过断层巷道顶板应力分布规律的数值模拟研究

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1、过断层巷道顶板应力分布规律的数值模拟研究3.1概述我国煤炭资源丰富，赋存条件十分复杂，断层是影响煤矿开采的重要地质因素,断层破坏了岩层的连续性和完整性，导致断层周围的应力分布差异性大；对于过断层的回采巷道，其顶板应力分别更是复杂，不能准确得到围岩应力与位移的详细解析解。随着计算机技术的不断发展，数值计算方法得到了长足的进步，复杂的工程问题可采用离散化的数值计算方法并借助于计算机得到满足工程要求的数值解，各类数值分析程序应运而生，已成为岩体力学研究和工程设计计算的重要手段。因此，本次实验决定用数值模拟，以期从过断层回采巷道的位移场、塑性区及应力场的变化，来验证相似模拟得出的规律。3.2FLA

2、C软件简介FLAC3D采用的“显式拉格朗日”算法和“混合－离散分区”技术，能够非常准确的模拟材料的塑性破坏和流动，由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维岩土工程问题。由于采用了自动惯量和自动阻尼系数，克服了显式公式存在的小时间步长的限制以及阻尼问题。所以，FLAC3D是一个求解三维岩土问题的最理想工具之一。FLAC3D有良好的前处理功能，计算时程序自动将模型剖分成六面体单元，每个单元都可以有自己的材料模型，材料可以在外力及应力场的作用下发生屈服流动，节点的位置也会随着模型的屈服流动而发生改变（大变形时），因此，FLAC3D在模拟大变形问题上有其独到之处。FLAC

3、3D包含了三维网格自动生成器，通过匹配、连接，由网格生成器生成所需要的网格。生成器还能够自动产生交叉结构区域网格（如相交巷道）。另外，为方便用户划分网格，FLAC3D提供了12种原始模型（primitivemesh），使得用户能根据工程实际更为快捷方便的建立理想的计算模型。FLAC3D的后处理功能也非常强大，用户可以根据需要通过相应的操作命令打印或者绘制出自己所需的数据或者图形。FLAC3D还具有记录追踪功能（history），使得用户可以很方便的得到所需参数在计算过程中的发展曲线或者得到多个参数之间的相互关系曲线。针对不同的材料，FLAC3D软件提供多达10种材料模型，能更真实地模拟实际

4、材料的力学行为。同时，FLAC3D中包含静力、动力、蠕变、渗流、温度等5种3D计算模式，并且还可以进行多模式的耦合分析。另外，FLAC可以模拟多种岩土工程地质不连续面，包括断层、节理等以及常见的多种支护形式，例如梁（beam）、锚杆（索）（cable）、桩（pile）、壳（shell）等。FLAC3D还包含一个强有力的程序语言—FISH，能够使用户定义新的变量和函数。为特定需要的用户提供了一个专门工具。[45]3D对于过断层回采巷道顶板应力和变形较复杂的特点，非常适合于用FLAC3D软件进行数值模拟研究。3.3本构模型选择3.3.1巷道围岩岩体本构模型选择巷道围岩岩体属于弹塑性地质材料，本

5、构模型采用理想弹塑性本构模型。本研究对巷道围岩岩体采用莫尔-库仑屈服准则：fs=(σ1-σ3)-2ccos?-(σ1+σ3)sin?(3－1)式中：σ1、σ3分别是最大和最小主应力；c，?分别为巷道围岩岩体的粘结力和摩擦角。当fs<0时，巷道围岩岩体将发生剪切破坏。在材料达到屈服极限后，在恒定应力水平下产生塑性变形。在拉应力状态下，如果拉应力超过材料的抗拉强度，材料将发生破坏。3.3.2煤体本构模型选择煤层开采后，应力重新分布，煤柱最大主应力相对初始最大主应力升高，而最小主应力却降低。围岩应力由三向应力状态转变为二向应力状态，煤柱周边在一定时刻即处于二向应力状态。当煤柱周边的应力超过

6、煤体本身的强度极限时，煤柱即发生破坏。煤柱破坏后仍具有一定的残余强度，随着塑性变形的增加，c，φ等随之减少。应变软化模型用于模拟非线性材料的软化行为，模型的实现基于莫尔－库仑模型中参数的变化，这些参数都是塑性偏应变的函数。与莫尔－库仑模型的不同点在于应变软化模型在塑性屈服开始时，粘聚力、内摩擦角具有变软的可能性，把粘聚力、内摩擦角定义为测量塑性剪切应变参数的分段性函数。塑性剪切应变由剪切硬化参数eps测量，其增量形式如下：Δeps21ps21ps?1ps?e＝??e1-?em+?em+?e3-22?2()()(12ps2m)???式中：Δemps1psps?e+?e13=3()。在应变软化

7、模型中可以把粘聚力、内摩擦角定义为全应变中的塑性应变部分eps的函数，见图3-1，在FLAC3D程序中调整为线性变化的参数，见图3－2图3－1粘聚力（a）和摩擦角（b）随塑性应变的变化Fig.3-1Variationofcohesion(a)andfrictionangle(b)withplasticstrain图3－2由线性线段近似表示的粘聚力（a）和摩擦角（b）Fig.3-2thecohesion(a)andfric