开采引起的煤岩粘弹塑陛变形数值模拟
沈新普郭丽丽金生吉杜显赫胡舒涵
(沈阳工业大学建筑工程学院，辽宁沈阳110178)
应用科技
表明：顶板岩层不断发生跨落，呈现低应力区，其垂直位移和蠕变应变最大值分别为4．99米和0．727。煤岩逐渐形成稳定的应力拱，具有的
蠕变特性加速了自身的变形，从而起到了卸压的作用。结果与参考文献的现象相吻合，对预防和防治煤等矿山灾害具有重要的现实意义。
陕键词]煤岩；开采；粘弹垫J生；跨落
现在国内外对煤岩应力状态的现场测试有一定的困难。美国阿拉巴马大学利用全息的干涉测量法对煤岩的蠕变行为特性进行了试验研究，证明此测量法的应用具有高分辨率和低成本的特点。岳世权等进行了煤岩蠕变特性的试验研究，利用广义的马克斯威尔模型来模拟蠕变益线【2—5l。但他们都没有将煤岩的蠕变与开采结合起来进行研究。为了更好地研究蠕变对煤岩的影响，本文利用A B A Q U S软件对埋深300米的煤层开采过程中的粘弹塑性变形进行数值模拟。结合考虑煤岩的蠕变特性，计算中采用D r uc ker—P r a ge r条件作为煤岩的屈服条件。分析了煤岩的应力和位移变化及蠕变对其的重要影响，数值结果对煤层的开采提供了参考依据。
1力学模型
1．1建立_『I何模型
崔恕崔岩将煤岩模型简化成二维平面应变模型，如图1所示。整个模型宽400m，顶板厚160m，中间煤层厚5m，底板厚20m。煤层实际埋深为300m，项板上部承受140m岩石自重的压力。
12模型本构关系
前人在进行相关煤岩的模拟时很多采用M ohr—C oul om b准则，但A B A Q U S中M ohr—C oul om b塑性模型主要适用于在单调荷载下以颗粒结构为特征的材料，如土壤，它与率变化无关。本文模拟煤岩塑
性与蠕变的耦合行为，蠕变与时间有关。D r uc ker—P r a ge r准则适用于岩石分析，所以计算采用A B A Q U S中提供的D r ucker—P r ager塑性与蠕变的耦合模型。一旦同时激活蠕变和D—P塑性，A B A Q U S会自动采用耦台解。其中，模型参数如表1所示：
表1模型的办掣参数
孳单怙檬基毫赓擎撺角j墨辕应力泊硷}℃
f G Pa)(虹m j)(、乎a)t
馄害7500ⅪO502i
顶扳8．g258030O33，
j罱l瓦3．g25譬。30)0．33
采用蠕变曲线，通过换算，得到模型参数A n和m的取值o
13模型的约束与栽荷
模型网格共划分了10494个单元和10658个节点，单元类型为平面应变单元。开采区域网格密集，远离
开采的区域网格稀疏，中间使用过渡网格进行连接。
由于顶部受到140m厚的岩石的自重作用，在顶部施加均匀压力。对模型施加重力载荷。左右两侧采用整体坐标下的X轴方向对称约束，并约束模型底部Y方向位移。如图2所示。
图2模型约束与载衙图图3开挖步没龇雪
1．4设置分析步与接触
图3中白区域为煤层开采部分。模型中自右向左共进行了20个开采步，每步开采5m，共100rno使用生死单元技术，使开挖后的模型失效。并在可能发生的塌落部位的表面设置了自接触以模拟可能的顶板塌落。
2蠕变模型A B A Q U S仿真分析
采用’G eost a t i cst r e ss构造平衡的初始地应力场，煤岩的侧压力系数取为0．9．模型的初始最大位移为m，满足地应力平衡。
在没有采动干扰的情况下，初始应力呈水平条带式分布，如图4示。由于存在煤岩自重，应力随着采深的增加而增加，与初始最大应力为227M P a，再现了煤层受围压作用下的原始应力情况。
I生|4刨始也力l墨I幽5垂直碰7]I茎j图6垂直位棚型
采空区上下方均呈现很高的垂直应力，形成应力拱，如图5示。随着开采的进行，垂直应力集中越来越明显，形成的压力梯度逐渐变大，应力的峰值离开采面形成—个稳定的状态，与文献的现象相吻合。
随着开采区域的向左推进，顶板岩层不断发生跨落，形成“冒落带、裂隙带、弯曲下沉带”。
接触压力出现在采空区的表面，最大值为22．55M Pa，说明顶板岩层跨落部分与底板发生良好的接触。
开采过程中，蠕变随时间的增大而逐渐增大。跨落的岩层出现较大的蠕变应变，第—步开挖区的上方蠕变应变最大，达到0．727．距离开采区域越远，岩层的蠕变值越小。
3结论
通过对开采过程中的煤岩进行粘弹塑性有限元模拟，分析总结出如下结论：
1)蠕变模型与非蠕变模型的结果对比表明，煤层蠕变对开采的影响不可忽略。
2)A B A Q U S模拟再现了煤层开采时的煤岩变形及蠕变应变的变化趋势。顶板的不断跨落，形成低应力
区。垂直应力和位移的变化趋势等与相关文献的试验现象相吻合，说明了模拟结果的准确性较好，为工程实际提供了一定的参考依据。
3)开采过程中，煤岩的蠕变值随时间的增大而逐渐增大。第一步开采区的顶板蠕变应变最大。距离开采区域越远，岩层出现的蠕变值越小。煤岩的蠕变特性引起煤岩变形不断增大，不容忽视。
[参考文献]
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