矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
深井沿空掘巷应力分布数值模拟
深井沿空掘巷应力分布数值模拟摘要：沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一。
本文简要说明了沿空掘巷的原理及方式，采用岩石破裂全过程分析系统RFPA2D系统对沿空掘巷进行了数值模拟。
其结果较好地说明了沿空掘巷的应力分布规律及巷道的破坏形式。
关键词：深井沿空掘巷应力数值模拟Roadway driving along goaf deep stress distribution in numericalmodelChen Zhou(Guizhou university institute of mining)Abstract:Roadway driving along goaf is one of the effective methods to improve the coal recovery rate. This paper illustrates the principle and the method of roadway driving along goaf, the rock failure process analysis system (RFPA2D) roadway driving along goaf in has carried on the numerical simulation. The result of roadway driving along goaf better illustrates the stress distribution rule and roadway destruction form.Key words：Deep well Roadway driving along goaf stress The numerical simulation 1、引言窄煤柱沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一。
沿空掘巷技术由于巷道具有煤炭采出率高、容易维护等诸多优点，近些年来受到了广大学者和工程师的极大关注，在我国多个矿区逐渐推广应用。
矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
引 言
Ｂｏｓ ｄ曾指 出， ｌａ ｔ 虽然 岩爆 研 究 己进 行 了半个 多 世 纪 ，但 只在近 年 来才取 得 较 明显 的成就 ，这种 成 就几 乎完 全归 功 于数值 模拟 、测试 手 段 的改进 、对
ｔｋ ｎ ｔ ｎ ｌ ｒ ｃ ｕ ｉ ｎｍ ｅ ｓ ｅ ｎｒ ｃ ｕ ｓｓ ａｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔ ｎ ｍ ｅｈ ｄ ｉ ｕ ｅ ｄ ｌ ｈ ｏ ｋ ｓｒ ｓ ａ ｉ ｇ ｒ ｉ ａ ｅ ａ ｔｏ ａ ｕ ｓ ｋ ｂ ｔ． ｕ ｒｃ ｌ ｍｕ ａ ｉ ｔ ｏ ｓ ｄ ｔ ｍｏ ｅ ｅｒ ｃ ｔ ｓ ａ ｏ ｐ ｒ ｏ ｏ ｒ ｓ ｏ ｓ ｏ ｔ ｅ ｉ ｏ ｋ ｒ ａ ｗａ ． ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ａ ｏ — ｎ ｆ ｒ ｔ ｉ — ｌ ｄ ｓｒ ｓ ｓｔ ｅ ｍ ａｎ ｒ ａ ｏ ｆｔ ｅ￣ｅ ｕ ｎ ｏ ｋ ｎ ａ ｒ ｃ ｏ ｄ ｙ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ｔｎ ｎ ｕ ｉ ｍ ｎ ｗａ ｌ ｔ ｓ ｉ ｈ ｉ ｅ ｓ ｎ ｏ ｓ ｈ ｏ ｈ ｅ ｅ ｈ ｑｅｔ ｃ ｒ
ห้องสมุดไป่ตู้
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深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测
深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测刘建忠【摘要】采用有限元软件，数值模拟分析了相同侧压系数、不同埋深工况下的深埋隧洞围岩应力变化规律，初步判别了岩爆可能性及岩爆发生部位，对隧洞的设计及施工过程中岩爆的防治具有一定的指导作用。
%Through applying finite element software, the paper makes a numerical simulation analysis on changing law of the surrounding rock stress in deep tunnel under the working the condition of same lateral pressure coefficient and different depth, and prehminarily identifies the rock blasting possibility and possible rock blasting position, which has certain guiding role for preventing rock blasting in the tunnel design and con- struction process.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2012(038)014【总页数】2页(P166-167)【关键词】数值模拟;深埋隧洞;围岩应力;岩爆预测【作者】刘建忠【作者单位】内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司,内蒙古呼和浩特O10050【正文语种】中文【中图分类】U455.60 引言随着国家基础设施投入的不断增加，大量的地下工程开工建设，地下洞室围岩稳定性问题越来越为人们所关注。
而隧洞开挖过程中出现的岩爆灾害更是很大程度上影响着围岩的稳定性，岩爆不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效等问题，严重时还会诱发地震。
