高速沖擊載荷作用深埋巷道變形非線性數(shù)值模擬

呂祥鋒，潘一山，李忠華

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

高速沖擊載荷作用深埋巷道變形非線性數(shù)值模擬

呂祥鋒，潘一山，李忠華

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

深埋巷道沖擊破壞問題一直是研究的難點，為更好的研究深部巖體動力破壞規(guī)律，揭示深埋巷道沖擊破壞機制，采用非線性動力分析方法，利用FLAC3D計算軟件再現(xiàn)深埋巷道沖擊破壞過程，對高速沖擊載荷作用下煤巖巷道變形規(guī)律進行非線性分析。計算結(jié)果表明，在高速沖擊載荷作用下巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r處有應(yīng)力集中，均出現(xiàn)較大變形，且向巷道內(nèi)部方向呈現(xiàn)出近似V型分布;各監(jiān)測點作用力和位移結(jié)果也說明在巷道頂、底板和兩幫圍巖處均發(fā)生明顯的沖擊，且加載初期沖擊較弱，在t=0.5s時沖擊作用明顯增強，計算結(jié)果可為深埋巷道加固措施提供有利參考。

沖擊載荷;深埋巷道;變形;非線性分析;數(shù)值模擬

0 引言

我國煤礦資源主要埋深在千米以下，深部開采與淺部開采破壞特征具有明顯的不同。隨著我國煤礦開采逐漸轉(zhuǎn)向深部，沖擊地壓動力災(zāi)害發(fā)生也日益頻繁，其破壞特征更加復(fù)雜，使得深埋煤巖巷道沖擊破壞研究難度也不斷增大［1-4］。沖擊地壓是一種由于人類采掘活動誘發(fā)的礦山動力災(zāi)害之一，表現(xiàn)為積聚巖體內(nèi)彈性能瞬時釋放，伴有巨大聲響，造成巷道圍巖體嚴重破壞，給煤礦安全生產(chǎn)和人們生命安全帶來了極大的威脅［5，6］。因此，研究深埋煤巖巷道沖擊破壞規(guī)律具有一定的理論指導(dǎo)意義。

煤礦開采中的煤巖體具有典型的各向異性，尤其是在非穩(wěn)定動力載荷作用下，沖擊地壓［7，8］的發(fā)生和破壞具有明顯的非線性特征。因此，為了更好的研究深部煤巖體動力破壞規(guī)律，揭示深埋煤巖巷道沖擊破壞機制，有必要對深埋煤巖巷道沖擊破壞過程進行深入研究。根據(jù)非線性動力學(xué)理論，利用FLAC3D計算軟件再現(xiàn)深埋巷道沖擊破壞過程，對高速沖擊載荷作用下煤巖巷道變形規(guī)律進行非線性分析。為深部煤礦安全開采和煤巖巷道支護提供有利參考。

1 數(shù)值計算模型

在數(shù)值計算中，選取計算模型尺寸為24m×17m×25m，計算中采用矩形巷道，巷道尺寸為4m×3m×25m。計算模型采用彈塑性模型，模型共分為四層，從上至下分別為:礫巖(厚5m)、頂板(厚3m)、煤層(厚 6m)和底板(厚 3m)。模擬模型距離地面為1000m，模型剖分網(wǎng)格單元數(shù)為 52800，節(jié)點數(shù)為57673。數(shù)值計算［9，10］模型如下圖 1所示。計算中，采用彈塑性模型，圍巖采用Drucker-Prager屈服準則。計算模型參數(shù)如表1所示。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

計算中約束邊界條件設(shè)置為模型底面全約束，四周水平約束，頂面為自由面。初始地應(yīng)力最大水平地應(yīng)力為20MPa，最小水平地應(yīng)力為18MPa，垂直地應(yīng)力為17MPa。動力載荷輸入速度時程，將沖擊波作為離散的動態(tài)沖擊載荷施加在模型內(nèi)部節(jié)點上。施加的沖擊載荷速度時程曲線如圖2所示。

