分布, 即应力峰值 向围岩深部转移。通过简化的应力 - 滑移关系, 计 算出了围岩各区所承受的荷载比例, 阐明了岩石压 力与坑道的埋深、坑道的尺寸和形状、围岩的物理力 学性质以及支护的柔度等具有直接的关系 [ 6 7] 。
以深埋圆形坑道围岩压力确定为例, 建立了确
* 山东省自然科学基金资助项目 ( 编号: Y 2006E06, Y 2008F51) 。 张晓君 ( 1975 ), 男, 山东理工 大学资 源与 环境工 程学院, 讲师, 中
国矿业大学建筑工程学院, 博士研究 生, 255049 山东省 淄博市山 东理工大学资源与环境工程学院。
2. 1 模拟结果描述
分别对试样在 3个不同围压下的损伤破坏过程
∀ 34∀
表 1 计算模型中材料参数和边 界条件
试样号 加载方式 m
1
载荷
8
2
载荷
8
3
载荷
8
0 /M Pa 60 60 60
E 0 /M Pa 60 000 60 000 60 000
3 /M Pa 30 50 70
图 1 数值模型
进行了数值模拟, 图 2为试样 1在垂直方向载荷 60 M Pa, 围压 30 MP a作用 下的破坏过 程部分剪 应力 图, 从图中可以看出, 巷道开挖后应力重新分布, 应 力集中迅速在巷道边缘产生, 呈现从拱顶到底板中 心的 2个弧形应力集中带, 导致该区域的围岩屈服 并进入塑性工作状态, 从而形成塑性区, 塑性区的出 现致使应力集中逐步由巷道边缘向两帮偏上的深部 和拱的上方深入, 形成了 3个弧形应力集中带, 在应 力集中向深部深入的过程中, 围岩不断发生变形并 向巷道内移动, 在巷道围岩的薄弱点首先产生微破 裂, 随着逐步深入, 塑性区不断增大, 以拱底部即起 拱线为起点一直向上破裂明显, 拱上方产生大量微 破裂, 形成松动破坏, 两帮深部和拱上方的应力集中 消弱, 最终表现为以两帮中心为起点的漏斗形顶板 冒落, 两帮的剪切破坏严重, 底板也产生了破坏, 但 并不严重。
图 4为试样 3在垂直方向载荷 60 M Pa, 围压 70 M Pa作用下的破坏过程部分剪应力图, 从图中可以
张晓君等: 深部高应力巷道围岩破裂演化过程数值模拟
2009年第 1期
看出, 巷道开挖后, 应力集中带呈现的非常明显, 呈 现出以巷道为中心的似圆形应力集中带, 随着塑性 区的出现, 应力集中向深部深入, 在应力集中向深部 深入的过程中, 围岩不断发生变形并向巷道内移动, 似圆形应力集中带的半径不断增大, 并随着半径的
不断增大, 巷道的边缘附近薄弱处首先产生微破裂 并不断增多, 巷道左侧形成以下墙角和底板中心为 区域的破坏区以及起拱线和拱顶为区域范围的破坏 区, 最终整个左侧围岩严重挤入巷道, 在右侧帮也产 生了较大的片帮。
图 2 30 M Pa围压下巷道的破裂演化过程
图 3 50 M Pa围压下巷道的破裂演化过程
关于深部巷道围岩稳定性和破坏的问题, 一些 文献已涉及到。俄罗斯学者通过现场实测与模拟试
验, 发现深部巷道围岩存在有呈间隔分布的区域性 断裂。这一现象后来与岩石破裂的构造层次现象联
系在一起, 被认为是深部高应力巷道围岩, 甚至还是 一种更广泛的规律性行为。在高应力平衡过程中, 由于岩石性质的不均匀性和易断裂性, 岩石内部的
K eywords D eep roadway, F ailure process, Nume rical sim ulation, W a ll rock
深部开采是特殊环境下的开采, 相对于浅部开 采来说, 深部开采的特殊性主要表现在矿床开采处 于 高应力、高井温、高井深 !环境。从致灾的角度 来看, 高应力环境可能导致采掘工作面出现岩爆、冒 顶等灾害, 危及工人安全 [ 1] 。
金 属矿 山
M ETAL M IN E
总 第 391期 2009年第 1期
深部高应力巷道围岩破裂演化过程数值模拟*
张晓君 1, 2 靖洪文 2 郑怀昌 1
( 1. 山东理工大学; 2. 中国矿业大 学 )
摘 要 运用岩 石破裂过 程分析 RFPA 对不同围压 下的深部 高应力巷道 围岩破裂演 化过程进 行了研究。通 过模拟, 再现了不同围压下的高应力巷道围岩破裂演 化的全 过程。据此, 对 比分析 了模拟 结果并探 讨了深 部巷道 变形破坏类型。数值模拟结果表 明, 不同围压下的高应 力巷道 围岩破坏 过程是 有很大 差别的; 围压 与顶压 的对比 关系决定了高应力巷道 围岩破坏的主趋势和主要区域, 这些区 域应作 为重点 的加固区; 巷 道墙下角 和拱部 起拱线 是破坏的重点部位, 应作为重点加固区的重点; 高应力巷道围岩破裂演化首先表现为 较长阶段的 缓慢递增变 化, 随 后进入短暂的加速破裂阶段和宏 观破坏阶段。因此, 对巷道破坏过程的研究和工 程现场具有 重要的借 鉴价值和现 实意义。
图 4 70 M Pa围压下巷道的破裂演化过程
2. 2 对比分析
最大值优先发生剪切破坏, 最小主应力最小值优先
