12081工作面煤巖體力學(xué)參數(shù)的選取及UDEC數(shù)值模擬分析

1、12081工作面煤巖體力學(xué)參數(shù)的選取及UDEC數(shù)值模擬分析摘要:由于12081采場(chǎng)圍巖運(yùn)移的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)反映的只是某一方面或者幾方面的規(guī)律，對(duì)頂板活動(dòng)難以有一個(gè)全面了解。研究方法采用相似模擬只能在部分方面取得較好的成果，但是會(huì)消耗較高成本。實(shí)驗(yàn)周期經(jīng)較長(zhǎng)，并且一次只能模擬一種狀態(tài)。近年來(lái)，采用數(shù)值模擬方法能得到相似模擬所達(dá)不到的效果。關(guān)鍵詞:煤巖體力學(xué)參數(shù)模擬分析由于12081采場(chǎng)圍巖運(yùn)移的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)只能反映某一些方面或某幾方面的規(guī)律，難能對(duì)頂板活動(dòng)有一個(gè)全面的了解。采用相似模擬的研究方法，雖然在某些方面能取得很好的效果，但是，模擬的成本高，實(shí)驗(yàn)周期經(jīng)較長(zhǎng)，并且一次只能模

2、擬一種狀態(tài)。近年來(lái)，采用數(shù)值模擬方法能得到相似模擬所達(dá)不到的效果。本次采用UDEC數(shù)值模擬方法，研究不同初撐力條件下，上覆巖層的穩(wěn)定性。1煤巖體力學(xué)參數(shù)的選取1.1煤巖體力學(xué)參數(shù)的選取關(guān)于巖體參數(shù)的參考值，其材料特性滿足庫(kù)侖一摩爾準(zhǔn)則。確定模型材料參數(shù)如表1所示。1.2節(jié)理和角點(diǎn)圓弧化可以將巖石塊體之間的接觸面認(rèn)為是節(jié)理。根據(jù)不同的粗糙程度個(gè)別的接觸點(diǎn)構(gòu)成接觸面系，通常兩個(gè)端點(diǎn)的接觸可以代表，端點(diǎn)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候發(fā)生相對(duì)的法向位移和切向位移。塊體不僅會(huì)有面接觸還有點(diǎn)接觸，不管是點(diǎn)還是面的接觸，都會(huì)有數(shù)學(xué)上的奇異性，點(diǎn)接觸會(huì)引起計(jì)算上的應(yīng)力集中，但是實(shí)際情況是,尖角在力的作用下被折斷鈍化，因此還要

3、將圓弧化處理加入到角點(diǎn)的計(jì)算中。圓弧化處理角點(diǎn)之后，可以將圓弧的中心道邊的垂線和邊的交點(diǎn)作為邊和角的接觸點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)方向也就是垂線方向。兩個(gè)焦點(diǎn)的接觸點(diǎn)可以取兩個(gè)圓弧中心的聯(lián)機(jī)和圓弧交線的交叉點(diǎn)。經(jīng)過(guò)圓弧化處理的角點(diǎn)增加了計(jì)算的時(shí)間，但是角點(diǎn)接觸的奇異性被消除，這樣的計(jì)算和實(shí)際接觸點(diǎn)的物理圖像更加符合。本次模擬時(shí)round取值0.2。1.3剛度系數(shù)在UDEC中節(jié)理的法向和切向剛度系數(shù)kn和ks的正確選取是至關(guān)重要的。如果剛度系數(shù)取得太大，剛體塊將連接成為一個(gè)整體，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)可言；如果取得太小了，則剛體塊將成為一盤散沙，相互間沒(méi)有約束。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則，剛度系數(shù)最大可取為剛度最大的鄰接塊體之

