基于离散元程序算法的采动围岩控制数值模拟研究
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摘要
针对具有原始损伤的岩体,在卸荷和采动应力作用下的损伤、渐进性破坏演化规律,本文将损伤梯度变量作为自由能的内部函数,建立岩体内部附近点损伤梯度本构、演化方程,并采用破裂度定义数值计算的判断准则;针对研究矿区的采面及巷道,采用结构简化体系进行解析计算;采用基于连续介质的离散元程序进行数值模拟,验证、校核解析计算结果;针对巷道的不同地应力和地质构造复杂情况,分别计算支护结构中的锚杆、锚索直径、间距和长度等二十种不同工况,得到巷道围岩损伤破坏以及锚杆、锚索受力的演化规律。综合解析计算、工程类比法等,对巷道支护方案进行优化,为煤矿安全生产提供保证。
According to the rock with the original damage, the damage and progressivefailure evolution law under the unloading and mining-induced stress, the paperconsidered damage gradient variables as the internal function of free energy. Then, thedamage gradient constitutive and evolution equation, criterion of inner rock near thepoint in numerical calculation were established by using the definition of rupture.According to the research area of mining face and roadway with a simplified structuresystem to analysis, numerical simulation program based on continuum-mediumdiscrete element method was used to analysis and check the results. According to thedifferent stresses of roadway and complex geological structure, twenty differentconditions such as the diameter of bolt, anchor, spacing and length in retainingstructure were calculated, respectively. Then, roadway surrounding rock damage andforce evolution regular of bolt and anchor are obtained. The analytical calculation, theengineering analogy method and optimization of roadway support scheme were usedto provide guarantee for safe production in coal mine.
引文
1.谢和平,周宏伟.煤炭安全、高效、绿色开采技术与战略研究报告[R].中国工程院重大咨询项目,2012.
    2.何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2803~2813.
    3. Diering D H. Ultra-deep level mining: future requirements[J]. Journal of the South AfricanInstitute of Mining and Metallurgy,1997,97(6):249~255.
    4. Gurtunca R G, Keynote L. Mining below3000m and challenges for the South African goldmining industry[A]. In: Proceedings of Mechanics of Jointed and Fractured Rock[C].Rotterdam: A. A. Balkema,1998,3~10.
    5.古德生,李夕兵.有色金属深井采矿研究现状与科学前沿[C].中国有色金属学会,中国有色金属学会第五届学术年会论文集,2003,8:1~5.
    6.古德生.金属矿床深部开采中的科学问题[C].香山第175次科学会议,北京:中国环境科学出版社,2002,192~201.
    7. D. H.迪林.21世纪超深采矿[J].国外金属矿山,2000,6:25~31.
    8.何满潮.软岩巷道工程概论[M].徐州:中国矿业大学出版社,1993.
    9. Fairhurst C. Deformation, yield, rupture and stability of excavations at great depth[A]. In:Fairhurst C ed. Rockbust and Seismacity in Mines[C]. Rotterdam: A. A. Balkema,1990,1103~1114.
    10.何满潮.深部开采工程岩石力学的现状及其展望[A].见:中国岩石力学与工程学会主编.第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京:科学出版社,2004,88~94.
    11. Malan D F, Spottiswoode S M. Time-dependent fracture zone behavior and sesmicitysurrounding deep level stopping operations[A]. In: Rockburst and Seismicity in Mines[C].Rotterdam: A. A. Balkema,1997,173~177.
    12.钱鸣高.20年来采场围岩控制理论与实践的回顾[J].中国矿业大学学报,2000,29(1):1~4.
    13.蔡美峰.中国金属矿山21世纪的发展前景评述[J].中国矿业,2001,10(1):11~13.
    14.蔡美峰.中国金属矿山当前面临的主要问题及对策[J].矿业工程,2003,1(1):40~43.
    15.谢和平.矿山岩体力学及工程的研究进展与展望[J].中国工程科学,2003,5(3):31~
    38.
