12081工作面煤岩体力学参数选取和udec数值模拟研究

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1、12081工作面煤岩体力学参数选取和UDEC数值模拟研究　　摘要：由于12081采场围岩运移的复杂性，现场实测的数据反映的只是某一方面或者几方面的规律，对顶板活动难以有一个全面了解。研究方法采用相似模拟只能在部分方面取得较好的成果，但是会消耗较高成本。实验周期经较长，并且一次只能模拟一种状态。近年来，采用数值模拟方法能得到相似模拟所达不到的效果。关键词：煤岩体力学参数模拟分析中图分类号：TD313文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0245-02由于12081采场围岩运移的复杂性，现场实测的数据

2、只能反映某一些方面或某几方面的规律，难能对顶板活动有一个全面的了解。采用相似模拟的研究方法，虽然在某些方面能取得很好的效果，但是，模拟的成本高，实验周期经较长，并且一次只能模拟一种状态。近年来，采用数值模拟方法能得到相似模拟所达不到的效果。本次采用UDEC数值模拟方法，研究不同初撑力条件下，上覆岩层的稳定性。1煤岩体力学参数的选取1.1煤岩体力学参数的选取5关于岩体参数的参考值，其材料特性满足库仑—摩尔准则。确定模型材料参数如表1所示。1.2节理和角点圆弧化可以将岩石块体之间的接触面认为是节理。根据不同的粗糙程度，个别的接触

3、点构成接触面系，通常两个端点的接触可以代表，端点会在运动的时候发生相对的法向位移和切向位移。块体不仅会有面接触还有点接触，不管是点还是面的接触，都会有数学上的奇异性，点接触会引起计算上的应力集中，但是实际情况是，尖角在力的作用下被折断钝化，因此还要将圆弧化处理加入到角点的计算中。圆弧化处理角点之后，可以将圆弧的中心道边的垂线和边的交点作为边和角的接触点，节点的发现方向也就是垂线方向。两个焦点的接触点可以取两个圆弧中心的联机和圆弧交线的交叉点。经过圆弧化处理的角点增加了计算的时间，但是角点接触的奇异性被消除，这样的计算和实际接

4、触点的物理图像更加符合。本次模拟时round取值0.2。1.3刚度系数5在UDEC中节理的法向和切向刚度系数kn和ks的正确选取是至关重要的。如果刚度系数取得太大，刚体块将连接成为一个整体，无相对运动可言；如果取得太小了，则刚体块将成为一盘散沙，相互间没有约束。作为一个经验的规则，刚度系数最大可取为刚度最大的邻接块体之间的等值刚度的十倍，即有：式中：K为体积模量；G为剪切模量；△Zmin为节理两侧块体单元的最小宽度。如果取用太大的刚度系数，会将大幅增加计算时间，却不会改变物理图像。但是如果取用太小的刚度系数，时步会被增大，加

5、快计算速度，但是节理“过软”，块体间“嵌入”太多，与实际情况不符。刚度系数对于不同的岩石其变化是很大的。对于软弱粘土夹层可为10～100MPa/m。而对于花岗岩或玄武岩等的致密节理，则刚度系数甚至可以超过100GPa/m。UDEC中的刚度系数不同于一般弹性体的刚度系数，它仅仅作为单元间传递力的因子。刚度系数应取足够大，以使计算结果趋于稳定值。同时考虑到计算费用的经济性，在满足精度和稳定收敛要求的前提下，宜尽量减小块体刚度，刚度系数一般取1010～1011n/m较为适宜。计算中刚度系数取值1010。2UDEC数值模拟2.1低初

6、撑力状态模拟根据实测单体支柱平均支护力为13.8kN，采用UDEC进行了数值模拟，按单体支柱平均支护力为90kN，采用UDEC进行了数值模拟。52.2UDEC模拟结果分析从模拟结果可以得出，低支护力状态下，顶板离层，平衡结构形成的层位相对较低，当地质条件发生变化时，遇断层或特殊地质结构岩体时，容易出现顶板事故。高支护力状态下，平衡结构的层位相对较高，对工作面的影响也较小，工作面变形量也较小，工作环境大大改善。采场围岩运移是一个动态的过程，动态过程有两层内容，一是随着时间变化的动态过程；二是随支护力不同而变化的动态过程。如图1

7、所示为低支护载荷条件下围岩运移状态，支护顶板距平衡结构8～12m，平衡结构对采场的影响较大，由于支护力过小，顶板易发生离层，支护状态差。如图2为合理支护条件下围岩运移状态，平衡结构下方岩层厚度为15～19m，距离支柱较远，支柱上方顶板发生离层的可能性较小，采场处于安全状态下。2.3FLAC数值模拟结果分析从FLAC数值模拟可以看出，工作面的支护初撑力大小对工作面围岩应力分布有十分显著的影响。低载荷，应力峰值和高应力范围均显著增大，而导致顶板剪应力区显著扩大。而高载时，顶板剪应力仅在煤壁上方很小的范围出现峰值。剪应力从煤壁附近

8、向控顶区上方顶板的扩展是导致顶板破碎的主要原因，而顶板破碎范围与支架载荷有关。5随支护载荷的增加，煤壁前方的支撑压力明显减少。煤壁前方顶板应力减少。由于支架载荷较低，煤壁前方垂直应力增加，控顶区上方剪应力集中程度增加，范围增大。控顶区上方的顶板铅垂应力随支架载荷的增加明显改善。支护载荷的增