3 模型邊界的合理確定ppt課件

1、第三章第三章 模型邊界的合理確定模型邊界的合理確定 邊界分為兩類：真實的和人工的。邊界分為兩類：真實的和人工的。 真實邊界存在于被模擬的客觀對象中，如隧道表面或者地表。真實邊界存在于被模擬的客觀對象中，如隧道表面或者地表。 人工邊界實際上并不存在，但必須引入它們以便包圍研究的區(qū)域。人工邊界實際上并不存在，但必須引入它們以便包圍研究的區(qū)域。 模型幾何條件必須充分代表所研究的物理問題，反映研究區(qū)域的主導模型幾何條件必須充分代表所研究的物理問題，反映研究區(qū)域的主導機理。人工邊界分為兩類：對稱線和截斷線。機理。人工邊界分為兩類：對稱線和截斷線。 合理確定模型的邊界可以達到事半功倍的效果。這樣處理有以下

2、一合理確定模型的邊界可以達到事半功倍的效果。這樣處理有以下一些優(yōu)點：些優(yōu)點： (1)(1)可以大幅度地減小模型尺寸，大大減小數值模擬的計算工作量?？梢源蠓鹊販p小模型尺寸，大大減小數值模擬的計算工作量。后面的分析結果表明，模型的左、右及下邊界都存在一個合理的范圍，后面的分析結果表明，模型的左、右及下邊界都存在一個合理的范圍，模型的上邊界也不需要取至地表。模型的上邊界也不需要取至地表。 (2)(2)可以很容易地確定模型的邊界條件?？梢院苋菀椎卮_定模型的邊界條件。 (3)(3)這種處理簡便易行，有章可循。這種處理簡便易行，有章可循。 (4)(4)模型范圍給模擬結果帶來的誤差較小。模型范圍給模擬結果

3、帶來的誤差較小。 第三章第三章 模型邊界的合理確定模型邊界的合理確定第一節(jié)第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律開采引起的覆巖移動變形規(guī)律一、采動巖層的三帶一、采動巖層的三帶(一一)冒落帶冒落帶(二二)裂隙帶裂隙帶(又稱斷裂帶又稱斷裂帶) (三三)彎曲帶彎曲帶(又稱整體移動帶又稱整體移動帶) 第一節(jié)第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律開采引起的覆巖移動變形規(guī)律二、充分采動與非充分采動二、充分采動與非充分采動圖3-2 充分采動角及確定方法示意圖(a)走向充分傾向非充分采動；(b)充分采動角確定方法第一節(jié)第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律開采引起的覆巖移動變形規(guī)律三、巖層移動范圍三、巖層移動范圍通常用邊

4、界角、移動角圈定移動盆地的邊界。 圖3-3 地表移動盆地與邊界角、移動角示意圖第一節(jié)第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律開采引起的覆巖移動變形規(guī)律四、覆巖破壞高度四、覆巖破壞高度五、地表點的移動軌跡五、地表點的移動軌跡第一節(jié)第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律開采引起的覆巖移動變形規(guī)律 (1)當工作面由遠處向A點推進、移動波及到A點時，地表下沉速度由小逐漸變大，A點的移動方向與工作面推進方向相反，此為移動的第I階段。 (2)當工作面通過A點正下方(如2處)繼續(xù)向前推進時，地表下沉速度迅速增大，并逐漸達到最大下沉速度，A點的移動方向近于鉛垂方向，此為移動的第階段。 (3)當工作面繼續(xù)向前推進，逐漸遠

5、離地表點A后，點A的移動方向逐漸與工作面推進方向相同，此為移動的第階段。 (4)當工作面遠離地表點達到一定距離后，回采工作面對A點的影響逐漸消失，點A的移動停止，此為移動的第階段。穩(wěn)定后，點A的位置在其起始位置的正下方附近，一般略微偏向回采工作面停止位置一側。五、地表點的移動軌跡五、地表點的移動軌跡第二節(jié)第二節(jié) 單個巷道的影響范圍單個巷道的影響范圍深埋地下工程的力學特點：深埋地下工程的力學特點： (1)可視為無限體中的孔洞問題?？锥锤鞣较虻臒o窮遠處，仍為原巖體?？梢暈闊o限體中的孔洞問題?？锥锤鞣较虻臒o窮遠處，仍為原巖體。 (2)當埋深當埋深z等于或大于巷道半徑或其寬、高之半的等于或大于巷道半徑

