高地应力巷道围岩的蠕变数值模拟.pdf

第 卷 第 期采矿与安全工程学报 年 月 收稿日期!作者简介!邵祥泽 男 山东省寿光县人 工程师 从事煤矿生产及管理方面的研究 文章编号!高地应力巷道围岩的蠕变数值模拟邵祥泽!潘志存!张培森 济宁监狱金桥煤矿 山东 济宁 河海大学 土木工程学院 江苏 南京 摘要!通过分析高地应力下巷道围岩的变形破坏持点 采用 模型 模型 计算模式利用 程序进行模拟研究 该程序采用显式差分法 可模拟岩土或其他村料的三维力学行为 包括村料的屈服 塑性流动 粘性流动 软化直至大变形 为了分析不同原岩应力 村料的弹性模量及粘滞系数对巷道围岩影响 分别采用了不同深度及不同比例系数 研究结果表明 巷道围岩的位移移近量随着时间的增加而增加但最终趋于稳定 其开始时存在位移移近 加速段 为此建议高应力条件下支护一定要及时 这对高地应力巷道施1具有一定的指导意义 关键词!高地应力 蠕变 粘弹性中图分类号!文献标识码!随着国民经济的持续快速发展 我国对能源的需求日益增加 目前有些煤矿都已向更深的水平延伸 工程实践表明 地下铜室开挖后 岩体的应力调整和变形破坏随时间变化而发展 尤其采深逐渐增加 原岩应力越来越大 巷道围岩的应力 应变的时间效应就更为显著 因此 在地下工程尤其是高地应力分布区围岩稳定性分析中 必须考虑岩石的流变特性 从流变的角度 运用流变力学理论 对高地应力下巷道围岩进行分析研究 求解出围岩的应力 位移随时间的变化关系式 进而利用数值模拟软件进行模拟分析 采矿与安全工程学报第 卷 目前有不少学者从事此方面的研究工作 如 薛琳 以圆形巷道为例 讨论了围岩支护系统应力与变形的时间效应 建立了巷道围岩支护系统轴弹性分析的一种新方法 蠕变柔量法 得到围岩支护系统的适用于反问题的轴弹性应力解与位移解 对于反问题 巷道围岩支护系统的新的轴弹性分析方法 使有支护和无支护围岩可以依据相同的轴弹性反分析的解析方法 识别围岩的力学模型和反演力学参数 解决了轴弹性位移反分析解析方法实用化中的一个重要问题 华心祝 建立了双向不等压锚注软岩巷道计算模型 将巷道围岩分为锚注加固区和未注围岩区 分别采用不同的轴弹性模型 解出锚注软岩巷道围岩应力 位移轴弹性解 同实际观测得到的锚注软岩巷道位移曲线作比较 证明其轴弹性解是正确的 研究结果对软岩巷道锚注设计具有一定的参考意义 王祥秋 基于软弱围岩的蠕变损伤机理 提出了围岩蠕变损伤具有变形损伤与时间损伤耦合效应的观点 运用 模型引入蠕变损伤变量 采用位移反分析方法对圆形巷道的轴弹性变形规律进行研究 得出软岩巷道合理支护时间的确定方法 通过工程实例证明该方法是合理的 王永岩 对深部工程中不同深度的巷道围岩在高地应力作用下的蠕变破坏过程进行了数值模拟 得到了时间 蠕变 水平地应力 蠕变曲线组和时间 水平地应力 蠕变三维曲面 应用 和 破坏准则 获得了高地应力岩体的蠕变破坏规律 并计算验证了郑榕明和孙钩提出的非线性流变理论 李德海 采用轴弹性理论的对应原理 对轴对称圆巷的轴弹性模型进行了分析 从而得出了该模型位移场的理论解 并利用大型通用 有限元分析软件对轴对称圆巷的轴弹性模型位移场进行了数值模拟分析 在此基础上 对理论解析解和数值模拟解进行了对比分析 杨治林 针对板裂和似板裂介质结构围岩体的流变特性 建立了轴弹性围岩岩层的屈曲模型 给出了可描述巷道围岩蠕变特征的岩板松弛模数 及在一定载荷作用下轴弹性岩板的屈曲和后屈曲临界载荷特性曲线 分析计算表明 当岩板的压应力水平增大到亚临界屈曲状态时 由于材料的非稳定蠕变特征将引起岩层的分岔失稳 围岩发生后屈曲破坏 后屈曲模态幅值可作为岩层破坏的位移判据及时间判据 周宏伟 谢和平 介绍了深部开采现状 深部开采面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境 并综述了深部高地应力条件下有关岩石力学性质的研究进展 包括高应力条件下岩石的脆 延转化特性 岩石的流变特性 岩石的强度特征以及岩石的破坏特征尤其是岩爆等 由上述的论述可知 随着开采深度的增加 一系列工程灾害如岩爆 煤与瓦斯突出 顶板垮落 底板突水以及巷道的流变形破坏等问题将日益严重 笔者试图通过采用大型商业化软件对不同原岩应力 材料的弹性模量及轴滞系数对巷道围岩的时间效应进行模拟分析 目前 用于进行岩土工程的数值计算软件发展迅速 例如 等 以往的数值模拟通常把空间问题简化为平面问题 应用二维的平面应变模型 而三维数值计算具有更客观 准确 形象等诸多优点是模拟空间结构受力及变形的重要手段 是由美国 