含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析
cdem法
CDEM（Continuous-Discontinuous Element Method）是一种有限元与离散元耦合的显式数值分析方法，主要用于岩土等材料渐进破坏过程的模拟。
该方法的特点是，在模拟材料弹塑性变形的同时，可以模拟显式裂缝在材料中的萌生、扩展及贯通过程。
CDEM中的数值模型由块体及界面两部分构成。
块体由一个或多个有限元单元组成，用于表征材料的弹性、塑性、损伤等连续特征；两个块体间的公共边界即为界面，用于表征材料的断裂、滑移、碰撞等非连续特征。
CDEM中的界面包含真实界面及虚拟界面两个概念，真实界面用于表征材料的交界面、断层、节理等真实的不连续面，其强度参数与真实界面的参数一致；虚拟界面主要有两个作用，一是连接两个块体，用于传递力学信息，二是为显式裂纹的扩展提供潜在的通道（即裂纹可沿着任意一个虚拟界面进行扩展）。
CDEM采用基于增量方式的显式欧拉前差法进行动力问题的求解，主要包含节点合力计算及节点运动计算两个部分。
节点合力计算如式（1）所示，为：F=FE+Fe+Fc+Fd （1）其中，F为节点合力，FE为节点外力，Fe为有限元单元变形贡献的节点力，Fc 为接触界面贡献的节点力，Fd为节点阻尼力。
节点运动计算如式（2）所示，为：a=a+v+ （2）其中，a为节点加速度、v为节点速度、为节点位移增量，u为节点位移全量，m 为节点质量，为计算时步。
基于式（1）、式（2）的交替计算，即可实现显式求解过程。
此外，CDEM还具有以下特点：有限元部分的求解采用增量法进行有限元单元应力及节点变形力的计算。
离散元部分的求解则主要关注颗粒或块体之间的相互作用和运动。
CDEM通过将连续介质数值方法与非连续介质数值方法进行深度融合，实现了能量层面上的统一。
该方法可实现地质体及人工材料渐进破坏过程的模拟。
以上内容仅供参考，建议查阅关于CDEM的专业文献或咨询相关专家以获取更全面准确的信息。
动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟
第26卷 第5期岩石力学与工程学报 V ol.26 No.52007年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May ，2007收稿日期：2006–11–18；修回日期：2006–12–20基金项目：国家自然科学基金资助项目(50490274，50504005)；地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室开放基金项目(GZ2005–01)作者简介：朱万成(1974–)，男，博士，1995年毕业于东北大学采矿工程专业，现任教授，主要从事岩石力学方面的教学与研究工作。
E-mail ：wczhu@动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟朱万成1，左宇军2，尚世明1，李占海1，唐春安3(1. 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004；2. 大连大学 材料破坏力学数值试验研究中心，辽宁 大连 116622；3. 大连理工大学 岩石破裂与失稳研究中心，辽宁 大连 116024)摘要：处于深部的岩体内部积累了大量的弹性应变能，在外部动力扰动下这些能量以非常猛烈的方式释放，从而导致岩爆的发生。
模拟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，并揭示动态扰动触发巷道岩爆的力学机制。
数值模拟结果表明，动态扰动对巷道变形与破裂的触发与地应力状态密切相关；动态扰动应力波的波形也是影响巷道破裂的重要因素，随着应力波幅值和应力波作用时间的加长，动态扰动给巷道稳定性带来的影响越大。
因此，对动态扰动触发巷道破坏的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。