图 5~ 图 7分别给出了垂直载荷 60 MP a, 围压 发生拉伸 破坏, 从 图 6 和 图 7 中 可以 看 出, 在 30
模型加载方式如图 1所示, 垂直方向载荷为 60 M Pa不变, 围压载荷分 30 M Pa, 50 M Pa, 70 MP a 3种 情况分别计算, 整个模拟过程是先施加水平和垂直载 荷, 不分级, 然后开挖巷道, 观察整个巷道的变形破坏 过程。计算模型中材料参数和边界条件见表 1。 2 模拟结果与分析
), 其中参数 m 为形状参数, 反映岩石材料力学性 质的均质度, m 越大, 表明岩石的性质 越均匀; 为 反映岩石材料平均性质的参数。本模型中, 泊松比均 质度取 100, 平均值取 0. 25, 采用修正的莫尔 - 库仑 判据作为单元破坏的准则, 其中摩擦角取 30∃, 拉压 强度比取 10。
RFPA 2D 系 统是 一个 岩石 渐进 破 裂直 至 宏 观破 坏过程的分析程序, 非常适合本研究的破坏过程研 究。由于是分析巷道的破坏过程, 所以本研究采用 平面 应 变 模 型, 模 型 高、宽 尺 寸 为 1 000 mm # 1 000 mm, 划分为 100 # 100= 10 000个单元, 直墙半 圆拱巷道尺寸为巷 道宽 100 mm, 巷道 高 150 mm。 考虑岩石 非均匀 性的影 响, 设定 岩石 的力学 性质 ( 单元的弹性及强度性质 ) 服从韦布尔分布 c (m,
应力分布不能象弹塑性分析那样变形是均匀的、连 续的, 最容易破坏 ( 或强度最弱 ) 的局部会 先破裂, 然后转移高应力并影响后 续的应力分布与 变形破 坏, 高应力下貌似杂乱无序的岩石破裂, 会形成一种 有规律的有序结构。在深部岩体中开挖洞室或巷道 时, 其两侧和工作面前的围岩中会产生交替的破裂 区和不破裂区, 称这种现象为分区破裂化现象 [ 2 5] 。
( 1. Shandong University of T echnology; 2. Ch ina University of M ining and T echnology )
Abstrac t F a ilure processes o f deep roadw ays unde r d ifferent confining pressures are num er ica lly stud ied by using a rock fa ilure pro cess analysis code( RFPA ). The who le process of prog ressive fa ilure lead ing to collapse is num er ica lly dem onstra ted. The results of num er ica l simu la tion a re ana lyzed and the fa ilure m odes of deep roadw ays discussed. T he resu lts o f num erical s imu la tion indicate that failure processes o f deep roadways in high stress a rea var ies greatly under different confi n ing pressures, and the re lationship between vertica l and hor izonta l pressures de term ines the m a in trend and m a in area o f the fa ilure of the w all rock o f h igh stress roadway, wh ich shou ld be espec ia lly re inforced; and the w all corne r and arch bot tom are the m a jo r fa ilure sites and shou ld be g iven top cons idera tion. F a ilure processes of deep roadw ays w ill exh ib it a slow transform ation in a long phase at first and then enter into a transitor ily accelerated fa ilure process and m acroscopic failure phase. T herefo re, it is of im po rtant re ference and rea listic s ignificance to investigating the fa ilure process of roadw ay and to the m ining s ite.
