矿柱及围岩对采空区破坏影响的数值模拟研究_张晓君

矿柱及围岩对采空区破坏影响的数值模拟研究_张晓君

??第23卷第1期

2006年3月采矿与安全工程学报JournalofMining&SafetyEngineeringVol.23No.1??Mar.2006文章编号:1673??3363(2006)01??0123??04

矿柱及围岩对采空区破坏影响的数值模拟研究

张晓君

(山东理工大学资源与环境工程学院,山东淄博??255049)

摘要:顶板冒落、巷道底鼓和矿柱破坏是采矿过程中的重要岩石力学问题.开展采空区稳定性方面的研究,对保证矿山持续发展和人民生命财产安全有非常重要的意义.运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,采用不同的顶板、底板和矿柱岩性对采空区的破坏过程进行了数值模拟研究.模拟结果再现了采空区从变形到破坏的全过程.结果表明,不同的顶板、底板和矿柱岩性对采空区的破坏过程影响很大.从整个采空区的破坏过程来看,依不同的岩性对比,采空区有不同的破坏特点,微破裂均首先在软弱处产生,并由此扩展以至顶底板和矿柱破坏.

关键词:矿柱;采空区;底板;破坏;数值模拟

中图分类号:TD327????文献标识码:A

SimulationStudyonEffectofPillarandSurroundingRock

onFailureProcessofMinedOutArea

ZHANGXiao??jun

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo,Shandong255049,China)

Abstract:Rooffalling,floorheaveofroadwayandpillarfailureareimportantproblemsofrockmechanicsinminingprocess.Itisverynecessarytoresearchontheabove??mentionedprob??lems.Influenceofdifferentlithologyofroof,floor,andpillaronthefailureprocessofmined

2Doutareawasnumericallystudiedbyusingarockfailureprocessanalysissoftware(RFPA).

Thephenomenaofprogressivefailureleadingtocollapseinminedoutareawerenumericallyin??vestigated.Theresultshowsthattheinfluenceofdifferentroof,floorandpillarlithologyonminedoutareaisobvious.Failureprocessesofminedoutareahavedifferentcharacteristicsfordifferentlithology.Microscopicfracturefirstlycomesintobeingintheflaccidregionandconse??quentlybringsaboutthefailureofminedoutarea.

Keywords:pillar;minedoutarea;floor;failure;numericalsimulation

????顶板冒落、巷道底鼓和矿柱破坏是采矿过程中

的重要岩石力学问题.本文运用岩石破裂过程

分析RFPA2D系统,对不同顶底板、矿柱岩性的采

空区破坏过程进行了数值模拟研究,模拟结果再现

了采空区从变形到破坏的全过程.[1??6]坏过程的分析程序,本文采用包括顶底板和矿柱的采空区平面应变模型.矿柱的高、宽比为1??1,其尺寸4mm??4mm,矿房尺寸6mm??4mm,顶底板厚均为3mm,顶底板和矿柱一起划分为100??100=10000个单元.采用位移控制的加载方式模

拟周围开挖引起的矿柱顶底板的位移,每步加载量

为0.003mm.为了研究岩石非均匀性的影响,设

定岩石的力学性质(单元的弹性及强度性质)服从1??数值分析模型简介RFPA系统是一个岩石渐进破裂直至宏观破2D

收稿日期:20050601

作者简介:张晓君(1975??),男,辽宁省北票市人,讲师,硕士,从事岩土工程以及地基基础工程方面的研究.

E??mail:zhangxj@sdut.edu.cn????Tel:0533??8634912??

124

采矿与安全工程学报第23卷??

韦布尔分布??c(m,??),其中参数m反映岩石材料力学性质的均质度,m越大,表明越均匀;??为反映岩石材料平均性质的参数.本模型中,泊松比均质度为100,平均值为0.25,采用修正的莫尔??库仑判据作为单元破坏的准则,其中摩擦角为30??,拉压强度比为1??10.

(a)

(

b)

2??数值模拟结果与分析

数值模拟分以下4种情况:弱底板、强底板、弱矿柱和弱顶板,物理力学参数见表1.

表1??数值模拟参数

Table1??Inputparametersfornumericalsimulation

围岩状况

参数

弹性模量

抗压强度平均值/MPa均质度

4812

4830484860483060304860

1261212181261861218

(c)

(d)

平均值/MPa均质度

顶板500012矿柱底板顶板

强底板

矿柱底板顶板

弱矿柱

矿柱底板顶板

弱顶板

矿柱底板

50003000500050008000500030008000300050008000

1261212181261861218

弱底板

图1??底板相对软弱时的采空区部分剪应力图

Fig.1??Shearingstrengthmapsofminedoutarea

intheconditionofflaccidfloor

2.2??强底板情况下的采空区破坏过程

数值模拟结果见图2.从图中可以看出,顶板岩石发生下沉,矿柱发生变形并向底板移动,在加载的第9加载步中第4小步顶板顶部首先发生微破裂,随后微破裂加剧并向下扩展,在第6小步顶板产生大量微破裂,随后微破裂继续扩展,并迅速延伸到顶板围岩和矿柱,在第31小步顶板和矿柱破坏,采空区破坏.从整个采空区的破坏过程来看,由于矿柱和顶板岩性相同,所以微破裂首先在拉应力集中区和采空区薄弱地带产生,并由此扩展以至顶板和矿柱破坏,整个破坏过程发生在第9加载步

.