表1 計算模型參數(shù)Table 1 The parameters of calculation model

圖2 沖擊波速度時程曲線Fig.2 Velocity-time curve for impact wave

在頂板上方自巷道頂開始垂直方向共設(shè)置10個監(jiān)測點，間距分別為0.3m;在左邊幫和右邊幫兩側(cè)水平方向上分別5個監(jiān)測點，監(jiān)測點間距分別為0.5m;在底板處自巷道底開始垂直方向共設(shè)置5個監(jiān)測點，監(jiān)測點間距分別為0.5m。沖擊載荷施加節(jié)點分布在煤層上方頂板中心，與礫巖交接處，沿巷道整個長度方向。沖擊載荷施加位置及監(jiān)測點在巷道截面中具體分布如圖3所示。

2 計算結(jié)果分析

圖4和圖5分別表示沖擊載荷作用下巷道垂直應(yīng)力和垂直位移計算云圖。截面選取模型中心位置處，由圖4可以看出，垂直應(yīng)力［11］表現(xiàn)為整體受壓，在巷道頂板、底板和兩邊幫附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，且應(yīng)力最大值可達28MPa左右，在兩邊幫處形成近似“雙耳”型分布。從圖5結(jié)果可知，在沖擊載荷作用下，巷道頂板處下沉位移最大，最大可達0.43m，底板整體位移也有向下的趨勢。通過垂直應(yīng)力和位移計算結(jié)果也可以得到，頂板受力較大，下沉位移也較大，底板受力較小些，但有底板起鼓的現(xiàn)象，兩邊幫受力也較大，同時向巷道內(nèi)側(cè)發(fā)生彎曲變形。

圖3 監(jiān)測點分布圖Fig.3 Distribution of monitoring points

圖4 垂直應(yīng)力分布云圖Fig.4 Vertical stress contours

圖5 垂直位移分布云圖Fig.5 Vertical displacement contours

監(jiān)測時間選擇為2.0s，監(jiān)測點數(shù)據(jù)也為模型中心截面監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測點選擇頂板3個監(jiān)測點(1號監(jiān)測點、5號監(jiān)測點和9號監(jiān)測點)及底板、左邊幫和右邊幫各3個監(jiān)測點(1號監(jiān)測點、3號監(jiān)測點和5號監(jiān)測點)分別進行作用力、位移的全程監(jiān)測。圖6-圖9為監(jiān)測點作用力和位移監(jiān)測結(jié)果。

從圖6監(jiān)測結(jié)果可知，頂板監(jiān)測點的垂直力最大可達2500kN左右，作用力在開始時波動較小，在t=0.5s后波動較劇烈，說明裸巷時受沖擊作用明顯且破壞程度嚴重。圖7表示左邊幫監(jiān)測結(jié)果，左邊幫的監(jiān)測點垂直作用力約為250kN，較頂板垂直力小很多，同樣在加載初期作用力曲線［12］波動較弱，t=0.5s后波動加強，沖擊載荷對裸巷變形影響較大，右邊幫監(jiān)測點作用力與左邊幫規(guī)律一致。

圖6 頂板監(jiān)測點垂直力分布Fig.6 Vertical force distribution of roof monitoring points

圖7 左邊幫監(jiān)測點垂直力分布Fig.7 Vertical force distribution of monitoring points on the left

圖8 表示底板監(jiān)測點位移結(jié)果，由監(jiān)測點位移曲線可知，底板垂直位移在 t=0.5s前，表現(xiàn)為在沖擊載荷作用下有向下緩慢變形的趨勢，在t=0.5s時，出現(xiàn)位移迅速向上變形，即底板起鼓。隨后底板起鼓位移較大，并趨于穩(wěn)定。在沖擊載荷反復(fù)作用下，底板巖層破壞，表現(xiàn)為底板垂直位移迅速降低，垂直位移曲線出現(xiàn)急劇下落，此時，底板起鼓最大位移約為0.14m。從圖9右邊幫監(jiān)測點位移結(jié)果可知，在加載初期右邊幫水平位移很小，且較穩(wěn)定，在 t=0.5s時出現(xiàn)明顯的跳躍，水平位移突然增加，位移值為負，說明向巷道內(nèi)側(cè)變形，最大值約為0.16m，左邊幫監(jiān)測點位移規(guī)律與右邊幫基本一致，位移值符號相反。

