含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理FDEM数值模拟研究.pdf
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1、第46 卷第8 期2023年8 月采矿与井巷工程含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理FDEM数值模拟研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.8Aug.2023贾永杰(山西工程职业学院资源与安全工程系,山西太原0 3 0 0 0 9)摘要:巷道频繁遭遇褶皱构造,采用有限元离散元耦合数值模拟方法(FDEM)研究含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理。首先改进了FDEM剪切应力峰后软化本构模型,使其在压剪应力状态下保持残余剪应力,随后采用余弦函数y=acos(a)建立不同形态的褶皱构造数值模型,最后采用改进的FDEM数值模拟程序研究了不同地应力侧压系数入(=0.5
2、、2.0)和不同褶皱形态下(a=0、0.5m 和1.5m)的各向同性围岩体破裂碎胀大变形机理。结果表明,对于各向同性岩体,褶皱形态的影响微弱,均呈现X型共轭剪切破坏并伴随拉伸断裂,断裂块体沿剪切带的滑移剪胀及破碎块体的翻转大运动造成破碎岩块的体积膨胀,发生破裂碎胀性大变形。关键词:褶皱构造;软岩巷道;FDEM;破裂碎胀大变形;地应力侧压系数中图分类号:TD353FDEM numerical simulation on buckling failuremechanism of surrounding rock massescontaining folded structures(School o
3、f Mining Engineering,Shanai Engineering Vocational Colle ge,Taiyuan 030009,China)Abstract:The folded structures are frequently encountered in roadway excavation;therefore,the combined finite-discreteelement numerical method(FDEM)was used in paper to study buckling failure mechanism of surrounding ro
4、ck massescontaining folded structures.Firstly,the FDEM shear stress constitutive model at post-peak softening stage was improved,in which the residual shear stress could be maintained under compression-shear state.Then,numerical models of foldedstructures with different shapes were established by us
5、ing consie function y=acos(x).Finally,the improved FDEM numericalmethod was used to study the failure and large deformation mechanism of isotropic and anisotropic rock mass with differentin situ stress lateral coefficients (=0.5 and 2.0)and folded structure shapes(a-0,0.5 m and 1.5 m).The study resu
6、ltsindicated that for the isotropic rock mass,the influence of folded structures shape was weak,that was,the rock mass wasfracture by X-shaped conjugated shear cracks following by few tension cracks.The large deformation was induced by thebuckling failure of rock mass and the movement of the rock fr
7、agments.Key words:folded structures;weak surrounding rock mass in roadway;fdem;buckling failure;in situ stress lateralcoefficient文献标识码:AJia Yongjie文章编号:2 0 9 5-59 7 9(2 0 2 3)0 8-0 0 15-0 5弹塑性连续变形,无法模拟围岩破裂过程、破碎块0引言体间的接触挤压和块体的宏观大运动过程;此外,当前对含褶皱巷道软弱围岩破裂碎胀大变形机未考虑地应力侧压系数、褶皱几何形态和岩层特性理的研究还存在诸多不足之处,如大都采用连续性
