深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区预测研究
发布时间：2021-01-19 16:47
为了预测深部大跨度泥质顶板剪切冒落失稳区范围,基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学特性,获得了基于Mohr-Coulomb理论的泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化的力学模型及参数,构建了深部大跨度泥质巷道数值模型,提出了泥岩峰后各强度参数变化对巷道顶板剪切破坏区的影响范围。结果表明:泥岩在峰后剪切破坏过程中具有明显的黏聚力软化-内摩擦角硬化特性;基于泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算获得的巷道顶板剪切冒落高度小于黏聚力软化-内摩擦角软化的计算高度;巷道顶板潜在剪切破坏区位置及范围与泥岩峰后黏聚力软化-内摩擦角硬化计算结果十分接近。
【文章来源】：中国安全生产科学技术. 2016,12(01)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
泥岩应力－应变曲线
在剪切冒落失稳区范围，为巷道支护设计和围岩稳定性分析提供参考。1泥岩剪切破坏模型及参数1．1泥岩三轴剪切试验采用朝阳仪器GAW－2000微机控制电液伺服刚性压力试验机，对内蒙古高家煤矿典型泥岩试样进行三轴压缩试验，获得泥岩在三轴条件下的全应力－应变曲线如图1所示。图1泥岩应力－应变曲线Fig．1Mudstonecompletestress－straincurves在获得泥岩峰值及峰后残余强度基础上，本文采用E．Hoek等［9］提出的拟合方法，获得基于Mohr－Coulomb准则的泥岩峰值及峰后残余强度的主应力曲线及强度拟合参数，如图2所示。图2泥岩强度拟合曲线Fig．2Mudstoneintensitycurvefitting通过拟合方法可以获得泥岩峰值及峰后强度参数如表1所示，分析拟合结果可知，泥岩峰后黏聚力随着强度衰减而衰减，而泥岩峰后内摩擦角则随着强度衰减而增大，这也体现了泥岩峰后具有明显的黏聚力软化－内摩擦角硬化的特性，在以往的数值计算中，泥岩这种峰后力学特性容易被忽视。表1泥岩强度拟合参数Table1Thefittingparametersofmudstonestrength强度准则Mohr－Coulomb准则强度参数σc/MPac/MPaφ/°R2E/MPav峰值18．36．220．10．99535．90．3残余7．30．524．00．98281．2泥岩峰后剪切破坏模型以塑性理论为基础的应变软化模型当中，屈服准则由应力张量σij和软化参数η表示为［10］:f(σr，σθ，η)=0(1)式中:σr为最大主应力，σθ为最小主应力。如图3(a)所示，当软化参数η=0时，岩石处于弹性变形阶段，0＜η＜η*时为应变软化阶段，η＞η*为残余阶段，其中η*为岩石材料由应变软化转变到残余阶段的临界软化参数值。当岩石进入峰后软化阶段后，岩石的黏聚力及内摩擦
图3岩石峰后软化过程中的参数变化Fig．3Afterthreesegmentscurvesimplificationrockpeaks在FLAC3D中，Mohr－Coulomb应变软化模型中塑性剪切应变用塑性参数εps表示，其增量形式为:Δεps=槡22(Δεpsi－Δεpsm)2+(Δεpsm)2+(Δεps3－Δεpsm)槡2(6)其中:Δεpsm=(Δεps1+Δεps3)/2(7)式中，Δεpsj(j=1、3)为塑性剪切应变主增量。2大跨度泥质顶板冒落区预测内蒙古高家煤矿3上大巷为一条水平运输巷道，巷道埋深达660m，巷道初始设计断面为矩形，围岩主要为泥岩和薄层状泥质砂岩。其中水平主应力为6．4MPa，垂直主应力为8MPa。2．1巷道数值模型及参数本文采用FISH语言将泥岩峰后力学模型写入FLAC3D中的Mohr－Coulomb应变软化模型中，构建大跨度泥质顶板二维数值模型，根据模型的对称性，取模型的1/4部分计算，并对拱顶网格进行局部加密，计算拱顶剪切冒落破坏区范围，模型尺寸及边界条件如图4所示，其中σ0=8MPa为垂直主应力，最大水平主应力为0．8σ0。图4数值模型尺寸及参数Fig．4Numericalmodeldimensionsandparameters根据泥岩峰后剪切破坏过程中强度参数变化特性，本文采用两种计算方案进行对比分析，方案一为假定泥岩峰后黏聚力软化－内摩擦角硬化，方案二为泥岩峰后黏聚力软化－内摩擦角软化，通过两种计算方案获得巷道拱顶潜在冒落失稳区范围，并与现场勘测结果对比分析，验证本文提出的数值计算模型的准确性。泥岩峰值强度参数见表1，两种方案的强度参数见表2。表2数值计算参数Table2Numericalparameters强度参数cpeak/MPacres/MPaφpeak/°φres/°η*方案一6．20
【参考文献】：
期刊论文
[1]采空区影响条件下巷道围岩应力监测与研究[J]. 张磊,寇建恒,窦梅林,黄正均. 中国安全生产科学技术. 2015(08)
[2]大断面巷道中空预应力注浆锚杆的支护效果研究[J]. 吴大伟,吴爱军,苏华友. 中国安全生产科学技术. 2015(08)
[3]花岗岩峰后力学特性试验与模型研究[J]. 孙闯,张树光,贾宝新,吴作启. 岩土工程学报. 2015(05)
[4]大跨度巷道顶板层面剪切失稳机理及支护方法[J]. 牛少卿,杨双锁,李义,贾喜荣. 煤炭学报. 2014(S2)
