基于ANSYS的深部巷道稳定性数值模拟.pdf

第 2 8卷第 4期 2 O O 9年 4月 煤炭技术 C o a l T e c h n o l o g y Vl0 1 ． 2 8 。 No． 0 4 Ap r ， 2 O O 9 基于 A N S Y S的深部巷道稳定性数值模拟 杨海军，董长吉 黑龙江科技学院 资源与环境学院，哈尔滨 1 5 0 0 2 7 摘要 取得东海煤矿深部开采巷道顶底板煤岩样的实验室测试数据后 ， 根据 N M o h a m m a n d 等人得到的实验室测 试数据与原位测试结果的拟合结果， 确定了数值模拟中各层岩体的杨氏模量与泊松比， 根据 D r u c k e r P r tr 系列修 正屈服准则问的关系， 使用适于平面应变条件的相关准则， 确定了数值模拟中各层岩体的粘聚力及内摩擦角。在 此基础上， 使用有限元程序 A n s y s 对深部巷道顶底板的稳定性进行数值模拟， 在取得巷道变形实测数据后， 经 比较， 所得出的模拟结果与实际相符。 关键词 深部开采；DP 屈服准则；数值模拟；巷道稳定性 中图分类号 T D 8 0 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 ～8 7 2 5 2 o o 9 o 4 0 0 4 9 0 3 Nu m e r i c a l S i m u l a t i o n o f Ro a d wa y S t a b i l i t y i n De e p M i n i n g b a s e d 0 n A nS VS Y ANG Ha i j L I D ，D0 NG C h a n gi i C o l l e g e o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g， H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 2 7 -C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n fi t t i n g r e s u l t s o f l a ber a t o r y t e s t a n d i n． ． s i t u t e s t t h a t h a d b e e n c o mp l e t e d b y N Mo h a m．． ma n d，t h e y o u n g mo d u l u s a n d p o i s s o n r a t i o o f e a c h r o c k b o d y a r e d e t e r mi n e d ，a f t e r o b t a i n e d l a b o r a t o r y t e s t d a t a o f t h e d o n g h a i c o a l mi n e ．T h e d r u e k e r p r a g e r y i e l d c rit e rio n tha t e a r l b e u s e d i n p l a ne s t r a in Was a p p l i e d i n t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n ．t h e c o h e s i o n f o r c e and i n t e mal f r i c t i o n a n g l e￡ l l a t u s e d i n t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n a r e d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t o the r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e s e rie s o f mo d i fic a t i o n d r u c k e rp r a g e r y i e l d．