煤體彈模變化對應力波傳播影響的模擬研究

劉 紅

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

煤體彈模變化對應力波傳播影響的模擬研究

劉 紅*1，2

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

采用ANSYS/LS-DYNA模擬了應力波在巷道圍巖介質中的傳播，分析了煤的彈性模量變化對應力波在巷道圍巖傳播的影響。研究表明：①應力波傳播介質的材料屬性對其傳播有很大影響。隨著煤的彈性模量的增加，同一位置應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中應力波加速度衰減的相對較慢。

應力波傳播；彈性模量；圍巖；數值模擬

近年來，隨著煤礦開采深度加大，隨之而來的動力災害發生也越來越頻繁，災害的發生機理愈來愈復雜。沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖特殊動力災害的發生，均伴隨著強大的能量沖擊，造成井下巷道的巨大破壞、甚至人身傷亡事故的發生。動力沖擊釋放出來的能量以應力波的形式在煤巖介質中傳播，傳播過程中往往會引起地下結構和煤巖體不同程度的損傷[1-3]。因此，研究應力波在煤巖體中的傳播規律對礦井煤巖瓦斯動力災害聲發射、微震等監測預警技術的應用具有重要意義。本文采用ANSYS/LS-DYNA模擬了應力波在巷道圍巖介質中的傳播，分析了該條件下煤的彈性模量變化對應力波在巷道圍巖傳播的影響。

1 數值計算模型建立

1.1 煤巖靜力學模型及邊界條件

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。整個模型共生成17600個單元，節點數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，煤巖體的本構關系取為線彈性本構關系，物理力學參數見表1。

圖1 煤巖組合模型單元劃分圖

表1 煤巖體力學參數

1.2 動力學模型及邊界條件

利用ANSYS/LS-DYNA軟件的隱式計算向顯式計算轉換的功能，將靜力學模型調入到動力學模型中，模型上下、左右以及前后6個面的邊界均設置為無反射邊界條件，以模擬無窮遠[1,3-4]。煤巖體力學參數見表1。

1.3 模擬方案

在計算完原巖初始應力以后，進行巷道開挖。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的位置處的對應節點20239處，施加一個水平方向（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，模擬時間取5ms。

圖2 巷道開挖部分及加載點

圖3 擾動源波形

2 應力波傳播模擬結果分析

根據表1中所給煤的材料屬性，改變煤的彈性模量從5GPa、10GPa、15GPa，分別仿真計算，分析煤的彈性模量變化對應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稱性，故可只對巷道一側的模擬結果進行分析。如圖4所示，在距巷道一側選取8個節點（從巷道面到巷道中部，在水平方向上每一米取一點，共取8個節點，節點號依次為6181、17592、17593、17594、17595、17596、17597、17598），圖5為煤的彈性模量為10GPa時各測點的加速度時程曲線，表2為所選各測點處的加速度最大幅值。

表2 各測點的加速度幅值

圖4 巷道水平剖面上測線布置圖

將各測線上所選取測點的應力波加速度幅值進行統計，如圖6所示各點加速度幅值隨著傳播距離增加的變化曲線。可以看出，隨著煤的彈性模量的增加，可以看出在所布置測點中，同一位置的最大加速度的絕對值都相應地變大了，這與理論上表現出一致性，即介質的彈性模量變大，介質中應力波的傳播速度變大，從而對應時間內的加速度值也變大。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中應力波加速度衰減的相對較慢。

3 結論

（1）應力波傳播介質的材料屬性對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點中，同一位置的最大加速度的絕對值都相應地變大了，這與理論上表現出一致性，即介質的彈性模量變大，介質中應力波的傳播速度變大，從而對應時間內的加速度值也變大。

（2）當巷道正前方發生撓動時，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中應力波加速度衰減的相對較慢。

（3）該模擬過程是從原巖應力狀態到巷道開挖應力二次分布重新穩定后，再施加一正弦波擾動源來觀測巷道周邊測點的，充分體現了巷道開挖的過程和應力波傳播的過程。

圖5 煤的彈性模量10Gpa時各點加速度時程曲線

圖6 不同彈性模量下各測點的加速度幅值曲線

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

[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律的數值模擬研究[J].煤炭學報,2011(36)（增刊2）:282-286.

[2]許增會,宋宏偉,趙堅.地震對隧道圍巖穩定性影響的數值模擬分析[J].中國礦業大學學報,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.應力波在彈塑性煤巖體中傳播衰減規律研究[D].山東科技大學,2008.

P315.2

A

1004-5716(2015)01-0155-03

2014-11-03

國家“十二五”科技支撐計劃課題（2012BAK04B01）。

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