模型邊界的合理確定.ppt

,第三章 模型邊界的合理確定,邊界分為兩類：真實(shí)的和人工的。 真實(shí)邊界存在于被模擬的客觀對象中，如隧道表面或者地表。 人工邊界實(shí)際上并不存在，但必須引入它們以便包圍研究的區(qū)域。 模型幾何條件必須充分代表所研究的物理問題，反映研究區(qū)域的主導(dǎo)機(jī)理。人工邊界分為兩類：對稱線和截斷線。,合理確定模型的邊界可以達(dá)到事半功倍的效果。這樣處理有以下一些優(yōu)點(diǎn)： (1)可以大幅度地減小模型尺寸，大大減小數(shù)值模擬的計算工作量。后面的分析結(jié)果表明，模型的左、右及下邊界都存在一個合理的范圍，模型的上邊界也不需要取至地表。 (2)可以很容易地確定模型的邊界條件。 (3)這種處理簡便易行，有章可循。 (4)模型范圍給模擬結(jié)果帶來的誤差較小。,第三章 模型邊界的合理確定,第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律,一、采動巖層的三帶,(一)冒落帶 (二)裂隙帶(又稱斷裂帶) (三)彎曲帶(又稱整體移動帶),第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律,二、充分采動與非充分采動,圖3-2 充分采動角及確定方法示意圖 (a)走向充分傾向非充分采動；(b)充分采動角確定方法,第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律,三、巖層移動范圍,通常用邊界角、移動角圈定移動盆地的邊界。,圖3-3 地表移動盆地與邊界角、移動角示意圖,第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律,四、覆巖破壞高度,五、地表點(diǎn)的移動軌跡,第一節(jié) 開采引起的覆巖移動變形規(guī)律,(1)當(dāng)工作面由遠(yuǎn)處向A點(diǎn)推進(jìn)、移動波及到A點(diǎn)時，地表下沉速度由小逐漸變大，A點(diǎn)的移動方向與工作面推進(jìn)方向相反，此為移動的第I階段。 (2)當(dāng)工作面通過A點(diǎn)正下方(如2處)繼續(xù)向前推進(jìn)時，地表下沉速度迅速增大，并逐漸達(dá)到最大下沉速度，A點(diǎn)的移動方向近于鉛垂方向，此為移動的第階段。 (3)當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，逐漸遠(yuǎn)離地表點(diǎn)A后，點(diǎn)A的移動方向逐漸與工作面推進(jìn)方向相同，此為移動的第階段。 (4)當(dāng)工作面遠(yuǎn)離地表點(diǎn)達(dá)到一定距離后，回采工作面對A點(diǎn)的影響逐漸消失，點(diǎn)A的移動停止，此為移動的第階段。穩(wěn)定后，點(diǎn)A的位置在其起始位置的正下方附近，一般略微偏向回采工作面停止位置一側(cè)。,五、地表點(diǎn)的移動軌跡,第二節(jié) 單個巷道的影響范圍,深埋地下工程的力學(xué)特點(diǎn)： (1)可視為無限體中的孔洞問題。孔洞各方向的無窮遠(yuǎn)處，仍為原巖體。 (2)當(dāng)埋深z等于或大于巷道半徑或其寬、高之半的20倍以上時，巷道影 響范圍(35Ro)以內(nèi)的巖體自重可以忽略不計，原巖水平應(yīng)力可以認(rèn)為均勻分布。 (3)深埋的水平巷道長度較長時，通常可作為平面應(yīng)變問題處理。,第二節(jié) 單個巷道的影響范圍,圖3-6 軸對稱圓巷的條件,第二節(jié) 單個巷道的影響范圍,巷道周邊切向應(yīng)力為最大應(yīng)力，且與巷道半徑無關(guān)。周邊應(yīng)力集中系數(shù)k2rZrZ2，為次生應(yīng)力場的最大應(yīng)力集中系數(shù)。以高于1.05rZ或低于0.95rZ為影響圈邊界。,若以1.1rZ為影響圈邊界，則得：r3Ro,第二節(jié) 單個巷道的影響范圍,應(yīng)力解除試驗(yàn)，常以3R0作為影響圈邊界，確定鉆孔長度。有限單元法常在5Ro的區(qū)域內(nèi)劃分單元。上述結(jié)果為此提供了粗略的定量依據(jù)。 考慮到實(shí)際巖體的非均質(zhì)性以及巖體中含有大量的節(jié)理裂隙面，建立數(shù)值分析模型時，單個巷道的模型范圍可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件取510R0或以上。,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,圖3-7 采動影響下模型范圍確定示意圖 1-冒落帶；2-斷裂帶；3-彎曲帶,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,一、模型上邊界的確定,相似材料模型的上邊界，所加載荷的大小為未鋪設(shè)巖層的重量。同樣，數(shù)值模擬通常采用與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)相類似的簡化方法，將未模擬巖層簡化為均布載荷加在數(shù)值模型的上邊界。 