开发的三维显式有限差分法程序 它可以模拟岩土及其他材料的三维力学行为 该程序具有强大的前后处理功能 能很好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为 特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形 它包含了 种弹塑性材料本构模型 有静力 动力 蠕变 渗流 温度 种计算模式 各种模式间可互相耦合 可模拟多种结构形式 如岩体 土体或其他材料实体 梁 锚元 桩 壳以及人工结构如支护 衬砌 锚索 岩栓 摩擦桩 板桩 界面单元等 可模拟复杂的岩土工程或力学问题 因此 本文将采用 对高地应力巷道围岩的移近量随时间及材料属性的变化关系进行模拟分析 高地应力下巷道缄弹性计算模型的选用目前用来计算轴弹性介质的计算模型很多 考虑 到 高 地 应 力 下 巷 道 围 岩 的 变 形 特 点 采 用 模型 模型 该模型的组成元件如图 所示 图 流变模型 模型的本构方程为 第 期邵祥泽等 高地应力巷道围岩的蠕变数值模拟 数值模拟 计算方案 有限差分计算软件提供了能用于模拟材料蠕变特性的计算模式 即材料特性随时间变化而变化的特性 根据高地应力下巷道围岩的蠕变特性 选用幂指数本构模型 为了简化计算及消除边界影响 置巷道围岩为单一岩层结构 巷道半径为 计算模型尺寸为 模型走向 倾斜方向均施加水平约束 底边界施加垂直约束 模型如图 所示 其等效地应力由 确定 为上覆岩层的加权平均容重 为上覆岩层的总厚度 为分析不同原岩应力对巷道围岩变形破坏的影响程度 计算取值分别为 为分析巷道围岩的移近量与材料的弹性模量与轴滞系数的关系 弹性模量及轴滞系数分别取原参数的 借 图 计算模型的网格划分 时步确定在 计算分析中 作蠕变分析时 计算所给的时步代表真实时间 最大时步由材料轴滞系数与剪切模量的比值得到 对蠕变压缩时步的限制包含系统体积反应 由材料的轴滞系数与体积模量的比值计算 轴滞系数由应力 与体积蠕变压缩率比值得出 由此导得 模拟结果分析本次模拟研究主要分析不同原岩应力对巷道围岩变形破坏的影响以及巷道围岩的移近量与材料的弹性模量与轴滞系数的关系 巷道采取一次性开挖 不考虑巷道在开挖过程中的影响 巷道围岩移近量与采深 材料轴滞系数以及材料弹性模量的关系如图 所示 从图 中可以看出巷道围岩移近量随着采深的增加而加大 随着材料的弹性模量的增加而减少 且两者之间存在着一定的比例关系 从图 中可以看出围岩移近量随着轴滞系数的增加而减少 但是当轴滞系数增至一定值后 再继续增加 巷道围岩移近量减小幅度很小 这一点对选择合理的巷道支护方式提供一定的参考价值 巷道围岩移近量随着时间的增加而增加 但到一定时间后 移近量趋于一定值 由工程实践可知随着采深的逐渐增加材料的轴滞系数逐渐减少 从图 中还可看出轴滞系数较小时巷道围岩移近量随着时间增加而加速增加 因此在高地应力下巷道支护一定要及时 图 巷道围岩移近量与采深 材料轴滞系数 材料弹性模量的关系 结论与建议 由于 采用了基于显式有限差分法的拉格朗日算法 使得它在分析岩土工程结构的弹塑性力学及流变力学行为 模拟施工过程等方面有其独到的优点 尤其在材料发生塑性流动或失稳的情况下 三维快速拉格朗日分析可以很方便地模拟结构从弹性到塑性屈服 失稳破坏直至大变形的全过程 巷道围岩位移的累计与围岩所处的应力状态有关 巷道所处的应力越大 围岩的位移累计移近量就越大 且两者之间存在着相似的比例关系 围岩移近量与时间有关 随着时间的延长而增加 最终趋于稳定值 巷道围岩移近量 随着围岩的弹性模量和轴滞系数的增大而减少 随着采深的增加材料的轴滞系数逐渐减少 尤其在高地应力区 巷道围岩移近量随着时间 采矿与安全工程学报第 卷 增加而加速增加 因此 在高地应力下巷道支护一定要及时 为了确保安全的生产环境 保证巷道的稳定性 提供合理的支护方式 提高矿井的经济效益 随着矿井采深的增加 巷道围岩的蠕变现象应该受到足够重视 参考文献!