6、或其寬、高之半的20倍以上時，巷道影倍以上時，巷道影 響范圍響范圍(35Ro)以內的巖體自重可以忽略不計，原巖水平應力可以認為均以內的巖體自重可以忽略不計，原巖水平應力可以認為均勻分布。勻分布。 (3)深埋的水平巷道長度較長時，通常可作為平面應變問題處理。深埋的水平巷道長度較長時，通?？勺鳛槠矫鎽儐栴}處理。第二節(jié)第二節(jié) 單個巷道的影響范圍單個巷道的影響范圍圖3-6 軸對稱圓巷的條件第二節(jié)第二節(jié) 單個巷道的影響范圍單個巷道的影響范圍 巷道周邊切向應力為最大應力，且與巷道半徑無關。周邊應力集中系巷道周邊切向應力為最大應力，且與巷道半徑無關。周邊應力集中系數數k2rZrZ2，為次生應力場的最大應力

7、集中系數。以，為次生應力場的最大應力集中系數。以高于高于1.05rZ或低于或低于0.95rZ為影響圈邊界。為影響圈邊界。 若以若以1.1rZ為影響圈邊界，則得：為影響圈邊界，則得：r3Ro第二節(jié)第二節(jié) 單個巷道的影響范圍單個巷道的影響范圍 應力解除試驗，常以應力解除試驗，常以3R0作為影響圈邊界，確定鉆孔長度。有限單元作為影響圈邊界，確定鉆孔長度。有限單元法常在法常在5Ro的區(qū)域內劃分單元。上述結果為此提供了粗略的定量依據。的區(qū)域內劃分單元。上述結果為此提供了粗略的定量依據。 考慮到實際巖體的非均質性以及巖體中含有大量的節(jié)理裂隙面，建立考慮到實際巖體的非均質性以及巖體中含有大量的節(jié)理裂隙面，建

8、立數值分析模型時，單個巷道的模型范圍可根據實際地質條件取數值分析模型時，單個巷道的模型范圍可根據實際地質條件取510R0或以上?；蛞陨?。第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法圖3-7 采動影響下模型范圍確定示意圖1-冒落帶；2-斷裂帶；3-彎曲帶第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法一、模型上邊界的確定一、模型上邊界的確定 相似材料模型的上邊界，所加載荷的大小為未鋪設巖層的重量。同樣，相似材料模型的上邊界，所加載荷的大小為未鋪設巖層的重量。同樣，數值模擬通常采用與相似材料模擬實驗相類似的簡化方法，將

9、未模擬巖層數值模擬通常采用與相似材料模擬實驗相類似的簡化方法，將未模擬巖層簡化為均布載荷加在數值模型的上邊界。簡化為均布載荷加在數值模型的上邊界。 但在什么條件下，這些簡化才是合理的呢但在什么條件下，這些簡化才是合理的呢?研究結果表明，當覆巖中無關鍵層時，上部巖層可以簡化為均布載荷，研究結果表明，當覆巖中無關鍵層時，上部巖層可以簡化為均布載荷，當覆巖中有關鍵層時，只有主關鍵層上部巖層可以簡化為均布載荷加在當覆巖中有關鍵層時，只有主關鍵層上部巖層可以簡化為均布載荷加在模型上邊界。對于有典型關鍵層的情況，這一研究結果可以指導巖層移模型上邊界。對于有典型關鍵層的情況，這一研究結果可以指導巖層移動模擬