巷道掘进爆破中围岩损伤范围的数值模拟
巷道掘进爆破中围岩损伤范围的数值模拟我国作为发展中国家，煤炭在国民经济中依然起着至关重要的作用。
随着我国煤炭开采深度的不断加大以及露天煤矿必然转入地下开采的发展趋势，巷道作为地下工程开挖的交通命脉，不仅承担着煤炭生产工作的正常进行，而且保证人员的安全、保护煤炭资源的合理运用等方面都有至关重要的作用。
一般地，掘进巷道采用的方法中，最为经济和实用方法的是钻爆法。
如何控制爆破产生的岩石损伤，就成为目前及未来一段时间重要的课题。
本文以LS-DYNA平台，对巷道爆破施工进行了数值模拟，预测了围岩石损伤范围。
论文由以下几部分组成：1.深入比较了巷道掘进时掘进机法和钻爆法的优缺点，从巷道的地质构造、掘进效率、施工方投资能力、开挖方向的控制四个方面阐述了钻爆法在可预见的年代不可能完全被掘进机取代，确立本文的研究意义。
2.理论上研究了岩石爆破破碎机理，分别介绍了岩石爆破的本构模型：弹性模型、断裂模型、损伤模型及分形损伤模型，结合各种理论分析，确定了本文岩体爆破时的理论基础。
3.介绍了岩体爆破损伤的特征，从理论出发，在不考虑岩体初始损伤的情况下，初步预测了本文巷道爆破施工中岩体的损伤范围，即压碎区81mm,损伤因子0.92和破裂区的半径281.4mm，损伤因子0.43。
4.利用LS-DYNA软件平台，系统讨论了LS-DYNA的计算方法、控制方程、时间积分、人工体积粘性控制、时间步长控制和无反射边界等方面的参数设置，为后续工作提供理论依据。
5.在LS-DYNA软件平台上，分别对被爆岩体进行了数值模拟，通过应力分析，得出相应的岩体损伤范围约为炮孔半径的9.2倍，验证理论的正确性，促进计算机模拟技术的推广与应用。
6.从应力角度出发，分析了巷道中应力集中的地方，为施工方提供一定的理论依据。
岩体爆炸应力波衰减规律的颗粒流数值模拟
摘
要： 基于 Ｐ Ｆ Ｃ ２ Ｄ 离散 元 软件 ， 首 先对岩 石 的动 力 落锤 实验 进 行模 拟 ， 获取 岩 体 的
动 力 学细观参 数． 随后 建立 了集 中药 包作 用 下岩体 的 爆破 模 型 ， 对不 同关键 点 处的应
力波峰值 进 行 了监 测 ． 得 到 了应 力 波在 岩体 传播 过程 中的 衰减 规律 并与 理论 值 进行
Ｖｏ １ ． ３ ０ Ｎｏ ． １
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ６
文章编号 ： １ ６ ７ ３ － ０ ０ ６ ２ （ ２ ０ １ ６ ） ０ １ － ０ ｌ １ ８ — ０ ６
岩体爆炸应力波衰减规律 的颗粒 流数值模拟
陈文昭 ， 刘夕奇 ， 李 斌
（ 南华大学 城市建设学 院， 湖南 衡 阳 ４ ２ １ ０ ０ ０ ）
关键 词 ： Ｐ Ｆ Ｃ ２ Ｄ： 动 力落锤 ； 爆破 漏斗 ； 爆 炸应 力 波衰减
中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９
文献 标识 码 ： Ｂ
Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ Ｗａ ｖ ｅ Ａｔ ｔ ｅ ｎ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｒｏ ｃ ｋ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｄ ｒ ｏ ｐ－ ｈ ａ ｍｍｅ ｒ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ａ ｉ ｄ ｏ ｆ ｐａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｌｏ ｆ ｗ ｃ ｏ ｄ ｅ ｉ ｎ ｔ ｗｏ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎｓ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｇ ｅ ｔ ｓ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｓ ｏ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ． Ｔｈ ｅ ｎ， ａ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ ｕ ｎ ｄｅ ｒ ｔ ｈｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｗａ ｓ ａ ｌ ｓ ｏ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｍｏ ｎ ｉ ・ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ａ ｋ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｆ ｏ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｋｅ ｙ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ａ ｎｄ ｇ ｏ ｔ ｔ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｏ ｗ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗａ ｖ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐｒ ｏ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ． Ｔｈ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｍａ ｋｉ ｎ ｇ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｄｅ ｌ ｈａ ｓ ｐｏ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ａ ｄ ｖ ａ ｎｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｆ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｆ ｏ ｒ ａ ｍｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗａ ｖ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｂ ｉ ａ ｓ － ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｕ ｎｎ ｅ ｌ ， ｗｈｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｗｈ ｏ ｌ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎｇ ． Ｔｈ ｕ ｓ， ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｎ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｗｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍｉ ｃ， ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏｒ ｆ ｔ ｈｅ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｗｏ ｒ ｋ． ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｆ ｌｏ ｗ ｃ ｏ ｄ ｅ ｉ ｎ ｔ ｗｏ ｄ ｉ ｍｅ ｎｓ ｉ ｏ ｎ ｓ；ｄ ｒ ｏ ｐ－ ｈ ａ ｍｍｅ ｒ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ；ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ： ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗａ ｖ ｅ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｕａ ｔ ｉ ｏ ｎ
岩爆危害预测与控制的数值模拟方法研究
岩爆危害预测与控制的数值模拟方法研究岩爆是指矿井、地下工程中由于地质结构和地应力的变化而导致的巨大破坏性能量释放。
岩爆的危害非常严重，可以导致人员伤亡、设备损坏和安全隐患。
因此，对岩爆进行预测和控制非常重要。
数值模拟是一种利用计算机模拟现实过程的方法，它可以以低成本进行大量试验，使我们能够更好地了解和预测岩爆的危害。
本文将介绍利用数值模拟方法进行岩爆危害预测和控制的一些基本原理和方法。
一、数值模拟方法数值模拟是将现实世界的问题转化为计算机可以处理的数学模型，并通过计算机模拟在现实系统中各种物理、化学等现象的发展过程，以得到我们感兴趣的信息。
数值模拟方法可以分为有限差分法、有限元法、边界元法等多种。
其中，有限元法是一种广泛应用的方法，因其能够处理多种复杂的工程问题而被认为是最受欢迎的数值模拟方法之一。
二、岩爆危害预测岩石中的裂隙会导致地应力的变化，进而导致矿井中岩石的破裂和岩爆事故的发生。
因此，了解裂隙的分布和变化对于岩爆危害的预测非常重要。
数值模拟可以帮助我们了解岩石中裂隙的变化和演化过程。
其中，有限元法可以建立复杂的岩体模型，模拟岩石中各种应力场的变化，并确定岩体破裂的位置和形态。
此外，有限元法还可以预测岩体在不同应力下的破断模式和破碎程度，从而了解岩体的稳定性，预测岩爆危险程度。
三、岩爆危害控制预测岩爆危害的同时，我们还需要有效地控制岩爆危害。
具体而言，我们可以从以下几方面入手：1. 改善矿井通风系统，使矿井内的气流流通良好，避免热量和气体积聚导致爆炸。
2. 采用恰当的爆破技术，减轻爆破震动对岩石的损伤，避免引起岩爆。
3. 对有岩爆危险的工作面进行加强，例如，在矿井中设置支撑和固化设施，以防止岩石破坏。
4. 定期维护和检查矿井设备和矿井环境，发现问题及时处理，防止事故的发生。
在岩爆危害控制的过程中，数值模拟方法可以帮助我们设计合适的岩体支护方案和爆破方案，以及优化矿井通风系统，减少岩爆危害。
采矿数值模拟课件——地下洞室围岩应力计算及稳定性分析
§3-1 概 述
二、地下硐室围岩应力分析方法
根据围岩的结构不同，可采用不同的分析方法。 各向同性岩体
完整结构的岩体：弹塑性力学分析 各向异性岩体
块状结构岩体：块体平衡理论分析 碎裂和松散结构岩体：松散体力学分析
普氏压力拱理论 太沙基理论
§3-2 弹性理论计算坑道围岩与衬砌应力
p
基本假定：岩体为均质、连续和各向同性
4、坑道围岩分布的共同特点：
（1）无论坑道断面形状如何，周边附近应力集中系数最 大，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为3— 5倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。
可见，σθ 与λ和θ密切相关。 当θ＝0，π时， p(3) 当θ＝ 3π/2 ，π/2时， p(31)
p q
由于岩体的抗拉强度很小，认为岩体不抗拉， 因此，坑道周边不能出现拉应力的条件为：
p(3)0 p(31)0 解得： 1 3
3
当θ＝0，π时， p(3)
可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一 致时，坑道周边不出现切向拉应力，应力分布 较合理，等应力轴比时最好。
3、矩形坑道围岩应力分布
由实验和理论分析可知，矩 形巷道围岩应力的大小与矩形 形状（高宽比）和原岩应力 （ λ）有关。
高宽比＝1/3,λ<1
矩形坑道围岩应力分布特征： （1）顶底板中点水平应力在坑 道周边出现拉应力，越往围岩 内部，应力逐渐由拉应力转化 为压应力，并趋于原岩应力q； （2）顶底板中点垂直应力在坑 道周边为0，越往围岩内部，应 力越大，并趋于原岩应力p； （3）两帮中点水平应力在坑道 周边为0，越往围岩内部，应力 越大，并趋于原岩应力q.
