基于HJC强度准则的巷道围岩动态失稳数值模拟研究.pdf

全日制硕士学位论文 基于基于HJC强度准则的巷道围岩动态失稳强度准则的巷道围岩动态失稳 数值模拟研究数值模拟研究 申请人姓名 李 奎 指 导 教 师 韦四江 副教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二○一七年六月一七年六月 基 于 HJC 强 度 准 则 的 巷 道 围 岩 动 态 失 稳 数 值 模 拟 研 究 李 奎 河 南 理 工 大 学 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC 622 单位代码单位代码 10460 基于HJC强度准则的巷道围岩动态失稳 数值模拟研究 Numerical simulation of dynamic instability of roadway surrounding rock based on HJC strength criterion 申请人姓名申请人姓名 李奎李奎 学位类别学位类别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向 矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 导师导师 韦四江韦四江 职称职称 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2017.04 答 辩 日 期答 辩 日 期 2017.06 河南理工大学 万方数据 万方数据 致致 谢谢 岁月如梭，转眼间已到了告别母校、挥别恩师之际，回想三年来经历的点点 滴滴，百感交集；研究生期间在老师的教导和同学的帮助下，收获颇丰，使我终 生受益。 首先， 感谢我的导师韦四江副教授， 本论文是在韦老师的悉心指导下完成的， 倾注了导师大量的心血。 从论文的选题、 现场资料的收集、 以及论文的最终修改， 韦老师都给予我悉心的指导和帮助。韦老师为人谦和、正直，其严谨的科研态度 和踏实的工作作风深深地影响着我，将使我在今后的工作中受益终身。 其次，感谢我的授课教师和同学们，是他们的关心和帮助让我的毕业论文更 加顺利地完成。 通过与他们在学术上的讨论和交流， 让我更加认清了自我的不足。 老师们在讲台上不辞辛劳的为我们授业、解惑，让我心里越发地钦佩他们所了解 的专业知识，在这样的耳濡目染下，我越发感觉到老师的不易与伟大，他们无私 奉献的精神与渊博的学识将是我人生中一笔巨大的精神财富。 最后， 感谢我的家人， 是他们在物质上与精神上都给予我莫大的关心和帮助， 是他们陪伴与支持才使我取得今天的成就。 家人的关心与鼓励是我学习与工作的 力量之源，也是我奋斗的方向。他们使我在遇到困难面前不退缩，在我想放弃的 时候能保持勇往直前的决心。 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 冲击地压是煤矿开采中最为突出的矿井动力灾害之一， 严重威胁煤矿的安全 生产， 造成了巨大的经济损失。 但针对冲击地压条件下巷硐稳定的数值模拟分析， 大都采用静态本构关系，不能更好的理解围岩破坏机制。本文针对义马跃进矿 25110工作面和千秋矿21032回风上山具体冲击事件案例进行分析， 通过理论分析 和数值模拟等方法对冲击地压条件下巷道围岩的响应规律进行探究， 提出了冲击 矿压能量判据，进而为煤矿冲击矿压的预测提供新思路。 针对义煤公司跃进矿25110工作面、千秋矿21032回风上山现场冲击破坏状 况， 结合微震监测数据， 分析了大能量事件的频谱特征以及冲击地压产生的原因。 采用快速傅立叶变换（FFT）方法分析了上述两个矿的冲击地压频谱特征，结果 表明冲击地压下主震的低频成分所占比例较大，主频主要分布在550Hz之间。 通过设计一系列静态实验和动态冲击实验，得出了适用于岩石材料HJC模型参数 的确定方法。 即通过室内单轴岩石力学实验得到其基本力学参数；对于状态方程 中压力参数的确定方法可以通过Hugoniot冲击实验数据确定；对于极限面参数和 应变率参数的确定方法可以通过霍普金森压杆（SHPB）实验确定；对于损伤参 数的确定方法通过在万能试验机上对试件进行循环压缩实验来确定。 采用正交数 值模拟方法，以塑性应变能量密度分布特征为评判指标，研究了震源冲击位置、 波形频率、扰动强度、巷道断面形状及埋深等因素对巷道围岩稳定性的影响。采 用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件分析了巷道围岩在静态扩展D-P强度准则和动 态HJC强度准则作用下的变形破坏特征，结果表明扰动强度a2.0m/s2、频率 f40Hz、埋深H1000m、冲击位置180、巷道断面形式为马蹄形时，塑性应 变能量密度最大， 巷道围岩冲击倾向性最高。 基于在已有能量密度判据的基础上， 提出了冲击矿压能量判据准则，确定以能量判据来衡量围岩能量积聚程度，量化 冲击矿压倾向性指标，使得判据更具合理性。 关键字关键字冲击地压；频谱特征；强度准则；数值模拟；能量判据 万方数据 II 万方数据 III Abstract Rock burst is one of the most prominent mine dynamic disasters in coal mining, which is a serious threat to coal mine safety production and has caused huge economic losses. But for the numerical simulation analysis of the tunnel stability under the condition of rock burst, the static constitutive relation can not understand the failure mechanism of surrounding rock. This paper focuses on the analysis of Yima Yuejin Coal Mine 25110 working face of Qianqiu mine and 21032 air rise concrete impact event case, Through the theoretical analysis and numerical simulation , the paper studies the response law of surrounding rock under blast pressure. Theenergycriterion of rock burst is put forward, which provides a new way for prediction of rockburst in coal mine. For the Yuejin Mine coal company in 25110 working face, the future mine 21032 air rise field impact damage condition, Combined with the microseismic monitoring data, analysis of the causes of high energy events and spectral characteristics of rock burst. By using the fast Fu Liye trans FFT , the spectrum characteristics of rockburst in the two mines are analyzed, The results show that the low frequency components of ground pressure under the impact of the mainshock and a larger