【正文】 所示。最大位移出現(xiàn)在巷道的兩側(cè)底部和巷道徑向 45176。120176。分別考慮非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度： 25m、 20m、15m、 10m、 0m、 10m、 15m、 20m、 25m，依次模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 17 頁 圖 31 模型尺寸 圖 32 網(wǎng)格劃分 表 31 巖石力學(xué)參數(shù) 巖性 彈性模量 /Gpa 泊松比 密度 /3mkg ?? 粘聚力 /Mpa 內(nèi)摩擦角 載荷 /Mpa 砂巖 2500 25 灰?guī)r 2600 26 石英巖 2600 26 白云巖 2300 23 風(fēng)化碳質(zhì)巖 2800 28 在有限元建模非連續(xù)結(jié)構(gòu)面，因?yàn)椴煌牟考g沒有鍵合在一起，有時(shí)還需要考慮摩擦力的問題，就有必要在模型中 定義接觸，定義了接觸問題，就被稱為接觸問題，這是一種高度非線性的問題，需要大量的求解。其次，工程中的圍巖材料都是非均勻性，而目前的有限元法都是基于連續(xù)介質(zhì)，所以對(duì)于巖土這類非均勻介質(zhì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況總有些差距。 ANSYS 軟件以它的多物理場耦合分析功能而成為 CAE 軟件的應(yīng)用主流，在工程分析應(yīng)用中得到了較為廣泛的應(yīng)用。 Ⅱ . 滑開型（Ⅱ型）：由于剪應(yīng)力的作用而滑開，上 下表面切向位移反對(duì)稱。固體的破壞是由于裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。在該范圍以外，不受開挖影響，這一范圍內(nèi)的巖體就是常說的圍巖，是有限元計(jì)算模型的邊界范圍。 巖石強(qiáng)度一般包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，其中確定巖石工程穩(wěn)定性的主要因素主要是抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。巖塊是不連續(xù)的，是巖體的基本組成單元。結(jié)構(gòu)面多為泥膜、碎屑和泥質(zhì)充填 板狀、薄板狀 碎裂結(jié)構(gòu) 鑲嵌結(jié)構(gòu) 一般發(fā)育于脆硬巖層中，結(jié)構(gòu)組數(shù)較多，密度較大 以規(guī)模不大的結(jié)構(gòu)面為主，但組數(shù)多， 密度大，延續(xù)性差，閉合無填充或充填少量碎屑 形狀不規(guī)則，但菱角顯著 層狀碎裂結(jié)構(gòu) 受構(gòu)造裂隙切割的層狀巖體 以層面、軟弱夾層、層間錯(cuò)動(dòng)面等為主，構(gòu)造裂隙甚發(fā)達(dá) 以碎塊狀、板狀、短柱狀為主 碎裂結(jié)構(gòu) 巖性復(fù)雜，構(gòu)造破碎較強(qiáng)烈，弱風(fēng)化帶 延續(xù)性差的結(jié)構(gòu)面，密度大，相互交切 碎屑和大小不等的巖塊。它們嚴(yán)重地破壞了巖石的完整性。地下工程圍巖開裂和破壞主要由于結(jié)構(gòu)面的斷裂擴(kuò)展和連通 ,所以斷裂和損傷力學(xué)方法評(píng)價(jià)節(jié)理裂隙巖體穩(wěn)定 性和變形行為已成為常用的分析方法 [19][20]；此外 ,反分析等方法也被應(yīng)用于圍巖的穩(wěn)定性分析中。與有限元相比 ,具有計(jì)算時(shí)間短、計(jì)算范圍大等特點(diǎn) ,但邊界元法對(duì)奇異邊界較難處理 [17]。其基本思想是巖塊之間的相互作用，同時(shí)受位移 力的物理方程和力 加速度 (速度、位移 )的運(yùn)動(dòng)方程的支配 ,通過迭代求解顯示巖體的動(dòng)態(tài)破壞過程 [13]。解析法也具有精度高 ,速度快和易于進(jìn)行規(guī)律性研究等優(yōu)點(diǎn)。這表明，在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)定基準(zhǔn)值時(shí)難以用數(shù)值方式表示。計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)方法的加深利用，使我們對(duì)地下工程的一些問題進(jìn)行分析與研究的可行性增大，但是研究的方向、途徑、策略手段、和其選擇模型是否可行，則需要不斷地的鉆研和改進(jìn)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)提取結(jié)構(gòu)面的有關(guān)參數(shù)。然而實(shí)際工程中巷道圍巖的性質(zhì)并非連續(xù)、均勻的，巷道圍巖中存在著許多或大或小的裂隙群，在外 部環(huán)境影響下，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展直至貫通，使圍巖產(chǎn)生不同程度的破壞，從而影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，從而也會(huì)影響到煤炭開采工作的安全進(jìn)行。 目前，世界煤炭可采儲(chǔ)量約為 9000 多億噸，按照目前的全球生產(chǎn)能力，煤炭資源尚可開采不到 200 年，而石油大約開采不到 50 年，天然氣大約可以開采約 50 多年。國內(nèi)煤炭需求也旺盛。 專家評(píng)分階段：到 20 世紀(jì) 70 年代，對(duì)圍巖的破壞的理論基礎(chǔ)有了加深的認(rèn)識(shí)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響因素從單一因素到多因素、多指標(biāo)發(fā)展，同時(shí)對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)在定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了量化，對(duì)定性指標(biāo)采取專家的建議 [3]。 (1964)研究了巖體結(jié) 構(gòu)面形狀統(tǒng)計(jì)分布 ,建立了“ ”各項(xiàng)異性及其分布特征，周創(chuàng)兵發(fā)展了巖石節(jié)理張開度的概率模型 [3]；謝和平等研究了節(jié)理表面形態(tài)的分布特點(diǎn)，探討了分維值與結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的主要因素 [3]。因此，作為以應(yīng)用技術(shù)為主的研究人員 , 在處理工程技術(shù)問題中，應(yīng)端正好研究問題的重心，不必在繁瑣的計(jì)算問題上糾纏不休，而忽視了簡單而有效的方法。綜上所述：巖體力學(xué)理論機(jī)理的不成熟成為地下工程圍巖穩(wěn)定分析方法目前 還難以擺脫經(jīng)驗(yàn)與工程類比方法的主要原因。多數(shù)的工程問題在特定條件下用數(shù)值法求解 [7]更能貼近實(shí)際。 FLAC。 (3)不確定性方法 影響地下硐室圍巖穩(wěn)定性因素主要為地下巖石的性質(zhì)、巖石的組合形態(tài)、巖石地下應(yīng)力狀態(tài)以及地下水的賦存情況等 [18],這些因素具有很大的不確定性 ,表現(xiàn)出隨機(jī)性和模糊性 ,因此可采用模糊數(shù)學(xué)和可靠度方法進(jìn)行研究。 本文主要研究內(nèi)容與方法 在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，巖體產(chǎn)生大量的裂隙、節(jié)理和斷層，破壞了巖體的完整性，降低了巖體的強(qiáng)度，是影響地下工 程圍巖穩(wěn)定性的重要因素之一。巖石則是“巖塊”和“巖體”的統(tǒng)稱。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 8 頁 (或裂隙頻率 ) 單向裂隙指在表面的法線方向上每單位長度內(nèi)，法線與結(jié)構(gòu)面的相交的數(shù)目，以dK ( 1m? )表示。在巖石和巖石經(jīng)歷了相同的演化史和地質(zhì)環(huán)境，但它們的性質(zhì)是不同的。由于巖石抗壓不抗拉，所以材料力學(xué)中第一、二、三、四強(qiáng)度理論不適用。斷裂力學(xué)的研究一般多限于宏觀裂紋（裂紋尺寸多數(shù)在數(shù)毫米或數(shù)厘米以上）。能量的關(guān)系是： 1.ise WWWEE ???? 12 () 之后所具有的能量裂紋開始擴(kuò)展一段時(shí)間—能量研究物體之前所具有的—外界補(bǔ)充給系統(tǒng)的能量—表面能裂紋新表面形成所需的—放的能量裂紋出現(xiàn)或擴(kuò)展是所釋—21EEWWWise 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 13 頁 則裂紋擴(kuò)展前后的能量改變量： ise WWWEEK ????? 21 () 設(shè)裂紋長度原來為 2a，則 ????????????，穩(wěn)定狀態(tài)，臨界狀態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)能變化率大于零，000dadKdadKdadK () Griffith 通過實(shí)驗(yàn)假定，制造人工裂紋時(shí)和沒有裂紋時(shí)，每單位厚度應(yīng)變能之差值（釋放能量）： 單位面積的表面能—每單位厚度表面能：rraWEaWse????2222?? () 在封閉系統(tǒng)中整個(gè)系統(tǒng)位能改變量 aErEaraWaWEaarWWWEEccccesc???????2024422212????????????，則得時(shí)的應(yīng)力為求導(dǎo)，并令其為零，這對(duì)長度 () c? 也就是失穩(wěn)的臨界應(yīng)力。根據(jù)巖石抗壓不抗拉的性質(zhì)，本文使用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則。此外還具有斷裂力學(xué)，復(fù)合材料，疲勞分析的特殊應(yīng)用。其位移邊界條件為：模型兩側(cè)施加水平鏈桿，底部固支；如圖 31 所示。 接觸問題按照接觸形式分為五種基本的接觸模型，分為：點(diǎn)點(diǎn)接觸、點(diǎn)面接觸、 線面接觸；線線接觸及面面接觸。 ③研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度的變化對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響 ,巖性為砂巖，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面長度為 20m，距離巷道高度為 20 m。 ④ 研究巖石性質(zhì)變化非連續(xù)結(jié)構(gòu)面對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，巖石性質(zhì)分別為：砂巖、灰?guī)r、石英巖、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r、白云巖。 （ 2）巷道圍巖的鉛垂位移 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同高度時(shí)圍巖豎向位移云圖如圖 35 所示。 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響 巷道圍巖的變形規(guī)律 （ 1）巷道圍巖的水平位移 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面為不同尺寸時(shí)圍巖水平位移云圖如圖 311 所示。