一、无内压坑道围岩应力分布
1、圆形坑道围岩应力分布 设原岩垂直应力为p，水平应力为q，作用在围岩边 界，忽略围岩自重的影响，按弹性理论中的基尔希公式 计算围岩中任一点M（r,θ）的应力：
岩石爆破过碎问题数值模拟研究
岩石爆破过碎问题数值模拟研究摘要：为了解决某爆破施工过程中岩石过碎的问题，基于现场爆破参数，运用LS-DYNA显式非线性动力分析有限元程序建立有限元模型，对爆破施工作数值模拟，对比分析了孔距为3m和4m的爆破应力作用范围和各测点主应力峰值，为爆破施工确定合理的孔距提供了理论依据。
关键词：数值模拟；主应力；土石方爆破；爆破参数某大型土石方平整场地爆破工程位于贵州省遵义市，随着爆破施工的推进，发现爆破岩石过于粉碎，对炸药造成很大的浪费，由于岩石过于粉碎但破碎范围较小，铲装效率受到很大影响，严重影响施工进度，爆破施工采用3m×3m 孔网参数，为了确定更合理的爆破参数，基于LS-DYNA显式非线性动力分析有限元程序，在现实的爆破参数基础上作数值模拟，对影响爆破范围的主要因素爆破最大主应力进行分析。
1数值模拟分析LS-DYNA中，MAT_PLASTIC_KINEMATIC选项卡可以用来模拟爆破荷载下岩石的本构关系，此材料模型考虑了岩石介质材料的弹塑性性质，并且能够对材料的强化效应（随动强化和各向同性强化）和应变率变化效应加以描述，同时带有失效应变。
LS-DYNA中内嵌有高能炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，该材料类型可以用来模拟炸药的爆轰过程。
通过JWL状态方程，并设置炸药的起爆点和起爆时间，在程序中可实现对炸药爆轰过程的模拟。
JWL状态方程一般表现为如下形式：P=A(1-■)e-R1V+B(1-■)e-R2V+■式中：A，B，R1，R2，ω为常数，E0单位体积内能，V相对体积。
为了模拟爆破所引起的破碎范围主应力，利用了LS-DNYA程序可以直接模拟高能炸药的爆炸过程功能。
通过炮孔内爆轰模拟及爆轰产物与孔壁的相互作用确定爆炸荷载。
文章数值计算中2号岩石乳化炸药的具体参数为：炸药密度为950 kg/m3，状态方程中A=47.6e9，B=0.529e9，R1=3.5，R2=0.9，ω=0.3，E0=4.5e9，炸药的爆轰速度为3600 m/s，计算中所取岩石力学参数如表1所示。
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辽宁工程技术大学学报（自然科学版） Journal of Liaoning Technical University（Natural Science）
文章编号：1008-0562(2010)01-0005-04
2010 年 2 月 Feb . 2010
矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
1 FLAC3D 简介
根据现场的实际条件采用美国明尼苏达大学 开发的 FLAC3D 有限差分计算程序，FLAC3D 算法的 基础是快速拉格朗日计算方法[8-9]，它特别适用于岩 石力学的非线性大变形或不稳定(如滑动或分离)问 题，其计算模型网格能以大应变模式变形并随材料
收稿日期：2007-02-05 基金项目：河南省重点基金资助项目（0623021400） 作者简介：李振华（1979-），男，山东 金乡人，博士研究生，讲师，主要从事现代采矿新技术、矿山压力及其巷道支护方面的研究。本文编校：于永江
数值试验模型的截面尺寸为宽 60 m、高 80 m， 沿着走向长 200 m，巷道按照实际尺寸模拟，形状 为半圆拱巷道，墙高 1.7 m，拱半径 2.1 m。巷道采 用端锚树脂锚杆支护，锚杆排间距 0.7 m，间距 0.7 m，支护工艺为掘进后立即支护。在模拟开挖的过 程中，开挖步长 1.5 m 是最合理的，也是和实际条 件相符合的，但是由于计算模型包含的单元数量太 多及模拟条件的限制，计算过程需要太多的时间， 所以采用巷道一次开挖 20 m、50 m、80 m 和 100 m 来进行模拟，研究开挖后掘进工作面围岩的应力状 态分布以及开挖不同长度巷道对应力分布状态的 影响。
3 模拟结果及应力状态分析
3.1 模拟结果分析 采用对巷道进行逐步开挖的方法进行数值模
