单位文秘网 2021-08-31 09:00:13 点击: 次
摘要: 现如今,基于强度折减原理的数值分析方法在边坡稳定性的研究取得很大进展,而应用强度折减法对巷道稳定性分析方面的研究还是比较少见。这篇文章以某煤矿为工程实例,采用强度折减法,借助数值分析软件ANSYS,分别对某煤矿顶底板坚硬而两帮柔软的巷道实例的稳定性进行分析。按照强度折减法改变岩体的力学参数,使其达到极限平衡状态,此时的折减系数即为安全系数。计算结果表明,特征部位位移突变、计算数值不收敛和塑性区出现“类贯通区”是巷道失稳的判断依据,综合考虑这三个条件,可以较好的判断巷道是否稳定。这种方法可以定量评价该巷道的稳定性,为巷道支护提供依据,相对于经验法有了很大提高,也可用于评定设计的合理性,改进支护参数和施工工艺。
Abstract: At present, the slope stability research based on the strength reduction theory numerical analysis method has made great progress, but the application of strength reduction method on the stability of the coal mine roadway research is still rare. Taking a coal mine as an example, strength reduction finite element method was introduced into the coal mine tunnel stability analysis. With the reduction of material mechanical strength parameters of rock mass, the rock was reached to the state of limit equilibrium, at that time, the reduction factor was the factor of safety. The calculation results show that: the convergence, numerical calculation, the plastic zone appeared "class through area" and the characteristics of site displacement mutation is the three judgments of the roadway damage. With comprehensively considering of the three conditions, we can find the roadway is damaged or not. This method can quantitatively evaluate the stability of the coal mine tunnel. It is a big improvement than the experience method. This method also can be used in the following aspects, such as: evaluating of the rationality of the design, providing the basis for bolting sport, and improving support parameters and construction technology.
关键词: 强度折减法;煤矿巷道;稳定性分析;数值模拟
Key words: strength reduction theory;coal mine tunel;stability analysis;umerical simulation
中图分类号:TD8 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)10-0041-03
0 引言
随着煤矿资源的开采,其围岩会发生一定的力学变化,总的来讲是应力场的变化。伴随着应力场的变化,围岩在弹性变形后发展为非弹性变形和局部破坏,这种局部破坏可能会给整个煤矿生产系统造成重大危害。传统的采矿设计大多是根据经验来进行的,随着开采深度的增大,传统的方法对采矿设计的局限性愈发显现,与此同时,数值分析方法在采场稳定性分析中的应用日趋广泛。
