煤体弹模变化对应力波传播影响的模拟研究

刘 红

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

煤体弹模变化对应力波传播影响的模拟研究

刘 红*1，2

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

采用ANSYS/LS-DYNA模拟了应力波在巷道围岩介质中的传播，分析了煤的弹性模量变化对应力波在巷道围岩传播的影响。研究表明：①应力波传播介质的材料属性对其传播有很大影响。随着煤的弹性模量的增加，同一位置应力波加速度幅值增加；②随着传播距离的增大，加速度幅值的总体变化均趋于减小，但是弹性模量大的介质中应力波加速度衰减的相对较慢。

应力波传播；弹性模量；围岩；数值模拟

近年来，随着煤矿开采深度加大，随之而来的动力灾害发生也越来越频繁，灾害的发生机理愈来愈复杂。冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩特殊动力灾害的发生，均伴随着强大的能量冲击，造成井下巷道的巨大破坏、甚至人身伤亡事故的发生。动力冲击释放出来的能量以应力波的形式在煤岩介质中传播，传播过程中往往会引起地下结构和煤岩体不同程度的损伤[1-3]。因此，研究应力波在煤岩体中的传播规律对矿井煤岩瓦斯动力灾害声发射、微震等监测预警技术的应用具有重要意义。本文采用ANSYS/LS-DYNA模拟了应力波在巷道围岩介质中的传播，分析了该条件下煤的弹性模量变化对应力波在巷道围岩传播的影响。

1 数值计算模型建立

1.1 煤岩静力学模型及边界条件

如图1所示，模型分别由砂岩（顶、底板）和煤体2种岩性组成，长、宽、高分别取100m、25m、55m。煤岩体单元类型取SOLID45单元。整个模型共生成17600个单元，节点数20907。模型底边边界约束垂直方向位移，左右两边约束水平位移，模型前后水平位移约束，上部边界施加7.84MPa的均布荷载近似模拟上覆岩层的压力。在静力模型中，煤岩体的本构关系取为线弹性本构关系，物理力学参数见表1。

图1 煤岩组合模型单元划分图

表1 煤岩体力学参数

1.2 动力学模型及边界条件

利用ANSYS/LS-DYNA软件的隐式计算向显式计算转换的功能，将静力学模型调入到动力学模型中，模型上下、左右以及前后6个面的边界均设置为无反射边界条件，以模拟无穷远[1,3-4]。煤岩体力学参数见表1。

1.3 模拟方案

在计算完原岩初始应力以后，进行巷道开挖。在离模型左部边界20m的位置沿着长度方向开挖巷道，巷道断面尺寸为5m×3m，开挖长度为20m，如图2所示在巷道正前方6m的位置处的对应节点20239处，施加一个水平方向（沿巷道走向）的加速度正弦波，加载位置及波形如图3所示，波形周期3ms，最大加速度峰15m/s2，模拟时间取5ms。

图2 巷道开挖部分及加载点

图3 扰动源波形

2 应力波传播模拟结果分析

根据表1中所给煤的材料属性，改变煤的弹性模量从5GPa、10GPa、15GPa，分别仿真计算，分析煤的弹性模量变化对应力波在巷道周边煤岩体中的传播所造成的影响。

由于所开挖巷道的对称性，故可只对巷道一侧的模拟结果进行分析。如图4所示，在距巷道一侧选取8个节点（从巷道面到巷道中部，在水平方向上每一米取一点，共取8个节点，节点号依次为6181、17592、17593、17594、17595、17596、17597、17598），图5为煤的弹性模量为10GPa时各测点的加速度时程曲线，表2为所选各测点处的加速度最大幅值。

表2 各测点的加速度幅值

图4 巷道水平剖面上测线布置图

将各测线上所选取测点的应力波加速度幅值进行统计，如图6所示各点加速度幅值随着传播距离增加的变化曲线。可以看出，随着煤的弹性模量的增加，可以看出在所布置测点中，同一位置的最大加速度的绝对值都相应地变大了，这与理论上表现出一致性，即介质的弹性模量变大，介质中应力波的传播速度变大，从而对应时间内的加速度值也变大。随着传播距离的增大，加速度幅值的总体变化均趋于减小，但是弹性模量大的介质中应力波加速度衰减的相对较慢。

3 结论

（1）应力波传播介质的材料属性对其传播有很大的影响。随着煤的弹性模量的增加，可以看出在所布置测点中，同一位置的最大加速度的绝对值都相应地变大了，这与理论上表现出一致性，即介质的弹性模量变大，介质中应力波的传播速度变大，从而对应时间内的加速度值也变大。

（2）当巷道正前方发生挠动时，随着传播距离的增大，加速度幅值的总体变化均趋于减小，但是弹性模量大的介质中应力波加速度衰减的相对较慢。

（3）该模拟过程是从原岩应力状态到巷道开挖应力二次分布重新稳定后，再施加一正弦波扰动源来观测巷道周边测点的，充分体现了巷道开挖的过程和应力波传播的过程。

图5 煤的弹性模量10Gpa时各点加速度时程曲线

图6 不同弹性模量下各测点的加速度幅值曲线

（4）此次分析只考虑煤的弹性模量的变化对应力波传播的影响，未考虑其他属性参数的变化，将在今后继续开展研究。

[1]李建功,康建宁,刘红,赵同彬,刘延保.地震波在巷道弹塑性围岩中传播规律的数值模拟研究[J].煤炭学报,2011(36)（增刊2）:282-286.

[2]许增会,宋宏伟,赵坚.地震对隧道围岩稳定性影响的数值模拟分析[J].中国矿业大学学报,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.应力波在弹塑性煤岩体中传播衰减规律研究[D].山东科技大学,2008.

P315.2

A

1004-5716(2015)01-0155-03

2014-11-03

国家“十二五”科技支撑计划课题（2012BAK04B01）。

刘红（1983-），女（汉族），山东潍坊人，工程师，现从事科研研究及管理工作。