关键词：井巷工程；动力扰动；失稳破坏；数值模拟中图分类号：TD 26 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)05–0915–07NUMERICAL SIMULATION OF INSTABLE FAILURE OF DEEP ROCKTUNNEL TRIGGERED BY DYNAMIC DISTURBANCEZHU Wancheng 1，ZUO Yujun 2，SHANG Shiming 1，LI Zhanhai 1，TANG Chun ′an 3(1. School of Resources and Civil Engineering ，Northeastern University ，Shenyang ，Liaoning 110004，China ； 2. Research Center for Numerical Tests on Material Failure ，Dalian University ，Dalian ，Liaoning 116622，China ； 3. Center for Rock Instability and Seismicity Research ，Dalian University of Technology ，Dalian ，Liaoning 116024，China )Abstract ：The dynamic disturbance may trigger the instable failure of rock mass when the high elastic strain energy is accumulated in the deep underground rock mass ；and in turn it leads to occurrence of rockbursts. By considering the effect of different lateral pressure coefficients ，the failure process of deep rock tunnels ，which is triggered by dynamic disturbance ，is simulated in order to clarify the failure mechanisms of tunnels at depth. The numerical results indicate that the triggering action of dynamic disturbances is closely pertinent to the static in-situ stress condition and the waveforms of the dynamic disturbance. In general ，it brings about greater influences on the stability of underground tunnels with the increasing magnitude and with the prolonged duration of dynamic disturbance. Therefore ，it is of theroetical and practical significance to investigate the effect of dynamic disturbance on the stability of underground tunnels.Key words ：tunneling engineering ；dynamic disturbance ；instable failure ；numerical simulation1 引 言岩爆是在深部高地应力岩体中开挖地下洞室时常发生的矿山地质灾害，它是由于岩石中积蓄的弹性应变能突然释放而发生的、以急剧猛烈为特征的动力现象，是岩体的一种脆性破裂过程。
回采巷道受二次采动影响的破坏规律及支护方案
38 /矿业装备 MINING EQUIPMENT回采巷道受二次采动影响的破坏规律及支护方案□ 张铁刚 西山煤电西曲矿随着无轨胶轮车运输的推广及工作面巷道布置方案的不断优化，越来越多的矿井采用三巷布置的方式进行工作面开采，即工作面布置有辅运、胶运及回风三条巷道。
辅助运输巷由于在本工作面采空后，会作为相邻接续工作面的回风巷进行使用，受到两次工作面开采的扰动，因此，巷道变形较为严重，容易引发顶板事故。
1 矿井概况西曲煤矿8#煤位于为位于太原组中上部，煤层厚1.55～11.9 m，平均厚5.8 m，为稳定的全区可采煤层。
28307综采工作面宽300 m，采高为4.8 m。
顶板为泥岩、砂质泥岩；底板为砂质泥岩、泥岩、细砂岩。
28307工作面共布置有三条巷道，包括辅运、胶运及回风顺槽。
其中28307辅运顺槽在28307工作面回采结束后，将作为相邻接续工作面28308工作面的回风顺槽进行使用，巷道服务时间长，受到两个工作面的开采影响，巷道破坏较为严重。
28307辅运顺槽宽5.2 m，高4 m，煤柱宽度为20 m。
巷道支护方式为锚网索联合支护顶板及负帮采用Φ18 mm×2 000 mm 的圆钢锚杆，正帮采用Φ22 mm×2 000 mm 玻璃钢锚杆，锚索为Φ15.24 mm×6 000 mm 的高强度锚索。
锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，锚索间排距为3 000 mm×3 000 mm。
正帮采用塑料网片，顶板及负帮采用钢筋网。
2 巷道破坏规律通过对28307辅运顺槽进行观测，巷道顶帮围岩的破坏规律如下：（1）巷道帮部破坏规律工作面前方巷道受到回采影响较小，巷道未发生明显破坏。
在工作面后方0～100 m 范围内，巷道变形逐渐加大，在100 m 位置附近巷道破坏速度加剧。
在工作面后方 200 m 位置，巷道破坏稳定，巷道两帮移近量约为1.48 m。
且巷道煤柱侧帮部片帮严重，锚杆失效数量较多。
数值模拟
采矿工程数值模拟分析报告学院：资源与安全工程学院班级：硕13-3班姓名：孟浩学号：TSZ130101026Q中国矿业大学(北京)2013年1月2日1关键问题1301工作面上、下平巷掘进过程中曾多次发生煤炮，工作面回采过程中，曾于2010年2月3日发生采场支架压死现象。
根据煤层、顶板冲击倾向性鉴定结果和曾发生的动力现象，并考虑到1301工作面复杂的开采条件(深部、特厚煤层、高地压、强承压水、高温、厚表土层、构造发育等)，认为1301工作面回采过程中面临潜在的冲击地压等动力灾害威胁。
本项数值模拟分析报告是根据龙固煤矿主采煤层为3（3上、3下）煤层1301工作面实际工程条件，以煤层赋存条件、采矿工程条件和水文地质条件为基础，应用FLAC3D数值分析软件进行数值分析计算，模拟并分析开采高度分别为9.0m 时，不同推进距离（8m、24m、48、80m）条件下，工作面前方支承压力分布、顶板来压步距、覆岩冒落高度、塑形破坏范围等,对提前预知、预防和减少灾害发生提供理论和实验依据。
2工程背景地层区划属华北地层区鲁西地层分区，区内多为第四系覆盖。
矿井地质储量16.83亿吨，可采储量5.1亿吨，设计生产能力600万吨/年，设计服务年限82年。
3煤层平均厚度为8.82m，可采指数为1，为较稳定煤层，煤层倾角0～6°，平均3°；其单向抗压强度为32.13 MPa，基本顶为厚度为12.42m的粉砂岩互层，其单向抗压强度为100.17 MPa，由于煤层厚度较大，采空区冒落高度相对较高，煤层顶板又较为坚硬，因此可能存在顶板大面积悬顶。
随着工作面的继续推进顶板集聚足够的弹性能，突然断裂对工作面支架、煤壁造成冲击诱发采场、巷道冲击地压发生。
因此，3煤层顶板是否形成大面积悬顶是工作面顶板明显动压发生的必要条件。
3.软件介绍FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是由美国ITASAC公司于20世纪80年代提出并程序化，是岩土连续介质的二维和三维专业分析软件。
巷道变形破坏的因素及控制方法
第 27 卷第 4 期 2008 年 4 月
煤 炭 技 术 Coal Technology
2
效果
该套设计技术方案简捷可靠, 省略了动力排水
设备和高低压供配电系统。仅在后期以很小的真空 动力启动系统, 便可利用池内水位标高能量, 实现无
收稿日期 : 2007- 12- 27; 修订日期 : 2008- 02- 28
作者简介 : 曾正良 ( 1955- ) , 男 , 云南文山人 , 高级讲师 , 毕 业于原中国矿业 学院矿建 专业 , 现 在云南能 源职业 技术学 院从事 管 理和教学工作 ,T el: 0874- 9228688。
∀142∀
煤 炭
技
术
第 27 卷
节理。层理是原生沉积形成的弱面 ; 节理主要是指 地质构造应力引起且通常成组出现的微细裂隙; ( 3) 顶板岩层的分层厚度、 顶板中是否存在软弱 岩层以及软弱岩层赋存的位置和厚度, 也对掘巷后 的顶板动态和巷道变形破坏有重要影响。 1 1 2 巷道埋藏深度 随着开采深度的增加, 以自重应力为主的地应 力也随之增加。 大而增加 ; 巷道顶底板移近量通常随采深加 深部巷道很容易出现底鼓现象, 这对底
板软弱的情况 更为严重; ! 随着采深 增加, 地 温升 高, 促使岩石从脆性向塑性转化, 也容易使巷道围岩 产生塑性变形, 所以底鼓问题是深部矿井巷道控制 的难题之一。总之, 对巷道变形破坏的影响, 随着采 深加大巷道控制将更加困难。 1 1 3 煤层倾角 由于围岩主要来压方向通常垂直于顶底板, 故 煤层倾角不同时 , 巷道主要受压方向不同, 往往改变 巷道变形破坏形式和使支架受载不均衡。如近水平 煤层中的巷道, 顶板多出现对称弯曲下沉; 而倾斜或 急斜煤层中的巷道则常出现非对称变形和破坏 , 当 顶板中存在大倾角的密集光滑节理时, 可能出现抽 条式局部冒顶。通常, 位于大倾角煤层中的巷道顶 部压力较小, 而侧向压力尤其是顶帮一侧压力较大 , 常导致巷道鼓帮和支架腿产生严重变形。 