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文档简介

1、第25卷第1期岩体力学参数敏感性正交数值模拟试验高富强,王兴库(煤炭科学研究总院,摘要:.选择弹性模量(弹模)、泊松比、黏聚力、个因素、5个水平的正交试验方.的参数.,;内摩擦角对巷道围岩;弹模对巷道围岩表面移近量有着明显影响;泊松比、抗拉强度和剪胀.关键词:岩体力学参数;巷道围岩;正交试验;数值模拟中图分类号:TD353文献标识码:AOrthogonalNumericalSimulationonSensitivityofRockMechanicalParametersGAOFu2qiang,WANGXing2ku(BeijingResearchInstituteofCoalMining,Ch

2、inaCoalResearchInstitute,Beijing100013,China)Keywords:mechanicalparametersofrockmass;surroundingrockofroadway;orthogonalex2periment;numericalsimulation井下巷道围岩的变形与破坏主要受3方面的因素影响:1)巷道围岩地质条件,包括煤岩体的物理力学性质,地质构造及节理、裂隙发育程度;2)巷道工程赋存环境,主要包括应力环境、地下水环境和温度环境;3)巷道施工因素,包括巷道类型,巷道断面形状与尺寸,巷道开挖方式,以及巷道支护形式、支护参数和支护时机等1.由

3、于岩体工程的复杂性、测试仪器的制约以及力学理论发展水平的影响,搞清所有因素与巷道变形、破坏之间的关系是不可能,也是不现实的224.但是,利用现有的研究方法,分析各因素对巷道变形与破坏的影响,对于巷道围岩变形与破坏机理以及锚杆、注浆等支护作用机理等认识的提高有着积极的意义.目前,对于井下巷道在开挖与支护过程中力学行为研究的主要方法有:经验类比法、数学解析法、物理试验法及数值模拟法.与其他方法相比,数值收稿日期:2007204230基金项目:煤科总院青年创新基金项目(2006QN42)作者简介:高富强(19812),男,河南省周口市人,工程师,硕士,从事巷道支护及数值模拟方面的研究.96采矿与安全

4、工程学报第25卷模拟方法具有多方面优点,如可模拟复杂围岩条件和边界条件;可以快速进行多方案比较,分析各因素对巷道变形与破坏的影响;模拟结果直观、形象,便于处理和分析526.本文采用正交数值模拟试验方法研究岩体力学参数对巷道变形、破坏的影响.本次研究选用6因素5水平的正交试验方案L25(56),具体方案如表2所示.表2正交数值模拟试验方案T试验号弹模/1.1数值模型泊松比(°)(°)MPaMPa0.6模型采用莫尔2库仑屈服准则fs=(1-3)-2ccos<-(1+3)sin<,式中:1,3分别是最大和最小主应力;c,<分别为岩体的黏聚力和内摩擦角.正交试验法

5、,就是在多因素优化试验中,利用数理统计学与正交性原理,从大量的试验点中挑选有代表性和典型性的试验点,应用“正交表”科学合理地安排试验,从而用尽量少的试验得到最优的试验结果.正交试验法主要有2个特点:1)各因素的各个不同水平,在试验中出现的次数相同;2)任何两个因素的各种不同水平的搭配,在试验中都将出现,并且出现的次数相同.因此,正交试验法安排的试验方案是有代表性的,能够比较全面地反映各因素、各水平对指标影响的大致情况829.依据莫尔2库仑强度准则,岩体的力学参数主要有6个:弹模、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度及剪胀角,将此6个参数作为正交试验的6个因素,每个因素取5个水平,其变化情况见表1

6、.表1正交数值模拟试验因素方案Table1SchemeoforthogonalnumericalABCDEF根据表2建立25个FLAC数值计算模型,每个模型的6个力学参数按照对应的试验号确定,其余模型条件完全一致.因为本次试验主要是研究力学参数对巷道变形和破坏的影响,故取出每个模型的巷道移近量和塑性区大小作为试验结果.巷道移近量取巷道顶、底板移近量及两帮移近量之和,塑性区大小采用剪切屈服和拉伸屈服的单元数来表示,试验结果如表2所示.2正交数值模拟试验结果分析直观分析法是通过对每一因素的平均极差来分析问题,极差大小反映了该因素选取不同的水平变动对指标的影响大小.由表2求出各因素每个水平的均值和极

7、差,如表3,4所示.表3移近量直观分析水平弹模/GPa123436912因素均值1均值2均值3均值4均值5极差弹模/泊松比(°)(°)MPaMPa0.6黏聚力/内摩擦角/抗拉强度/剪胀角/(°)(°)MPaMPa684.52第1期高富强等:岩体力学参数敏感性正交数值模拟试验表4塑性区直观分析ABCDEF97弹模和内摩擦角影响居中,泊松比、抗拉强度和剪胀角对巷道围岩变形的影响相对较小.根据表4极差栏的数据可知,C列(黏聚力)极差最大,D列(内摩擦角)极差次之,A列(弹模)、B列(泊松比)、E列(抗拉强度)和F列(剪胀角)极差较小,说明黏聚力对巷道围岩破坏的