由圖 314 可以看出：隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的增加，巷道上的最大豎向位移并沒有明顯的改變。 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響 巷道圍巖的變形規(guī)律 （ 1）不同角度非連續(xù)面的水平位移 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同角度時(shí)圍巖水平位移云圖如圖 317 所示。時(shí)，巷道上的最大水平位移又隨之減少。增加到 180 時(shí)，巷道上的最大豎向位移又隨之減少。由圖320 看出：當(dāng)角度從 0176。由圖 318 可以看出，當(dāng)角度從 0176。 （ 2）不同尺寸斷層造成的豎向應(yīng)力 非連續(xù)結(jié)構(gòu)面為不同尺寸時(shí)圍巖豎向應(yīng)力云圖如圖 315 所 示。 他只影響到非連續(xù)結(jié)構(gòu)面附近的水平位移，并且位移分布也是關(guān)于 y 軸對(duì)稱的。由圖 38 可以看出，當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面靠近巷道，但是并未貫穿巷道時(shí)，越靠近巷道，巷道上最大的水平 應(yīng)力越大；然而當(dāng)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面貫穿巷道時(shí)，巷道上的水平應(yīng)力反而明顯減小。 (a)無非連續(xù)結(jié)構(gòu)面 (b)h=25 (c)h=20 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 19 頁 (d)h=15 (e)h=10 (f)h=0 (g)h=10 (h)h=15 (i)h=20 (k)h=25 圖 33 不同高度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平位移 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 5 10 15 20 25 300 .1 00 .1 20 .1 40 .1 60 .1 80 .2 00 .2 20 .2 4h u x / cm 圖 34 隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度變化巷道附近最大橫向位移 由圖 33 中可以看出含有水平非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平位移是關(guān)于 y 軸對(duì)稱的。 90176。 具體計(jì)算方案如下： ①研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度的變化對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響：巖性為砂巖，接觸面的摩擦系數(shù)為 ，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的長度為 50 m。計(jì)算中采用 PLANE182 單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，如圖 32 所示。并且，圍巖處于自然環(huán)境中，周圍充滿了許多的不可知性，這也對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生了較大的影響。有限元分析在工程領(lǐng)域的一個(gè)計(jì)算方法更廣泛的應(yīng)用，自成立以來，以其獨(dú)特的優(yōu)勢，廣泛的應(yīng)用計(jì)算的發(fā)展，已出現(xiàn)了不同的有限元算法，并由此產(chǎn)生了一批非常成熟的通用和專業(yè)有限元商業(yè)軟件。因而將裂紋分為以下三種形式如圖 26 所示： 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 14 頁 圖 26 裂紋三種基本模式 Ⅰ . 張開型（Ⅰ型）：由于張應(yīng)力的作用而張開，特點(diǎn)是裂紋上下面位移是對(duì)稱的。 (1)線彈性斷裂力學(xué)的基本理論 Griffith(格里菲斯 )斷裂強(qiáng)度理論 Griffith 認(rèn)為任何固體材 料其內(nèi)部和表面總會(huì)存 在或形成或多或少、一定大小的裂紋。因此，一般認(rèn)為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為 06R 。其中斷裂破壞發(fā)生于應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，流動(dòng)破壞發(fā)生于應(yīng)力達(dá)到屈服極限。在巖石力學(xué)的一般概念中，巖石的成分是巖塊和巖體。層面有一定的結(jié)合力 塊狀、菱形塊狀 層狀結(jié)構(gòu) 層狀結(jié)構(gòu) 受構(gòu)造破壞或較輕的中厚層 (大于 30cm)巖體 結(jié)構(gòu)面 23 組，以層面為主，有時(shí)也有軟弱夾層或?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)面，其延續(xù)性較好，層間結(jié)合力較差 塊狀、柱狀、厚板狀 薄層狀結(jié)構(gòu) 厚度小于 30cm，在構(gòu)造作用下發(fā)生強(qiáng)烈褶曲和層間錯(cuò)動(dòng) 層理、片理發(fā)達(dá)，原生軟弱夾層、層間錯(cuò)動(dòng)和小斷層不時(shí)出現(xiàn)。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 6 頁 2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ) 巖體的基本性質(zhì) 巖石是自然歷史的產(chǎn)物，由于它們的生成條件及在生成以