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地震载荷下采空区稳定性影响因素分析
2015-04-30
基于离散元程序对采空区在地震载荷作用下的稳定性影响因素进行分析。以单因素 分析法分析地震载荷下,节理密度、侧压系数和地震强度对采空区顶板的影响。分析结果表明:顶 板位移对节理密度和地震强度更加敏感;随着节理密度增大,顶板位移增加,节理密度达到一定值 时,顶板失稳;随着地震强度增大,顶板位移增加,地震强度达到Ⅷ级,顶板失稳;顶板位移随着侧压 系数的增加而减小。为采空区稳定性治理工作提供了依据。
SeArpiarlilN. 2o0.15552 现 ꢀ 代 ꢀ 矿 ꢀ 业 2015总年 第45月52第期 4 期 MODERN MINING 地 震 载 荷 下 采 空 区 稳 定 性 影 响 因 素 分 析 胡 敬 强 1 ꢀ 戴 兴 国 1 ꢀ 母 昌 平 2 ꢀ 杜 ꢀ 虎 2 ꢀ 余 业 清 2 ( 1. 中 南 大 学 资 源 与 安 全 工 程 学 院 ; 2. 四 川 省 冶 金 设 计 研 究 院 ) ꢀ ꢀ 摘 ꢀ 要 ꢀ 基 于 离 散 元 程 序 对 采 空 区 在 地 震 载 荷 作 用 下 的 稳 定 性 影 响 因 素 进 行 分 析 。 以 单 因 素 分 析 法 分 析 地 震 载 荷 下 , 节 理 密 度 、 侧 压 系 数 和 地 震 强 度 对 采 空 区 顶 板 的 影 响 。 分 析 结 果 表 明 : 顶 板 位 移 对 节 理 密 度 和 地 震 强 度 更 加 敏 感 ; 随 着 节 理 密 度 增 大 , 顶 板 位 移 增 加 , 节 理 密 度 达 到 一 定 值 时 , 顶 板 失 稳 ; 随 着 地 震 强 度 增 大 , 顶 板 位 移 增 加 , 地 震 强 度 达 到 Ⅷ级 , 顶 板 失 稳 ; 顶 板 位 移 随 着 侧 压 系 数 的 增 加 而 减 小 。 为 采 空 区 稳 定 性 治 理 工 作 提 供 了 依 据 。 关 键 词 ꢀ 采 空 区 ꢀ 节 理 岩 体 ꢀ UDECꢀ 地 震 载 荷 ꢀ ꢀ 近 年 来 , 我 国 地 下 矿 山 的 开 采 逐 渐 向 深 部 发 展 , σ σ xx yy E / ( skn ) ν+( (11++νν) ) ( 1 - ν) = , ( 1) 深 部 节 理 岩 体 的 岩 石 力 学 研 究 也 日 益 成 为 重 点 。 地 下 矿 山 开 采 需 要 布 置 大 量 的 的 井 巷 工 程 , 对 原 岩 应 力 分 布 状 态 产 生 很 大 影 响 。 自 然 条 件 下 , 岩 体 长 期 受 地 质 构 造 作 用 的 影 响 , 内 部 产 生 复 杂 的 弱 面 , 从 而 产 生 结 构 上 的 不 连 续 性 1] 。 采 矿 过 程 中 往 往 需 要 开 挖 不 同 断 面 的 回 采 或 工 作 空 间 , 维 护 人 工 开 挖 的 作 业 空 间 在 合 理 时 间 内 的 稳 定 , 是 影 响 矿 山 能 否 顺 利 开 采 的 关 键 因 素 。 式 中 , ν 为 泊 松 比 ; E 为 弹 性 模 量 , MPa; σxx 为 X 方 向 主 应 力 , MPa; σ 为 Y 方 向 主 应 力 , MPa; s 为 节 理 间 yy 距 , mm; k 为 节 理 的 法 线 刚 度 , GPa。 n [ 节 理 和 岩 块 以 串 联 方 式 相 互 作 用 。 节 理 岩 体 的 总 应 变 是 节 理 应 变 和 岩 块 应 变 之 和 。 岩 体 弹 性 性 质 可 以 通 过 叠 加 节 理 和 岩 块 的 变 形 得 到 。 即 ε ε σ σ xx yy xx yy = ( Cr + Cj ) ] , ( 2) 我 国 位 于 环 太 平 洋 地 震 带 与 欧 亚 地 震 带 的 交 汇 部 位 , 受 太 平 洋 板 块 、 印 度 板 块 和 菲 律 宾 板 块 的 挤 压 , 地 震 断 裂 带 十 分 发 育 , 区 域 地 震 非 常 活 跃 和 频 繁 , 是 全 球 性 大 陆 地 震 最 集 中 、 活 动 性 最 高 的 地 区 。 