    16. Diering D H. Tunnels under pressure in an ultra-deep Wifwatersrand gold mine[J]. Journal ofthe South African Institute of Mining and Metallurgy,2000,100:319~324.
    17. Johnson R A S. Mining at ultra-depth, evaluation of alternatives[A]. In: Proceedings of the2nd North America Rock Mechanics Symposium[C]. Montreal:NARMS96,1996,359~366.
    18.钱七虎.深部地下空间开发中的关键科学问题[A].见:第230次香山科学会议-深部地下空间开发中的基础研究关键科学问题[C].2004.
    19.钱七虎.非线性岩石力学的新进展-深部岩体力学的若干问题[A].见:中国岩石力学与工程学会编.第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京:科学出版社,2004:10~17.
    20. Vogel M, Andrast H P. Alp transit-safety in construction as a challenge, health and safetyaspects in very deep tunnel construction[J]. Tunneling and Underground Space Technology,2000,15(4):481~484.
    21. Duganov G. V, Kukhar' L. N, Kukharev V. N, et al. Geothermal conditions in deep mines ofthe verdlovugol group[J]. Journal of Mining Science,2001,2(6):1345~1358.
    22.谢和平.深部高应力下的资源开发-现状、基础科学问题与展望[A].见:香山科学会议编,科学前言与未来(第六集)[C].北京:中国环境科学出版社,2002,179~191.
    23.刘同有.国际采矿技术发展的趋势[J].中国矿山工程,2005,34(1):35~40.
    24.陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围压控制[M].中国矿业大学出版社,1994.
    25.于学馥,于加,徐骏.岩石力学新概念与开挖结构优化设计[M].北京:科学出版社,1995.
    26.冯豫.我国软岩巷道支护的研究[J].矿山压力与顶板管理,1990,2:1~5.
    27.陆家梁.软岩巷道支护原则及支护方法[J].软岩工程,1990,3:20~24.
    28.董方庭.巷道围岩松动圈支护理论团[J].锚杆支护,1997,1:5~9.
    29.何满潮,孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南.科学出版社,2004.
    30.王家臣.极软厚煤层煤壁片帮与防治机理.煤炭学报,2007,32(8):785~788.
    31.吴爱民.近距离煤层群巷道锚杆支护优化设计[硕士学位论文].中国矿业大学(北京),
    2005.
    32.陆家梁.软岩巷道支护技术[M].吉林科学技术出版社,1994.
    33. Barton N. Analysis of rock mass quality and support practice in tunneling and a guide forestimating support requirements[J]. Rock Mechanics,1974,6(4):189~236.
    34. Barton N. Rock mass classification and tunnel reinforcment selection using the Q-system[A].In: Proc. Symp. Rock Class. Eng. Purp., ASTM Special Technical Publiction984[C].Philidellphia,1988,59~88.
    35.谷德振.岩体工程地质力学基础[M].北京:科学出版社,1979.
    36. A. M. Milev, S. M. Spottiswoode. Effect of the Rock Properties on Mining-inducedSeismicity Around the Ventersdorp Contact Reef, Witwatersrand Basin, South Africa[J]. Pureand Applied Geophysics,1999,159(1~3):165~177.
    37. Xian Zhang, Xian-kang Zhang, Min Liu. Deep structural characteristics and seismogenesis ofthe M≥8.0earthquakes in North China[J]. Acta Seismologica Sinica,2003,16(2):148~155.
    38.景海河.深部工程围岩特性及其变形破坏机制研究[博士学位论文][D].北京:中国矿业大学,2002.
    39.谢和平.深部高应力下的资源开发现状、基础科学问题与展望[A].见:香山科学会议编,科学前言与未来(第六集)[C].北京:中国环境科学出版社,2002,179~191.
    40.刘同有.国际采矿技术发展的趋势[J].中国矿山工程,2005,34(1):35~40.
    41.何满潮.深部的概念体系与评价指标[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2854~2858.
    42. Joachim Krüger. Copper Mining and Metallurgy in Prehistoric and the More Recent Past[M].EcoEfficiency in Industry and Science Press,2004.
