高跨比对层状顶板稳定性影响.pdfVIP

隧道，地下工程及岩石破碎理论与应用 andR0ckFmgrncntation 仙eory釉dApplic鲥蚰ofTunncnng，undergro皿dEⅡgine曲g 高跨比对层状顶板稳定性的影响 赵兴东，刘建坡，于庆磊 (东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004) 摘要：根据粱的受力理论，对层状顶板的破坏进行了力学分析．通过层状顶板破断的演化 过程来研究其破断机理，探讨了层状顶板的应力分布状态。运用东北大学岩石破裂与失稳研 究中心的岩石破裂过程分析系统(RFP^2对高跨比对复合层状顶板稳定性的影响进行了数值 模拟计算，得出了不同高垮比对巷道稳定性的影响情况。研究结果表明，顶板岩层破坏主要 是拉应力与剪切应力作用的结果． 关键词：高跨比；层状顶板；稳定性；煤巷；数值模拟 l引言 岩层介质是经过复杂的地质运动所形成的地质体，由于岩层沉积及地质构造作用， 使得岩体内出现了不连续面，具体表现为层面、断裂、劈理、节理等。因此，岩体具有 复杂的力学特性，它在力学形态上表现出了非均质、各向异性及流变等特性；在几何形 态上，表现出了非连续性，利用解析的方法很难较完备地描述其破坏发展和演化过程。 目前，国内外已有许多利用有限元、边界元、位移非连续法等数值方法进行地下结 构围岩破坏的研究，但这些方法中的多数视研究对象为均匀、连续介质体，而实验和工 程实际均表明岩石类材料非均匀性对围岩破坏的影响至关重要，人们已经认识到岩石材 料非均质性对宏观性质的影响，努力进行这方面的数值模拟研究，并取得了长足的进展 ““。尽管一些有限元方法可以模拟出岩石的非线性变形，但只是在宏观力学行为上的一 种“形似”，而没有模拟出岩石在变形过程中的微破裂进程，因而没做到“神似”，从而 使的许多理论和工程问题分析仅停留在“结果分析”上，而无法进行“过程分析”。 本文根据材料力学梁的受力理论，对层状顶板的破坏进行了力学分析，同时运用东 北大学岩石破裂过程分析系统偎11P小D)，对不同高跨比的层状顶板的破断过程进行了数 值计算，探讨了不同高跨比对巷道稳定性的影响。该系统基于对岩石细观本构模型的认 识，应用渗流一应力一损伤耦合模型来研究岩石(体)在各种边界条件下的细观损伤、宏观 失稳破坏及其相互作用等一系列问题”J。 2层状顶板破坏的数学模型 矩形巷道复合层状项板为薄层状岩体，在平行于层理方向的压力作用下(包括顶板 的自重应力)，项板将产生离层和挠曲。现场复合层状顶板发生破断、冒顶的实例表明： 层状顶板的岩梁的挠曲失稳破坏是自下而上渐进发展的。顶板岩梁的挠曲(图1)，首先 考虑第一层岩粱，根据材料力学粱受力理论，挠曲失稳时的临界荷载(假设岩梁的重力与 nei．educn． 作者简介：赵兴东(1975一)，男，东北大学讲师．主要从事岩石失稳与控制研究。E—畹il：zhaoxingd∞go咀i1 245 隧道，地下工程及岩石破碎理论与应用 层间粘结力相等)【10J”。 l p — 4 {|。I4{4；， I 4 { 吨 一f]{一 图l岩粱上任意点的应力分析 名=舞 ∞ 式中，∥——长度系数，对两端固定的岩梁，其值取O．5； 卜弹性模量：，——巷 ．蚰3 道宽度；，