10、研究中的加載。動模擬研究中的加載。模型上邊界應取在導水裂隙帶模型上邊界應取在導水裂隙帶HliHli之上，即圖之上，即圖3-73-7中中h1Hlih1Hli導水裂隙帶高度。導水裂隙帶高度。 第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法二、采空側模型邊界的確定二、采空側模型邊界的確定圖3-8 半無限開采實際建立模型時，根據充分采動角和模型的上邊界位置確定模型采空側實際建立模型時，根據充分采動角和模型的上邊界位置確定模型采空側的位置，即：的位置，即：第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法三、煤柱側模型邊界的確定

11、三、煤柱側模型邊界的確定煤柱側巖層移動范圍，用移動角圈定。 煤柱側模型邊界或全斷面模型兩側的煤柱側邊界按下式確定：第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法四、模型下邊界的確定四、模型下邊界的確定 (一一)基于基于“下三帶實際下三帶實際根據根據“下三帶對底板含水層導水性的影響可分為：下三帶對底板含水層導水性的影響可分為： (1)底板導水破壞帶底板導水破壞帶h1。煤層底板受開采礦壓作用，巖層連續(xù)性遭受破壞，其導水性。煤層底板受開采礦壓作用，巖層連續(xù)性遭受破壞，其導水性因裂隙產生而明顯改變。促使導水性明顯改變的裂隙在空間分布的范圍稱底板導水破壞因裂隙產生

12、而明顯改變。促使導水性明顯改變的裂隙在空間分布的范圍稱底板導水破壞帶。自開采煤層底面至導水裂隙分布范圍最深部邊界的法線距離稱為帶。自開采煤層底面至導水裂隙分布范圍最深部邊界的法線距離稱為“導水破壞帶深導水破壞帶深度度”，簡稱底板破壞深度。，簡稱底板破壞深度。 (2)保護帶保護帶h2。是指底板保持采前完整狀態(tài)及其原有阻水性能不變的那部分巖層。此。是指底板保持采前完整狀態(tài)及其原有阻水性能不變的那部分巖層。此帶位于第帶位于第I、帶之間。此帶巖層雖然也受礦壓作用，或許有彈性甚至塑性變形。但其帶之間。此帶巖層雖然也受礦壓作用，或許有彈性甚至塑性變形。但其特點是仍保持采前巖層的連續(xù)性，其阻水性能未發(fā)生變化

13、，而起著阻水保護作用，故稱特點是仍保持采前巖層的連續(xù)性，其阻水性能未發(fā)生變化，而起著阻水保護作用，故稱其為有效保護層帶或阻水帶。其為有效保護層帶或阻水帶。 (3)承壓水導升帶承壓水導升帶h3。承壓水可沿含水層頂面以上隔水巖層中的裂隙導升，導升承壓。承壓水可沿含水層頂面以上隔水巖層中的裂隙導升，導升承壓水充水裂隙分布的范圍稱為承壓水導升帶。水充水裂隙分布的范圍稱為承壓水導升帶。第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法四、模型下邊界的確定四、模型下邊界的確定 (二二)經驗法確定底板導水破壞深度經驗法確定底板導水破壞深度 h1=0.7007 + 0.10

14、79L或或 h1=0.0085H + 0.1665a + 0.1079L + 4.3579式中：式中： h1底板導水破壞深度，底板導水破壞深度，m； L開采工作面斜長，開采工作面斜長，m； H開采深度，開采深度，m； a開采煤層傾角，開采煤層傾角，()。 公式適用范圍為：采深公式適用范圍為：采深1001000m，傾角，傾角430，一次采厚，一次采厚0.93.5m，分層開采總厚小于，分層開采總厚小于10m。第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法四、模型下邊界的確定四、模型下邊界的確定 (三三)基于采場端部巖體破壞區(qū)理論基于采場端部巖體破壞區(qū)理論 圖

15、3-9 采場應力計算簡圖第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法1.平面應力狀態(tài)下采場邊緣破壞區(qū)平面應力狀態(tài)下采場邊緣破壞區(qū)四、模型下邊界的確定四、模型下邊界的確定 (三三)基于采場端部巖體破壞區(qū)理論基于采場端部巖體破壞區(qū)理論 采場邊緣底板巖體的最大破壞深度： 2.平面應變狀態(tài)下采場邊緣破壞區(qū)平面應變狀態(tài)下采場邊緣破壞區(qū) 采場底板破壞深度h為： 第三節(jié)第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法五、考慮巷道時模型邊界的確定五、考慮巷道時模型邊界的確定 巖體巖體( (煤體煤體) )被采出以后，引起周圍巖體應力重新分

