煤體彈模變化對(duì)應(yīng)力波傳播影響的模擬研究

劉 紅

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤體彈模變化對(duì)應(yīng)力波傳播影響的模擬研究

劉 紅*1，2

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

采用ANSYS/LS-DYNA模擬了應(yīng)力波在巷道圍巖介質(zhì)中的傳播，分析了煤的彈性模量變化對(duì)應(yīng)力波在巷道圍巖傳播的影響。研究表明：①應(yīng)力波傳播介質(zhì)的材料屬性對(duì)其傳播有很大影響。隨著煤的彈性模量的增加，同一位置應(yīng)力波加速度幅值增加；②隨著傳播距離的增大，加速度幅值的總體變化均趨于減小，但是彈性模量大的介質(zhì)中應(yīng)力波加速度衰減的相對(duì)較慢。

應(yīng)力波傳播；彈性模量；圍巖；數(shù)值模擬

近年來，隨著煤礦開采深度加大，隨之而來的動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生也越來越頻繁，災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理愈來愈復(fù)雜。沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖特殊動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生，均伴隨著強(qiáng)大的能量沖擊，造成井下巷道的巨大破壞、甚至人身傷亡事故的發(fā)生。動(dòng)力沖擊釋放出來的能量以應(yīng)力波的形式在煤巖介質(zhì)中傳播，傳播過程中往往會(huì)引起地下結(jié)構(gòu)和煤巖體不同程度的損傷[1-3]。因此，研究應(yīng)力波在煤巖體中的傳播規(guī)律對(duì)礦井煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害聲發(fā)射、微震等監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。本文采用ANSYS/LS-DYNA模擬了應(yīng)力波在巷道圍巖介質(zhì)中的傳播，分析了該條件下煤的彈性模量變化對(duì)應(yīng)力波在巷道圍巖傳播的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型建立

1.1 煤巖靜力學(xué)模型及邊界條件

如圖1所示，模型分別由砂巖（頂、底板）和煤體2種巖性組成，長、寬、高分別取100m、25m、55m。煤巖體單元類型取SOLID45單元。整個(gè)模型共生成17600個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)20907。模型底邊邊界約束垂直方向位移，左右兩邊約束水平位移，模型前后水平位移約束，上部邊界施加7.84MPa的均布荷載近似模擬上覆巖層的壓力。在靜力模型中，煤巖體的本構(gòu)關(guān)系取為線彈性本構(gòu)關(guān)系，物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 煤巖組合模型單元?jiǎng)澐謭D

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

1.2 動(dòng)力學(xué)模型及邊界條件

利用ANSYS/LS-DYNA軟件的隱式計(jì)算向顯式計(jì)算轉(zhuǎn)換的功能，將靜力學(xué)模型調(diào)入到動(dòng)力學(xué)模型中，模型上下、左右以及前后6個(gè)面的邊界均設(shè)置為無反射邊界條件，以模擬無窮遠(yuǎn)[1,3-4]。煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

1.3 模擬方案

在計(jì)算完原巖初始應(yīng)力以后，進(jìn)行巷道開挖。在離模型左部邊界20m的位置沿著長度方向開挖巷道，巷道斷面尺寸為5m×3m，開挖長度為20m，如圖2所示在巷道正前方6m的位置處的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)20239處，施加一個(gè)水平方向（沿巷道走向）的加速度正弦波，加載位置及波形如圖3所示，波形周期3ms，最大加速度峰15m/s2，模擬時(shí)間取5ms。

圖2 巷道開挖部分及加載點(diǎn)

圖3 擾動(dòng)源波形

2 應(yīng)力波傳播模擬結(jié)果分析

根據(jù)表1中所給煤的材料屬性，改變煤的彈性模量從5GPa、10GPa、15GPa，分別仿真計(jì)算，分析煤的彈性模量變化對(duì)應(yīng)力波在巷道周邊煤巖體中的傳播所造成的影響。

由于所開挖巷道的對(duì)稱性，故可只對(duì)巷道一側(cè)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。如圖4所示，在距巷道一側(cè)選取8個(gè)節(jié)點(diǎn)（從巷道面到巷道中部，在水平方向上每一米取一點(diǎn)，共取8個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)號(hào)依次為6181、17592、17593、17594、17595、17596、17597、17598），圖5為煤的彈性模量為10GPa時(shí)各測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線，表2為所選各測(cè)點(diǎn)處的加速度最大幅值。

表2 各測(cè)點(diǎn)的加速度幅值

圖4 巷道水平剖面上測(cè)線布置圖

將各測(cè)線上所選取測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力波加速度幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示各點(diǎn)加速度幅值隨著傳播距離增加的變化曲線?？梢钥闯觯S著煤的彈性模量的增加，可以看出在所布置測(cè)點(diǎn)中，同一位置的最大加速度的絕對(duì)值都相應(yīng)地變大了，這與理論上表現(xiàn)出一致性，即介質(zhì)的彈性模量變大，介質(zhì)中應(yīng)力波的傳播速度變大，從而對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的加速度值也變大。隨著傳播距離的增大，加速度幅值的總體變化均趨于減小，但是彈性模量大的介質(zhì)中應(yīng)力波加速度衰減的相對(duì)較慢。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)力波傳播介質(zhì)的材料屬性對(duì)其傳播有很大的影響。隨著煤的彈性模量的增加，可以看出在所布置測(cè)點(diǎn)中，同一位置的最大加速度的絕對(duì)值都相應(yīng)地變大了，這與理論上表現(xiàn)出一致性，即介質(zhì)的彈性模量變大，介質(zhì)中應(yīng)力波的傳播速度變大，從而對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的加速度值也變大。

（2）當(dāng)巷道正前方發(fā)生撓動(dòng)時(shí)，隨著傳播距離的增大，加速度幅值的總體變化均趨于減小，但是彈性模量大的介質(zhì)中應(yīng)力波加速度衰減的相對(duì)較慢。

（3）該模擬過程是從原巖應(yīng)力狀態(tài)到巷道開挖應(yīng)力二次分布重新穩(wěn)定后，再施加一正弦波擾動(dòng)源來觀測(cè)巷道周邊測(cè)點(diǎn)的，充分體現(xiàn)了巷道開挖的過程和應(yīng)力波傳播的過程。

圖5 煤的彈性模量10Gpa時(shí)各點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

圖6 不同彈性模量下各測(cè)點(diǎn)的加速度幅值曲線

（4）此次分析只考慮煤的彈性模量的變化對(duì)應(yīng)力波傳播的影響，未考慮其他屬性參數(shù)的變化，將在今后繼續(xù)開展研究。

[1]李建功,康建寧,劉紅,趙同彬,劉延保.地震波在巷道彈塑性圍巖中傳播規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011(36)（增刊2）:282-286.

[2]許增會(huì),宋宏偉,趙堅(jiān).地震對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,33(1):41-44.

[3]Zhao Tongbin,Li Jiangong,Xiao Yaxun,Cheng Guoqiang. Propagation Simulation and Attenuation Law Analysis of Seismic Wave in Elastoplastic Tunnel Rock Medium[J].JOURNAL OF COAL SCIENCE&ENGINEERING,2007,13(4): 503-506.

[4]李建功.應(yīng)力波在彈塑性煤巖體中傳播衰減規(guī)律研究[D].山東科技大學(xué),2008.

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1004-5716(2015)01-0155-03

2014-11-03

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題（2012BAK04B01）。

劉紅（1983-），女（漢族），山東濰坊人，工程師，現(xiàn)從事科研研究及管理工作。