关于岩盐溶腔围岩地应力场有限元探析

【前言】关于岩盐溶腔围岩地应力场有限元探析由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。现实中的岩盐溶腔是由于水长年累月的对岩盐进行溶蚀而得到的不规则空洞，建立模型时忽略掉水以外的影响因素，可以设计成倒立的圆锥体。考虑到不同的岩盐溶腔之间也会互相影响，可以设计两种模型：单岩盐溶腔模型和双岩盐溶腔模型。 通过实验，测出岩石的变性特征曲线...

摘 要：本文针对岩盐溶腔围岩地应力场建立了有限元数值分析模型，并探讨了岩盐溶腔围岩地应力场的应力分布规律，并对岩盐溶腔地应力分布受溶腔顶板跨度、水压力、多溶腔条件等因素的影响进行了研究，并得出相关结论。

关键词：岩盐溶腔 围岩 地应力场 有限元

岩盐溶腔围岩地应力的具体分布是影响稳定性的因素之一，而岩盐溶腔的稳定性的好坏会直接影响到实际生产时能否安全生产。所以，研究人员针对岩盐溶腔围岩地应力场进行了有限元分析，探讨在不同条件下地应力场的分布规律，并根据研究成果规划稳定安全的岩盐水溶开采工程。随着高科技手段的广泛应用，研究人员采用了计算机软件3D-Sigma建立计算模型。

一、建立计算模型

1.建立岩盐溶腔模型

现实中的岩盐溶腔是由于水长年累月的对岩盐进行溶蚀而得到的不规则空洞，建立模型时忽略掉水以外的影响因素，可以设计成倒立的圆锥体。考虑到不同的岩盐溶腔之间也会互相影响，可以设计两种模型：单岩盐溶腔模型和双岩盐溶腔模型。

通过实验，测出岩石的变性特征曲线能够分为四种类型：直线型、上凹型、下凹型和反曲线型，除了第一种是线弹性的，其他都表现为非线弹性。而现实中的岩石基本上都不是完全线弹性的材料，但是线弹性变形阶段在整个的变形过程中所占比重较大。所以，我们可以近似的将围岩地应力场的有限元分析模型看成线弹性模型，具体的系数可以参照表1.其中E表示弹性模量，μ代表泊松比，η则表示岩层容重。

复合岩层材料参数 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

E（MPa） 19650 61980 59700 830 54500

μ 0.2340 0.2290 0.2410 0.4500 0.1991

ηkN/m? 23.96 26.15 26.20 21.30 25.92

表1 复合层物理力学参数

3.边界条件计算

根据岩盐矿区的具体地质分析，岩盐溶腔围岩地应力和溶腔的稳定性进行有限元数值分析，得到三种边界条件约束方式。

第一种方式：模型的上边界模拟该处围岩受从该边界到地表的地质体重力作用，是均匀的应力分布；左边界模拟岩盐围岩受水平方向的构造应力以及自重应力，是线分布应力；右边界和下边界模拟岩盐围岩受到法线方向的约束，无法移动。

第二种方式：模型上边界模拟岩盐围岩受从该边界到地表的地质体自身重力作用，是均匀的应力分布约束；左右边界模拟该处围岩受到水平方向的构造应力以及自重应力，是线分布式应力约束；下边界模拟围岩受到法线方向的位移约束，保证零位移。另外，该模型保持静止状态，下边界的切线方向位移也应受到约束。

第三种方式：模型上边界模拟岩盐围岩受从该边界到地表的地质体自身重力作用，是均匀的应力分布约束；左、右以及下边界模拟围岩受到法线方向的位移约束，保证零位移。

根据以上三种边界约束方式进行有限元应力分析，可以得到岩盐溶腔围岩地应力场的分布规律。

二、岩盐溶腔围岩地应力场分布基本规律

1.主应力分布规律

1.1深度方向的主应力变化规律

总体来说，主应力是沿着垂直方向进行线性增加，若是复合层的物理参数相差较大，则会有跳跃性的突变，这种突变受到各个岩层的材料参数的影响。

而应力变化的大小随着溶腔的接近增大，到溶腔边缘的时候到达最大，同时在预板的位置有一个降低区域。

1.2岩盐层面上的主应力分布规律

在矿区范围内的岩盐层的最小主应力方向接近水平，岩层附近的区域也是接近水平的方向，从而很难形成水平裂缝；

沿着岩层方向的主应力是恒定值，这也说明了岩盐层中的主应力基本上是均匀分布的；

如果岩盐层面上的主应力在溶腔下部附近明显降低，则在其边缘必出现一极值。在岩层顶板的位置，主应力会在溶腔边缘出现双极值，下部区域则属降低区域，并随溶腔距顶板的距离增加而趋向变化平缓。

2.顶板跨距对同岩层应力分布的影响

溶腔的存在肯定会对其周围的应力产生影响，影响程度在距离溶腔不同距离的位置是不同的，大概在溶腔周围两倍的跨距位置影响是最大的，达到了峰值，超过这个范围后，应力就基本不受到岩盐溶腔的影响了。即随着顶板跨度的增加，应力集中现象会逐渐明显起来，波及范围也会随之增大。

水压力对围岩地应力分布的影响

溶腔中若是没有水即水压为0的时候，会产生应力集中现象，边缘位置的应力值较大；当溶腔中的水压达到10-15MPa时，应力集中现象则会减弱，溶腔边缘处的应力也会相应减小，最后达到一个较为平稳的应力值。即应力集中现象会随着溶腔内水压的增大而减弱，应力分布也逐渐趋向平缓。

岩盐层埋深对溶腔围岩地应力分布的影响

随着岩盐层埋深增加，溶腔围岩内地应力会发生集中，集中现象随着埋深的增大而变得越来越明显，应力值也会随之显著增大。

多溶腔条件对岩盐溶腔围岩地应力分布的影响

多溶腔条件下每个溶腔对于围岩的应力分布和单溶腔的应力分布规律是相同的，另外还会有溶腔与溶腔之间的互相影响，比之其他条件的影响会更加突出，应力分布会发生一些变化；但是，当两个溶腔之间的距离超过四倍顶板跨距或更大时，溶腔之间的应力影响会变得微弱，基本不受影响了。而在四倍顶板跨距以内，溶腔之间的应力影响会随着溶腔间的距离减小而增大，当两个溶腔联通在一起时影响是最大的，溶腔也能更加稳定。

结语：

本文采用有限元的分析方式建立了岩盐溶腔围岩地应力场的应力分布规律分析模型。研究了深度、顶板跨距、开采深度、水压力、岩盐层埋深和多个溶腔条件对于围岩地应力分布规律的影响，从理论上进行了规律分析，为将来实际生产开采工程的稳定性保证提供了理论依据。这一研究不仅解决了矿盐水溶开采中的技术难题，同样对于提高生产效率有着重要的意义。

参考文献：

[1]刘新荣，许江，姜德义，鲜学福.岩盐溶腔围岩地应力场有限元分析――计算模型与分析方法[J].化工矿物与加工，2000（01）.

[2]刘新荣，姜德义，许江，鲜学福.岩盐溶腔围岩应力分布规律的有限元分析[J].重庆大学学报（自然科学版），2003（02）.

[3]任松，姜德义，刘新荣，刘春.用3D-Sigma分析岩盐溶腔围岩地应力场[J].地下空间，2003（04）.