8、的影响。因此,本文将采用有限元离散元耦合数数值模拟方法,该方法仅能模拟巷道开挖后围岩的值模拟方法(FDEM)模拟含褶皱巷道围岩破裂碎责任编辑:任伟ID0I:10.19286/ki.cci.2023.08.004作者简介:贾永杰(198 9一),男,山西长治人,讲师。引用格式:贾永杰.含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理FDEM数值模拟研究J.煤炭与化工,2 0 2 3,46(8):15-19.152023年第8 期胀大变形机制,并研究地应力侧压系数、褶皱几何形态和不同岩层特性的影响。相比于传统的单一连续性或非连续性数值方法,FDEM能够模拟完整岩石材料受载后的弹塑性连续变形及开裂失效过程,也能够模
9、拟破裂块体间的接触挤压作用及块体的宏观大运动过程,且裂隙网络数目不受限、计算效率较高,模拟结果正确性已经过室内试验和工程现场监测所验证。1FDEM数值模拟基本原理1.1FDEM本构模型FDEM基本原理:将岩石材料划分为三角形单元和初始无厚度的四边形节理单元,三角形单元在外荷载或其他荷载作用下仅发生线弹性变形,四边形节理单元则经历峰前线弹性变形峰后塑性损伤一断裂失效全过程,失效后的节理单元不再进入计算程序并产生一条微裂隙,且两侧的三角形单元由粘结关系转换为接触关系。由于FDEM基本原理能在诸多文献中轻易找到,本文不再赘述,仅介绍改进后的四边形节理单元本构模型。本文对四边形节理单元粘结应力本构模型
10、进行了修正,如下:%f.,00,2f,0,00,LSIs I0C1Sl.(c-0,tang),s/s,且 a,0煤炭与化工面的四边形节理单元岩石强度最低(包括抗拉强度ft、粘聚力 c、I 型断裂能 GI和I 型断裂能 GII)、垂直于层理面的四边形节理单元岩石强度最高(图1b),与层理面呈其他角度的四边形节理单元强度采用线性计算公式:(3)Gur Cinil Gty=Glnin+90Gny=Glm,rin+90式中:fCGGl为与层理面呈角度的四边形节理单元抗拉强度、粘聚力、I型断裂能和I型断裂能;firmin、Cmi n、G l r i n、G l,mi n 为平行于层理面的四边形节理单元抗
11、拉强度、粘聚力、I型断裂能和 II 型断裂能;f.me、Cme r、G u ma r、G l me x 为垂直于层理面的四边形节理单元相应参数。实际上,弥散方法是一种等效方法,即真实岩体若干层理面内的岩石被表征为FDEM中的两相邻层理面内的网格,这些若干层内的真实岩石宏观力学特性可通过FDEM四边形节理单元强度参数的线性变化来反映,避免在FDEM中划分非常微小的层理间距和网格尺寸,提高了建模效率和计算(1)效率。(2)第46 卷9090层埋面S,ISs/0层厚,zc,-a,tangi,S式中:n、T 分别为法向应力和切向应力;o、ISl分别为拉伸/压缩位移和剪切位移;op、0、s,和st分别为
12、拉伸峰值位移和拉伸极限位移、剪切峰值位移和剪切极限位移;o,和s,的值采用Deng等8 提出的相对值形式,即相对于网格尺寸,而非绝对位移形式,如此可消除I型和II 型断裂能GI、G I 对网格尺寸的依赖性,即不同的网格尺寸可采用相同的断裂能;f、c 分别为抗拉强度和粘聚力;z为峰后软化函数。1.2层状岩体FDEM数值模拟原理可采用断续裂隙网络法(DNF)和弥散方法模拟(smeared method),而DFN难以模拟真实层状岩体特性9,因而在后续的研究中更多地采用弥散方法13,其基本原理概述如下:将层状岩体的层理面通过直接建模的方式表征(图1a),平行于层理16S,IS/S,且g,0(a)FD
13、 EM 层状岩体网格划分maxmin四边形节理单元与层理面夹角,()(b)FD EM 层状岩体参数变化规律图1层状岩体FDEM数值模拟原理Fig.1 FDEM numerical simulation principle of layered rock mass口01306090贾永杰:含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理FDEM数值模拟研究2含褶皱岩体破裂碎胀大变形机理FDEM数值模拟2.1模型与参数平直岩层经水平地应力挤压作用后将发生弯曲变形,Fereshtenejad 等 指出可采用正弦/余弦函数表示简单的褶皱构造。y=a cos(a)为了消除异形断面的影响,本文以TBM掘进圆形巷道为例。如
14、图2(a)所示,在本文中,将波长恒定为3.6 m,不同形状的褶皱通过式(4)中的值体现。将值分别设定为0(平直层理面)、0.5m和1.5m,建模过程如下:根据公式(4)获取图2(a)所示9个绿色拐点的坐标,在Gmsh软件中采用样条曲线Spline命令将这9个点相连获得一条余弦曲线,同一层面的余弦曲线根据相同的方法绘制,首尾相连获得一条褶皱曲线,将该层的褶皱曲线向上、下平移,确保翼部间距t=1.0m,由此形成整个褶皱构造数值模型。巷道开挖位置如图2(a)所示,圆形巷道直径3.0 m,模型为边长8 0 m的正方形,以a=1.5m为例,其模型如图3(b)所示,为减小网格数2023年第8 期目、提高计
15、算效率,将模型划分为3 个区域13 :远场区、网格细化区和巷道区(亦称为核心材料区)。褶皱构造仅在巷道区和网格细化区内体现,远场区内不设置褶皱构造,但需确保所有的裂隙网络在网格细化区内扩展。本文中网格细化区为边长约3 0m的正方形,巷道周边网格尺寸h=0.1m。巷道开挖模拟分为两个阶段:地应力施加阶段和开挖模拟(4)阶段。在地应力施加阶段,根据所需地应力计算出所有节点的相应节点力,而后将节点力反向施加至对应节点上,在该阶段不插入四边形节理单元,仅采用三角形单元,且模型边界自由,系统将产生巨大动能,在粘滞阻尼和临界迟滞阻尼10 作用下,模型达到平衡,获得所需地应力;在开挖模拟阶段,插人初始零厚度
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