16、布。位于工作面被采出以后，引起周圍巖體應力重新分布。位于工作面周圍的巷道，包括底板巖巷和用煤柱保護的巷道，都將受到采動的強烈周圍的巷道，包括底板巖巷和用煤柱保護的巷道，都將受到采動的強烈影響。影響。 此時，包含采動影響巷道在內的模型邊界，應根據采動影響的模型此時，包含采動影響巷道在內的模型邊界，應根據采動影響的模型邊界和巷道掘進影響的模型邊界共同確定。采動影響的模型邊界確定方邊界和巷道掘進影響的模型邊界共同確定。采動影響的模型邊界確定方法同前。受采動強烈影響巷道的影響邊界，應是均質巖體不受采動影響法同前。受采動強烈影響巷道的影響邊界，應是均質巖體不受采動影響時的時的l l2 2倍。倍。第三節(jié)第

17、三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法采動影響下模型邊界位置的合理確定方法六、施加位移邊界條件時模型邊界的確定六、施加位移邊界條件時模型邊界的確定 采用上述方法確定模型邊界范圍，主要目的是研究分析工作面開采引起周圍采用上述方法確定模型邊界范圍，主要目的是研究分析工作面開采引起周圍巖體的位移和應力變化規(guī)律，以及對工作面周圍巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。此時巖體的位移和應力變化規(guī)律，以及對工作面周圍巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。此時在模型的上邊界施加應力邊界條件。在模型的上邊界施加應力邊界條件。 如果分析的目的主要是研究工作面開采后圍巖的破壞形態(tài)，以及采場支架與如果分析的目的主要是研究工作面開采后圍巖的破壞形

18、態(tài)，以及采場支架與圍巖穩(wěn)定性的關系，則在模型的上邊界可以施加位移邊界條件，此時模型邊界圍巖穩(wěn)定性的關系，則在模型的上邊界可以施加位移邊界條件，此時模型邊界可以距工作面或巷道近一些。巷道的影響范圍可以按可以距工作面或巷道近一些。巷道的影響范圍可以按3倍巷道半徑考慮。工作面倍巷道半徑考慮。工作面開采時模型上邊界可以按冒落帶高度確定，冒落帶高度按表開采時模型上邊界可以按冒落帶高度確定，冒落帶高度按表3-1計算。模型的左計算。模型的左右邊界可按模型上邊界高度作適當調整，并視情況可適當縮小。模型的下邊界右邊界可按模型上邊界高度作適當調整，并視情況可適當縮小。模型的下邊界可按底板破壞深度的可按底板破壞深度

19、的0.50.8倍確定。倍確定。 對于實際更為復雜采礦工程問題數值模擬中的模型邊界問題仍可參照上述方對于實際更為復雜采礦工程問題數值模擬中的模型邊界問題仍可參照上述方法確定。法確定。 第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析 (一一)分析模型及參數分析模型及參數 1.分析模型分析模型 該工作面主采該工作面主采3#3#煤層，埋藏深度煤層，埋藏深度330m330m，煤層厚度，煤層厚度6.07m6.07m，直接頂為泥巖，厚度，直接頂為泥巖，厚度3m3m，基，基本頂為中細砂巖，厚度本

20、頂為中細砂巖，厚度6m6m，直接底為細砂巖，厚度，直接底為細砂巖，厚度5.0m5.0m，工作面長度為，工作面長度為220m220m。工作面從。工作面從模型左邊向右推進，為半無限開采。模型左邊向右推進，為半無限開采。 根據根據23382338工作面的實際地質條件和導水裂隙帶計算公式，確定模型的高度為工作面的實際地質條件和導水裂隙帶計算公式，確定模型的高度為95m95m。根。根據該礦的巖層移動角把煤柱側模型邊界分別取在巖層移動角影響范圍之內據該礦的巖層移動角把煤柱側模型邊界分別取在巖層移動角影響范圍之內( (右邊界右邊界1)1)、巖層移動角影響邊界上巖層移動角影響邊界上( (右邊界右邊界2)2)和