Th e a n s y s i S u s e d t o e x e c u t e t h e n um e ri c a l s i mu l a t i o n tha t s t u d i e d t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e s t r e s s a n d s t r a i n of r o a d w a y s t a b i l i t y i n d e e D mi n i n g ．Th e me asu r e d d e f o r ma t i o n d a t a s h o w s tha t the r o a d w a y山e s i mu l a t l o n r e s u l t s e q u a t e s t h the f a c t ． Ke y wo r ds d e e p mi n i n g ；d r u c k e r p r a g e r y i e l d c rit e rio n；n u me ri c al s i mu l a ti o n；r o a d wa y s t a b i l i t y 0 引言 龙煤矿业集团鸡西分公司东海煤矿位于鸡西煤 4 微机测温的计算 田北部条带东端 ， 目前开采二水平下山阶段 ， 其 中二 水平下山 3 2 ， 3 5层 五采 区四段 开采深度 已经达到 1 0 5 0 m。笔者就深部开采巷道围岩的受力、 变形及 由于 K5 0 ， 则 u s 觚 7 将式 7 代人式 6 并代入相应参数值 ， 经过整 理得 1 ． 1 6 0 40 ． O 1 1 7 2 u s t 7 8 ． 9 4 2 ，一7 8 1 6 ． 0 4 t 0 。 8 式 8 即是所要推导的 t f 的函数式 。利 用此式只要对 A ／ D或 V ／ F检测 出 的值 ， 可以计 算出测量温度值 t 一b一 ／ b 一4 a c ／ 2 a 。由于 微机采用节点浮点数进行计算 ， 从而可求 出铂热电 阻的实际温度值 。 5 实际应用 根据 以上的铂热电阻测温电路的设计 ， 进行实 际应用测试。以实际温度为 0～6 3 0 C进行测试计 算 ， 计算结果如表 1 。 表 1 表达式取值表 从表 中可以看 出在 06 3 0 0 2 范 围内测量温 度 的最大绝对误差为 0 ． o 4 ， 使 系统 具有较小 的误差 ， 较高的测量精度。 6 结束语 铂热电阻测温电路 的设计 ， 由于采用三导线单 臂电桥测量的微机测温计算， 误差为 O ． o 4 ， 使i 见 4 量 误差最小， 精度高， 保证热电厂热控安全稳定运行。 参考文献 [ 1 ] 陈勤奇 ． 热力过程 自动化 [ M ] ． 北京 水利电力 出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 2 ] 沈 自钧 ， 徐书菘 ． 热工 自动化仪表[ M] ． 北京 水利 电力出版社 ， 1 9 8 5． 责任编辑王秀丽 收稿 日期 2 0 0 8 1 1 0 9 ； 修订 日期 2 0 0 9 0 1 2 0 作者简介 杨海军 1 9 8 2 一 ， 男 ， 内蒙古凉城人 ， 硕士研究生， 研究方向 煤岩体数值模拟 ， T e l 1 5 0 4 5 1 0 4 9 1 5 ，Em a i l h y h j 1 6 3． c o rno ‘ 5 0 ‘ 煤炭技术 第 2 7 卷 其稳定性进行数值模拟 。 1 D r u c k e r P r a g e r 屈服准贝 4 大量的实验和工程实践 已证实 ， M o h r C o u l o m b 强度理论 简称 MC强度理论 能较好地描述岩土 材料的强度特性 ， 因而在岩土工程领域得到了广泛 的应用u 』 。 M o h r C o u l o mb 屈服准贝 0 F1 ／ 3 1 1 s i n q c o s 一1 ／ 4 3 s i n 0 , s i n q 9 ／ I， 2 一 C C O S 0 n ／ 6 ≤ ≤n ／ 6 1 式中 ， 应力张量 的第一不变量 ； t ， 应力偏量 的第二不变量 ； 应力洛德角。 