8、影响最大,内摩擦角次之,弹模、泊松比、4(图1,2).因素均值1均值2均值3均值4均值5极差弹模/泊松比黏聚力/内摩擦角/抗拉强度/剪胀角/(°)(°)MPaMPa392.8根据表3极差栏的数据可知,C列(黏聚力)极差最大,A列(弹模)和D列(内摩擦角),B列(泊松比)、E列(抗拉强度)(剪胀角极差较小,图1各因素对巷道变形的影响Fig.1Effectofvariousfactorsondeformationofroadway图2各因素对巷道破坏的影响Fig.2Effectofvariousfactorsonfailureofroadway由表3,4和图1,2可知:1)巷道

9、围岩移近量主要与岩体的弹模、黏聚力和内摩擦角有关;巷道塑性区大小主要与岩体的黏聚力和内摩擦角有关.2)随着弹模和黏聚力的增加,巷道移近量均呈迅速减小后趋于平缓的趋势.在给定的地应力条件下,弹模由3GPa增加到9GPa,巷道移近量由955mm减小到233.8mm,减小了75.5%;弹模继3)随着黏聚力的增加,巷道塑性区呈迅速减98采矿与安全工程学报第25卷小后趋于平缓的趋势;随着内摩擦角的增加,巷道塑性区呈线性减小趋势.4)综合以上分析,发现巷道移近量和塑性区两项指标极差的最大值均出现在黏聚力因素中,说明在岩体的6个力学参数中,黏聚力是对影响巷道变形与破坏最敏感也是最重要的参数,这为巷道锚杆支护

10、、注浆加固、锚注支护等支护方式提供了进一步的理论证明10211.此外,弹模和内摩擦角对巷道变形与破坏也有着显著的影响;泊松比、抗拉强度和剪胀角的影响相对较小且规律性不强.gineeringrockmassesJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngingeering,2001,20(2):2252229.4李同录,罗世毅,何剑,等.节理岩体力学参数的选取与应用J.岩石力学与工程学报,2004,23(13):218222186.LITong2lu,LUOShi2yi,HEJian,etal.Determina2tionandapplicationofmechan

11、icalparametersforjointedrockmassesJ.ChineseofRockMe2,(13):218222186.5,2006,25ZHANGYan2xin,CAIMei2feng,QIAOLan,etal.Studyonmechanicalresponsetoexcavationandsup2portofexpresswaytunnelJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngingeering,2006,25(6):128421289.6康红普.回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析7ItascaConsultingGroupInc.F

12、LAC(FastLagrangianAnalysisofContinua)UserManuals(Version5.0)R.Minneapolis,Minnesota:ItascaConsultingGroupInc,2002.8正交试验法编写组.正交试验法M.北京:国防3结论1)法,可以显著、直观地分析岩体力学参数:弹模、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度和剪胀角对巷道变形与破坏的影响状况,分清各因素的影响主次.2)黏聚力是影响巷道变形与破坏最敏感、最重要的参数,随着黏聚力的增加,巷道围岩表面移近量及屈服区域面积均显著减小.增大巷道围岩黏聚力对阻止巷道的变形和破坏有着重要的意义.3)内摩擦角

13、对巷道围岩屈服范围有着明显的影响,随着内摩擦角的增加,围岩屈服范围明显减小.弹模对巷道围岩表面移近量有着较大影响,随弹模增加,巷道围岩表面移近量明显减小.4)相对其他参数,泊松比、抗拉强度及剪胀角对巷道围岩变形与破坏影响较小.参考文献:1康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践J.岩工业出版社,1976.9王永秀,毛德兵,齐庆新.数值模拟中煤岩层物理力学参数确定的研究J.煤炭学报,2003,28(6):5932597.WANGYong2xiu,MAODe2bing,QIQing2xin.Studyondeterminingofthemechanicalparametersofrockmassus

14、edinnumericalsimulationJ.JournalofChinaCoalSociety,2003,28(6):5932597.10侯朝炯,勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度机理研究J.岩石力学与工程学报,2000,19(3):3422345.HOUChao2jiong,GOUPan2feng.Mechanismstud2yonstrengthenhancementfortherockssupportingroadwaysupportedbyblotJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngingeering,2000,19(3):3422345.11张农.巷道滞后注浆围岩控制理论与实践M.石力学与工程学报,2005,24(21):395923964.KANGHong2pu.StudyandapplicationofcompleterockboltingtechnologytocoalroadwayJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngingeering,2005,24(21):395923964.2MARTINCD,KAISERPK,MCCREATHDR.Hoek2Brownparametersfo

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