    43. Glushko V. T., Vaganov I. I. Influence of certain natural geological and mining-technologyfactors on the stability of a development working[J]. Journal of Mining Science,1998,5(4):89~103.
    44. Kukharev E. V., Adorskaya L. G. A method and a model for mining manipulator control[J].Journal of Mining Science,1990,26(6):172~181.
    45. Winde F., Sandham L. A. Uranium pollution of South African streams–An overview of thesituation in gold mining areas of the Witwatersrand[J]. GeoJournal,2004,61(2):112~115.
    46. Derman Dondurur. Depth Estimates for Slingram Electromagnetic Anomalies from DippingSheet-like Bodies by the Normalized Full Gradient Method[J]. Pure and Applied Geophysics,2005,162(11):2179~2195.
    47. Slawomir J. Gibowicz, Stanislaw Lasocki. Analysis of Shallow and Deep EarthquakeDoublets in the Fiji-Tonga-Kermadec Region[J]. Pure and Applied Geophysics,2007,164(1):42~53.
    48. Yu. K. Zaretskii, M. I. Karabaev. Feasibility of Face Surcharging during Deep Settlement-Free Tunneling in Dense Urban Settings[J]. Soil Mechanics and Foundation Engineering,2004,41(4):1136~1149.
    49. M. Grodner. Fracturing around a preconditioned deep level gold mine stope[J]. Geotechnicaland Geological Engineering,1999,17(3~4):418~422.
    50. A. M. Milev, S. M. Spottiswoode. Effect of the Rock Properties on Mining-inducedSeismicity Around the Ventersdorp Contact Reef, Witwatersrand Basin, South Africa[J]. Pureand Applied Geophysics,1999,159(1~3):165~177.
    51.吴爱民.钱家营近距离煤层煤岩体破坏与巷道优化支护研究[博士学位论文][D].北京:中国矿业大学,2010.
    52.谷拴成,樊琦,王建文,等.层状岩体巷道顶板冒落拱高度计算方法研究[J].煤炭工程,2012,(12):73~76.
    53.张飞,王滨,菅玉荣,等.东升庙矿9号矿柱回收采空区围岩稳定性分析[J].地下空间与工程学报,2012,(6):1255~1260.
    54.邹洋,李夕兵,赵国彦,等.石膏矿采空区上覆岩层冒落规律与危险性评价[J].中国安全科学学报,2011,(2):101~108.
    55.于海秋.软岩巷道应用锚网支护实践[J].矿山压力与顶板管理,2004,(3):47~50.
    56.戴俊,乔彦鹏,郭相参,等.煤矿巷道冒落拱高度的测量方法[J].矿业研究与开发,2009,(6):26~27.
    57.赵文.地下巨型采空区顶板岩石的破坏与冒落[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2001,(4):507~509.
    58.曹文贵,翟友成,张永杰.新奥法隧道施工风险非线性模糊评判方法[J].土木工程学报,2010,(7):105~112.
    59.尹光志,刘能铸,张东明,等.渝湘高速公路隧道新奥法施工监控量测[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2006,(04):67~69.
    60.刘山洪,刘毅,李放.石龙山隧道新奥法施工围岩变形监测研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2008,(01):44~48
    61.周春霖,朱合华,李晓军.新奥法施工隧道掌子面红外照相及图像处理[J].岩石力学与工程学报,2008,(增1):3166~3172.
    62.冯卫星,徐明新.铁路隧道新奥法施工新实践[J].岩石力学与工程学报,2001,(4):524~526.
    63.赖应得,钱佩.用能量支护理论设计井巷锚喷支护[J].煤矿设计,1993,(4):10~15.
    64.赖应得.能量支护学与锚喷支护设计[J].有色金属(矿山部分),1989,(3):23~26.
    65.赖应得,崔兰秀,孙惠兰.能量支护学概论[J].山西煤炭,1994,(5):17~23.
