基于RFPA技术的冲击地压数值模拟

摘要： 该文通过RFPA模拟地表沉陷、采动影响以及煤岩顶板冒落等问题，将细观力学方法和数值计算方法有机结合,将煤岩视为非均匀体来研究煤岩的非线，同时在数值模拟中引入材料的非均匀特性,使得模拟结果更符合实际材料中的裂纹扩展规律。

[关键词] RFPA数值模拟岩性

中图分类号：TU74文献标识码： A

Numerical simulation of rock burst based on RFPA Technology

Yu Xinglong

(Inner Mongolia Fu city mineral company Erdos 016215)

Abstract：The problem and the impact of coal rock roof caving mining, such as surface subsidence by RFPA simulation, themicromechanics method and numerical calculation method of the nonlinear behavior of organic combination, the coal rock as heterogeneity to study of coal rock, while the introduction of materials in the numerical simulation of theinhomogeneous characteristics, makes the simulation results more consistent with the actual crack propagation law in the material.

[Key words ] RFPA;Numerical simulation;Lithology

1 RFPA程序简介

目前用于岩层变形和破坏分析的数值方法主要有有限元、边界元和离散元方法等,根据这些原理所开发出的大型应用程序如ADIND、SAPS、FLAC等已在大型工程计算中发挥了很大作用。但是,这些程序在用于岩体的研究中都有不尽人意之处,连续性和均质性假设两个致命弱点一直限制着有限元等其它方法在岩体力学领域的真正应用。在岩体从变形、破坏直至运动过程的研究方面,目前还缺乏比较成熟的数值方法。

1.1 基本原理

RFPA(Rock Fracture Process Analysis)是岩石失稳过程分析程序。该程序是基于有限元计算的原理而开发的,但又不同于传统的有限元基本思路,主要用于研究岩体材料从细观损伤到宏观破坏的整个过程,其基本原理是:(1)通过考虑岩石的细观非均质性模拟岩石变形、破坏的非线性;(2)通过单元破坏后的材料性质弱化模拟岩石变形、破裂的非连续性。天然岩石是非连续、非均质、非弹性、各向异性的介质,目前尚缺乏对岩石材料的不规则性、复杂性和物理力学非线性本质的认识。针对这些问题开发基于有限元基本理论,充分考虑岩石破裂过程中伴随的非线性、非均匀性等特点的数值模拟方法一岩石破裂过程分析系统(RFPA)软件。该软件第一个特点是,认为从细观的角度来说,构成岩石的每一个微元体可以认为是均匀、连续的介质,但是这些微元体之间的力学性质可以不同。RFAP方法采用了威布尔(Weibull)分布来随机形成微元体力学属性的离散性,即

式中,a代表了某种力学属性的值,a0表示所有单元力学属性的总体平均值,m表征各单元整体的均匀程度。m值越大,则力学性质越接近,在这里把m称为均质度。

是岩石基元细观力学性质非均匀性分布的情况。RFPA方法的另一个特点是,认为当单元在应力达到破裂准则时发生破坏,并对破坏单元进行刚度退化处理。这样就可以用连续介质力学方法处理物理非连续介质问题,研究裂隙的发生和发展过程。

岩石破裂过程分析系统RFAP方法能模拟岩石介质逐渐破坏过程,与其它己有的逐渐破坏模型一样,RFAP包括两个方面的功能:应力分析和破坏分析。RFPA的应力分析采用有限元法进行。破坏分析则是根据一定的破坏准则来检查材料中是否有单元破坏。对破坏单元则采用刚度特性退化(处理分离)和刚度重建(处理接触)的办法进行处理。为了模拟试验机加载情况,采用位移加载方式。对于每一步给定的位移增量,首先进行应力计算。然后根据破坏准则来检查模型中是否有破坏单元。如果没有,继续增加一个位移增量,进行下一步应力计算。如果有破坏单元,则根据单元的拉或剪破坏状态进行刚度退化处理。然后重新进行当前步的应力计算。重复上述过程,直到整个材料产生宏观破坏。由于单元的破坏是脆性,因此将单元破坏释放的弹性能看成是声发射所释放的能量。逐渐破坏模型计算结果的好坏主要取决于破坏准则以及刚度矩阵退化规律选择是否适当。到目前为止,对于如何选择破坏准则,还没有一个统一的认识。考虑到岩石类脆性材料的抗拉强度远小于抗压强度,因此本文采用了修正后的库仑准则作为单元破坏的强度判据。根据这一准则,单元的破坏可能是拉破坏也可能是剪破坏。