2.1??弱底板情况下的采空区破坏过程

弱底板情况下列出4幅有代表性的剪应力图,见图1.随着开采的进行,采空区面积不断增加,作用在顶底板和矿柱上的载荷也随之增加.从图中可以看出,顶板岩石发生下沉,矿柱发生变形并向底板移动,底板岩层向采空区内涌入,在第5加载步中第7小步底板底部首先发生微破裂,随后微破裂加剧并向上扩展,在第14小步底板产生大量微破裂,随后微破裂继续向四周扩展,并迅速延伸至矿柱,底板产生底鼓;在第27小步底板和矿柱破坏.当井下有多个矿柱共同支承顶板时,某一矿柱破坏失去承载能力后,其原有负荷由邻近矿柱或围岩分担,分担的结果导致更多矿柱破坏,以至于整体破坏.从整个采空区的破坏过程来看,由于底板软弱,所以微破裂首先在底板底部产生,并由此向上扩展直至底板和矿柱破坏,整个破坏过程发生在第5加载步.作为地基的采空区底板支撑着矿柱和矿柱上的顶板及其上部荷载,底板的好与坏对采空区的稳定关系很大,尤其是矿柱下的底板.要解决好底板的问题,文献[7??13]分别研究了巷道底鼓和控制巷道底鼓的措施,对于矿柱下底板破坏和底鼓的问题,可以采用加固顶板和加固底板的方法来解决

.

(a)(

b)

(c)(d)

图2??强底板时的采空区部分剪应力图

Fig.2??Shearingstrengthmapsofminedoutarea

intheconditionofstrongfloor

2.3??弱矿柱情况下的采空区破坏过程

列出4幅有代表性的剪应力图,具体见图3.从图中可以看出,顶板岩石发生下沉,矿柱发生明

??第1期张晓君:矿柱及围岩对采空区破坏影响的数值模拟研究

125

显变形并向底板移动,在加载的初期,由于载荷的幅度较小,矿柱中仅在某些低强度及拉应力较大的部位发生弥散的微破裂,产生较少的声发射数,随着载荷的增加,矿柱的两侧微破裂加剧,随后微破裂继续扩展,并迅速延伸贯通整个矿柱,在第12加载步中第9小步矿柱发生剪切破坏,采空区破坏.从整个采空区的破坏过程来看,由于矿柱软弱,所以微破裂首先在矿柱的薄弱区域和拉应力区产生,并由此扩展,整个破坏过程主要集中发生在第12加载步

.

加载步中第7小步和第12小步顶板产生大量声发射数,顶板破坏,采空区破坏.从整个采空区的破坏过程来看,由于顶板岩性相对软弱,所以声发射首先在顶板的拉应力集中区和薄弱地带产生,并由此微破裂向下扩展以至整个顶板破坏,但整个破坏未延伸扩展到矿柱,整个破坏过程主要集中发生在第6加载步.采空区顶板大面积冒落是矿山顶板事故中危害最严重的.近年来,矿山大面积采空区顶板垮落事件时有发生,煤层采空区的顶板冒落事故也层出不穷,导致采空区顶板冒落的因素很多,弱顶板是其原因之一.

3??结??论

通过模拟,再现了在不同的顶底板和矿柱岩性情况下其采空区破坏的全过程.从整个采空区的破

(a)

(b

)

坏过程来看,微破裂均首先在软弱处产生,并由此扩展以至顶底板和矿柱破坏.作为地基的采空区底板支撑着矿柱和矿柱上的顶板及其上部荷载,底板的好与坏对采空区的稳定与否关系很大.采空区的破坏过程受很多因素的影响,比如矿柱、矿房的尺寸与布置、顶底板的厚度等,这有待以后进一步研究.

(c)(d)

图3??弱矿柱时的采空区部分剪应力图

Fig.3??Shearingstrengthmapsofminedoutarea

intheconditionofflaccidpillar

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2.4??弱顶板情况下的采空区破坏过程

列出4幅有代表性的声发射图,具体见图4.从图中可以看出,顶板岩石发生下沉,矿柱发生变形并向底板移动,在加载的第5步顶板顶部首先产生较少的声发射数,随后微破裂向下扩展,在第

6

(a)(b

)

507??509.

[3]??王善勇,唐春安,徐??涛,等.矿柱岩爆过程声发射的

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(c)(d)

图4??弱顶板时的采空区破坏过程部分声发射图

Fig.4??Acousticemissionmapsduringtheprocessofminedoutareafailureintheconditionofflaccidroof

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[4]??王连国,毕善军,宋??扬.底板变形破坏规律的数值模

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