由于 MC准则在 平面上 的图形为不等角六 边形 ， 存在尖顶 和菱角 ， 给数值计算带来 困难。为 此 ， 前人对其修正， 在 平面上用光滑曲线来逼近 M C准则 J 。 其中的 D mc k e r P r a g e r DP 系列准则在应力 空间中的屈服面是一系列圆锥面， 在 兀平面上是一 系列圆- 3 J 。它主要包括以下几种 图 1 ①MC外 角点外接 圆准则 D P 1 ②MC内角点外接圆准则 D P 2 ； ③MC内切圆准则 D P 3 ， ④MC等面积 圆准则 D P 4 ， ⑤MC匹配 D P圆 D P 5 。 在单向压缩及常规三轴压缩等满足 仃 条件的应力状态下 ， D P 1 是与 MC准则匹配 的； 在单 向拉伸及常规三轴拉伸等满足 条 件的应力状态下 ， D P 2 与 MC准则匹配； 在平面应 变条件的关联流动法则下， D P 3与 MC准则匹配； 而在非关联流动法则下 膨胀角 0 ， D P 5与 M C准则匹配 ； 在实际分析中与 MC准则匹配的 D P 4 所对应的应力状态没有明显的物理意义 ， 它只是一 种与 MC准则近似等效 的准则 J 。 图 1 DP系 列修 正 屈 服 准 则 2 数值模拟边界条件及模拟对象确定 2 ． 1 模型建立及边界条件的确定 模拟地下 1 0 0 0 m处巷道的受力情况， 巷道问 题符合 平面应 变 问题 ， 为 了简化计算 与分析 过 程 ] ， 将该问题按平面应变问题处理。模型范围 宽 度取 3 0 m， 厚度取 2 6 m。巷道宽 4 m， 中高 3 ． 9 I3 3 ， 拱 形断面 。上边界施加上覆岩层 自重 ， 下边界施 加 Y方向的位移约束 ， 左右边界施加水平荷载。各岩 层力学参数见表 1 。 表 1 各岩层 力学参数 2 ． 2 数值模拟中岩体参数的确定 2 ． 2 ． 1 上覆 岩层 自重 模拟地下 1 0 0 0 m， 取水平应力与垂直应力相等 的静水压力状态 8 J 。 巷道围岩垂直压力 ， 巷道围岩水平压力 r H 2 5 M P a 2 r H 3 式中 r 上覆岩石平均容重 ； 埋深。 2 ． 2 ． 2 杨氏模量与泊松比的确定 岩石与岩体力学参数的关 系， 岩体力学参数与 围压的关系， 是岩石力学中尚未 很好解决 的难 题。 如何正确选取围岩力学参数一直是数值模拟分析法 中具有共性 的问题[ 9 ] 。岩体参数选取的正确与否 ， 直接关系到最终计算结果的正确性。 对于岩石与岩体力学参数的关系， 一般都认为 诸如弹性模量、 粘聚力和抗拉强度等煤岩体力学性 质的参数取值往往 只有煤岩块相应参数值 的 1 ／ 5 ～ 1 ／ 3 ， 而煤岩体 的泊松 比一般为煤岩块泊松 比的 1 ． 2 ～ 1 ． 4倍。以下结果是 N Mo h a mm a n d 在大量试验结 果基础上得出的， 并成功应用于数值模拟中l5 ] 。 1 现场测试 的杨氏模量 Y 和实验 室测试 的 杨氏模量 之间符合方程 Y0 ． 4 6 9 x ； 2 现场测试 的 白松 比 Y 和实验室测试 的泊 松比 之间几乎符合方程 Y 。 根据以上拟合结果 ， 在实验室所得数据的基础 上进行转换 ， 就可得到模拟 中使用的杨氏模量与泊 松比， 调整后的数值参数见表 2 。 2 ． 2 ． 3 粘聚力及 内摩擦 角的确定 用 D P 3准则进行计算 ， c ， 为岩土实际的粘 聚力及 内摩擦角参数 ， 其 a， k表示为 1 一 4 口 ■ 二 ＼ ， √ 3 、 ／ 3 ． s l k 5 1 一一 r 一 ＼ ， ‘ √ 3 √3 s i d 1 第 4期 杨海军， 等 基于 A N S Y S的深部巷道稳定性数值模拟 5 l D P 1 准则的 ， 表示为 。 O 口 ， _ _ ＼， ‘ ,／ 3 , ／ 3 一 s i n q 2 7 ，0 ， 一 一- 、 ， ， 。 √ 3 , ／3 一s i n e ， 令 a a 、 ， 联立两个等式 ， 可求解得到 c ， ， 如此便在 A N S Y S中使用 D P 3 屈服准则进行 有限元计算 。数值模拟中使用的粘聚力及 内摩擦角 见表 2 。 