    66.王永胜,朱彦鹏,周勇.基于能量理论的土钉支护结构地震主动土压力计算方法研究[J].岩土工程学报,2012,(S1):40~44.
    67.朱建明,高谦,林新平.高应力区破裂岩体回采巷道一次强化支护技术及其应用研究[J].工程地质学报,2002,(4):400~403.
    68.李继良,任天贵,高谦.深部围岩区域拉压理论及其基于神经网络的工程应用研究[J].矿业研究与开发,1999,(6):1~4.
    69.李连华,张文哲.承压区采场巷道支护理论与技术原则[J].山东科技大学学报(自然科学版),2001,(1):64~67.
    70.余伟健,高谦,余良晖.松散围岩强化支护技术研究及其可靠性分析[J].金属矿山,2006,(6):23~26.
    71.陈晓梅.宜昌长江铁路大桥施工控制及仿真分析[J].吉林工程技术师范学院学报,2011,(11):74~78.
    72.韩建新,李术才,李树忱.岩体破坏的结构控制与应力控制转换机理及判据模型[J].中国科学G:物理力学天文学,2013,43(02):177~185.
    73.康红普.巷道顶部开槽应力控制机理的研究[J].煤炭学报,1996,(5):30~34.
    74.邓红健.锚杆加固设计理论的研究[J].土工基础,2006,(2):58~61.
    75.贺军.巷道支护与围岩共同承载的规律与支护方式[J].科学之友(B版),2008,(1):35+37.
    76.李堂.锚杆支护巷道临时支护强度分析[J].煤炭科技,2008,(4):33~35.
    77.于虹.利用围岩松动圈理论进行隧道支护参数评判[J].铁道建筑技术,2008,(S1):228~229.
    78.杨胜利,王进学,张鹏,等.基于围岩松动圈理论的锚杆支护技术研究[J].金属矿山,2010,(6):44~47.
    79.祁方坤,赵祉君.应用围岩松动圈理论支护特大断面硐室[J].矿山压力与顶板管理,2003,(2):39~40.
    80.靖洪文,付国彬,丁日熙.深井动压岩巷锚喷网加固研究[J].矿山压力与顶板管理,1995,(1):53~56.
    81.柏建彪,王襄禹,贾明魁,侯朝炯.深部软岩巷道支护原理及应用[J].岩土工程学报,2008,(5):632~635.
    82.李大伟,侯朝炯,柏建彪.大刚度高强度二次支护巷道控制机理与应用[J].岩土工程学报,2008,(7):1072~1078.
    83.柏建彪,侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究[J].中国矿业大学学报,2006,(2):145~148.
    84.侯朝炯,李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理[J].煤炭学报,2001,(1):1~7.
    85.侯朝炯.煤巷锚杆支护的关键理论与技术[J].矿山压力与顶板管理,2002,(1):2~5.
    86.陆士良,汤雷.巷道锚注支护机理的研究[J].中国矿业大学学报,1996,25(2):1~6.
    87.余伟健,高谦,朱川曲.深部软弱围岩叠加拱承载体强度理论及应用研究[J].岩石力学与工程学报,2010,(10):2134~2142.
    88.戴兰芳,梁旭黎,李文秀.巷道围岩与支护相互作用分析[J].矿山压力与顶板管理,2005,(3):33~35.
    89.陈季斌,赵金明,陈士海,等.深部巷道围岩锚杆支护深度研究[J].煤,2011,(5):4~
    6.
    90.潘阳,赵光明,孟祥瑞.非均匀应力场下巷道围岩弹塑性分析[J].煤炭学报,2011,(增1):53~57.
    91.刘全林,杨敏.软弱围岩巷道锚注支护机理及其变形分析[J].岩石力学与工程学报,2002,(8):1158~1161.
    92.杨骁,闻敏杰.饱和分数导数型粘弹性土-深埋圆形隧洞衬砌系统的动力特性[J].工程力学,2012,(12):248~255.