圖8 底板監(jiān)測點垂直位移分布Fig.8 Vertical displacement distribution of floor monitoring points

圖9 右邊幫監(jiān)測點水平位移分布Fig.9 Horizontal displacement distribution of monitoring points on the right

3 結(jié)論

利用FLAC3D計算軟件，對高速沖擊載荷作用下深埋煤巖巷道變形進行了非線性動力分析，得到以下主要研究結(jié)論:

(1)垂直應(yīng)力和位移結(jié)果表明，頂板受力最大，下沉位移也較大，底板受力較小，出現(xiàn)底板起鼓現(xiàn)象，兩邊幫受力也較大，同時向巷道內(nèi)側(cè)發(fā)生變形。

(2)從監(jiān)測點作用力分布可知，頂板垂直作用力值比兩邊幫值大近9倍，但作用力曲線規(guī)律較一致，表現(xiàn)為開始時曲線波動較小，在 t=0.5s后波動劇烈，說明裸巷受沖擊作用明顯且破壞程度嚴重。

(3)監(jiān)測點位移結(jié)果表明，在沖擊載荷反復(fù)作用下，底板垂直位移迅速降低，底板巖層破壞嚴重，垂直位移曲線出現(xiàn)急劇下落;兩邊幫水平位移在t=0.5s時突然增加，位移值符號相反，說明均向巷道內(nèi)側(cè)變形。

［1］宋振騏，等.實用礦山壓力控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

［2］李鴻昌.礦山壓力的相似模擬試驗［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988.

［3］竇林名，何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［4］姜福興，王同旭，潘立友，等.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004.

［5］李海波，蔣會軍，趙堅，等.動荷載作用下巖體工程安全的幾個問題［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(11):1887-1891.

［6］何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(16):2803-2813.

［7］Linkov A M.Rockbursts and the instability of rock masses［J］.Int J Rock Mech Min Sci ＆ Geomech Abstr，1996，33(7):727-732.

［8］Vardoulakis I.Rock bursting as a surface instability phenomenon［J］.Int J Rock Mech Min Sci＆ Geomech Abstr，1984，21(3):137-144.

［9］牟宗龍，竇林名，李慧民，等.頂板巖層特性對煤體沖擊影響的數(shù)值模擬［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2009，26(1):26-30.

［10］孫曉明，何滿潮.深部開采軟巖巷道耦合支護數(shù)值模擬研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34(2):166-169.

［11］唐巨鵬，李英杰，潘一山.阜新五龍礦深部沖擊地壓ANSYS有限元數(shù)值模擬［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2004，25(3):271-274.

［12］李長洪，蔡美峰，喬蘭，等.巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其與巖爆關(guān)系［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，1999，21(6):513-515.

Nonlinear numerical simulation of deep tunnel deformation under high-speed impact loading

LV Xiang-feng，PAN Yi-shan，LI Zhong-hua
(School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

The impact destruction of deep tunnel always a difficult issue.In order to research deep tunnel failure law better and reveal deep tunnol failure mechanism，using nonlinear dynamic analysis method，the law of deep tunnel deformation under high-speed impact loading is analyzed by FLAC3D calculation software.The simulation results show that the roof and floor have stress concentration and a large deformation，and the direction of tunnel showing the internal deformation distribution of similar V.The force and displacement monitoring results also show that the tunnel has an obvious impact，and the initial shock is weak，the impact load increased significantly at t=0.5s.The results can provide a favorable reference for reinforcement the deep tunnel.

impact loads;deformation of deep tunnel;nonlinear analysis;numerical simulation

1003-8035(2010)04-0116-04

TD824.7

A

2010-07-20;

2010-08-27

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(2010CB226803)

呂祥鋒(1982—)，男，博士研究生，主要從事沖擊地壓巷道破壞規(guī)律研究。

E-mail:lvxiangfeng2006@126.com