過斷層巷道頂板應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究

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1、過斷層巷道頂板應(yīng)力分布規(guī)律的數(shù)值模擬研究3.1概述我國煤炭資源豐富，賦存條件十分復(fù)雜，斷層是影響煤礦開采的重要地質(zhì)因素,斷層破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，導(dǎo)致斷層周圍的應(yīng)力分布差異性大；對于過斷層的回采巷道，其頂板應(yīng)力分別更是復(fù)雜，不能準(zhǔn)確得到圍巖應(yīng)力與位移的詳細(xì)解析解。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值計算方法得到了長足的進(jìn)步，復(fù)雜的工程問題可采用離散化的數(shù)值計算方法并借助于計算機(jī)得到滿足工程要求的數(shù)值解，各類數(shù)值分析程序應(yīng)運(yùn)而生，已成為巖體力學(xué)研究和工程設(shè)計計算的重要手段。因此，本次實驗決定用數(shù)值模擬，以期從過斷層回采巷道的位移場、塑性區(qū)及應(yīng)力場的變化，來驗證相似模擬得出的規(guī)律。3.2FLA

2、C軟件簡介FLAC3D采用的“顯式拉格朗日”算法和“混合－離散分區(qū)”技術(shù)，能夠非常準(zhǔn)確的模擬材料的塑性破壞和流動，由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維巖土工程問題。由于采用了自動慣量和自動阻尼系數(shù)，克服了顯式公式存在的小時間步長的限制以及阻尼問題。所以，F(xiàn)LAC3D是一個求解三維巖土問題的最理想工具之一。FLAC3D有良好的前處理功能，計算時程序自動將模型剖分成六面體單元，每個單元都可以有自己的材料模型，材料可以在外力及應(yīng)力場的作用下發(fā)生屈服流動，節(jié)點的位置也會隨著模型的屈服流動而發(fā)生改變（大變形時），因此，F(xiàn)LAC3D在模擬大變形問題上有其獨(dú)到之處。FLAC

3、3D包含了三維網(wǎng)格自動生成器，通過匹配、連接，由網(wǎng)格生成器生成所需要的網(wǎng)格。生成器還能夠自動產(chǎn)生交叉結(jié)構(gòu)區(qū)域網(wǎng)格（如相交巷道）。另外，為方便用戶劃分網(wǎng)格，F(xiàn)LAC3D提供了12種原始模型（primitivemesh），使得用戶能根據(jù)工程實際更為快捷方便的建立理想的計算模型。FLAC3D的后處理功能也非常強(qiáng)大，用戶可以根據(jù)需要通過相應(yīng)的操作命令打印或者繪制出自己所需的數(shù)據(jù)或者圖形。FLAC3D還具有記錄追蹤功能（history），使得用戶可以很方便的得到所需參數(shù)在計算過程中的發(fā)展曲線或者得到多個參數(shù)之間的相互關(guān)系曲線。針對不同的材料，F(xiàn)LAC3D軟件提供多達(dá)10種材料模型，能更真實地模擬實際

4、材料的力學(xué)行為。同時，F(xiàn)LAC3D中包含靜力、動力、蠕變、滲流、溫度等5種3D計算模式，并且還可以進(jìn)行多模式的耦合分析。另外，F(xiàn)LAC可以模擬多種巖土工程地質(zhì)不連續(xù)面，包括斷層、節(jié)理等以及常見的多種支護(hù)形式，例如梁（beam）、錨桿（索）（cable）、樁（pile）、殼（shell）等。FLAC3D還包含一個強(qiáng)有力的程序語言—FISH，能夠使用戶定義新的變量和函數(shù)。為特定需要的用戶提供了一個專門工具。[45]3D對于過斷層回采巷道頂板應(yīng)力和變形較復(fù)雜的特點，非常適合于用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。3.3本構(gòu)模型選擇3.3.1巷道圍巖巖體本構(gòu)模型選擇巷道圍巖巖體屬于彈塑性地質(zhì)材料，本

5、構(gòu)模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型。本研究對巷道圍巖巖體采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則：fs=(σ1-σ3)-2ccos?-(σ1+σ3)sin?(3－1)式中：σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c，?分別為巷道圍巖巖體的粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs<0時，巷道圍巖巖體將發(fā)生剪切破壞。在材料達(dá)到屈服極限后，在恒定應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形。在拉應(yīng)力狀態(tài)下，如果拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度，材料將發(fā)生破壞。3.3.2煤體本構(gòu)模型選擇煤層開采后，應(yīng)力重新分布，煤柱最大主應(yīng)力相對初始最大主應(yīng)力升高，而最小主應(yīng)力卻降低。圍巖應(yīng)力由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，煤柱周邊在一定時刻即處于二向應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)煤柱周邊的應(yīng)力超過

6、煤體本身的強(qiáng)度極限時，煤柱即發(fā)生破壞。煤柱破壞后仍具有一定的殘余強(qiáng)度，隨著塑性變形的增加，c，φ等隨之減少。應(yīng)變軟化模型用于模擬非線性材料的軟化行為，模型的實現(xiàn)基于莫爾－庫侖模型中參數(shù)的變化，這些參數(shù)都是塑性偏應(yīng)變的函數(shù)。與莫爾－庫侖模型的不同點在于應(yīng)變軟化模型在塑性屈服開始時，粘聚力、內(nèi)摩擦角具有變軟的可能性，把粘聚力、內(nèi)摩擦角定義為測量塑性剪切應(yīng)變參數(shù)的分段性函數(shù)。塑性剪切應(yīng)變由剪切硬化參數(shù)eps測量，其增量形式如下：Δeps21ps21ps?1ps?e＝??e1-?em+?em+?e3-22?2()()(12ps2m)???式中：Δemps1psps?e+?e13=3()。在應(yīng)變軟化

7、模型中可以把粘聚力、內(nèi)摩擦角定義為全應(yīng)變中的塑性應(yīng)變部分eps的函數(shù)，見圖3-1，在FLAC3D程序中調(diào)整為線性變化的參數(shù)，見圖3－2圖3－1粘聚力（a）和摩擦角（b）隨塑性應(yīng)變的變化Fig.3-1Variationofcohesion(a)andfrictionangle(b)withplasticstrain圖3－2由線性線段近似表示的粘聚力（a）和摩擦角（b）Fig.3-2thecohesion(a)andfric