进 入 21 世 纪 以 来 , 我 国 境 内 已 发 生 4 次 7. 0 级 以 上 地 震 。 地 震 载 荷 对 矿 山 生 产 的 安 全 影 响 也 日 益 受 到 关 注 。 [ ] [ 式 中 , εxx 为 X 方 向 应 变 ; εyy 为 Y 方 向 应 变 。 如 果 以 各 向 同 性 弹 性 材 料 模 拟 完 整 岩 块 , 其 变 形 矩 阵 为 Cr = 1 + ν 1 - ν - ν ] , ( 3) ( 4) [ E - ν 1 - ν 节 理 变 形 矩 阵 为 1 ꢀ 基 本 原 理 1 sk n    通 用 离 散 元 程 序 ( UDEC, Universal Distinct Ele ment Code) 主 要 用 于 模 拟 不 连 续 介 质 在 静 载 荷 和 动 0 1  Cj =   0 .  [ 23]  载 荷 作 用 下 的 影 响 。 UDEC 采 用 离 散 的 块 体 结 sk  n 合 体 描 述 不 连 续 介 质 , 采 用 边 界 面 描 述 不 连 续 面 , 允 许 块 体 沿 着 边 界 面 发 生 移 动 和 转 动 。 单 个 块 体 可 被 描 述 为 刚 体 和 变 形 体 , 变 形 体 被 划 分 为 有 限 个 单 元 网 络 , 并 赋 予 一 定 的 应 力 应 变 准 则 。 不 连 续 面 根 据 受 力 情 况 可 发 生 法 向 和 切 向 位 移 。 2 ꢀ 工 程 算 例 2 . 1ꢀ 岩 石 力 学 模 型 和 参 数 块 体 模 型 采 用 弹 塑 性 模 型 。 不 连 续 面 采 用 Mo hrCoulomb 本 构 模 型 , 能 很 好 地 模 拟 岩 ( 土 ) 体 的 运 [ 45] 。 MohrCoulomb 模 型 中 节 理 应 力 包 括 法 动 规 律 UDEC 程 序 中 , 对 节 理 岩 体 的 泊 松 效 应 描 述 为 向 应 力 和 切 向 应 力 , 假 设 节 理 应 力 和 位 移 为 线 性 。 法 向 应 力 公 式 为 ꢀ ꢀ 胡 敬 强 ( 1986— ) , 男 , 工 程 师 , 硕 士 研 究 生 , 410083 湖 南 省 长 沙 市 。 Δσn = kn Δun , ( 5) 1 50 ꢀ ꢀ 胡 敬 强 ꢀ 戴 兴 国 等 : 地 震 载 荷 下 采 空 区 稳 定 性 影 响 因 素 分 析 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年 4 月 第 4 期 式 中 , kn 为 刚 度 参 数 , GPa; Δσn 为 节 理 面 正 交 方 向 倾 角 分 别 为 45°和 - 33°, 设 定 模 型 垂 直 方 向 初 始 应 力 状 态 为 24 MPa, 埋 深 约 800 m。 的 应 力 增 量 , MPa; Δu 为 节 理 面 正 交 方 向 的 位 移 增 n 量 , mm。 切 向 应 力 主 要 受 内 摩 擦 角 和 黏 聚 力 影 响 , 可 描 述 为 Δues τ ≤ c + σn tan ≤ τmax , s ( 6) ( 7) s τ = sign( Δu ) τ τ ≥ τmax , s s max 式 中 , c 为 黏 聚 力 ;  为 内 摩 擦 角 , ( °) ; σn 为 节 理 面 正 方 向 应 力 , MPa; τ 为 节 理 面 的 切 向 应 力 , MPa; ks s e 为 节 理 面 的 切 向 刚 度 , GPa; Δu 为 切 向 位 移 增 量 的 图 1ꢀ 工 程 计 算 模 型 s 变 化 量 , mm; τ 为 节 理 面 最 大 切 向 应 力 , MPa; Δus 2. 