4、間的等值剛度的十倍，即有：kn,ks<10.0max(K+4G/3)/Zmin式中:K為體積模量;G為剪切模量；Zmin為節(jié)理兩側(cè)塊體單元的最小寬度。如果取用太大的剛度系數(shù)，會(huì)將大幅增加計(jì)算時(shí)間，卻不會(huì)改變物理圖像。但是如果取用太小的剛度系數(shù)，時(shí)步會(huì)被增大，加快計(jì)算速度,但是節(jié)理過(guò)軟”塊體間嵌入”太多，與實(shí)際情況不符。剛度系數(shù)對(duì)于不同的巖石其變化是很大的。對(duì)于軟弱粘土夾層可為10100MPa/m。而對(duì)于花崗巖或玄武巖等的致密節(jié)理，則剛度系數(shù)甚至可以超過(guò)100GPa/moUDEC中的剛度系數(shù)不同于一般彈性體的剛度系數(shù)，它僅僅作為單元間傳遞力的因子。剛度系數(shù)應(yīng)取足夠大，以使計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定值

5、。同時(shí)考慮到計(jì)算費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性，在滿足精度和穩(wěn)定收斂要求的前提下,宜盡量減小塊體剛度，剛度系數(shù)一般取10101011n/m較為適宜。計(jì)算中剛度系數(shù)取值1010。2UDEC數(shù)值模擬2.1低初撐力狀態(tài)模擬根據(jù)實(shí)測(cè)單體支柱平均支護(hù)力為13.8kN,采用UDEC進(jìn)行了數(shù)值模擬，按單體支柱平均支護(hù)力為90kN,采用UDEC進(jìn)行了數(shù)值模擬。2.2 UDEC模擬結(jié)果分析從模擬結(jié)果可以得出，低支護(hù)力狀態(tài)下，頂板離層，平衡結(jié)構(gòu)形成的層位相對(duì)較低，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，遇斷層或特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖體時(shí)，容易出現(xiàn)頂板事故。高支護(hù)力狀態(tài)下，平衡結(jié)構(gòu)的層位相對(duì)較高，對(duì)工作面的影響也較小，工作面變形量也較小，工作環(huán)境大大改善。采

6、場(chǎng)圍巖運(yùn)移是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，動(dòng)態(tài)過(guò)程有兩層內(nèi)容，一是隨著時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程；二是隨支護(hù)力不同而變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。如圖1所示為低支護(hù)載荷條件下圍巖運(yùn)移狀態(tài)，支護(hù)頂板距平衡結(jié)構(gòu)812m,平衡結(jié)構(gòu)對(duì)采場(chǎng)的影響較大，由于支護(hù)力過(guò)小，頂板易發(fā)生離層，支護(hù)狀態(tài)差。如圖2為合理支護(hù)條件下圍巖運(yùn)移狀態(tài)，平衡結(jié)構(gòu)下方巖層厚度為1519m,距離支柱較遠(yuǎn)，支柱上方頂板發(fā)生離層的可能性較小，采場(chǎng)處于安全狀態(tài)下。2.3 FLAC數(shù)值模擬結(jié)果分析從FLAC數(shù)值模擬可以看出，工作面的支護(hù)初撐力大小對(duì)工作面圍巖應(yīng)力分布有十分顯著的影響。低載荷，應(yīng)力峰值和高應(yīng)力范圍均顯著增大，而導(dǎo)致頂板剪應(yīng)力區(qū)顯著擴(kuò)大。而高載時(shí)，頂板剪應(yīng)力僅在煤壁上方很小的范圍出現(xiàn)峰值。剪應(yīng)力從煤壁附近向控頂區(qū)上方頂板的擴(kuò)展是導(dǎo)致頂板破碎的主要原因，而頂板破碎范圍與支架載荷有關(guān)。隨支護(hù)載荷的增加，煤壁前方的支撐壓力明顯減少。煤壁前方頂板應(yīng)力減少。由于支架載荷較低，煤壁前方垂直應(yīng)力增加，控頂區(qū)上方剪應(yīng)力集中程度增加，范圍增大?？仨攨^(qū)上方的頂板鉛垂應(yīng)力隨支架載荷的增加明顯改善。支護(hù)載荷的增加,導(dǎo)致和圍巖應(yīng)力降低，從而改善圍巖控制，避免頂板破碎。隨著支護(hù)載荷的加大，位移矢量也有所改變。位移矢量由低載垂直位移變?yōu)楦咻d的水平位移。即控頂區(qū)圍巖的穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。在主應(yīng)力圖中低載時(shí)，應(yīng)