1 1 4 地质构造 主要是指断层、 褶曲等影响。煤 ( 岩) 层中最常 遇到的构造破坏是断层, 断层两侧通常存在大量断 层泥和断层角砾岩等未经胶结 成岩石的松散 集合 体, 而且有的已经片理化 , 具有断层擦痕或镜面 , 因 此断层破碎带内物质之间的粘结力、 摩擦力都很小 , 自承能力很差, 一旦悬露就很容易冒落。褶曲有时 会改变原岩应力分布, 小褶曲可能使巷道顶板局部 破碎。巷道处于这种地质构造破坏带, 经常会发生 不同规模的冒顶事故。 1 1 5 水 巷道围岩中含水较大时 , 将会加快和加剧巷道 的变形和破坏。对于节理发育的坚硬岩层, 水使受 节理剪切的破碎岩块之间的摩擦系数减小, 容易造 成个别岩块滑动和冒落。同时 , 岩石受水后普遍有 软化现象 , 使其强度降低。对于泥质类软岩, 遇水后 会出现泥化、 崩解、 膨胀、 碎裂等现象, 从而可能造成 围岩产生很大的塑性变形。由于通过裂隙流到巷道
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究
井底车场巷道破坏原因分析及支护加强设计方案实践应用研究井底车场巷道是指井下采矿过程中将煤矿运输到井口的地下巷道。
由于采矿工作环境复杂，井底车场巷道在长期使用过程中往往会出现各种破坏情况，如顶板下沉、墙面垮塌等。
这些破坏不仅会威胁采矿工人的生命安全，还会影响矿井的正常生产。
对井底车场巷道的破坏原因进行分析，并采取有效的支护加强设计方案对该问题进行实践应用研究具有重要意义。
一、井底车场巷道破坏原因分析1.地质条件不稳定井底车场巷道处于地下深层岩层中，地质条件十分不稳定。
煤矿地层往往存在大量断裂带和软弱带，地质构造不规则，这些都会导致井底车场巷道的地质条件不稳定，从而引发顶板下沉、墙面垮塌等问题。
2.采煤作业对巷道的影响在进行采煤作业的过程中，会对井底车场巷道的周围岩层产生变形和运动，从而导致巷道结构受到破坏。
尤其是在长壁采煤工作面附近，因煤体开采导致的岩石裂隙扩展和岩层变形，会对巷道的稳定性造成严重影响。
3.巷道支护不到位井底车场巷道的支护工作十分重要，若支护设计不合理、支护材料不足或施工质量不过关，都会导致巷道支护不到位，进而导致巷道结构破坏，威胁采矿工人的生命安全。
二、支护加强设计方案实践应用研究1.采用合理的支护方式在井底车场巷道的支护设计中，应按照巷道的地质条件和采煤工艺特点选择合适的支护方式，如使用锚杆、钢支撑、预应力锚索等支护技术进行巷道支护。
2.合理布置巷道支护材料在支护设计中，应合理布置巷道支护材料，确保巷道的整体结构受到有效支撑和保护。
可以采用聚酯树脂注浆、喷浆、喷筋、喷锚等技术，加固巷道的岩壁和顶板。
3.提高支护施工质量支护施工质量直接关系到巷道的稳定性和安全性，应加强对施工人员的技术培训和质量管理，确保支护施工质量符合规范要求。
4.加强巷道监测和维护对已加强支护的井底车场巷道，要加强巷道的监测和维护工作，定期检查巷道的支护结构情况，并及时进行维护和加固。
某矿井的井底车场巷道在长期使用过程中出现了顶板下沉和墙面垮塌等问题，为解决这一难题，矿井决定对巷道进行支护加强设计方案的实践应用研究。
FLAC在地下巷道离层破坏非线性数值模拟中的应用
2D
产、 施工及其它信息大多数都是不确定的 , 也就是说以上这些信息呈模糊性 、 随机性 、 未确定性和 不完全性。 本文主要探讨岩石力学非线性计算软件 中的应用。 关键词: 离层破坏 ; 非线性 ; 数值模拟 中图分类号 : T D 353 文献标识码: A
0
引
言
岩土 ( 体) 系统高度的非线性是阻碍岩土工程发展的主要问题。由于非线性存在 , 使人们对岩土变形 破坏机理认识模糊, 引进的数学、 力学模型有时失效, 岩土工程定量化问题难以实现。岩体具有非常复杂 的力学特性, 它与成岩过程、 地质赋存环境和工程活动密切相关。在把岩体力学性态抽象成数学模型时 , 很难把上述诸因素都作为变量纳入并加以分析, 以至计算结果与实际情况相比具体很大的离散性 , 这是岩 石力学发展过程中仍未明确解决的问题。岩体系统是高度非线性复杂大系统, 并始终处于动态不可逆变 化之中。因此, 要对它的力学行为进行预测与控制 , 必须借助于当代非线性科学, 建立适合于岩石力学与 工程特点的岩石非线性静力与动力系统理论 , 作为 21 世纪岩石力学理论发展的突破口。 70 年代非线性理论已成为解决非线性复杂大系统问题的有力工具 , 也是研究岩石非线性系统理论的 数力基础。发展非线性岩石力学的总体思想是 : 以现代非线性科学为基础, 结合岩体自身特点与工程特 点, 建立相应的力学模型 ( 包括分析模型和数值模型) , 走定性与定量方法相结合的发展道路。