4ꢀ 结 果 分 析 max 为 切 向 位 移 增 量 , mm。 模 型 计 算 参 数 见 表 1 和 表 2。 表 1ꢀ 岩 体 力 学 参 数 2. 4. 1ꢀ 节 理 密 度 的 影 响 模 型 设 定 基 本 条 件 : 地 震 烈 度 为 Ⅵ, 即 振 幅 为 2 0 . 63 m/ s , 动 载 荷 输 入 频 率 为 10 Hz, 地 震 持 续 时 间 为 10 s, 侧 压 系 数 为 1. 2, 节 理 密 度 分 别 设 置 0. 2, 容 重 弹 性 模 量 内 摩 擦 角 黏 聚 力 抗 拉 强 度 泊 松 比 / ( kN/ m3 ) / MPa 1 850 / ( °) 61 / MPa 0. 8 / MPa 0. 16 0  4, 0. 6, 0. 8, 1. 0 条 / m。 2 6. 3 0. 27 图 2 为 监 测 点 A 在 不 同 节 理 密 度 模 型 下 , 受 动 表 2ꢀ 节 理 力 学 参 数 载 荷 作 用 产 生 的 位 移 。 可 以 看 出 , 节 理 密 度 为 0. 2, 0. 4, 0. 6, 0. 8 条 / m 时 , 监 测 点 A 的 位 移 均 能 收 敛 于 一 个 固 定 值 , 节 理 密 度 为 0. 8 条 / m 时 , 位 移 收 敛 值 为 4. 23 cm, 顶 板 依 然 处 于 稳 定 状 态 。 节 理 密 度 增 大 至 1 条 / m 时 , 监 测 点 A 的 位 移 不 能 收 敛 , 而 且 位 移 速 度 越 来 越 快 , 表 明 顶 板 失 稳 。 法 向 刚 度 切 向 刚 度 / GPa 7. 89 内 摩 擦 角 黏 聚 力 抗 拉 强 度 / GPa 7. 89 / ( °) / MPa 2 / MPa 35 0. 2 2 . 2ꢀ 边 界 条 件 和 地 震 载 荷 为 模 拟 有 限 的 岩 体 , 本 计 算 在 问 题 域 的 外 围 边 界 引 入 黏 滞 边 界 以 消 除 波 的 反 射 , 地 震 事 件 用 施 加 到 模 型 顶 部 y 方 向 的 正 弦 应 力 波 表 示 , 应 力 波 被 叠 [ 67] 加 到 已 存 在 的 初 始 地 应 力 上 , 地 震 波 所 产 生 的 速 度 和 加 速 度 以 应 力 的 形 式 作 用 在 边 界 上 。 模 型 采 用 局 部 阻 尼 , 阻 尼 系 数 取 0. 1。 模 拟 的 地 震 事 件 包 括 Ⅴ、 Ⅵ、 Ⅶ和 Ⅷ级 , 不 同 的 地 震 事 件 采 用 不 同 的 地 震 加 速 度 幅 值 表 示 , 对 应 振 幅 分 别 为 0. 31, 0. 63, 1. 25, 2. 50 m/ s2 。 地 震 频 率 设 定 为 10 Hz, 持 续 时 间 为 10 s。 图 2ꢀ A 点 位 移 与 节 理 密 度 关 系 曲 线 ( 地 震 等 级 Ⅵ) 图 3 为 节 理 密 度 为 1 条 / m 时 , 计 算 模 型 应 力 状 态 和 顶 板 失 稳 图 。 可 以 看 出 , A 点 块 体 之 间 节 理 裂 隙 出 现 小 幅 张 开 , 块 体 之 间 不 再 有 明 显 压 力 , 表 明 该 处 块 体 已 经 开 始 崩 落 。 2 . 3ꢀ 计 算 模 型 采 用 二 维 平 面 应 变 模 型 代 表 超 采 轴 向 方 向 的 平 面 效 应 。 为 研 究 地 震 载 荷 下 不 同 因 素 所 产 生 的 影 响 , 采 用 单 变 量 因 素 分 析 法 , 即 在 其 他 条 件 一 定 的 情 况 下 , 通 过 改 变 单 个 因 素 分 析 其 对 空 区 稳 定 性 的 影 响 。 本 文 的 研 究 内 容 包 括 3 个 方 面 : ①一 定 地 震 载 荷 下 , 节 理 密 度 对 空 区 顶 板 稳 性 的 影 响 ; ②一 定 地 震 载 荷 下 , 侧 压 系 数 对 空 区 顶 板 稳 性 的 影 响 ; ③特 定 特 点 区 域 ( 节 理 和 构 造 应 力 一 定 ) , 振 幅 对 空 区 顶 板 稳 定 性 的 影 响 。 