拟，分别模拟巷道开挖 20 m、50 m、80 m、100 m 时掘进工作面前方及巷道两帮围岩内的应力集中 情况，模拟得出了掘进工作面前方垂直应力分布云 图、掘进工作面前方垂直应力分布等值线图、巷道
第1期
李振华，等：矿井岩爆数值模拟及应力状态分析
*40.20
*48.5
*40.23
*6.23
*41.20
*52.10
*35.98
泊松比
0.12~0.14 0.14 *0.36 0.16 0.25 0.25 *0.25 *0.25
密度/ （kg·m-3）
*2 660 *2 635 1 370 2 625 2 700 2 700 2 700 2710
Numerical simulation and stress analysis of rock burst in mine
LI Zhenhua1,2，RONG Tao1，XU Gaoming (1. School of Energy Science & Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. School of Resource and Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 10083, China) Abstract：In order to obtain the relationship between rock burst and stress distribution, and provide a basis for taking rational precaution measures on rock bursts, a numerical simulation method is used to model the rock stress in a rock roadway. The results show that non-uniform thin-walled stress is the main reason of the frequent rock burst in driving roadway. When a hard-brittle rock body is disturbed, the stress concentration may exceed the strength limit of rock, and lead to rock burst because the stress concentration is close to the rock surface of the roadway. The results are of significance to the prevention of rock burst. Key words：mining engineering；rock burst；numerical simulation；stress analysis
李振华 1,2，戎 涛 1，徐高明 2
(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)
摘 要：为了得出岩爆与应力分布状态之间的关系，为制定合理的岩爆预防及治理措施提供依据，采用数值模拟
的方法，研究了岩爆巷道的围岩应力状态。结果表明：非均匀薄壁应力现象的存在，是掘进工作面岩爆频发的重
要原因；对于硬脆性的围岩体，在受到扰动时，由于巷道围岩体内的应力集中峰值距离巷道表面距离较近，应力
集中峰值就可能超过岩体破坏的极限强度，从而使岩石突然破坏，发生岩爆现象。该成果对岩爆的预防具有一定
的参考价值和指导意义。
关键词：采矿工程；岩爆；数值模拟；应力分析
中图分类号：TD 353.6
文献标识码：A
图 2 数值计算模型 Fig.2 numerical simulation model
图 1 综合柱状 Fig.1 the synthesis histogram
2 数值模拟模型设计