表 2 调整后的参数表 3 模拟结果分析 3 ． 1 数值模拟结果分析 通过有限元分析计算 ， 得到 Y o n M i s e s 应力 、 水 平应力 、 竖直方向应力及 Y方 向剪应力图， 如下 图 2 ， 3 ， 4 ， 5 所 示 。 图 2 V o n M i s e s 应 力 图 3 水平应力 图 4 竖直方向应 力 图 5 Y方 向剪应力 通过定量计算 ， 作出以下定性分析 1 根据 V o n Mi s e s 应力分布图 ， 巷道 围岩的应 力呈圈状递减分布在巷道周围 ， 最大应力分布在离 巷道壁最近的圈状范围内， 特别是在深部巷道的顶 板较大 ， 可以判断深部巷道顶板容易发生破坏。 2 根据水平应力分布图 ， 最大水平应力发生在 两帮附近， 两帮容易发生片帮。 3 根据竖直方向应力分布图 最大竖向应力发 生在巷道底板附近 ， 在此应力作用下 ， 巷道极易发生 底鼓现象。 3 ． 2 现场状况 1 巷道顶板层状破碎 巷道掘进后顶板破碎严重 ， 维护工程量大 。由 于开采深度达到 1 0 0 0 i n以上 ， 巷道围岩压力 大， 两 帮向巷道内移动 ， 使顶板岩层挤压破坏。顶板岩层 出现挤压脱落破坏。 2 巷道两帮围岩向巷道内挤 出 巷道两帮严重向巷道内部挤 出。两帮岩体在高 应力作用下沿与层理垂直方 向发生与巷道走 向成一 定角度 角度不大 的分层断裂 ， 裂隙间距大 ， 最大裂 隙达到 3 0 0 n l i n以上 。围岩松动范围大， 部分断面围 岩松动破坏范围达到 3 ． 0 m。巷道两帮的破坏状态 应证了数值模拟中水平应力 的分布。 3 巷道底鼓 巷道普遍 出现底鼓 现象， 多次进行 卧底 维修。 底鼓现象的发生应证了数值模拟中竖直方 向应力的 分布情况。 4 结论 1 使用 了经过换算的杨 氏模量、 白 松 比、粘 聚力、内摩擦角等岩体力学参数进行深部巷道的数 值模拟，所得模拟结果在巷道的顶板 、两帮、底板 均得到了很好 的验证 ，说 明模拟结果与实际相符 ， 使用换算后的参数进行深部巷道的稳定性模拟分析 是可行的。 2 在 A n s y s 等有限元程序 中， 相邻界面只能位 移协调 ， 对于奇异性问题 应力 出现间断 的处理 比 较麻烦 ， 不能对非连续的状态 岩体断裂 ， 破坏的状 态 作 出准确的分析。 参考文献 [ 1 ] 盛和泰， 喻海 良， 范 训益 ． AN S Y S有 限元原理 与工程应 用实例 大全 [ M] ． 北京 清华 大学 出版社 ． 2 O 0 6 ． [ 2 ] 邓楚键 ， 何 国杰 ， 郑颖人 ． 基于 MC准则 的 DP系列 准则在 岩土工程中的应用研究 [ J ] ． 岩土工程 学报 ，2 O O 6 ， 2 8 6 ． [ 3 ] 召传庆 ． 三峡地 下 电站 围岩稳定分 析及其 变形预测研 究 [ D] ． 南京 河海大学 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 李维涛 ． 深基坑工程三维仿真分析 系统 开发研究[ D] ． 上 海 同 济大学 ， 2 O O 7 ． [ 5 ] 谢文兵 ， 陈晓祥 ， 郑 百生 ． 采矿 工程 问题数值模 拟研究 与分 析 [ M ] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 孙广义， 陈剐， 于蒲喜． 深部开采巷道断面优化设计与 应用研究 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 0 8 ， 9 5 7 6 0 ． [ 7 ] 尹光志， 代高飞， 万玲 ， 等． 南桐煤矿开采岩移规律的数值模拟 [ J ] ． 重庆大学学 报 自然科学版 ， 2 0 0 1 ， 2 4 5 6 46 8 ． [ 8 ] 耿养谋， 马植胜， 刘庚 ． 煤层巷道锚杆支护稳定性数值模拟研究 [ J ] ． 辽宁工程技术大学学报， 2 O O 4 ， 2 3 0 1 4 4 4 6 ． [ 9 ] 刘建华． 岩体力学行为拉格朗日分析方法研究与工程应用 [ D ] ． 山东 山东大学， 2 0 0 6 ． 责任编辑王 秀丽