工 程 模 型 见 图 1, 超 采 面 宽 10 m, 高 图 3ꢀ 模 型 顶 板 失 稳 及 其 应 力 状 态 5 m, A 点 为 顶 板 位 移 监 测 点 , 模 型 共 2 组 节 理 , 节 理 1 51 总 第 552 期 现 代 矿 业 2015 年 4 月 第 4 期 2 . 4. 2ꢀ 侧 压 系 数 的 影 响 模 型 设 定 基 本 条 件 : 地 震 烈 度 为 Ⅵ, 即 振 幅 2 0  63 m/ s , 动 载 荷 输 入 频 率 为 10 Hz, 地 震 持 续 时 间 为 10 s, 节 理 密 度 为 0. 5 条 / m, 侧 压 系 数 分 别 设 定 0 . 8、 1. 0、 1. 2、 1. 5、 2. 0。 图 4 为 监 测 点 A 在 不 同 侧 压 系 数 下 , 地 震 载 荷 作 用 产 生 的 位 移 变 化 。 可 以 看 出 , 其 他 条 件 不 变 的 情 况 下 , 随 着 侧 压 系 数 增 大 , 监 测 点 A 在 地 震 载 荷 作 用 下 发 生 的 位 移 随 着 侧 压 系 数 增 加 而 减 小 , 侧 压 系 数 大 于 1 时 , 顶 板 稳 定 性 较 好 。 图 5ꢀ A 点 位 移 与 振 幅 关 系 曲 线 2) 地 震 载 荷 和 节 理 密 度 一 定 时 , 采 空 区 顶 板 ( 位 移 随 着 侧 压 系 数 的 增 大 而 减 小 ; 并 且 随 着 侧 压 系 数 的 增 加 , 顶 板 位 移 值 变 化 幅 度 也 相 应 降 低 。 侧 压 系 数 大 于 1. 0 时 , 顶 板 稳 定 性 受 到 地 震 的 影 响 较 小 。 ( 3) 节 理 密 度 和 侧 压 系 数 一 定 时 , 采 空 区 顶 板 2 位 移 随 着 振 幅 的 增 大 而 增 大 。 振 幅 为 2. 50 m/ s 时 , 采 空 区 顶 板 发 生 失 稳 , 监 测 点 位 移 不 收 敛 。 ( 4) 采 空 区 顶 板 稳 定 性 对 节 理 密 度 和 振 幅 的 变 化 更 加 敏 感 , 侧 压 系 数 对 其 影 响 相 对 较 小 。 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 图 4ꢀ A 点 位 移 与 侧 压 系 数 关 系 曲 线 ( 地 震 等 级 Ⅵ) [ 1] ꢀ 陈 永 明 , 滕 光 亮 , 石 玉 成 , 等 . 地 震 作 用 下 宝 成 铁 路 109 隧 道 边 2 . 4. 3ꢀ 振 幅 的 影 响 坡 失 稳 机 理 的 离 散 元 模 拟 [ J] . 岩 土 工 程 学 报 , 2013( S1) : 23 模 型 设 定 基 本 条 件 : 动 载 荷 输 入 频 率 为 10 Hz, 3 2. 地 震 持 续 时 间 为 10 s, 侧 压 系 数 为 1. 2, 节 理 密 度 为 [ 2] ꢀ 雷 远 见 , 王 水 林 . 基 于 离 散 元 的 强 度 折 减 法 分 析 岩 质 边 坡 稳 定 性 [ J] . 岩 土 力 学 , 2006( 10) : 16931698. 0  5 条 / m, 振 幅 分 别 设 定 0. 31, 0. 63, 1. 25, 2. 50 2 m/ s 。 [ 3] ꢀ 刘 红 岩 , 王 ꢀ 明 . 节 理 岩 质 边 坡 稳 定 性 的 离 散 元 分 析 [ J] . 金 属 矿 山 , 2008( 9) : 1518. 图 5 为 监 测 点 A 在 不 同 地 震 烈 度 下 产 生 的 位 2 [ 4] ꢀ 刘 ꢀ 成 , 王 来 贵 , 任 ꢀ 昕 . 节 理 岩 体 单 孔 抽 注 水 渗 流 研 究 [ J] . 地 质 灾 害 与 环 境 保 护 , 2007( 2) : 104107. 