    93.王伟峰,周晓军,莫阳春.深埋隧道围岩流变行为的拉格朗日法分析[J].路基工程,2008,(6):55~56.
    94.荆国强,汪正兴,王波.一种基于粘弹性理论的混凝土徐变分析方法[J].结构工程师,2012,(4):45~50.
    95.李南生,唐博,谈风婕,等.基于统一强度理论的土石坝边坡稳定分析遗传算法[J].岩土力学,2013,(1):243~249.
    96.徐栓强,俞茂宏,胡小荣.基于双剪统一强度理论的地下圆形洞室稳定性的研究[J].煤炭学报,2003,(5):522~526.
    97.范文,俞茂宏,孙萍,等.硐室形变围岩压力弹塑性分析的统一解[J].长安大学学报(自然科学版),2003,(3):1~4.
    98.郭延华,姜福兴,张常光.高地应力下圆形巷道临界冲击地压解析解[J].工程力学,2011,(2):118~122.
    99.郑强,林从谋,孟凡兵.采用统一强度理论的锚喷支护围岩弹塑性统一解[J].华侨大学学报(自然科学版),2011,(3):326~331.
    100.陈仁朋,齐立志,汤旅军,等.砂土地层盾构隧道开挖面被动破坏极限支护力研究[J].岩石力学与工程学报,2013,(增1):2877~2882.
    101.张国华.主动支护下沿空留巷顶板破碎原因分析[J].煤炭学报,2005,(4):429~432.
    102.蒋良潍,黄润秋,蒋忠信,等.锚索桩的主动支护作用及桩身初始内力分析[J].岩土力学,2007,(11):2319~2324.
    103.郑付亮,王红建,王龙江.主动支护原理在采区巷道支护中的应用[J].煤炭技术,2008,(8):96~97.
    104.魏树群,张吉雄,张文海,等.高应力硐室群锚注联合支护技术[J].采矿与安全工程学报,2008,(3):281~285.
    105.乔卫国,孟庆彬,林登阁,等.深部软岩巷道锚注联合支护技术研究[J].西安科技大学学报,2011,(1):22~27.
    106.王金华.全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析[J].煤炭学报,2012,(1):1~7.
    107.秦广鹏,蒋金泉,孙森,等.大变形软岩顶底板煤巷锚网索联合支护研究[J].采矿与安全工程学报,2012,(2):209~214.
    108. Fleck NA, Huchinson JW.Strain gradient plasticity.In:Huchinson JW,Wu TY eds.,Advancesin Applied Mechanics,New York:Academic Press,1999,33:295~361.
    109. Bazant Z P, Non-local damage theory based on micro-mechanics of crackinteractions[J].J Eng Mech-ASCE,1994,120:593~617.
    110.李锡夔,唐洪祥.压力相关弹塑性Cosserat连续体模型与应变局部化有限元模拟[J].岩石力学与工程学报,24(9):1497~1505.
    111.赵扬锋,潘一山.岩石单轴压缩应变梯度损伤模型局部化带宽[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(3):355~357.
    112.王学滨.基于能量原理的岩样单轴压缩剪切破坏失稳判据[J].工程力学,2007,24(1):153~156+161
    113.王学滨,杜亚志,潘一山,等.弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用[J].应用基础与工程科学学报,2012,20(4):642~653.
    114.李世海,冯春,刘晓宇,等.用于描述地质体块体颗粒的连续及非连续计算模型CDEM最新进展[C].2012颗粒材料计算力学会议,2012,21~23.
    115.张青波,李世海,冯春,等.四节点矩形弹簧元及其特性研究[J].岩土力学,2012,33(11):3497~3502.
    116.刘洋,李世海,刘晓宇.基于连续介质离散元的双重介质渗流应力耦合模型[J].岩石力学与工程学报,2011,30(5):951~959.
    117.韩永臣,刘晓宇,李世海.模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型[J].力学与实践,2010,32(3):50~56.
    118.冯春,李世海,姚再兴.基于连续介质力学的块体单元离散弹簧法研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(增1):2690~2704.