应力波扰动诱发冲击矿压数值模拟研究.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 0 8年 O 6月 采矿与 安全 工程学 报 J o u r n a l o f Mi n i n g＆ S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 5 NO ． 2 J u n e 2 0 0 8 文章编号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 。 O 8 0 2 0 1 2 7 0 5 应力波扰动诱发冲击矿压数值模拟研究 秦 昊 ， 茅献彪 中国矿业大学 理学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 采 用非连 续 离散 元软 件 UD E C， 对应 力波扰 动诱 发 冲击矿压 形成发 生全过 程 、 巷道 埋深 H 及 扰动 应力 强度 P一 对 围岩稳 定性 的影响进 行 了有效 的数 值模 拟 ， 得 到 了巷 道 围岩在 应力 波扰 动过程 中响应 速率 、 响应 变形及岩体 破损 范围大 小 ， 以及发 生 冲击矿压 的 临界 深度 和临界扰 动应 力强度值 ． 结 果表 明 扰 动应 力波是 引起 围岩 裂 隙延伸 贯通 ， 继 而诱 发 冲击矿 压的 重要 因素 ； 围岩 埋 深条件 及扰 动应 力波的强 度决定 了巷道 围岩 裂 隙发展 影 响 区域 及形 态， 并 最终 影 响到 冲 击地 压发 生与否． 研 究结 果对揭 示煤矿 冲击矿 压的诱 发机 理具有 重要 意义． 关 键词 冲击矿 压 ； 应 力波 ； 数 值模 拟 中图分类 号 TD 3 2 4 ． 1 文献标识 码 A Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f S t r e s s W a v e I n d u c e d Ro c k Bu r s t QI N Ha o，MAO Xi a n b i a o C o l l e g e o f S c i e n c e s ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g ＆ Te c h n o l o g y，Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t The who l e p r oc e s s o f t h e r o c kbu r s t i ndu c e d b y t he di s t u r b i n g s t r e s s wa v e a n d t h e e f f e c t o f t h e r o a dwa y d e p t h H a n d t he d i s t ur b i ng s t r e s s wa v e i nt e ns i t y P⋯o n t he s t a bi l i t y o f t h e s u r r ou nd i n g r oc k i s s i m u l a t e d b y u s i ng t he s o f t wa r e U DEC． The r e s p o ns e r a t e ，r e s p o ns e d e f o r ma t i o n，t he d a ma ge r a n ge o f s ur r ou n di n g r oc k un de r t h e di s t u r b a n c e t og e t h e r wi t h t h e c r i t i c a 1 de p t h whe r e r o c k bur s t t a ke s pl a c e a nd t h e c r i t i c a 1 di s t u r b i n g s t r e s s a r e a c qu i r e d ． The r e s u l t s h ows t ha t t he s t r e s s wa v e di s t u r ba nc e i S a n i mpo r t a n t f a c t o r ma ki ng f r a c t ur e s e x t e n d a nd pe n e t r a t e t hr o u gh a n d f