21、巖層移動角影響邊界之外和巖層移動角影響邊界之外( (右邊界右邊界3)3)三種情況，分別三種情況，分別建立三個模型，稱為模型一、模型二和模型三。模型具體情況如圖建立三個模型，稱為模型一、模型二和模型三。模型具體情況如圖3 31010所示。所示。第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析 (一一)分析模型及參數分析模型及參數 1.分析模型分析模型 圖3-10 分析模型第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影

22、響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析 2.有關參數的確定有關參數的確定 (一一)分析模型及參數分析模型及參數巖巖 層層密度密度/kgm-3彈模彈模MPa泊松比泊松比內摩擦角內摩擦角()抗拉強度抗拉強度MPa粘聚力粘聚力MPa細砂巖細砂巖2500220000.222445.2煤煤 層層130031000.3351.21.0砂砂 巖巖2500220000.233l35.4中細砂中細砂2500230000.233226.4粗砂巖粗砂巖2600460000.233848.6表3-4 各巖層力學參數 為了便于分析，模型中設置了為了便于分析，模型中設置了3條監(jiān)測線，在煤層上方條監(jiān)測線，在煤層上

23、方4m的基本頂巖層中設置的基本頂巖層中設置a-a剖面線，在停采線上方煤層頂板巖層中設置剖面線，在停采線上方煤層頂板巖層中設置b-b剖面線，在右邊界剖面線，在右邊界1附近設置附近設置c-c剖面線，見圖剖面線，見圖3-10。第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析(二二)模擬結果分析模擬結果分析圖3-11 a-a剖面線垂直應力分布圖第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬

24、結果的影響分析(二二)模擬結果分析模擬結果分析圖3-12 a-a剖面線上豎向位移分布圖第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析(二二)模擬結果分析模擬結果分析圖3-13 a-a剖面線上煤柱上支承壓力最大值變化第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析(二二)模擬結果分析模擬結果分析圖3-14 b-b剖面線上垂直應力分布圖第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果

25、的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析(二二)模擬結果分析模擬結果分析圖3-15 c-c剖面線水平應力分布圖第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析圖3-16 c-c剖面線水平移分布圖一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析(二二)模擬結果分析模擬結果分析第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析圖3-17 c-c剖面線上各點垂直位移圖一、煤柱側模型邊界位置對模擬結果的影響分析一、煤柱側模型

26、邊界位置對模擬結果的影響分析(二二)模擬結果分析模擬結果分析第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型邊界位置對模擬結果的影響分析二、模型上邊界位置對模擬結果的影響二、模型上邊界位置對模擬結果的影響為了分析模型上邊界位置對模擬結果的影響，分別建立了三個模型。為了分析模型上邊界位置對模擬結果的影響，分別建立了三個模型。模型一：模型邊界取至地表。模型一：模型邊界取至地表。模型二：該工作面上覆巖層屬中硬巖層，采用相應的覆巖導水裂隙模型二：該工作面上覆巖層屬中硬巖層，采用相應的覆巖導水裂隙帶高度計算公式：帶高度計算公式： 把把M6m代人到上面二式，可得到代人到上面二式，可得到Hli45m或或Hli59m，可見，導，可見，導水裂隙帶高度在煤層上方水裂隙帶高度在煤層上方4559 m范圍，因此，模型上邊界取到煤層上范圍，因此，模型上邊界取到煤層上方方60m，60m以上巖層直至地表以均布載荷形式加在模型上邊界。以上巖層直至地表以均布載荷形式加在模型上邊界。 模型三：數值模型上邊界取到煤層上方模型三：數值模型上邊界取到煤層上方10m(在導水裂隙帶內在導水裂隙帶內)，10m以以上巖層直至地表以均布載荷形式加在模型上邊界。上巖層直至地表以均布載荷形式加在模型上邊界。第四節(jié)第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結果的影響分析模型