目前,基于抗剪强度折减原理的数值分析方法在边坡稳定性的研究取得很大进展,其主要特点是可获得安全系数和潜在破坏滑动面。自1975年Zienkiewice用此法分析边坡以来,Ugai(1989),Matsui&San(1992),Griffiths&Lane(1999),Dawson& Roth(1999)等都对此做了研究。国内宋二祥(1997)由土工结构安全系数的定义来说明强度折减法,介绍了具体计算方法中用弧长控制法,并用该法分析计算了土坝稳定问题和土工织物加强路基的安全系数[1];连镇营(2001)用该法来研究了开挖边坡的稳定性[2];郑颖人和其学生赵尚毅等对该法的具体细节和精度及运用作了系统详细的工作[3~4],此外迟世春(2004)[5]、郑宏(2002)[6]等也进行了相应的研究工作,尽管他们的研究具体细节不同,但其数值计算结果都说明了此法在边坡稳定分析中的适用性。
就地下采矿而言,应用抗剪强度折减系数法对巷道稳定性分析方面的研究还比较少见。这篇文章针对某煤矿巷道,使用有限元分析方法,将边坡工程中成功使用的抗剪强度折减系数法引入到煤矿巷道稳定性分析中。
1 抗剪强度折减系数法简介
1.1 抗剪强度折减系数法的概念 抗剪强度折减系数定义为:在外荷载保持不变的情况下,边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比。
1.2 抗剪强度折减系数法的具体内容 抗剪强度折减系数法是将边坡体的抗剪强度指标c和tan ?准分别折减为c/ω和tan?准/ω,使边坡达到极限平衡状态,此时边坡的折减系数即为安全系数。其中ω为折减系数,c、?准分别为折减前的黏聚力和内摩擦角,c′、?准′分别为折减后的黏聚力和内摩擦角[2]。在采场的稳定性分析中,可以采用类似的方法分析巷道的稳定性。
1.3 有限元法用于边坡稳定性分析优点 有限元法考虑了介质的变形特征,真实地反应了边坡的受力状态。它可以模拟连续介质,也可以模拟不连续介质;能考虑边坡沿软弱结构面的破坏,也能分析边坡的整体稳定破坏。有限元法可以模拟边坡的圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏。同时它还能适应各种边界条件和不规则几何形状,具有很广泛的适用性。
有限元法应用于边坡工程,有其独特的优越性。与一般解析方法相比,有限元法有以下优点:
①它考虑了岩体的应力-应变关系,求出每一单元的应力与变形,反映了岩体真实工作状态。②与极限平衡法相比,不需要进行条间力的简化,岩体自始至终处于平衡状态。③不需要像极限平衡法一样事先假定边坡的滑动面,边坡的变形特性、塑性区形成都根据实际应力应变状态“自然”形成。④若岩体的初始应力己知,可以模拟有构造应力边坡的受力状态。⑤不但能像极限平衡法一样模拟边坡的整体破坏,还能模拟边坡的局部破坏,把边坡的整体破坏和局部破坏纳入统一的体系。⑥可以模拟边坡的开挖过程,描述和反应岩体中存在的节理裂隙、断层等构造面。
1.4 巷道失稳判据 目前抗剪强度系数折减法计算边坡土体破坏的标准尚未统一,实际在判断边坡破坏中主要采用以下三种判据:计算数值不收敛;塑性区发展贯通;特征部位位移突变。由于受力及岩体问题的复杂性,可以同时考虑上述3个条件,以判定边坡是否发生破坏,这样就可保证所取得的安全系数的更加合理。
对于巷道而言,由于其受力载荷及模型和边坡不同,巷道破坏的判断依据与边坡也不尽相同。例如在应用强度折减法分析巷道稳定性时,不会出现与边坡完全相同的塑性区贯通现象。因此,现将判断边坡破坏的三条标准进行一下修正,做为判断巷道破坏的标准。
判断巷道破坏的标准如下:计算数值不收敛;塑性区发生明显变化;特征部位位移突变。由于受力及岩体问题的复杂性,综合考虑这三个条件,判断巷道是否发生破坏。
2 工程概况及计算模型
2.1 工程概况 本次数值模拟计算的巷道为煤巷,顶底板坚硬,而煤层比较柔软。该巷道为长宽均为4m的矩形煤巷,埋深500m。研究范围内岩体的物理力学工程特性指标如表1。
2.2 计算模型 将计算简化为平面应变问题,选取有限元分析软件ANSYS。模型设计时,选取x方向长20m,y方向宽20m的岩体范围,在其中心开挖4m×4m的矩形巷道。选取单元为PLANE42,划分单元如图1。在岩石自重应力场的作用下,根据剪切强度折减法原理,数次折减岩石的黏聚力及内摩擦角,使巷道达到极限平衡状态,观察关键区域位移及塑性区变化。