具体相应的 力学模型 ( 包括分析模型和数值模型) , 走定性与定量方法相结合的发展道路。具体技术思路应包括: ! 全 方位观察、 获取原始数据 ; ∀ 提取关键变量; # 建立适应工程特点和岩体特点的各类模型。包括系统模型 与局部模型、 概念模型和数学模型 , 以及依据理论基础划分的各种模型, 如分叉、 分形、 神经网络模型等; ∃ 求解方法以及模型验证和修改等方面。 地下隧道和矿山巷道上覆岩层层裂是岩土工程中典型的非线性破坏问题。其复杂性、 高度非线性、 不 确定性正如 Einst ein 和 Beacher 所指出的 : ! 岩体本身固有的不均匀性; ∀ 工程参数量测和取样引入的误 差( 岩土参数的不确定性和离散性是岩土工程的特点之一) ; # 模型不准确引起的不确定性, 这就决定了它 很难用确定的量来加以确定性的描述。一般来说, 地下工程开挖之前 , 结构岩体处于一种准静态平衡状 态。地下工程开挖之后, 这种平衡状态遭到破坏, 使得采场上覆岩体远离平衡, 发生一系列的破坏现象, 该 过程是一种突变运动, 包括采 动断层 ( 节理 ) 的滑移 , 层理的开裂 , 离层 的扩展, 节理 岩梁的失稳冒 落等 等[ 1] 。这些破坏形式导致围岩变形过程中的剧烈性、 复杂性和高度非线性 , 因此, 寻找一种能很好解释和
非线性动力损伤力学理论及其数值分析模型
非线性动力损伤力学理论及其数值分析模型一、本文概述本文旨在深入探讨非线性动力损伤力学理论及其数值分析模型，分析其在工程结构损伤演化与破坏过程中的重要作用。
随着科技的不断进步，对材料在复杂动力环境下的响应行为及损伤演化规律的理解需求日益增强。
非线性动力损伤力学理论正是为满足这一需求而发展起来的重要学科分支，它综合考虑了材料的非线性特性、动力效应以及损伤演化过程，为预测和防止结构破坏提供了理论基础。
本文将首先回顾非线性动力损伤力学的发展历程和基本原理，阐述其相较于传统线性理论的独特优势。
接着，重点介绍几种典型的非线性动力损伤力学模型，包括其构建方法、主要特点和适用范围。
在此基础上，本文将深入探讨数值分析模型在非线性动力损伤力学中的应用，包括离散化方法、求解算法以及相关的软件工具。
本文还将关注非线性动力损伤力学在工程实际中的应用案例，分析其在预测结构损伤和破坏过程中的实际效果。
对非线性动力损伤力学领域未来的发展趋势和挑战进行展望，以期为该领域的深入研究和实践应用提供参考和启示。
二、非线性动力损伤力学的基本理论非线性动力损伤力学是固体力学的一个新兴分支，主要研究材料在高速、大变形和复杂应力状态下的损伤演化规律。
其基本理论涵盖了损伤变量的定义、损伤演化的本构方程、损伤与变形的耦合关系以及损伤诱发的材料性能退化等方面。
损伤变量是描述材料内部损伤状态的关键参数，通常与材料的微观结构变化、内部缺陷的扩展和累积有关。
根据损伤的类型和机制，损伤变量可以是标量、矢量或张量形式。
这些变量不仅反映了材料的当前损伤状态，还决定了其后续的力学行为。
损伤演化的本构方程是非线性动力损伤力学的核心。
它建立了损伤变量与应力、应变等力学变量之间的关系，描述了材料在受力过程中的损伤积累和发展规律。
这些方程通常包含损伤变量的演化速率、应力状态和材料的本征属性等参数，形式复杂且高度非线性。
损伤与变形的耦合关系是非线性动力损伤力学的另一个重要方面。
- 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)。
第4卷 第4期 地下空间与工程学报V o.l4 2008年8月 Chinese Journal o fU nderground Space and Eng i neering A ug.2008含不连续面巷道的动力破坏过程数值分析*左宇军1,唐春安2,李术才3(1.大连大学材料破坏力学数值试验研究中心,辽宁大连 116622;2.大连理工大学土木与水利工程学院,辽宁大连 116024;3.山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南 250061)摘 要:利用新近开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFP A2D模拟了动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程,从细观角度分析了不同宽度不连续面的岩石巷道在动力扰动下破坏的规律,并和未含不连续面巷道结构的相应情况进行比较,探讨了含不连续面巷道结构在动载荷作用下的力学特性,结果表明不连续面对应力波衰减作用明显,对巷道的稳定与破坏影响较大。