[5]综采工作面冒落高度模糊综合预测模型研究[J]. 张军,王建鹏,杨文光. 中国矿业大学学报. 2014(03)
[6]大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析[J]. 王琦,王洪涛,李术才,王德超,江贝,张红军,李为腾. 岩土力学. 2014(03)
[7]深部软弱岩体峰后等效力学模型及数值计算研究[J]. 孙闯,张向东,李永靖. 岩土工程学报. 2014(06)
本文编号：2987351
【文章来源】：中国安全生产科学技术. 2016,12(01)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
泥岩应力－应变曲线
在剪切冒落失稳区范围，为巷道支护设计和围岩稳定性分析提供参考。1泥岩剪切破坏模型及参数1．1泥岩三轴剪切试验采用朝阳仪器GAW－2000微机控制电液伺服刚性压力试验机，对内蒙古高家煤矿典型泥岩试样进行三轴压缩试验，获得泥岩在三轴条件下的全应力－应变曲线如图1所示。图1泥岩应力－应变曲线Fig．1Mudstonecompletestress－straincurves在获得泥岩峰值及峰后残余强度基础上，本文采用E．Hoek等［9］提出的拟合方法，获得基于Mohr－Coulomb准则的泥岩峰值及峰后残余强度的主应力曲线及强度拟合参数，如图2所示。图2泥岩强度拟合曲线Fig．2Mudstoneintensitycurvefitting通过拟合方法可以获得泥岩峰值及峰后强度参数如表1所示，分析拟合结果可知，泥岩峰后黏聚力随着强度衰减而衰减，而泥岩峰后内摩擦角则随着强度衰减而增大，这也体现了泥岩峰后具有明显的黏聚力软化－内摩擦角硬化的特性，在以往的数值计算中，泥岩这种峰后力学特性容易被忽视。表1泥岩强度拟合参数Table1Thefittingparametersofmudstonestrength强度准则Mohr－Coulomb准则强度参数σc/MPac/MPaφ/°R2E/MPav峰值18．36．220．10．99535．90．3残余7．30．524．00．98281．2泥岩峰后剪切破坏模型以塑性理论为基础的应变软化模型当中，屈服准则由应力张量σij和软化参数η表示为［10］:f(σr，σθ，η)=0(1)式中:σr为最大主应力，σθ为最小主应力。如图3(a)所示，当软化参数η=0时，岩石处于弹性变形阶段，0＜η＜η*时为应变软化阶段，η＞η*为残余阶段，其中η*为岩石材料由应变软化转变到残余阶段的临界软化参数值。当岩石进入峰后软化阶段后，岩石的黏聚力及内摩擦
图3岩石峰后软化过程中的参数变化Fig．3Afterthreesegmentscurvesimplificationrockpeaks在FLAC3D中，Mohr－Coulomb应变软化模型中塑性剪切应变用塑性参数εps表示，其增量形式为:Δεps=槡22(Δεpsi－Δεpsm)2+(Δεpsm)2+(Δεps3－Δεpsm)槡2(6)其中:Δεpsm=(Δεps1+Δεps3)/2(7)式中，Δεpsj(j=1、3)为塑性剪切应变主增量。2大跨度泥质顶板冒落区预测内蒙古高家煤矿3上大巷为一条水平运输巷道，巷道埋深达660m，巷道初始设计断面为矩形，围岩主要为泥岩和薄层状泥质砂岩。其中水平主应力为6．4MPa，垂直主应力为8MPa。2．1巷道数值模型及参数本文采用FISH语言将泥岩峰后力学模型写入FLAC3D中的Mohr－Coulomb应变软化模型中，构建大跨度泥质顶板二维数值模型，根据模型的对称性，取模型的1/4部分计算，并对拱顶网格进行局部加密，计算拱顶剪切冒落破坏区范围，模型尺寸及边界条件如图4所示，其中σ0=8MPa为垂直主应力，最大水平主应力为0．8σ0。图4数值模型尺寸及参数Fig．4Numericalmodeldimensionsandparameters根据泥岩峰后剪切破坏过程中强度参数变化特性，本文采用两种计算方案进行对比分析，方案一为假定泥岩峰后黏聚力软化－内摩擦角硬化，方案二为泥岩峰后黏聚力软化－内摩擦角软化，通过两种计算方案获得巷道拱顶潜在冒落失稳区范围，并与现场勘测结果对比分析，验证本文提出的数值计算模型的准确性。泥岩峰值强度参数见表1，两种方案的强度参数见表2。表2数值计算参数Table2Numericalparameters强度参数cpeak/MPacres/MPaφpeak/°φres/°η*方案一6．20
【参考文献】：
期刊论文
[1]采空区影响条件下巷道围岩应力监测与研究[J]. 张磊,寇建恒,窦梅林,黄正均. 中国安全生产科学技术. 2015(08)
[2]大断面巷道中空预应力注浆锚杆的支护效果研究[J]. 吴大伟,吴爱军,苏华友. 中国安全生产科学技术. 2015(08)
[3]花岗岩峰后力学特性试验与模型研究[J]. 孙闯,张树光,贾宝新,吴作启. 岩土工程学报. 2015(05)
[4]大跨度巷道顶板层面剪切失稳机理及支护方法[J]. 牛少卿,杨双锁,李义,贾喜荣. 煤炭学报. 2014(S2)
[5]综采工作面冒落高度模糊综合预测模型研究[J]. 张军,王建鹏,杨文光. 中国矿业大学学报. 2014(03)
[6]大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析[J]. 王琦,王洪涛,李术才,王德超,江贝,张红军,李为腾. 岩土力学. 2014(03)
[7]深部软弱岩体峰后等效力学模型及数值计算研究[J]. 孙闯,张向东,李永靖. 岩土工程学报. 2014(06)
本文编号：2987351
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