移 。 可 以 看 出 , 振 幅 为 0. 31, 0. 63, 1. 25 m/ s 时 , 顶 板 监 测 点 A 的 位 移 最 终 收 敛 , 随 着 振 幅 的 增 大 收 敛 [ 5] ꢀ 蒋 ꢀ 坤 , 夏 才 初 . 基 于 不 同 节 理 模 型 的 岩 体 边 坡 稳 定 性 分 析 [ J] . 同 济 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版 , 2009( 11) : 14401445. 2 值 增 大 , 振 幅 为 2. 50 m/ s 时 , 监 测 点 位 移 不 收 敛 , 顶 板 失 稳 。 [ 6] ꢀ 孙 有 为 , 薄 景 山 , 李 ꢀ 平 , 等 . 地 震 对 地 下 硐 室 围 岩 动 压 力 的 影 响 [ J] . 地 震 工 程 与 工 程 振 动 , 2010( 3) : 171177. 3 ꢀ 结 ꢀ 论 ( 1) 地 震 载 荷 和 侧 压 系 数 一 定 时 , 采 空 区 顶 板 [ 7] ꢀ 郭 !良 , 赵 仕 广 , 丁 立 丰 , 等 . 地 下 硐 室 围 岩 应 力 状 态 及 相 关 参 数 测 量 结 果 的 分 析 与 评 价 [ J] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2007 位 移 随 节 理 密 度 增 大 而 增 大 。 当 节 理 密 度 大 于 1. 0 ( S1) : 33613366. 条 / m 时 , 采 空 区 顶 板 发 生 失 稳 。 ( 收 稿 日 期 20141112) 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 版 , 2012( 2) : 12. ( 上 接 第 146 页 ) [ 2] ꢀ 任 万 友 . 关 于 煤 矿 综 采 中 粉 尘 治 理 措 施 的 研 究 [ J] . 科 技 与 企 业 , 2013( 21) : 127128. 4 ꢀ 结 ꢀ 论 基 于 现 行 的 综 采 工 作 面 防 尘 技 术 , 采 用 水 电 联 [ 3] ꢀ 王 政 宏 . 综 掘 工 作 面 粉 尘 治 理 技 术 发 展 现 状 及 趋 势 [ J] . 煤 矿 机 械 , 2012( 6) : 2526. 动 闭 锁 装 置 、 光 束 传 感 器 、 红 外 线 喷 雾 、 新 式 移 降 架 喷 雾 装 置 等 先 进 设 备 , 并 结 合 降 尘 剂 的 使 用 , 取 得 了 良 好 的 应 用 效 果 , 降 尘 率 大 幅 提 高 , 为 井 下 人 员 提 供 了 良 好 的 作 业 环 境 , 为 抑 尘 、 防 尘 、 减 少 粉 尘 危 害 提 供 了 可 靠 保 障 。 [ 4] ꢀ 李 ꢀ 绚 . 综 掘 工 作 面 粉 尘 综 合 防 治 技 术 [ J] . 科 技 创 新 与 应 用 , 2 013( 36) : 9192. [ [ 5] ꢀ 支 学 艺 , 何 锦 龙 , 张 红 婴 . 矿 井 通 风 与 防 尘 [ M] . 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 , 2009. 6] ꢀ 陈 ꢀ 军 . 煤 矿 采 掘 工 作 面 粉 尘 防 治 技 术 及 其 发 展 趋 势 [ J] . 内 蒙 古 煤 炭 经 济 学 报 , 2013( 10) : 3334. 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 1] ꢀ 马 振 雨 . 矿 井 粉 尘 危 害 及 其 治 理 初 探 [ J] . 科 技 促 进 发 展 : 应 用 ( 收 稿 日 期 20141106) [ 1 52
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