但在什么條件下，這些簡化才是合理的呢?,研究結(jié)果表明，當(dāng)覆巖中無關(guān)鍵層時，上部巖層可以簡化為均布載荷，當(dāng)覆巖中有關(guān)鍵層時，只有主關(guān)鍵層上部巖層可以簡化為均布載荷加在模型上邊界。對于有典型關(guān)鍵層的情況，這一研究結(jié)果可以指導(dǎo)巖層移動模擬研究中的加載。,模型上邊界應(yīng)取在導(dǎo)水裂隙帶Hli之上，即圖3-7中h1Hli導(dǎo)水裂隙帶高度。,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,二、采空側(cè)模型邊界的確定,圖3-8 半無限開采,實(shí)際建立模型時，根據(jù)充分采動角和模型的上邊界位置確定模型采空側(cè)的位置，即：,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,三、煤柱側(cè)模型邊界的確定,煤柱側(cè)巖層移動范圍，用移動角圈定。,煤柱側(cè)模型邊界或全斷面模型兩側(cè)的煤柱側(cè)邊界按下式確定：,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,四、模型下邊界的確定,(一)基于“下三帶”理論,根據(jù)“下三帶”對底板含水層導(dǎo)水性的影響可分為： (1)底板導(dǎo)水破壞帶h1。煤層底板受開采礦壓作用，巖層連續(xù)性遭受破壞，其導(dǎo)水性因裂隙產(chǎn)生而明顯改變。促使導(dǎo)水性明顯改變的裂隙在空間分布的范圍稱底板導(dǎo)水破壞帶。自開采煤層底面至導(dǎo)水裂隙分布范圍最深部邊界的法線距離稱為“導(dǎo)水破壞帶深度”，簡稱底板破壞深度。 (2)保護(hù)帶h2。是指底板保持采前完整狀態(tài)及其原有阻水性能不變的那部分巖層。此帶位于第I、帶之間。此帶巖層雖然也受礦壓作用，或許有彈性甚至塑性變形。但其特點(diǎn)是仍保持采前巖層的連續(xù)性，其阻水性能未發(fā)生變化，而起著阻水保護(hù)作用，故稱其為有效保護(hù)層帶或阻水帶。 (3)承壓水導(dǎo)升帶h3。承壓水可沿含水層頂面以上隔水巖層中的裂隙導(dǎo)升，導(dǎo)升承壓水充水裂隙分布的范圍稱為承壓水導(dǎo)升帶。,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,四、模型下邊界的確定,(二)經(jīng)驗(yàn)法確定底板導(dǎo)水破壞深度,h1=0.7007 + 0.1079L 或 h1=0.0085H + 0.1665a + 0.1079L + 4.3579 式中： h1底板導(dǎo)水破壞深度，m； L開采工作面斜長，m； H開采深度，m； a開采煤層傾角，()。 公式適用范圍為：采深1001000m，傾角430，一次采厚0.93.5m，分層開采總厚小于10m。,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,四、模型下邊界的確定,(三)基于采場端部巖體破壞區(qū)理論,圖3-9 采場應(yīng)力計算簡圖,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,1.平面應(yīng)力狀態(tài)下采場邊緣破壞區(qū),四、模型下邊界的確定,(三)基于采場端部巖體破壞區(qū)理論,采場邊緣底板巖體的最大破壞深度：,2.平面應(yīng)變狀態(tài)下采場邊緣破壞區(qū),采場底板破壞深度h為：,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,五、考慮巷道時模型邊界的確定,巖體(煤體)被采出以后，引起周圍巖體應(yīng)力重新分布。位于工作面周圍的巷道，包括底板巖巷和用煤柱保護(hù)的巷道，都將受到采動的強(qiáng)烈影響。 此時，包含采動影響巷道在內(nèi)的模型邊界，應(yīng)根據(jù)采動影響的模型邊界和巷道掘進(jìn)影響的模型邊界共同確定。采動影響的模型邊界確定方法同前。受采動強(qiáng)烈影響巷道的影響邊界，應(yīng)是均質(zhì)巖體不受采動影響時的l2倍。,第三節(jié) 采動影響下模型邊界位置的合理確定方法,六、施加位移邊界條件時模型邊界的確定,采用上述方法確定模型邊界范圍，主要目的是研究分析工作面開采引起周圍巖體的位移和應(yīng)力變化規(guī)律，以及對工作面周圍巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。此時在模型的上邊界施加應(yīng)力邊界條件。 如果分析的目的主要是研究工作面開采后圍巖的破壞形態(tài)，以及采場支架與圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系，則在模型的上邊界可以施加位移邊界條件，此時模型邊界可以距工作面或巷道近一些。巷道的影響范圍可以按3倍巷道半徑考慮。工作面開采時模型上邊界可以按冒落帶高度確定，冒落帶高度按表3-1計算。模型的左右邊界可按模型上邊界高度作適當(dāng)調(diào)整，并視情況可適當(dāng)縮小。模型的下邊界可按底板破壞深度的0.50.8倍確定。 對于實(shí)際更為復(fù)雜采礦工程問題數(shù)值模擬中的模型邊界問題仍可參照上述方法確定。