岩体诱导冒落的数值模拟研究

论文摘要

从本质上说天然岩体是一种非连续、非匀质、非弹性的材料,同时结构面的存在使得岩石的非线性特性更为突出,岩体开挖过程中沉陷和冒落问题造成的经济损失和人员伤亡日趋严重。因此,深入地了解开采沉陷和冒落规律,采取有效措施减轻由此产生的工程危害,是地下工程及采矿工程科研人员的重要工作内容之一。采场覆岩是一种连续与非连续相耦合的复杂介质,其运动是一个复杂的动态发展过程,已有的岩层移动规律均是单一针对岩石强度或节理裂隙而提出的。本文考虑埋深、岩石强度、节理等不同条件的综合作用,采用真实破裂过程分析RFPA数值模拟软件,对岩体冒落问题进行了分析探讨,有着一定的理论价值和现实意义。开展如下的研究工作：总结各种条件下的覆岩层变形、离层、破裂、冒落过程,分析各种冒落规律,归纳其现象,并确定影响冒落的因素。通过模拟各种开挖诱导冒落过程,得出冒落破坏的高度和范围的拟合曲线,为减少实际工程开挖工作量,保证工程安全,诱导冒落和处理采空区提供一定的指导。针对不同的开挖诱导冒落的过程,分析采动覆岩应力分布及覆岩沉降曲线的演化规律。对冒落前兆进行了分析讨论,总结出将要发生冒落的临界跨度和伴随发生的声发射现象,并将这两种判断相结合,为预测冒落现象的发生做出前期预警。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状和方法
• 1.2.1 国内外理论研究现状
• 1.2.2 数值模拟研究现状
• 1.2.3 采动上覆岩体变形理论研究方法
• 1.3 研究内容、方法和技术路线
• 1.3.1 研究方法
• 1.3.2 研究主要内容和技术路线
• 第2章 数值模拟的理论基础
• 2.1 岩石破裂过程（RFPA）分析方法
• 2.1.1 岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）
• 2.1.2 岩石的非均匀性本构关系
• 2.1.3 岩石材料非均匀性的物理统计描述方法
• 2.2 岩石蠕变演化理论
• 2.2.1 岩石蠕变演化模型
• 2.2.2 RFPA强度屈服准则
• 2.2.3 岩石破裂过程分析系统方法特点
• 2.3 诱导冒落规律及过程理论研究
• 2.3.1 冒落过程“三带”基本概念
• 2.3.2 顶板岩梁理论计算模型
• 2.3.3 临界跨度计算原理
• 2.3.4 应用临界跨度理论分析
• 2.3.5 冒落拱安全高度计算方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 低应力软岩诱导冒落规律研究
• 3.1 低应力软岩诱导冒落的数值模拟
• 3.2 数值模型的建立及参数选取
• 3.3 岩体开挖诱导冒落过程模拟及分析
• 3.3.1 低应力岩体开挖诱导冒落过程模拟
• 3.3.2 低应力岩体诱导冒落破裂过程分析
• 3.3.3 冒落轨迹及冒落范围的确定
• 3.4 岩体开挖冒落上覆岩体应力应变状态模拟及分析
• 3.4.1 低应力岩体开挖上覆岩体不同高度应力场
• 3.4.2 低应力开挖诱导冒落上覆岩体不同高度应力状态分析
• 3.4.3 上覆岩体位移曲线模拟
• 3.4.4 开挖上覆岩体沉降曲线分析
• 3.5 开挖冒落过程声发射模拟及分析
• 3.5.1 模拟冒落过程的声发射
• 3.5.2 开挖过程的声发射现象分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 中硬节理岩石诱导冒落规律研究
• 4.1 节理的特征及力学扩展演化方程
• 4.1.1 节理特征及表示方法
• 4.1.2 节理岩体扩展演化方程
• 4.1.3 节理破坏的极限平衡状态
• 4.2 数值模型的建立及相关参数的选取
• 4.3 中硬节理岩体开挖诱导冒落过程模拟及分析
• 4.3.1 中硬节理开挖诱导冒落的过程
• 4.3.2 中硬节理冒落的模拟过程分析
• 4.3.3 节理冒落轨迹及冒落范围的确定
• 4.4 岩体开挖冒落上覆岩体应力应变状态模拟及分析
• 4.4.1 不同节理下岩体开挖上覆岩体不同高度应力场
• 4.4.2 节理开挖诱导冒落上覆岩体不同高度应力状态分析
• 4.4.3 上覆岩体位移曲线模拟
• 4.5 开挖冒落过程声发射模拟及分析
• 4.5.1 冒落过程的声发射现象模拟
• 4.5.2 开挖诱导冒落过程的声发射现象分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 深埋高应力岩石诱导冒落研究
• 5.1 深埋高应力岩石诱导冒落研究
• 5.2 数值模型的建立及参数的选取
• 5.3 岩体开挖诱导冒落过程模拟及分析
• 5.3.1 不同侧压力下模拟高应力开挖诱导冒落的过程
• 5.3.2 岩体诱导冒落破裂过程分析
• 5.3.3 深埋岩体冒落轨迹及冒落范围的确定
• 5.4 岩体开挖冒落上覆岩体应力应变状态模拟及分析
• 5.4.1 三种状态下岩体开挖上覆岩体不同高度应力场
• 5.4.2 开挖诱导冒落上覆岩体不同高度应力状态分析
• 5.4.3 开挖上覆岩体沉降曲线模拟
• 5.4.4 开挖上覆岩体沉降曲线分析
• 5.5 开挖冒落过程声发射模拟及分析
• 5.5.1 模拟冒落过程的声发射
• 5.5.2 开挖过程的声发射现象分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 主要结论和展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