u r t he r i n du c e t h e r oc kb ur s t ；t h e r oa dwa y d e p t h a nd t he di s t u r b i n g s t r e s s d e t e r mi ne s t he r a n ge a nd c h a r a c t e r s o f f r a c t ur e e xt e ns i o n i n s ur r o un di ng r o c ks a n d a t 1 a s t d e t e r mi n e s wh e t h e r t he r oc kb ur s t wi l 1 t a k e pl a c e o r no t ．Th i s r e s ul t i S v e r y s i gn i f i c a nt i n s t u d ～ y i n g t h e i nd uc i n g m e c h a ni s m of r o c kbu r s t ． Ke y wo r ds r o c k bu r s t ；s t r e s s wa v e；nu m e r i c a 1 s i mul a t i o n 煤矿采掘离不开矿山爆破、 煤岩运输 、 机械运 转等活动， 由此可认为在整个采矿过程都伴随着应 力 波 的产 生与 影 响 ， 这 些 动 载 由于 振 源 的多 样 性 ， 振源位置的不确定性 ， 必然在 岩层 中相互 干涉叠 加 ， 对于围岩尤其是具有 自由表面的围岩的扰动作 用更显著． 围岩也许不会在上述动荷载的一次作用 下就发生宏观破坏 ， 但在应力波重复扰动下 ， 却会 在 微 观一细 观 尺度 上 引起 围岩 累 积性 损 伤 的加 剧 与 局部应 力环 境 的恶 化 ， 量 变 引起 质 变 ， 并 最 终 导 致裂纹的瞬时动力扩展 ， 伴随晶问、 粒间瞬态应变 能的高速释放 ， 围岩便会 以冲击 矿压形 式释放 能 量 川． 文献 r 2 - 5 3 认 为 ， 冲击 矿 压 的发 生是 围岩 系统 在静 力稳 定状态 被打破 时发 生 的动力失稳 ， 并分别 用有限元法和有限差分法先求解 围岩初始静力问 题 ， 然后在边界上叠加动力干扰的方法 ， 对冲击矿 收稿 日期2 0 0 7 0 71 8 基金项 目国家 自然科学基金重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 3 ； 国家重点基础研 究发展计划 9 7 3 项 目 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 2 作者简介秦吴 1 9 8 1 一 ， 男 ， 江苏省靖江市人 ， 博士 ， 从事岩石动力学方面的研究． E - ma i l c l e r k mi n g ma il ． c o m T e l 0 5 1 6 - 8 3 8 8 5 7 5 7 维普资讯 1 2 8 采矿与安全工程学报 第 2 5 卷 压发生进行数值模拟研究． 而巷道附近应力波扰动 诱发冲击矿压发生过程及其影响的研究 尚未见报 道． 事 实上 ， 围岩岩 体 中裂 隙 贯 通并 形 成 破碎 松 动 岩块是 在一定应 力作 用下逐 渐演变 的结果 ， 弄清 其 发生发 展及形 成过程 ， 更有助 于揭示 煤矿 冲击矿 压 的诱发 机理． I t a s c a 公 司商用 软 件 UD E C针对 岩 体 不 连 续 问题而开 发 ， 可模 拟分 析 非连 续 介质 在 静 、 动 态荷 载作用下 的反应 、 包括块 体 间 的完 全 脱离 ．本文 运 用该软件 对煤矿 巷 道 围岩 在 受 到动 应力 扰 动 后 突 发冲击矿 压全过 程进行模 拟再 现 ， 并 就初始 地应 力 条件 、 扰 动应力 峰 值重 要 相关 因素深 入 进 行 分析 ， 探讨 巷道 冲击 矿压 的诱发 机理 ， 为 煤矿 冲击矿压 的 预测 预报 及 防治提供理 论依 据． 1 数值计算模型与方案 1 ． 1 计 算模 型 分析 煤矿 冲击矿压 灾害 事故发 现 部分 冲击 矿 压常发 生在 动力扰 动的 同时 、 或在 其后很 短 的一 段 时 间内 ， 常发生 在具有 坚硬顶 、 底板 采场 和巷道 中． 根据上述 特征 ， 本 文将 掘进爆 破 、 机 械振动 、 岩板 断 裂等动力 扰动 源简化 为平面应 力波 ] ． 选用层 状 煤 巷 围岩计 算模 型 ， 如 图 1 所示 ． 