,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(一)分析模型及參數(shù),1.分析模型,該工作面主采3#煤層，埋藏深度330m，煤層厚度6.07m，直接頂為泥巖，厚度3m，基本頂為中細(xì)砂巖，厚度6m，直接底為細(xì)砂巖，厚度5.0m，工作面長度為220m。工作面從模型左邊向右推進(jìn)，為半無限開采。 根據(jù)2338工作面的實(shí)際地質(zhì)條件和導(dǎo)水裂隙帶計算公式，確定模型的高度為95m。根據(jù)該礦的巖層移動角把煤柱側(cè)模型邊界分別取在巖層移動角影響范圍之內(nèi)(右邊界1)、巖層移動角影響邊界上(右邊界2)和巖層移動角影響邊界之外(右邊界3)三種情況，分別建立三個模型，稱為模型一、模型二和模型三。模型具體情況如圖310所示。,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(一)分析模型及參數(shù),1.分析模型,圖3-10 分析模型,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,2.有關(guān)參數(shù)的確定,(一)分析模型及參數(shù),表3-4 各巖層力學(xué)參數(shù),為了便于分析，模型中設(shè)置了3條監(jiān)測線，在煤層上方4m的基本頂巖層中設(shè)置a-a剖面線，在停采線上方煤層頂板巖層中設(shè)置b-b剖面線，在右邊界1附近設(shè)置c-c剖面線，見圖3-10。,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(二)模擬結(jié)果分析,圖3-11 a-a剖面線垂直應(yīng)力分布圖,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(二)模擬結(jié)果分析,圖3-12 a-a剖面線上豎向位移分布圖,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(二)模擬結(jié)果分析,圖3-13 a-a剖面線上煤柱上支承壓力最大值變化,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(二)模擬結(jié)果分析,圖3-14 b-b剖面線上垂直應(yīng)力分布圖,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(二)模擬結(jié)果分析,圖3-15 c-c剖面線水平應(yīng)力分布圖,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,圖3-16 c-c剖面線水平移分布圖,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(二)模擬結(jié)果分析,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,圖3-17 c-c剖面線上各點(diǎn)垂直位移圖,一、煤柱側(cè)模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,(二)模擬結(jié)果分析,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,二、模型上邊界位置對模擬結(jié)果的影響,為了分析模型上邊界位置對模擬結(jié)果的影響，分別建立了三個模型。 模型一：模型邊界取至地表。 模型二：該工作面上覆巖層屬中硬巖層，采用相應(yīng)的覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式：,把M6m代人到上面二式，可得到Hli45m或Hli59m，可見，導(dǎo)水裂隙帶高度在煤層上方4559 m范圍，因此，模型上邊界取到煤層上方60m，60m以上巖層直至地表以均布載荷形式加在模型上邊界。 模型三：數(shù)值模型上邊界取到煤層上方10m(在導(dǎo)水裂隙帶內(nèi))，10m以上巖層直至地表以均布載荷形式加在模型上邊界。,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,二、模型上邊界位置對模擬結(jié)果的影響,模型采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型，在模擬中以拉破壞作為巖層破斷的判別條件,表3-5 三個模型的基本頂破斷距,圖3-18 UDEC模型基本頂拉破壞判別圖,第四節(jié) 模型邊界位置對模擬結(jié)果的影響分析,三、模型下邊界位置對模擬結(jié)果的影響,為了分析模型下邊界位置對模擬結(jié)果的影響，分別建立了三個模型。 模型一：模型下邊界取至煤層底板100m處，采用固定邊界條件。 模型二：根據(jù)底板導(dǎo)水破壞深度的經(jīng)驗(yàn)公式：h1=0.7007+0.1097L，計算得到hl24.43m，可見底板導(dǎo)水破壞深度約在煤層底板下方25m。因此，模型下邊界取到煤層底板下方30m，采用固定邊界條件