图 3为试样 2在垂直方向载荷 60 M Pa, 围压 50 M Pa作用下的破坏过程部分剪应力图, 从图中可以 看出, 巷道开挖后, 应力集中分布呈现明显, 呈现从 拱顶到底板中心的两个弧形应力集中带, 并逐步由 巷道边缘向两侧深部发展, 此时拱的上方已产生多 处微破裂, 随着逐步深入, 塑性区也不断增大, 拱底 两侧和两帮尤其是左侧形成宏观破坏, 两帮深部和 拱上方的应力集中大大消弱, 片帮的结果加速了顶 板的冒落, 最终巷道的破坏形式表现为片帮和顶板 冒落, 整个顶板冒落形态未呈现漏斗状, 同样底板也 产生了破坏, 但并不严重。
分别进行了不同侧压力系数条件下动态扰动触 发深部巷道发 生失稳破 裂的整个 过程模拟、3DEC 巷道围岩破碎范围的数值模拟和高地应力状态对巷 道变形破坏影响的 FLAC2D 分析 [ 8 10] 。
在软岩领域, 采用理论分析、数值模拟和现场试 验的方法, 研究深部巷道围岩稳定和破坏问题。
虽有对深部巷道围岩破坏问题的论述, 但目前 还未见有关研究深部巷道围岩破裂 演化过程的报 道, 本研究运用岩石破裂过程分析 RFPA 系统, 对不 同围压下的深部高应力巷道围岩破坏过程进行了数 值模拟, 模拟结果再现了其从开挖卸荷到破坏的全 过程, 在此基础上对模拟结果做了对比分析, 得出了 很有价值的结论, 根据模拟结果, 探讨了深部巷道变 形破坏类型。 1 数值模型与方案设计
关键词 深部巷道 破坏过程 数值模拟 围岩
Num erical S im u lation of th e Crack ing and Evolu tion Processes of W all Rock of D eep Roadways in H igh Stress A rea Zhang X iao jun1, 2 Jing H ongw en2 Zheng H ua icang1
∀ 33∀
总第 391期
金wenku.baidu.com 矿山
2009年第 1期
定破裂区和塑性区范围的计算公式。破裂区的出现 极其明显地使围岩应力产生重新分布, 即应力峰值 向围岩深部转移。通过简化的应力 - 滑移关系, 计 算出了围岩各区所承受的荷载比例, 阐明了岩石压 力与坑道的埋深、坑道的尺寸和形状、围岩的物理力 学性质以及支护的柔度等具有直接的关系 [ 6 7] 。
以深埋圆形坑道围岩压力确定为例, 建立了确
* 山东省自然科学基金资助项目 ( 编号: Y 2006E06, Y 2008F51) 。 张晓君 ( 1975 ), 男, 山东理工 大学资 源与 环境工 程学院, 讲师, 中
国矿业大学建筑工程学院, 博士研究 生, 255049 山东省 淄博市山 东理工大学资源与环境工程学院。
2. 1 模拟结果描述
分别对试样在 3个不同围压下的损伤破坏过程
∀ 34∀
表 1 计算模型中材料参数和边 界条件
试样号 加载方式 m
1
载荷
8
2
载荷
8
3
载荷
8
0 /M Pa 60 60 60
E 0 /M Pa 60 000 60 000 60 000
3 /M Pa 30 50 70
图 1 数值模型
进行了数值模拟, 图 2为试样 1在垂直方向载荷 60 M Pa, 围压 30 MP a作用 下的破坏过 程部分剪 应力 图, 从图中可以看出, 巷道开挖后应力重新分布, 应 力集中迅速在巷道边缘产生, 呈现从拱顶到底板中 心的 2个弧形应力集中带, 导致该区域的围岩屈服 并进入塑性工作状态, 从而形成塑性区, 塑性区的出 现致使应力集中逐步由巷道边缘向两帮偏上的深部 和拱的上方深入, 形成了 3个弧形应力集中带, 在应 力集中向深部深入的过程中, 围岩不断发生变形并 向巷道内移动, 在巷道围岩的薄弱点首先产生微破 裂, 随着逐步深入, 塑性区不断增大, 以拱底部即起 拱线为起点一直向上破裂明显, 拱上方产生大量微 破裂, 形成松动破坏, 两帮深部和拱上方的应力集中 消弱, 最终表现为以两帮中心为起点的漏斗形顶板 冒落, 两帮的剪切破坏严重, 底板也产生了破坏, 但 并不严重。
图 4为试样 3在垂直方向载荷 60 M Pa, 围压 70 M Pa作用下的破坏过程部分剪应力图, 从图中可以
张晓君等: 深部高应力巷道围岩破裂演化过程数值模拟
2009年第 1期
看出, 巷道开挖后, 应力集中带呈现的非常明显, 呈 现出以巷道为中心的似圆形应力集中带, 随着塑性 区的出现, 应力集中向深部深入, 在应力集中向深部 深入的过程中, 围岩不断发生变形并向巷道内移动, 似圆形应力集中带的半径不断增大, 并随着半径的
不断增大, 巷道的边缘附近薄弱处首先产生微破裂 并不断增多, 巷道左侧形成以下墙角和底板中心为 区域的破坏区以及起拱线和拱顶为区域范围的破坏 区, 最终整个左侧围岩严重挤入巷道, 在右侧帮也产 生了较大的片帮。
图 2 30 M Pa围压下巷道的破裂演化过程
图 3 50 M Pa围压下巷道的破裂演化过程
关于深部巷道围岩稳定性和破坏的问题, 一些 文献已涉及到。俄罗斯学者通过现场实测与模拟试
验, 发现深部巷道围岩存在有呈间隔分布的区域性 断裂。这一现象后来与岩石破裂的构造层次现象联
系在一起, 被认为是深部高应力巷道围岩, 甚至还是 一种更广泛的规律性行为。在高应力平衡过程中, 由于岩石性质的不均匀性和易断裂性, 岩石内部的
K eywords D eep roadway, F ailure process, Nume rical sim ulation, W a ll rock
深部开采是特殊环境下的开采, 相对于浅部开 采来说, 深部开采的特殊性主要表现在矿床开采处 于 高应力、高井温、高井深 !环境。从致灾的角度 来看, 高应力环境可能导致采掘工作面出现岩爆、冒 顶等灾害, 危及工人安全 [ 1] 。