根据试验矿井的实际工程地质条件，建立计算 机数值模拟模型。巷道岩层柱状图如图 1。由于岩 爆多发生在 L1、L2 灰岩中，模型选取巷道所处岩层 （L2 灰岩）以及顶底板岩层，共 19 层岩层，但是 其中有 6 层厚度较小的软弱夹层，且距 L2 灰岩层较 远，进行地质概化，合并岩性相似的岩层，最终建 立的模型包含 13 层岩层，如图 2。模型上部边界按 照上覆岩层的重力施加应力边界条件，模型四周施
从以上结论看出，虽然在巷道侧壁的围岩体， 距巷道壁很短的距离内产生了较大的应力，但是由 于巷道采用了较强的支护方式（锚喷网），改变了 巷道围岩的应力状态，并且随着开挖长度的增加， 应力没有增加的趋势，这就是巷道掘进后方基本没 有发生岩爆现象的原因，但是如果处于断层的影响 带内，围岩体将势必受切割、挤压、扭转等作用， 造成局部应力集中，发生岩爆的可能性增大，因此 在有地质构造存在的巷道段内应该采用更加有效 的支护方式。
在巷道的左上部位置应力集中明显，应力梯度 大，这是促使岩爆发生的一个重要因素，这也与现 场统计的岩爆发生位置相吻合，因此应将研究集中 在掘进工作面左上部的应力分布特征。 3.1.2 掘进工作面前方应力分布
分析掘进工作面及其前方应力分布等值线图 或云图，可以得出以下结论：在掘进头前方没有产 生塑性破坏区域，很短的距离（0～3 m）内应力增 加明显，没有应力降低区域，基本是在掘进工作面 壁形成应力峰值；在掘进工作面前方 0～15 m 的距 离内，应力升高；在掘进工作面的左上部位置，应 力集中明显，应力梯度大，这正是导致岩爆在左上 部位置频发的原因；应力集中总是发生在掘进工作 面的左上部位置，巷道开挖长度的增加，对巷道开 挖后的应力集中情况并没有产生大的影响。
这里以圆形巷道为例，分析掘进巷道的围岩应 力分布及非均匀薄壁应力的形成。
未经采动的岩体，在巷道开掘以前通常处于弹 性变形状态，岩体的原始垂直应力 p 为上部覆盖岩 层的重量 γH(岩体的体积质量与埋藏深度的乘积)。 在岩体内开掘巷道后，巷道塑性变形区和弹性变形 区内的应力分布如图 3。在塑性区内圈(A)，围岩强 度明显削弱，能够负担的压力显著降低，且低于原 始应力 γH，围岩发生破裂和位移，称破裂区，为卸 载和应力降低区。塑性区外圈(B)的应力高于原始应 力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称 应力增高区。支架受力是支架与非弹性区的岩体相 互作用的结果。
单轴抗拉 强度/MPa
粘聚力 /MPa
内摩擦角 /(º)
弹模/GPa
*1.03 *0.07 *0.03
2.0 *7.16 4.96
*4.0 *1.4 1.0
3 *43.41 23.78
*42 *32 *32 30 *47.6 53.3
6.1 5.1 1.986 5.7 *29.67 34.62
*5.26
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截面上的应力分布等值线图。 3.1.1 巷道侧壁应力分析
由巷道开挖 20 m 和 80 m 时掘进工作面截面上 的应力分布模拟图可以看出：巷道所处的岩层为 L2 灰岩，该岩层厚度大、强度大、硬度大，再加上较 强的支护措施，巷道开挖后并没有引起围岩的破 坏，没有产生塑性区，巷道的位移量很小，模拟显 示的最大位移不足 1 cm；在巷道两帮的围岩体内应 力升高明显，距巷道侧壁很短的距离内达到了应力 峰值；应力在巷道断面左上部集中明显，应力梯度 大；巷道侧壁应力集中情况随开挖长度的增加，有 增加的趋势，但是幅度不大。
0引言
Bolstad 曾指出，虽然岩爆研究己进行了半个多 世纪，但只在近年来才取得较明显的成就，这种成 就几乎完全归功于数值模拟、测试手段的改进、对 岩体性质的进一步了解和新声发射仪器的研制[1]。 数值模拟计算方法被用来分析矿山的岩爆问题最 早可追溯到 1968 年，Starfield 和 Fairhurst[2]在论文 中采用数值模拟方法来确定矿山的局部刚度，分析 矿柱合理尺寸，预防发生不稳定性破坏（岩爆）。 国内对岩爆的数值模拟研究则集中在矿山和水电 工程方面。陆家佑等人[3]采用有限元方法对水电洞 室的岩爆问题进行了分析和预测，章梦涛[4]提出了 冲击地压的统一失稳理论，并采用有限元法对煤矿 冲击地压进行了数值模拟研究。乐晓阳等[5]采用离 散元法对节理岩体圆形隧洞的岩爆进行了模拟研 究，并将其所得结果与有限元模拟的结果和岩爆实