图 1 围岩 静 载 力 学模 型 Fi g ．1 St a t i c l oa d i n g me c ha n i c a l mod e l of s ur r o un di n g r oc k 煤层 上 、 下层 范 围 1 8 m5 0 m 均 为砂岩 ， 以 模拟坚 硬顶 、 底 板岩层 ； 中问煤 厚 4 m， 其 中 布置 马 蹄形孔洞 ， 区域 大小 4 I n 4 I n ， 拱 半径 2 I n ． 巷 道 开挖后 ， 模 型单 元总计 5 1 4 7 6 6 1 个． 静 载模 型边 界 条 件 采 用 左 、 右侧 水 平 铰 支 约 束 ， 底部 固定约 束 ， 上部 边 界 自由并 承受 覆 岩 作用 于该边界的分布载荷 q 一7 H， 其中 y为覆岩的平 均重度 取 y 一2 0 k N／ m。 ； H 为覆 岩 高度 ， 如 图 1 所示． 动力 计算模 型 中， 为减少 动载作 用下边 界反射 波 的影 响 ， 边界设 置为 黏性边 界 以模 拟无穷 远处边 界 ， 均布动力荷载施加于左边界 4 m 范围内， 以模 拟 巷道 附近动载 扰动 ， 如 图 2 所示 ． 图 2 应力波扰动力学模型 Fi g． 2 Dy n a mi c l o a d i n g me c ha ni c al mo de l 1 岩石物理力学参数 一 般 而言 ， 岩 石材料 和节理 的动态 物理力 学特 性参 数与应 变速率 密切 相关 ， 但 本文计 算模 型所 选 用扰 动载荷 的加 载速率 变化对 于参数影 响很小 ， 故 可用 相应 的静 态岩 石力 学参数 代替Ⅲ． 模 型各层 物 理力学参数如表 1 ， 节理力学参数如表 2 ． 表 1 岩石物理力学参数 Ta bl e 1 Ph y s i c - me c ha ni c al pr o pe r t i e s o f r o c k ma t e r i a l s 表 2节理 力学参数 T a b l e 2 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r o c k j o i n t 岩土介质 材料 在动 载作用 下 ， 运动 及能量 的 自 然衰减 具有滞 后 效应 ， 与 频 率 具有 相 关性 ， 且 实 际 中动 载荷更 是 由不 同频 率扰动 叠加而 成 ， 加上 不 同 的加 载方式 和加载路 径 的影响 ， 则 需 引入阻尼 函数 以达 到 和 真 实 情 况 一 致L 7 ] ． 文 中 阻 尼 函 数 采 用 UD E C 自带 的 R a y l e i g h ma s s d a mp i n g o n l y型 阻 尼 ， 通 过一定 计算 确定 临界 阻尼 比 一0 ． 1 ， 岩体 振 动 中心频率 厂 一1 ． 2 扰 动载荷 研 究表 明 ， 爆 炸等震 动引起 的应力 波在经过 一 段距离传播衰减， 可简化为脉冲载荷 ] P ￡ ， 本文 所选 用动应 2 5 皇1 5 O l O 2 O 3 O 4 0 T／ ms 图 3 动应力时程 曲线 F i g ． 3 Cu r v e o f d i s t u r b i n g s t r e s s wa v e V S ．t i me 维普资讯 第 2期 秦吴等 应 力波扰动诱发 冲击矿压数值模拟研究 1 2 9 1 ． 2 计算 方案 为研究巷道围岩在应力波扰动作用下 响应规 律， 及受一定条件扰动响应后巷道围岩突发冲击矿 压动 力灾害 的可能性 ， 进 而确定应 力波 诱发 冲击矿 压灾 害的相 关 影 响 因 素 ， 本 文 着 重 分 析 巷 道 埋 深 H、 扰动应力峰值 P 。 的影响， 并 由此两方面开展 工作 ． 计算模拟中， 先模拟恢复煤巷围岩初始地应力 状 态 ， 然 后进行 开挖 ； 再施加 扰动应 力波 ， 设置 无反 射 边界 ， 分析 动应力 扰动对 围岩稳定 性 的影 响． 计算 方案 如下 1 分析不同埋深条件下应力波扰动对巷道围 岩 影 响 ， 峰值应 力 P 一1 0 MP a 不 变 ， 取 巷道 埋深 H3 0 0 ， 4 0 0 ， 5 0 0 ， 6 0 0 ， 7 0 0 m 5 个 模型 ． 2 分析不同扰动应力波峰值 P ⋯对巷道围岩 影 响 ， 埋 深 H一5 0 0 m 不 变 ， 依 据 一 般爆 炸 应 力 波 的强度 ， 取 P⋯ 1 ， 5 ， 1 0 ， 1 5 ， 2 0 MP a 5个模 型． 2 数值计算结果及分析 2 ． 