复合顶板巷道围岩变形与破坏特征数值模拟.pdf

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1、2010年第2期煤矿支护27石骂0庄中煤杯参评论文复合顶板巷道围岩变形与破坏特征数值模拟王航王立凯茹晓莹[阜新矿业集团公司兴阜煤矿，辽宁阜新123000]摘要为研究复合顶板巷道围岩变形及破坏规律，结合兴阜矿工程实际，应用RFPA分别模拟一般顶板巷道和复合顶板巷道开挖后围岩的动态变化过程，得出复合顶板条件下巷道围岩变形和破坏的特征，从而为该矿巷道的支护设计提供依据。关键词复合顶板RFPA破裂区验工具。该方法的一个重要特点是考虑了材引言料性质的非均匀性，是一种通过非均匀性模拟非线性、连续介质力学方法模拟非连

2、续介兴阜矿主采煤层顶板为不稳定复合顶质力学问题的材料破裂过程分析新型数值分板，松软易垮落，回采巷道支护效果差，给析方法。安全和有序生产带来极大危害。本文应用数值模拟对复合顶板巷道围岩的变形及破坏规2力学模型律进行研究，为巷道支护设计提供依据。2．1模型尺寸1数值模拟方法简介考虑到计算机容量和计算数量的庞大，既应减少单元数量，也充分展示巷道围岩的数值模拟方法[1啊。]的特点在于，具有分变形与破坏状态。因此，将基本平面模型定析基本构成要素性质简单而整体性质复杂的在巷道立体空间的轴向剖面。其宽度和高度宏观系统

3、行为的优势。与解析理论相比，它大于巷道极限塑性区的范围，各为21m。建可以为初值简单、演化过程复杂的问题提供立两个力学模型(如图1所示)。模型中顶直觉的认识。矿山岩体本质上是一种不连续板岩层厚12m，含两层分别厚0．45m和体，在这样的岩体内开挖巷道，开挖后围岩0．3m的薄煤层，分别距巷道顶部0．6m和的变形到稳定是个渐进的过程。由于不连续2．1m；开采煤层厚2．7m；底板厚6．3m。岩体的应力、应变及其破坏过程相当复杂，巷道位于开采煤层中，宽4．0m，高2。7m。目前还没有成熟的计算围岩性态的模型和方

4、按区段的准备系统，将回采巷道基本分为两法。对于岩石工程而言，一个数学方法上相类：对简单，但能充分考虑岩石介质复杂性的分①回采巷道位于未经采动的煤体内，即析计算方法可能更有发展前途。本文所应用巷道两侧均为煤体，称煤体一煤体巷道，用的是由东北大学岩石破裂与失稳中心开发的A模型模拟。岩石破裂过程分析系统RFPA(Realistic②上区段已采毕且采动影响稳定后掘进FailureProcessAnalysis的简称)。它是一的下区段回风巷(或运输巷)，即回采巷道种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材一侧为煤体一

5、煤柱(采动稳定)巷道，煤柱料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够宽3m，用B模型模拟。模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试2．2边界条件28煤矿支护2010年第2期砂质泥岩。按实验室测定结果，砂质泥岩标准试样单向抗压强度49．4l～53．OOMPa，顶板平均52．20MPa；抗拉强度2．76～3．36MPa，平均3．22MPa；弹性模量17000～底饭17300MPa。煤层标准岩样单向抗压强度4．4I～5．06MPa，平均4．96MPa；抗拉强度0．29～0．34MPa，平均0．31MPa；弹性圈1力

6、学模型模量5200～5300MPa。以此为基础，参照按重力场建立边界条件。依据兴阜煤矿国内外煤岩样单向抗压强度尺寸效应的试验开采条件，选择采深450m。模型两侧和底结果，通过反演，进行巷道围岩强度和变形部为位移约束，两个底铰点是固定支座。对模量的弱化处理，给出围岩体的力学参数。于煤体一煤体巷道，巷道第一时期受压10．OOMPa，第二时期受压16．90MPa。对3模拟结果于煤体一煤柱巷道，巷道第一时期受压16．90MPa，第二时期受压23．80MPa(应复合顶板与一般顶板巷道顶板及破裂区力集中系数选取1．

7、69)。深度的模拟结果列于表1，围岩破裂区范围2．3力学参数随时问增长变化的模拟结果示于图2、图3依据兴阜矿部分地质综合柱状图，在模和表2，两种类型巷道的顶板下沉量随时间型尺寸范围内，顶板12m厚岩层和底板增长变化的模拟结果示于图4(a)和图46．3m厚岩层主要为砂质泥岩，或以砂质泥(b)。岩为主。因此，确定巷道围岩的基本岩性是表1复合顶板与一般顶板变形及破裂区深度的比较区段巷道煤体一煤体煤体一煤柱顶板类型一般复合一般复合数量／mm6789146l75顶板下沉量复合顶板与一般顶板之比1．331．2O数量

8、／mm900165015002100顶板破裂区深度复合顶板与一般顶板之比1．831．40表2巷道围岩变形和破裂区深度的发展巷道类别煤体一煤体煤体一煤柱围岩受力和变形时期围岩受力／MPa6．2510．251O．2514．25顶板下沉量5689134181围岩变形／tnn巷帮移近量l22242376590底板鼓起量28486l85顶板1050165010502100破裂区深度／mm巷帮210O255027003300底板3001200750】9