张志强 关宝树 软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律研究 岩土工程学报 薛 琳 巷道围岩支护系统轴弹性分析蠕变柔量法 煤炭学报 华心祝 吕凡任 锚注软岩巷道流变研究 岩石力学与工程学报 王祥秋 杨林德 高文华 软弱围岩蠕变损伤机理及合理支护时间的反演分析 岩石力学与工程学报 王永岩 齐 裙 杨彩虹 等 深部岩体非线性蠕变规律研究 岩土力学 李德海 王东攀 高保彬 围岩轴弹性模型有限元模拟分析 矿冶工程 杨治林 板裂介质围岩的流变屈曲研究 西安科技大学学报 周宏伟 谢和平 左建平 深部高地应力下岩石力学行为研究进展 力学进展 曾义金 杨春和 深井石油套管盐膏岩层蠕变挤压应力计算研究 岩石力学与工程学报 高地应力巷道围岩的蠕变数值模拟高地应力巷道围岩的蠕变数值模拟作者：邵祥泽，潘志存，张培森，SHAO Xiang-ze，PAN Zhi-cun，ZHANG Pei-sen作者单位：邵祥泽,潘志存,SHAO Xiang-ze,PAN Zhi-cun(济宁监狱金桥煤矿,山东,济宁,272200)，张培森,ZHANG Pei-sen(河海大学,土木工程学院,江苏,南京,210098)刊名：采矿与安全工程学报英文刊名：JOURNAL OF MINING AND SAFETY ENGINEERING年，卷(期)：2006,23(2)被引用次数：7次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.曾义金;杨春和 深井石油套管盐膏岩层蠕变挤压应力计算研究期刊论文-岩石力学与工程学报 2002(04)2.张志强;关宝树 软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律研究期刊论文-岩土工程学报 2000(06)3.FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions),Version 2.0,User manual 19974.周宏伟;谢和平;左建平 深部高地应力下岩石力学行为研究进展期刊论文-力学进展 2005(01)5.杨治林 板裂介质围岩的流变屈曲研究期刊论文-西安科技大学学报 2004(03)6.李德海;王东攀;高保彬 围岩黏弹性模型有限元模拟分析期刊论文-矿冶工程 2005(01)7.王永岩;齐珺;杨彩虹 深部岩体非线性蠕变规律研究期刊论文-岩土力学 2005(01)8.王祥秋;杨林德;高文华 软弱围岩蠕变损伤机理及合理支护时间的反演分析期刊论文-岩石力学与工程学报2004(05)9.华心锐;吕凡任;谢广祥 锚注软岩巷道流变研究期刊论文-岩石力学与工程学报 2003(02)10.薛琳 巷道围岩支护系统黏弹性分析蠕变柔量法 1996(06)本文读者也读过(8条)本文读者也读过(8条)1.王旭东.付小敏.WANG Xudong.FU Xiaomin 压缩蠕变力学试验的数值模拟研究期刊论文-工程地质学报2009,17(4)2.刘玉春.赵扬锋.LIU Yu-chun.ZHAO Yang-feng 岩石试件非线性黏弹塑性蠕变模型研究期刊论文-煤矿开采2008,13(1)3.姜永东.鲜学福.李志强 巷道岩体蠕变断裂失稳区域预测会议论文-20074.盛建龙.刘新波 岩石蠕变及剪切特征分析期刊论文-黄金2001,22(4)5.朱昌星.阮怀宁.朱珍德.罗润林.ZHU Chang-xing.RUAN Huai-ning.ZHU Zhen-de.LUO Run-lin 锦屏深埋长大引水隧洞围岩蠕变特性仿真分析期刊论文-地下空间与工程学报2006,2(6)6.王来贵.王建国.何峰.曹百站.WANG Laigui.WANG Jianguo.HE Feng.CAO Baizhan 岩石试件蠕变过程中的反馈特性研究期刊论文-沈阳建筑大学学报（自然科学版）2006,22(5)7.姚吉海.李强 人工冻土蠕变特性试验分析会议论文-20038.朱昌星.阮怀宁.朱珍德.罗润林 锦屏深埋长大引水隧洞围岩蠕变特性仿真分析会议论文-2006 引证文献(7条)引证文献(7条)1.张春.张连英.李凯.李明 骑跨采动压巷道围岩稳定性数值模拟期刊论文-徐州工程学院学报（自然科学版）2011(1)2.杨仁树.朱衍利.吴宝杨.郭东明.王雁冰.韩朋飞 大倾角松软厚煤层巷道优化设计及数值分析期刊论文-中国矿业 2010(9)3.岳拥军.白云来.贾安立.张红芒.李长青 底板注浆加固技术在高水压工作面的应用期刊论文-现代矿业2010(10)4.李卫东.李功.刘仲明 深井动压巷道岩石注浆加固实验与稳定性控制研究期刊论文-煤 2009(6)5.魏树群.张吉雄.张文海.马立强 高应力硐室群锚注联合支护技术期刊论文-采矿与安全工程学报 2008(3)6.牛学良.付志亮.高延法 岩石注浆加固实验与巷道稳定性控制期刊论文-采矿与安全工程学报 2007(4)7.牛学良.付志亮 深井巷道岩石注浆加固试验与巷道稳定性控制期刊论文-金属矿山 2007(11)本文链接：http:/