1 冲 击矿压 过程 图 4 为 巷道埋 深 H一7 0 0 m、 扰动 应 力波 峰 值 P 一1 0 MP a数值模 拟结果 ． 3 2 1 {0 _1 2 ．3 3 2 1 E 0 _1 2 ． 3 3 2 1 {0 _1 2 ．3 ．3 ． 2 ． 1 0 1 2 3 c 7 0 5 s 3 2 1 专 0 -1 -2 ．3 3 2 1 {0 1 2 ．3 3 2 1 {0 _ 1 _2 3 ．3 ． 2 ． 1 0 1 2 3 W m f 7 4 s 图 4 冲击矿压全过程 F i g ． 4 Th e wh o l e p r o c e s s o f r o c k b u r s t 图 4清楚再现了巷道 围岩受应力波扰动诱发 冲 击矿压 的全过 程 ， 图 中箭头 为岩 块 速度 矢 量 ， 围 岩 中深色线 条显 示 已演 化形 成 的宏 观裂纹 ． 可 以看 出 裂 纹开 始于应 力 集 中的巷 道 帮 附近 ， 约 离 巷 帮 边界 2 m 位 置 ， 伴 随应 力波 的扰 动 ， 裂纹 迅速 由开 始位 置 向巷 帮 面方 向扩 展 ， 形 成 多条 贯 通 的 主裂 纹， 密集分布于靠巷帮边界位置 ， 离巷帮边界 0 ． 8 m 位置 区域 内， 与文献1- 6 3 给 出的结果相近． 巷 帮 围岩侧 向 刚度 由于岩体 内裂纹 扩展 而显著下 降 ， 最 终 两帮 岩体 形 成 碎 块 ， 并 以一 定 速 率 向 巷道 内抛 射 ， 发生 冲击 矿压 ． 由图 4可见 巷道左帮靠近动力扰动一侧 ， 其 在 扰动初 期受 影响程 度 大于右侧 ， t 一0 ． O 1 S时刻 ， 左侧破碎岩块弹射速率最大值 2 ． 5 8 2 m／ s ， 右侧最 大 值 2 ． 1 9 6 m／ s ； 峰 值速 率在扰 动 初期左 侧 大 于右 侧 ； ￡ 一0 ． 0 4 S时 ， 围岩 左 帮 出现沿 4 5 。 方 向多处 贯 通性 主裂 纹 ， ￡ 一0 ． 0 6 S 时右帮 出现沿 4 5 。 方 向多处 贯通 性 主裂 纹 ； 全 过 程 持续 4 S后 ， 岩块 速率 最 大 值降为 0 ． 0 0 9 1 6 4 m／ s ， 围岩系统趋于稳定． 图 5为 t 0 ． 3 S 巷 道 右 帮 位 移变 形 曲线． 表示垂 直 于巷 帮 面方 向的变 形 位 移 ， U 表 示 沿 巷 帮面方 向的变 形 位 移 ， 为 距 巷 帮底 角 点 的距 离 ． 巷帮左 侧 围岩 U 突 变 明显 ， 左 帮 上部 0 ． 5 m 位 置 处最 为 明 显 ， 变 形量 达 到 7 7 5 mm， 说 明 碎 岩块 主 要涌 出位置位于此 ； 围岩 z方向位移变化都超过 4 0 0 mm， 帮角变形量相对其它部位较小 ； 巷道围岩 在应力 波扰 动响应 过程 中 ， 巷道 侧 向刚度大 幅度下 降， 最终导致两帮断裂失稳 ， 岩体 内部 能量从两帮 释放 ， 从而诱发巷道发生冲击矿压． 8 0 0 口 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 60 0 目 4 0 0 S 2 0 0 0 - ／ ＼ 一 。、√＼ ／ t f b 1 ． ／ | L 0 ． 1 5 0 ．6 5 1 ． 1 5 1 ． 6 5 2 ． 1 5 y ／ m 图 5 巷帮 围岩变形位移曲线 Fi g． 5 Th e di s p l a c e me nt c u r v e o f s ur r ou nd i n g r o c k o f r oa d wa y r i b 2 ． 2巷道 埋深 的影 响 图 6 为 对应 巷道埋 深 H一5 0 0 ， 6 0 0 ， 7 0 0 m， ￡ 一 0 ． 3 S 时刻 围岩状 况 ， 由 图所 示 当 H一5 0 0 m 时 ， 巷帮围岩应力波扰动诱发巷道围岩稳定性发生突 a⋯ 囵 ■ ■⋯ 囵 圈 维普资讯 维普资讯 第 2期 秦 吴等 应力波扰动诱发冲击矿压数值模 拟研究 成破 碎岩块 并涌 出 ， 最终 导致 冲击 矿压 发生 的全过 程． 通 过对 围岩系统 在应 力波扰动 下破 坏过程 的研 究， 对煤矿巷道冲击 矿压机理的认识具有重要意 义． 研究 结果 表明 在 一定 巷道 围岩应力状 态 下 ， 应 力波扰 动作用 导致 围岩岩 体破碎 ， 岩块结 构屈 曲突 变失稳 ， 最终发生冲击矿压． 。 冲击矿压的发生与埋深 H 以及扰动应力波的 强度 P 有关． 在本文研究 的条件下 ， 当 H≥5 0 0 I 1 3 ． 