FLAC在井下开挖工程中的应用与分析 采矿工程专业毕业论文 毕业设计.doc

FLAC在井下开挖工程中的应用与分析 摘要：论文在对FLAC数值模拟软件功能、使用关键点及其优劣性等方面进行归纳、总结与分析的基础上，使用FLAC软件进行了回采巷道锚网支护参数优化以及大断面交岔点开拓巷道围岩应力与塑性区分布状况等两个井下工程实例的数值模拟应用与分析。结果表明：数值模拟为实际工程提供了科学的理论依据，较好地指导了工程实践；数值模拟是一种科学有效的工程分析软件，特别是在多方案、多参数优化与比较中有突出的优势，在岩土工程中有广阔的应用前景。 关键词：FLAC模拟，开挖工程，应用与分析 数值模拟技术就是应用计算机软件进行数值分析的一种方法。它借助计算机、数学、力学等学科的知识，为工程分析、设计和科学研究服务。经典的数值分析方法主要有拉格朗日法和欧拉法。 拉格朗日法着眼于运动质点，先追踪个别运动质点，研究其受力、位移、速度、加速度等随时间的变化然后将运动场中所有的质点运动情况综合起来就得到运动场的运动。欧拉法着眼于运动场中的空间点，研究质点结果这些空间点时，力学和运动参数随时间的变化，并用同一时刻所有点上的运动情况来描述运动场的运动。 目前国内矿业领域常用的数值模拟软件主要有FLAC、FLAC3D、UDEC、3DEC和RFPA等。其中最为常用的是由美国明尼苏达大学和美国Itasca Consulting Group，Inc．开发的商业软件——FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua，即连续介质快速拉格朗日分析）。它是一种基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序。国内于20世纪90年代初才引进该软件，主要应用于工程地质和岩土力学分析，如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等。在地下开挖工程中主要用来模拟不同加载条件下的地应力场生成、边坡或地下硐室开挖、混凝土衬砌、锚杆或锚索设置、地下渗流等工程问题。本论文以FLAC软件为手段进行工程实例应用与分析。 1 数值模拟软件——FLAC简介 1.1 FLAC软件算法 FLAC软件是由有限差分法推导出来的，其基本算法是拉格朗日差分法，这是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，并利用差分格式按时步积分求解。对于某一个结点而言，在每一时刻它受到来自其周围区域的合力的影响。如果合力不等于零，结点就会失稳而产生运动，从而可以在一个时步中求得速度和位移的增量。对于每一个区域而言，可根据其周围结点的运动速度求得它的应变率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量。由应力增量求出t和t+△t时刻各个结点的不平衡力和各个结点在t+△t时的加速度。积分加速度，即可求出结点新的位移值，从而计算出各结点新的坐标值。同时，由于物质的变形，网格单元发生局部的平均整旋或整旋，只要计算出相应的应力改正值，通过应力叠加即可得到新的应力值。以此作为一个计算循环，按时步依次下一循环计算，直至问题收敛。FLAC程序采用最大不平衡力来刻划FLAC计算的收敛过程。如果单元的最大不平衡力随着时步增加而逐渐趋于极小值，则计算是稳定的；否则，计算就是不稳定的。 FLAC软件是以命令驱动的程序，命令驱动程序使得FLAC在工程分析方面更加通用。其最大的优点在于在分析或运行过程中，可以随时查看运行过程中某个状态的矢量分布，或查看某个矢量的演变历程，同时亦可将该状态下的计算结果保存成SAV文件供后期处理。FLAC程序运行时，它输入的是命令，其输入方法为：键盘交互式输入和数据文件输入。在FLAC中有40多个主命令和近400个命令变量，但是常用的主命令和命令变量仅几十个。可以使用或产生的文件类型包括：初始化文件(flac．ini)、数据文件(*．dat)、保存文件(*．sav)、日志文件(flac．1og)、历史文件(flac．his)和动画文件(flac．mov)。 1.2 FLAC软件优缺点 与其它常见的有限元的数值模拟方法相比，FLAC优缺点如下。 FLAC优点： “混合离散化”方案 (Marti 和 Cundall 1982) 用来建立塑性破坏荷载和塑料流动的精确模型。这种方法比通常用的有限元进行的简化积分的方法更合适。 使用完整的动力学方程，即使模拟的系统实质上是静态的。这使FLAC可以模拟物理上不稳定的运行过程而不考虑数值的约束。 使用“显式”的解决方案（相比于常用的隐式的方法）。在大多数情况下，显式求解方案遵守应力/ 应变法则中的任意的非(直)线性(特性)的法则和线性法则使用的计算机时间几乎相同，而隐式的求解方案求解非线性问题时明显的要使用比较长的时间。此外，没有必要储存任何矩阵，这意味着：（a）大量的元素可以使用较小的内存来建立模型；而且（b）因为没有刚度矩阵式的不断更新，所以一个大应变模型并不比小应变模型的计算更耗时。 FLAC内置有多个