关键词:巷道;数值模拟;动力扰动;不连续面;破坏过程;力学特性中图分类号:TD322.4 文献标识码:A 文章编号:1673 0836(2008)04 0595 05Nu m erical Ana l ysis on Fail ure Process of Rock Tunnelw ith D iscontinuity under D yna m ic D isturbanceZ UO Yu jun1,TANG Chun an2,L I Shu ca i3(1.R esearch Center for N u m erical T est of M aterial Fa ilure,D alian University,D alian116622,P.R.Ch i na;2.C i v il&H ydraulic Engineering School,D alian Universit y of T echnology,D alian116024,P.R.Ch i na;3.Geo technical and Structural Engineer i ng R esearch Center,Shandong U ni ver sity,J inan250061,P.R.China)Abstract:Based on m esoscopic damage m echan i cs,a nume rical code RFPA2D is deve l oped to si m ulate t he fa il ure process o f rock tunne lw it h disconti nu ity under dyna m ic d i sturbance,and the fail ure behav i ors o f rock t unne lw ithd iffe rent w i dth of d i sconti nuities dur i ng stress w ave propagati on are discussed.M oreov er,t he stress wave propagati onproperties of t unnelw ith and w it hou t d i sconti nuity are ana l y zed and co m pared i n order to study the m echan i ca l proper ti es o f rock t unnel structure under dynam ic d i sturbance.The res u lts sho w that the attenua ti on o f stress w ave is obv i ous because o f d i sconti nu ity i n t he surroundi ng rock of tunne,l and t he i nfl uence of discon tinu it y on stability and fail ure o f tunne l i s grea t.K eyword s:tunne;l nu m er ica l si m u l a ti on;dynam ic d isturbance;d i sconti nu ity;fail ure pro cess;m echan ica l properties1 引言由于地质构造应力场的作用,岩体中残留了不同等级的构造形迹[1]。
在巷道工程中,即使主巷道选用完整、坚硬岩石作为围岩,也可能在局部部位上遇到破碎岩体的断层带,如采煤巷道有薄煤层这样软弱夹层是常见的[2]。
这些大小断层及节理裂隙对巷道围岩稳定性影响是明显的,其规律也较*收稿日期:2008 04 17(修改稿)作者简介:左宇军(1965 ),男,博士,副教授,主要从事岩石动力学与爆破技术方面的教学与研究工作。
E m a i:l z uo.yu j un@yahoo.co 基金项目:国家自然科学基金(40638040)和973计划(N o.2007CB209407)资助。
复杂[1]。
若断层破碎带宽度在数毫米至数厘米之间,其间的软弱夹层不会直接构成对工程的危险,但节理或软弱夹层的存在削弱了整个岩体的强度和稳定性[3]。
此种结构在一般情况下虽稳定,但在遇到一定强度的外界扰动,如爆炸应力波作用时,即可能受到破坏,围岩稳定性难以控制[2]。
所以,研究含软弱夹层及不连续面巷道在动力扰动下的破坏具有现实意义。
为安全生产需要,一般都研究含软弱夹层巷道在受上部岩体重力作用时的情形[4~6]。
目前,对动力扰动下巷道的稳定性研究也正逐步深入,主要集中在:根据热力学第二定律,研究震动条件下煤岩体相变以及震动波传播过程围岩劣化对稳定性的影响、质点振动速度对稳定性的影响、节理岩体在震动条件下的失稳破坏、利用谱分析研究围岩稳定性以及锚网支护对震动波的响应分析等[7~10]。
