巷道围岩破坏机理的离散元分析

摘要

当巷道开挖成型后，围岩的应力状态将在很长时间内不断调整，围岩的应力发展状况是什么样的，能不能通过更为直观的方式来再现围岩整个的力学分布，从而为巷道的支护与维护提供理论依据，保证巷道在整个服务年限内稳定可靠，达到安全生产的目的。 岩体材料与一般材料相比，其最大的特点就是结构上的不连续。对岩体来说，它多为层面和节理面等弱面所切割，从更广的范围来看时常受构造带影响，这些都会对我们的岩体工程(隧道工程、井巷工程)产生控制性影响，在这种情况下分析问题的方法选择就显得非常重要了。目前的数值计算分析方法主要基于连续介质模型，这种方法不能很好地分析岩体的大变形问题，在小尺度范围内不能真实地反映材料的离散性特征。 本文基于以上问题的认识，以某新建矿井为依托，主要采用离散元方法，对巷道渐进性破坏机理进行深入的分析研究，论文的主要工作包括以下几点： 1.阐述颗粒离散元的基本原理，论述了细观参数的选定方法，通过双轴加载试验详细分析了主要细观参数对宏观力学性质的影响规律，为选取合适的细观参数提供思路； 2.结合某工程实例，经多次试算后，标定了细观力学参数。对地下141m处巷道开挖后围岩的变形及破坏过程进行模拟分析，对数值模型进行必要的简化与假设，在等围岩的状态下，详细分析了巷道不同部位处围岩的应力特征，同一位置处随距离变化的应力变化特征，当巷道稳定时，对巷道各部位应力分布特征作分析，得到围岩应力分布特征图。从应力路径角度对巷道破坏特征进行了分析，得到了符合工程实际的认识； 3.在采用同一细观参数的情况下，对不同侧压力系数下的岩体开挖后围岩渐进性破坏过程进行模拟分析，当侧压力系数为0.5时，对巷道围岩的应力调整过程进行详细分析，并对巷道变形破坏特征进行了分析；当巷道的大主应力方向为水平向时，即巷道可能处于受水平向挤压的地层中，以侧压力系数为1.5，对其破坏过程进行模拟，并对比分析其稳定性与破坏形态。可以看到，侧压力系数为1.0时，巷道能很好的自稳，围岩有较好的成拱效应；侧压力系数为0.5时，巷道中部围岩首先破坏；侧压力系数为1.5时，则顶、底部围岩最为薄弱。 最后，就存在的问题和需要进一步研究的问题进行了简要的讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题背景

1.2国内外的研究现状

1.2.1巷道破坏机理的研究进展

1.2.2离散单元法的研究进展

1.3本文的研究内容和研究思路

1.3.1研究的主要内容

1.3.2研究方法

第2章颗粒流方法的理论

2.1概述

2.2颗粒流方法的基本特征

2.3颗粒流方法的求解步骤

2.4颗粒流计算的基本假设

2.5颗粒流时步迭代原理

2.6颗粒流计算原理

2.6.1作用力与位移定律

2.6.2运动定律

2.6.3时步的计算

2.7接触本构模型

2.7.1接触刚度模型

2.7.2滑动模型

2.7.3黏结模型

2.8颗粒流程序中的细观计量设定

第3章细观参数对宏观力学性质影响规律分析

3.1细观力学参数的选取方法

3.2细观参数对宏观特性影响规律的研究

3.2.1双轴试验试样的建立

3.2.2试样接触模型的选择

3.2.3颗粒间摩擦系数对试样强度的影响

3.2.4围压对试样强度的影响

3.2.5黏结强度对试样强度的影响

3.2.6不同刚度比对试样强度的影响

3.3本章小结

第4章巷道围岩破坏机理的模拟分析

4.1引言

4.2工程地质概况及软岩特性

4.2.1工程地质概况

4.2.2软岩的物理力学特性

4.3软岩巷道细观参数的标定

4.4巷道开挖的颗粒流模拟

4.4.1模型的建立

4.4.2巷道的开挖模拟

4.4.3计算结果分析

4.5本章小结

第5章侧压力系数对巷道围岩破坏形态的影响

5.1侧压力系数为0.5情况下巷道围岩破坏分析

5.1.1模型建立

5.1.2巷道的开挖模拟

5.1.3计算结果分析

5.2侧压力系数为1.5情况下巷道围岩破坏分析

5.2.1模型建立

5.2.2巷道的开挖模拟

5.2.3计算结果分析

5.3本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