proportion of frequency are mainly distributed in 550Hz. Through the design of a series of static experiments and dynamic impact experiments, the of determining the parameters of HJC model for rock material is obtained. That is, the basic mechanical parameters are obtained through the experiment of rock mechanics; The for determining the pressure parameters in the equation of state can be determined by the Hugoniot impact test data; The for determining the limit surface parameters and strain rate parameters can be determined by Hopkinson pressure bar SHPB experiment; The for determining the damage parameters is determined by the cyclic compression test on the universal testing machine. Orthogonal numerical simulation , The plastic strain energy density distribution is used as the uation index, The influence of the shock location, wave frequency, disturbance intensity and the depth of the tunnel on the stability of surrounding rock is studied. ANSYS/LS-DYNA numerical simulation software is used to analyze the deation and failure characteristics of roadway surrounding 万方数据 IV rock under the static expansion D-P strength criterion and dynamic HJC strength criterion, The results show that when the disturbance intensity is a2.0m/s2, the frequency is f40Hz, the depth is H1000m, the impact position is 180 degrees,the cross section of the tunnel is U-shaped, The plastic strain energy density is the biggest, and the surrounding rock of the tunnel is prone to be impacted. Based on the existing energy density criterion, The criterion of energy gradient for rock burst energy is proposed, It is determined that the degree of energy accumulation of the surrounding rock can be measured by the change of the energy criterion, and the tendency index of the rock burst can be quantified. Keywords Rock burst; spectral characteristics; strength criterion; numerical simulation; energy criterion 万方数据 V 目目 录录 摘要摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................... III 目录目录 .............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 选题的背景与意义......................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状............................................................................................. 2 1.2.1 冲击地压下巷道围岩失稳机理研究现状 ........................................................... 2 1.2.2 岩石动态强度准则研究现状 ............................................................................... 3 1.2.3 动载作用下巷道围岩稳定性数值模拟研究现状 ............................................... 6 1.2.4 冲击地压下微震监测研究现状 ........................................................................... 8 1.3 主要研究内容与技术路线............................................................................. 9 1.3.1 研究内容 .............................................................................................................. 9 1.3.2 技术路线 .............................................................................................................. 9 2 冲击地压下跃进矿和千秋矿巷道破坏冲击地压下跃进矿和千秋矿巷道破坏特征研究特征研究 ................................................. 11 2.1 跃进煤矿25110工作面“7.23”冲击地压事件.......................................... 11 2.1.1 跃进矿现场冲击破坏情况 ................................................................................. 11 2.1.2 跃进矿微震事件能量监测数据分析 ................................................................. 12 2.1.3 跃进矿25110工作面频谱特征分析 ................................................................... 15 2.2 千秋矿21032回风上山破坏特征分析......................................................... 