单位文秘网 2021-08-31 09:09:38 点击: 次
摘 要:近些年来,随着数值模拟的发展,采用这种方法来取代一部分的相似模拟,在某些方面,能得到相似模拟所达不到的效果。为了更全面地从各个方面研究大众煤业12081开采工作面的岩层移动及应力分布规律,采用UDEC对采场围岩进行模拟。
关键词:矿压 UDEC数值 围岩
中图分类号:TD325文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)08(a)-0018-02
安阳大众煤业有限责任公司工作面的现场矿压研究,一般采用的研究方法是测定支柱工作阻力、顶煤在工作面的位移表现、顶煤及顶板的深基点位移,由于受到各方面因素的限制,比如说测试手段的限制,而且测试数据只能反映某一些方面或某几方面的规律,基于这些观测研究,不能对顶板活动有一个全面的了解。采用相似模拟的研究方法,虽然在某些方面能取得很好的效果,但是,模拟的成本高,特别是三维模拟,每一个模型的实验周期经较长,并且一次只能模拟一种状态。近些年来,随着数值模拟的发展,采用这种方法来取代一部分的相似模拟,在某些方面,能得到相似模拟所达不到的效果。为了更全面地从各个方面研究大众煤业12081开采工作面的岩层移动及应力分布规律,采用UDEC对采场围岩进行模拟。
1 UDEC的基本原理
UDEC是针对非连续介质模型的二维离散元数值计算程序,UDEC(Universal Distinct Element code)有近三十年的发展历史,在1996年推出了最新的UDEC3.0版本。它应用于计算机计算主要包括两方面的内容:一是离散的岩块允许大变形,允许沿节理面滑动、转动和脱离冒落;二是在计算的过程中能够自动识别新的接触。
在UDEC中块可以是刚性的或者是变形的,接触是变形的。二维的UDEC既可以用于解决平面应变问题也可以用于解决平面应力问题;UDEC既可以解决静态问题也可以解决动态问题。
UDEC是应用基于拉格朗日的显示差分法求解运动方程和动力方程,UDEC的运动方程和动力方程如下。
根据牛顿第二定律,并由中心差分格式得速度方程
当考虑体力时,对于二维块体,根据牛顿第二定律,并由中心差分式得速度方程:
式中:为块体质心角速度;
I为块体的转动惯量;
为块体上的转动惯量和;
为块体质心的速度;
为重力加速度(体力)。
将上式进行积分,可得块体新的状态:
式中:θ为块体质心的转动角;
为块体的质心坐标。
另外需要说明sss的是在离散元计算中仍然满足动量守衡定律。
UDEC数值计算模型的建立基于现场工作面前方顶煤节理裂隙分布周期来压步距,运用UDEC软件对不同煤厚的分层开采采场进行数值模拟。
2 计算条件及计算单元划分
开采计算模型长度60m,深度60m(其余240m高度均匀加载荷),分别计算煤层厚度为6m、9m、12m条件下,工作面周围及上覆岩层的应力位移变化。煤层节理90°,分层开采计算模型长度、高度相同,煤厚取6m。
采用四边形单元划分,顶煤单元1m,第一直接顶单元长1m,直接顶以上单元长6m。本文计算所选用计算机的内存为128MB。
模型底部采用固定Y方向和左边界位移约束,右边界采用固定X方向位移约束,上边界采用荷载边界条件。
3 力学参数的选取
(1)煤岩体力学参数的选取。
关于岩体参数的参考值,其材料特性满足库仑—摩尔准则。确定模型材料参数如表1所示。
(2)节理和角点圆弧化。
岩石的节理可以认为是块体之间的接触面。由于粗糙度的关系,接触面系由个别的接触点所构成,一般可用两个端点的接触来代表,在运动时端点有相对的法向位移和切向位移。
块体的接触除了面接触外还有点接触,由于在点和点或面接触时,从数学上讲有奇异性,在计算中点接触处会引起应力集中,而实际情况是在力的作用下,尖角将被折断而钝化,所以在计算中角点要加以圆弧化处理。
角点经圆弧化处理后,角和边的接触点可以取为圆弧的中心点到边的垂线与边的交点,垂线的方向即是接点的法线方向。对于两个角点的接触,其接触点可取为两个圆弧中心的联机与圆弧交线的交点。角点经过圆弧化处理后,虽然增加了计算的时间,但是由于消除了角点接触的奇异性,使计算更加符合于实际接触点处的物理图像。本次模拟时round取值0.2。
(3)刚度系数。
在UDEC中节理的法向和切向刚度系数kn和ks的正确选取是至关重要的。如果刚度系数取得太大,刚体块将连接成为一个整体,无相对运动可言;如果取得太小了,则刚体块将成为一盘散沙,相互间没有约束。作为一个经验的规则,刚度系数最大可取为刚度最大的邻接块体之间的等值刚度的十倍,即有:
kn,ks≤10.0[max(K+4G/3)/△Zmin]
式中:K为体积模量;
G为剪切模量;
△Zmin为节理两侧块体单元的最小宽度。
如果刚度系数取得过大,则计算时间将大幅度增加,而物理图像却无甚改变。另一方面,如果刚度系数取得过小,则可以增大时步,计算是快了,但节理“太软”,块体间“嵌入”较多,不符合实际情况。
刚度系数对于不同的岩石其变化是很大的。对于软弱粘土夹层可为10~100Mpa/m。而对于花岗岩或玄武岩等的致密节理,则刚度系数甚至可以超过100Gpa/m。
UDEC中的刚度系数不同于一般弹性体的刚度系数,它仅仅作为单元间传递力的因子。刚度系数应取足够大,以使计算结果趋于稳定值。同时考虑到计算费用的经济性,在满足精度和稳定收敛要求的前提下,宜尽量减小块体刚度,刚度系数一般取1010~1011n/m较为适宜。计算中刚度系数取值1010。
4 UDEC数值模拟结果
4.1 低支护阻力状态模拟
根据实测单体支柱平均支护力为13.8kN,采用UDEC进行了数值模拟,为水平应力分布图,高支护阻力状态模拟。按单体支柱平均支护力为90kN,采用UDEC进行了数值模拟。
4.2 UDEC模拟结果分析
从模拟结果可以得出,低支护力状态下,顶板离层,平衡结构形成的层位相对较低,当地质条件发生变化时,遇断层或特殊地质结构岩体时,容易出现顶板事故。高支护力状态下,平衡结构的层位相对较高,对工作面的影响也较小,工作面变形量也较小,工作环境大大改善。
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-236-90707-1.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