基于点-单元接触模式的水平岩层运动连续-非连续方法模拟

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正文

引用格式:王学滨,薛承宇,岑子豪.基于点-单元接触模式的水平岩层运动连续-非连续方法模拟[J].山东科技大学学报（自然科学版）, 2022, 41(6): 40-49.

摘要

采场上覆岩层的开裂和破断在力学上可归结为连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化.正确模拟采场上覆岩层运动过程对于岩层稳定性控制和有关灾害预防具有极其重要的意义.介绍了历时10年自主开发的拉格朗日元与离散元耦合方法的基本原理,以及以此为基础最新发展的水平岩层运动计算方法.以接触-摩擦模块为例进行介绍.采用点-单元接触模式取代单元-单元接触模式,以起到精简算法和适于图形处理器(GPU)并行计算的目的.通过3个采场算例,展现了该方法的优势.该方法适于研究采动条件下岩层的变形、开裂、离层、破断和冒落等,具有需要参数少且参数容易获取的特点.

图片

图１拉格朗日元与离散元耦合方法的流程图

图２接触单元上一条边的接触点

图３３个采场模型示意图

图４模型１的最大主应力的时空分布(单位:Pa)

图５模型２的最大主应力的时空分布(单位:Pa)

图６模型３的最大主应力的时空分布(单位:Pa)

结论

通过3个采场算例,展现了该方法的优势.该方法适于研究采动条件下岩层的变形、开裂、离层、破断和冒落等,具有需要参数少且参数容易获取的特点.在拉格朗日元与离散元耦合方法的基础上,发展了水平岩层运动计算方法,采用点-单元接触模式取代单元-单元接触模式,以起到精简算法和适于GPU并行的目的.在传统工法条件下走向和侧向岩层运动模拟中,随着时步数目的增加,若干岩层不断开裂,岩层之间的离层在水平和垂直方向上不断发育,上覆岩层破断会导致下方的离层和采空区闭合.最终,裂纹的分布在整体上呈上底长下底短的梯形,这与导水裂隙带等的现场观测结果一致.在110工法条件下侧向岩层运动模拟中,采空区形成后,由右巷顶板切缝尖端发展出的裂纹促进了采空区上方部分岩层垮落,右巷右侧形成了矸石帮,使其得以保留.

本方法适于模拟采场模型的岩层运动过程,例如,岩层的变形、开裂、离层、破断和冒落等,还适于研究多种载荷(静水压力和冲击波等)条件下巷道围岩模型的破坏,例如,围岩开裂和坍塌以及岩块弹射等,具有需要参数少且参数容易获取的特点.

致谢

来源：诗话计算力学和玛瑙

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首次发布时间：2024-12-04

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