17 2.2.1 千秋矿21032回风上山现场冲击情况 ............................................................... 17 2.2.2 千秋矿微震事件能量监测数据分析 ................................................................. 18 2.2.3 千秋矿21032回风上山频谱特征分析 ............................................................... 20 2.3 本章小结....................................................................................................... 21 3 岩石扩展岩石扩展 D-P 本构模型和本构模型和 HJC 本构模型本构模型 ........................................................... 23 3.1 扩展D-P强度准则 ........................................................................................ 23 3.2 HJC动态强度准则 ........................................................................................ 26 3.2.1 HJC模型方程 ...................................................................................................... 26 3.2.2 HJC模型材料参数确定方法 .............................................................................. 29 万方数据 VI 3.3 本章小结....................................................................................................... 30 4 动静载荷作用下巷道围岩稳定性数值模拟动静载荷作用下巷道围岩稳定性数值模拟 ......................................................... 31 4.1 ANSYS/LS-DYNA简介 ................................................................................ 31 4.2 静载作用下巷道围岩稳定性数值模拟....................................................... 31 4.2.1 数值计算模型 .................................................................................................... 31 4.2.2 数值计算模型的静力学结果分析 ..................................................................... 33 4.3 瞬态作用下巷道围岩稳定性数值模拟....................................................... 36 4.3.1 正交模拟方案设计 ............................................................................................ 36 4.3.2 阻尼的选取和瞬态动力学数值计算 ................................................................. 38 4.3.3 数值计算模型的瞬态动力学结果分析 ............................................................. 39 4.4 动态作用下巷道围岩稳定性数值模拟....................................................... 48 4.4.1 ANSYS/LS-DYNA隐式显式转换求解过程 .................................................. 48 4.4.2 显式动力学算法及材料参数的确定 ................................................................. 49 4.4.3 数值计算模型的动态模拟结果分析 ................................................................. 50 4.5 本章小结....................................................................................................... 60 5 跃进矿和千秋矿巷道围岩稳定性数值模拟跃进矿和千秋矿巷道围岩稳定性数值模拟 ......................................................... 63 5.1 冲击地压下跃进煤矿25110工作面动态破坏特征仿真............................. 63 5.1.1 跃进煤矿25110工作面地质条件 ....................................................................... 63 5.1.2 跃进煤矿25110工作面数值计算模型 ............................................................... 63 5.1.3 数值计算模型的动态模拟结果分析 ................................................................. 65 5.2 冲击地压下千秋矿21032回风上山动态破坏特征仿真............................. 68 5.2.1 千秋矿21032回风上山地质条件 ....................................................................... 68 5.2.2 千秋矿21032回风上山数值计算模型 ............................................................... 69 5.2.3 数值计算模型的动态模拟结果分析 ................................................................. 70 5.3 冲击地压能量判据准则............................................................................... 73 5.4 冲击矿压防治措施....................................................................................... 76 5.4.1 能量积聚区域监测 ............................................................................................ 