1.2 RFPA的特点

该程序具有以下特点:第一,通过采用蒙特一卡络方法和统计描述相结合方法对单元体力学参数(E、σ等)赋初值,以反映材料力学参数非均质性和各向异性特点;第二,采用增量加载方式,把施加的载荷划分成有限微小的加载量,进行逐步加载,从而可以模拟出岩体在整个破裂过程中变形、破坏情形;第三,把岩体划分岩体划分成许多单元体,并假定每个单元具有弹性体和破裂体两种状态。采用某种强度准则进行判断,当单元达到破裂强度后,单元体由弹性体转变为破裂体。为了模型的连续性条件得到满足,仍然假定单元存在,只是其力学的参数得到弱化。

RFPA软件主要模拟脆性介质的破坏过程,并采用均质度(m)描述脆性介质的非均质性,符合冲击性煤岩体的破坏本质。该软件对煤岩体破坏全过程的声发射能连续模拟显示,可实现对不同冲击倾向性的煤岩体的声发射特征进行对比分析。因此选用RFPA软件对冲击地压的孕育过程进行研究。

1.3 RFPA的功能

RFPA软件系统不仅可以模拟实验室基本的岩石力学实验,包括拉、压、剪和双轴加压实验,而且可以通过模拟获得岩石在变形、破裂过程中的应力场、位移场和声发射信息,是一个研究岩石破裂过程的数值试验工具。该系统具有如下特殊功能:

(1)可以通过专门提供的作图工具和参数输入模块,在模型中考虑模拟材料的微观缺陷,也可以考虑节理、裂隙等宏观缺陷。用于分析非均质煤岩体在多种加载方式下的应力场和变形场以及应力集中系数的计算等。

(2)可以模拟岩石在加载过程中的裂纹萌生、扩展和贯通,以及多裂纹间的相互作用问题。

(3)可以模拟岩石在破裂过程中声发射的时、空分布与弹性能释放的强度。

(4)可以模拟分步开挖引起的应力重新分布以及由此诱发的岩体进一步变形和破坏。

(5)通过嵌入的统计分布函数分布、正态分布、均匀分布等),可以在模型中考虑岩石力学参数(强度、弹模等)的非均匀性特征。

(6)可以在岩石破裂过程的分析中考虑水、温度等因素的影响。

(7)具有模拟地表沉陷、采动影响,以及煤岩顶板冒落等问题的功能模块。

可见RFPA系统将细观力学方法和数值计算方法有机结合,将煤岩视为非均匀体来研究煤岩的非线,是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值计算方法,是分析煤岩非线性力学响应和破坏过程有用而方便的工具,尤其是在数值模拟中引入材料的非均匀特性,使得模拟结果更符合实际材料中的裂纹扩展规律。

图1 分层与放顶煤开采对比主应力曲线图

2 结语

图1为分层与放顶煤开采的对比计算的主应力曲线图,由图1可知,推采60m时,分层开采的支承压力作用的范围较小,应力值较大,最大为65.OMPa,且集中作用在煤壁附近,集中范围约为45m;而放顶煤开采,支承压力的作用范围明显增大,增大范围约为80m,是分层开采的1.5倍左右,且应力峰值显著下降,最大值仅为38.OMPa,是分层开采的60%左右。

参考文献：

1.宋振骥，实用矿山压力与控制[M].中国矿业大学出版社,198.8

2.钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制, [M].煤炭工业出版社,198.4

3.唐春安等,岩石微破裂损伤演化诱致突变的数值模拟, [J].《岩土工程学报》,1998.11.

作者简介：于兴龙（1983―）男，山东泰安人，助理工程师，从事煤矿矿井建设工作多年，在国家核心期刊多篇。