不同埋深下节理化岩体顶板冒落规律的数值模拟研究

摘要

巷道和空区顶板冒落危害严重影响矿山的安全生产，准确预测空区冒落规律是采矿科技工作者长期以来的愿望。节理的存在破坏了岩体的连续性和完整性，严重地影响着整个岩体结构的力学行为，顶板节理分布的复杂性和随机性是顶板冒落稳定性评价不容忽视的因素。因此，开展基于节理化岩体在不确定性下的顶板冒落规律研究具有重要的理论和实际意义。主要研究内容包括:
　　(1)归纳了采空区顶板冒落规律、节理产状统计分布类型以及节理化岩体的破坏机理和研究方法，并总结了蒙特卡洛法模拟技术的发展状况，为节理岩体顶板的数值表征提供了思路。
　　(2)基于蒙特卡洛法模拟节理网络技术，根据两组现场勘探得到的节理面统计参数，生成了二维节理裂隙网络，以实现节理裂隙的表征，并针对其中一组节理裂隙网络，通过ANSYS生成网格数据并导入岩石破裂过程分析RFPA软件进行了数值模拟，得出了节理化岩体弹性模量和强度指标。
　　(3)采用岩石破裂过程分析系统（RFPA），针对已提出的计算采空区临界冒落跨度的公式开展数值模拟，通过将数值结果与现存的理论分析解进行对比，进行RFPA程序的校验;而后，结合一个矿山的实际作业问题，通过数值模拟和理论计算，求解了顶板的临界冒落跨度，为矿山实际工作提供参考。
　　(4)基于考虑节理影响的数值模拟方法，构建了含两组不同倾角节理化顶板的数值模型，计算了不同埋深、不同节理强度条件下节理化顶板冒落过程中发生离层、弯曲、断裂直至冒落的全过程，求得了不同工况下节理化顶板的临界冒落跨度和冒落高度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 采空区顶板稳定性研究现状

1．2．2 节理化岩体数值表征概况

1．3 论文研究思路及内容

第2章 采场顶板冒落特性与临界冒落跨度研究

2．1 采空区顶板冒落特性

2．1．1 采空区顶板破坏模式

2．1．2 采空区顶板的冒落过程

2．2 采空区顶板模型理论计算分析

2．3 采空区顶板冒落跨度数值模拟分析

2．3．1 模型边界效应研究与讨论

2．3．2 采空区临界跨度数值模拟研究

2．3．3 计算结果对比与讨论

2．4 本章小结

第3章 节理岩体的数值表征

3．1 蒙特卡洛法基本原理

3．1．1 蒙特卡洛法基本思想

3．1．2 随机变量的模拟

3．2 节理面参数的分布类型

3．3 节理化岩体模拟过程

3．4 节理参数化程序及参数表征

3．4．1 ANSYS有限元分析软件

3．4．2 RFPA岩石破裂过程分析软件

3．4．3 岩体节理网络模拟

3．4．4 节理化岩体的力学参数

3．4．5 数值模拟结果与讨论

3．5 本章小结

第4章 节理化岩体冒落失稳过程数值模拟

4．1 岩体冒落失稳影响因素

4．1．1 地质因素

4．1．2 工程因素

4．1．3 水文因素

4．2 节理化顶板数值模型建立及参数选取

4．2．1 节理化顶板强度指标的数值计算

4．2．2 节理化顶板数值模拟结果与分析

4．3 水平节理数值模拟分析

4．3．1 埋深400m水平节理软岩模型数值模拟结果与讨论

4．3．2 埋深700m水平节理软岩模型数值模拟结果与讨论

4．3．3 埋深900m水平节理软岩模型数值模拟结果与讨论

4．3．4 埋深1100m水平节理软岩模型数值模拟结果与讨论

4．3．5 埋深1300m水平节理软岩模型数值模拟结果与讨论

4．3．6 不同埋深下水平节理硬岩冒落规律的研究

4．4 倾斜节理数值模拟分析

4．4．1 埋深400m斜节理化硬岩模型数值模拟结果与分析

4．4．2 埋深700m和900m斜节理化硬岩模型数值模拟结果与分析

4．4．3 埋深1100m斜节理化硬岩模型数值模拟结果与分析

4．5 节理化顶板冒落规律计算结果总汇

4．6 本章小结

第5章 工程应用

5．1 前言

5．2 顶板冒落安全厚度计算方法简介

5．3 工程概况

5．4 采空区安全跨度和顶板厚度的理论计算

5．5 顶板安全厚度数值模拟研究

5．6 理论与数值模拟结果对比分析

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文的主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介