76 5.4.2 扰动因素控制措施 ............................................................................................ 77 5.4.3 钻孔爆破卸压措施 ............................................................................................ 77 5.5 本章小结....................................................................................................... 78 万方数据 VII 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 81 6.1 结论............................................................................................................... 81 6.2 展望............................................................................................................... 82 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 83 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 89 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 91 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景与意义 随着煤炭需求量在不断的上升，矿井的开采深度以及开采强度在逐年增加， 这也造成煤矿在开采过程中面临到的动力灾害问题日益加剧， 其中冲击地压是煤 矿开采中最为突出的矿井动力灾害之一， 严重威胁着煤矿的安全生产和经济效益 [1-2]。针对以往煤矿发生冲击地压的案例表明随着矿井开采深度的逐步增加， 发生冲击矿压事故的概率就越大，呈明显的正相关关系。据不完全统计，累计到 2011年，国有矿井发生冲击地压事故的矿井多达142处，其中开采深度超过千米 发生冲击矿压的矿井多达50个。冲击地压事故的发生导致巷道变形严重、支架折 损、片帮冒顶、人员伤亡，因此针对煤矿冲击地压的机理和防治问题长期以来一 直受到了国内外学者的重视[3-6]。 深部开采特点为“三高一扰动”，即高应力、高温、高岩溶水压以及冲击载 荷引起的扰动。 由于岩体在动静载荷共同作用时其力学性质与静载作用有较大差 异，基于这一点，可以认为冲击地压发生的机理为岩体在开挖过程中，由于围岩 高应力的突然释放以及动力扰动载荷作用下而形成的矿井动力灾害， 具有复杂的 动力学特征，因此根据岩石的受力特点，可以把“原岩应力扰动应力”力学模 型作为研究煤矿冲击地压机理的重点课题。目前在岩石力学领域内，应用最广泛 的三大强度准则摩尔-库伦强度准则、霍克-布朗强度准则以及格里菲斯强度准 则。 上述强度准则主要应用于静载作用下岩石的破坏状态，而对于岩石动态强度 准则不仅取决于其应力状态，还要依赖于加载速率引起的应变率效应。理论和试 验证明岩石在承受动、静载荷共同作用时，其本构关系和力学特性与静态相比 都有着很大差异， 因此开展对冲击地压下岩石的动态强度的研究具有十分重要的 现实意义。 本文针对义马跃进矿25110工作面和千秋矿21032回风上山具体冲击事件案 例进行分析， 通过理论分析和数值模拟等方法对冲击地压条件下巷道围岩的响应 规律进行探究，提出了冲击矿压能量判据和防治措施，进而为煤矿冲击矿压的预 测提供新的思路。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 冲击地压下巷道围岩失稳机理研究现状 冲击扰动对巷道围岩失稳机理得到了业界的认可， 但由于冲击地压条件下巷 道围岩失稳机理的复杂性，研究出符合冲击地压频谱特征、煤岩体力学性质、构 造条件等因素的理论模型，还需要进一步的努力。研究手段方面由于冲击扰动 波施加困难，限制了室内巷道围岩失稳机理的研究及对理论成果的验证。数值模 拟由于不受室内条件的制约，得到了广泛应用，但更精确的模拟需要开发合适动 态本构关系，将其嵌入到数值模拟软件中。 冲击地压发生原因一般有3种[7]①巷道围岩在高应力作用下，突然释放大 量的变形能导致冲击地压事故的发生，使岩层受到破坏；②采动应力、顶板大面 积破坏或矿震诱发冲击地压，造成巷道围岩破坏；③巷道或采场周围的断层或结 构面的粘滑错动，也是造成巷道围岩冲击地压破坏的原因。其中②、③情况下所 诱发的破坏强度往往比①更剧烈，危险系数更高。冲击地压下巷道围岩失稳机理 研究经历了静态受力分析到动静组合受力分析的转变，后者更符合工程实际，下 面介绍这方面的研究成果。在煤层整体平动冲击失稳理论的基础上，建立了煤岩 冲击失稳三维模型[8]，该模型考虑了层面之间的摩擦力，分析了煤层整体冲击失 稳前临界状态下的应力分布情况；后来又建立了考虑损伤的煤层冲击失稳模型； 但上述模型只是基于静力条件下的考虑，不适用于动态扰动条件。基于岩石断裂 损伤力学理论， 研究了平巷煤壁中薄煤层壳因失稳而诱发冲击地压的机制以及临 界冲击应力，认为宏观裂纹长度越长，厚度越大，发生冲击地压的可能性就越大 [9]。上述研究针对巷道冲击地压的发生机理，未考虑冲击扰动与煤岩介质的相互 作用，与实际情况有一定距离。扰动源 爆破或顶板断裂通过岩层断裂、回转 等传递震动能量，或者使岩层中断裂面滑移或断层活化导致冲击。高明仕等[10] 建立了巷道围岩冲击震源扰动型冲击破坏的动力分析模型， 推导出平面应变均压 条件下巷道围岩承载结构在 “静载 动载” 组合作用下动力破坏的应力判据和能 量准则；研究结果表明良好的支护条件在一定程度上可以抑制震级较低的冲击 矿压，弹性余能可以降低巷道围岩的强烈振动甚至抛射。 潘一山等[11]将巷道围岩简化为块系，块体间为弹簧，弱面简化为粘弹性开 尔文体，支护体简化为弹簧和阻尼体，建立了冲击地压下围岩与支护的动力响应 微分方程，提出冲击地压巷道围岩控制的2种方法，一是提高巷道支护的刚度， 万方数据 1 绪论 3 二是使支架能快速吸能让位。基于尖点突变模型的巷道围岩屈曲失稳模型，秦昊 [12]研究了动力扰动（矿山爆破、顶板来压等）对巷道煤层层裂结构稳定性的影 响，建立了层裂板结构稳定性分析的动力微分控制方程，探讨了扰动频率、扰动 载荷幅值、扰动时间等对动力不稳定区域的影响规律，揭示了冲击矿压下巷道围 岩的诱发机理。该模型在一定程度上解释了发生冲击地压时，煤帮破坏的现象， 但其理论基于弹性屈曲模型，与现场煤岩体条件有一定的差异。因此在应用方面 受到限制。 1.2.2 岩石动态强度准则研究现状 岩石动力学是岩石力学的重要分支之一，主要研究岩体工程在地震、爆炸、 冲击地压岩爆等动力因素作用下，产生的应力、应变、位移、速度、加速度、 裂缝扩展等力学振动效应[13]。 通常应变率在1 10 s-1～1 104 s-1之间才属于岩石动 力学的研究范围。室内岩石力学实验在其静态本构方面都取得了较大的发展，但 由于动态岩石力学实验影响因素较多， 因此岩石动力学的研究在困难程度方面远 比静态情况下复杂[14]。 赵坚、 李海波[15]在岩石动态试验的基础上讨论了新加坡BukitTimah花岗岩对 莫尔-库伦、胡克-布朗强度准则的适应性。研究结果表明加载速率与动态强度 之间符合对数关系，即 ̇ ̇ ⁄ （式1-1） 式（1-1）中 -动态单轴抗压强度， ̇ 为加载速率（MPa/s）， ̇ 为准静 态加载速率（约为 - MPa/s）， 为准静态条件下的单轴抗压强