其中,在震动波诱发巷道动力失稳方面,L it w i n iszyn 通过作图法说明煤层中传播的震动波在一定条件下会诱发巷道的动力失稳[11];姜耀东等以一维分析为例,利用解析方法分析了震动波传播对煤岩中应力和变形的影响机制,从理论上解释了炮采震动因素诱发巷道冲击地压动力失稳破坏的原因[12]。
在对含软弱夹层巷道在动力扰动下的稳定与失稳研究方面,夏致晰等[2]应用结构数值分析软件AN SYS模拟出爆炸应力波作用下含软弱夹层巷道结构的力学特性,而对含软弱夹层及不连续面巷道在动力扰动下的破坏过程研究较少。
本文尝试利用新近开发的岩石动态破裂过程分析系统RFPA2D[13~15],将岩石视为非均匀介质,从细观角度对动力扰动下含不连续面巷道的破坏过程进行分析和探讨。
2 动力扰动下岩石破坏过程分析系统原理基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFP A2D是一个能够模拟岩石渐进破坏的数值模拟程序,它将岩石的非均匀性参数引入到基元中去,用细观非均匀性实现宏观非线性,使细观基元破裂的积累到宏观破裂的发生与发展的整个过程得到直观体现。
为了反映岩石材料性质的细观非均匀性,在该程序中首先把岩石材料看作是由大小相同的四边形单元组成,假定其材料性质满足W e i b u ll分布[15]:( )=mm-1e-( 0)m(1)式中: ( )为岩石具有某一力学性质 的微元体概率密度; 代表材料微元体力学性质(强度、弹性模量、泊松比和容重等); 0代表微元体力学性质平均值;m定义了分布函数的形状,其物理意义反映了岩石材料的均质性,可以将其定义为均质度系数,m越大,岩石越均质;反之,则越不均质。
式(1)反映了某种非均匀材料构成组分的分布情况。
同时,上述组成材料的单元也是有限元分析的单元。
岩巷破坏是由于动力扰动(主要指的是爆破影响)触发的,这种随机动荷载的定量计算可采用下述有限元方程[13]M U+CU+K U=R(2)式中:M为质量矩阵,C为阻尼矩阵,K为刚度矩阵,R为计算模型中的外部载荷,U,U和U分别为位移向量、速度向量和加速度向量。
在加载过程中,外部载荷是分步施加的,在某个加载步,借助有限元进行应力分析,可以得到整个分析对象的应力和应变分布。
RFPA2D认为,细观基元的性质是简单的弹塑性或者简单的弹脆性,当基元应力达到破坏准则时则发生破坏。
在模型分析中,采用莫尔–库仑准则和最大拉应力准则来判断单元是否发生破坏[15,16]。
对于发生破坏的单元,按照简单的弹性损伤力学本构关系进行单元的破坏处理,然后进入下一加载步的分析,直到整个分析过程结束。
同时,对于发生破坏的单元,采用刚度退化处理,达到用连续介质力学方法处理物理非连续性的问题。
在动态分析中,以1个应力脉冲作为输入波,在给定合理时间步长的条件下,按照时间步长进行逐步分析。
有关RFPA2D动态分析部分更为详细的描述和验证工作,请参见文[13~15]。
3 数值模拟与分析3.1 数值模型取某巷道工程一断面处的破坏作为计算实例,该巷道为未经加固的裸巷。
模型只考虑地面的应力波(球面波)作用对巷道的破坏,忽略地应力作用对巷道结构内各点变形的影响。
巷道的计算模型如图1所示,模型的四边为自由边界。
模型尺寸为100100m2,巷道为马蹄形,其中矩形部分尺寸为1515m2,圆冠高度为3m。
图1中d为外部施加的动力扰动。
在通常的596地下空间与工程学报 第4卷动力分析中,为简化计算,将动荷载假设成一脉冲荷载。
在此,只分析球面波对巷道破坏的影响,并假设加载波为梯形波,如图2所示,正压时间为1.5!s ,正压峰值为220MPa 。
巷道围岩的力学计算参数如表1所示。
图1 计算模型图F i g .1 M ode l for calculation图2 加载波形F ig .2 L oad i ng w avefor m用数值试样模型来表示实际计算模型,数值试样模型为100 100mm 2,设定试样单元尺寸为0.5mm 。
假设材料是非均匀的,其力学特性服从W e i b u ll 分布,数值试样单元的W e i b u ll 分布参数如表2。
由表2所示的单元组成的试样的宏观力学参数与表1所示的岩石力学参数近似对应。
表1 岩石力学参数取值表Tab le 1 Va l ue s of m echan ical para m eters for rock参数名称取值容重(g /cm 3)2.76弹性模量(G Pa)30泊松比0.3抗拉强度(M P a)3.00抗压强度(M P a)30内摩擦角(!)35本文讨论的模型分如下两种情况:(1)巷道围岩为完整岩石。