3 计算结果及分析
根据强度折减法,对材料的初始参数c、?准按一定的步长进行折减。每折减一次,当前的试验强度就对应着一个折减系数F,如果对计算结果的分析符合巷道失稳判据,则计算结束,此时的折减系数F即为安全系数Fs。
现对计算结果中的位移、塑性区及安全系数进行详细分析。
3.1 位移分析
如表2及图2所示:随着折减系数增大,巷道最大位移也随之增大;而当折减系数从1.7增大到1.8时,最大位移的增加幅度急剧变大,根据失稳判据,此时巷道趋于不稳定。
3.2 塑性区分析 由于篇幅所限,现仅列出折减系数分别为1.0、1.5、1.8时的塑性区云图,进行比较分析。
从边坡模型的塑性区云图看:当折减系数为1.0时,塑性区出现在巷道底板及两帮;而随着折减系数F的增大,塑性应变逐渐增大,塑性区变化主要是底板塑性区减小直至消失;与此同时,两帮塑性区加大,而且两帮塑性区形状趋近于弧形。
在图5中可以发现,两帮塑性区包裹的非塑性区逐渐加大,形成类似于边坡贯通区的“类贯通区”,此时巷道两帮沿非塑性区滑落,形成片帮,巷道发生破坏。
3.3 安全系数分析 当折减系数为1.8时的塑性区云图出现“类贯通区”,并且巷道最大位移急剧增大,表明巷道已经趋近于破坏;而当折减系数为1.81时,计算不收敛;因此,该巷道模型的安全系数是1.805。
3.4 巷道锚杆支护分析 本次模拟计算的顶底板坚硬而两帮柔软巷道在煤矿中十分常见,根据力学分析及煤矿实际观测,其破坏形式主要是片帮,而片帮区域大小还有待于继续研究。
将强度折减法应用于这种巷道计算中,可以得出该巷道的主要破坏形式为片帮及片帮区域,进而为锚杆支护长度提供依据。根据片帮区域,该巷道两帮锚杆支护长度约为3.6m。
为了检验该结论,将强度折减系数为1.8的模型两帮加上长度3.6m,直径22mm,间距500mm的锚杆,其余条件不变,新模型的塑性区如图6所示:此时计算结果已经不存在塑性区。因此,可以得出结论,应用剪切强度系数折减法分析此种巷道稳定性,可以较好的为两帮支护锚杆长度提供依据。而锚杆支护的优化,还有待于进一步研究。
4 结论
①通过强度折减法分析煤矿巷道的稳定性,实现了数值分析方法计算巷道稳定性,这种方法可以求得煤矿巷道的安全系数,定量评价该巷道的稳定性,也可应用于评定设计的合理性、改进支护参数和施工工艺。
②这种顶底板坚硬而两帮柔软的巷道在煤矿中常见,该巷道容易出现片帮。而通过强度折减法模拟计算,可以得出片帮区域,为锚杆支护提供依据。而通过进一步计算得出,将强度折减法应用于此种巷道所得出的锚杆支护长度,能够比较好的减小片帮危险,提高巷道稳定性。
③文章中的模拟计算仅针对弹塑性岩石材料,在这种岩性下,按强度折减法将黏聚力及内摩擦角折减,巷道出现片帮。对于脆性岩石材料,也许会出现冒顶或者其他形式的破坏,但这个不在本文的讨论范围内。
④煤矿巷道结构复杂,与边坡不尽相同,边坡失稳判据中的塑性区的贯通不再可行,根据模拟计算,塑性区云图出现“类贯通区”可以做为巷道失稳的一种判据。这种判据是否完全适用于用强度折减法分析巷道稳定性,还有待于进一步验证。
⑤根据计算结果,该巷道模型的安全系数为1.805,其稳定性均有待于提高,可以增加锚杆支护、喷射混凝土等方式提高巷道的稳定性。
参考文献:
[1]宋二祥.土工结构安全系数的有限元计算[J].岩土工程学报,1997,19(2):1-7.
[2]连镇营,韩国城,孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报,2001,23(4):407-411.
[3]郑颖人,赵尚毅,时卫民,杜丽.边坡稳定分析的一些进展[J].地下空间,2001,21(4):262-271.
[4]郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3381-3388.
[5]迟世春,关立军.基于强度折减的拉格朗日差分方法分析土坡稳定性[J].岩土工程学报,2004,26(1):42-46.
[6]郑宏,李春光,李焯芬,葛修润.求解安全系数的有限元法[J].岩土工程学报,2002,24(5):626-628.
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-213-90447-1.html
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用