时 ， 在扰 动应力 波作 用 下 ， 围 岩两 帮 岩 体破 损 情 况严重 ， 当 H 达到 7 0 0 I n 、 扰动 应力 波峰 值 P ⋯ 达 l O MP a时， 冲击矿压灾害受应力波诱发产生 ； 随 着开采深度不断加大， 巷道围岩初应力状态 日趋恶 化 ， 发生冲击矿压灾害 的可能性则越大； 同时 ， 当 P ⋯1 0 MP a时， 围岩虽受破损 ， 但其稳定性仍未 发生改变 ， 不发生冲击矿压， 但随 P 的增大， 岩体 破损情况加剧， 密集裂纹影响范围增大 ， 围岩内积 聚 的变 形能 增 加 ， 当 P 达 到 1 5 MP a时 ， 发生 冲 击矿压 ， 因此控制扰动应力波强度 P ， 可有效 防 止和控 制 冲击 矿压 的发生 ． 建议减 少炮孔 用药 量或 通过预裂爆破 、 优化炮孔布置等方式以便有效控制 扰动应力峰值低于诱发临界值． 参考 文献 [ 1 ] 徐则 民， 黄润秋 ， 范柱 国．长大 隧道岩爆 灾 害研 究进 展 [ J ] ．自然灾害学报 ， 2 0 0 4 2 1 6 2 3 ． XU Ze - 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c h u n，M I AO Xi x i n g．YANG Ti n g q i ng．Th e l a y e r - c r a c k pl a t e mo de l a n d t e s t i ng s t u dy o f t h e r o c k b u r s t i n mi n e s [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k M e c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g，1 9 9 9 ， 1 8 5 4 9 7 5 02 ． [ 6 ] 张晓春 ， 缪 协兴 ．层状岩体 中洞室围岩层裂及破坏 的 数值模 拟研 究 [ J ] ．岩 石力 学 与 工程 学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 1 1 1 6 4 5 - 1 6 5 0 ． ZHANG Xi a o c hun． M I AO Xi e - x i n g． Nume r i c a l s i mul at i o n o f l a ye r - c r a c k a n d f a i l ur e o f l a mi n a t e d r oc k ma s s e s[ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g，2 0 0 2 ， 2 1 1 1 1 6 4 5 ～ 1 6 5 0 ． [ 7 ] 夏祥 ， 李俊如， 李海波 ， 等．爆破荷 载作用下岩体振 动特征 的数值模拟[ J ] ．岩土力 学 ， 2 0 0 5 ， 3 1 5 0 5 6 ． XI A Xi a n g。L I J u n r u，LI Ha i b o，e t a 1 ．Ud e c mo d e l i n g o f v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f j o i n t e d r o c k ma s s u n d e r e x p l o s i o n[ J ] ．R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， 2 0 0 5 ， 3 1 5 0 - 5 6 ． - 一 [ 8 ] 雷光宇 ， 卢爱红 ， 茅 献彪．应力 波作用下 巷道层裂 破 坏的数值模拟研究 [ J ] ．岩土力 学 ， 2 0 0 5 ， 1 3 1 4 7 7 1 48 0． LEI Gu a n g y u，LU Ai h o n g， M AO Xi a n - b i a o ． Nu me r i c a l s i mul a t i o n o n l a y e r e d c r a c k a n d f a i l ur e o f r o a d wa y u n d e r s t r e s s w a v e [ J ] ．R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， 2 0 0 5， 1 3 1 4 7 7 - 1 4 8 0 ． 维普资讯