巷道垮塌堆積體的數(shù)值模擬研究★

郭海濤 陳光波

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

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巷道垮塌堆積體的數(shù)值模擬研究★

郭海濤 陳光波

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

運(yùn)用CDEM模擬軟件，對(duì)回采巷道上覆巖層進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了巷道垮塌堆積體內(nèi)部塊體之間的力學(xué)關(guān)系，得出的結(jié)論對(duì)巷道的設(shè)計(jì)施工有一定的參考價(jià)值。

巷道，垮塌堆積體，數(shù)值模擬，巖層

0 引言

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所利用有限單元法與離散元方法相互結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種新的數(shù)值分析研究方法，即依據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的離散元方法(CDEM)[1-3]。這種方法將塊體顆粒運(yùn)用有限元法進(jìn)行計(jì)算，并把塊體顆?？醋鬟B續(xù)體去分析計(jì)算單元變形所產(chǎn)生的力，在產(chǎn)生變形時(shí)，變形在接觸面上可以分開(kāi)，可以比較容易的闡述塊體顆粒下落的全過(guò)程，易于去計(jì)算垮塌堆積體塊體顆粒的整個(gè)下落過(guò)程。離散單元法(CDEM)可以把計(jì)算模型分為兩種，即塊體單元與接觸單元。塊體單元可視為彈性體，利用有限元法與力的邊界條件去計(jì)算內(nèi)部各點(diǎn)的位移狀態(tài)[4]；接觸單元假設(shè)把法向與切向方向上由彈簧構(gòu)成，如果彈簧不發(fā)生斷裂則是彈性的，若發(fā)生斷裂則會(huì)變成離散單元，所以能去闡述垮塌堆積體的非連續(xù)性。

1 數(shù)值模型的建立

要想獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，達(dá)到我們想要的模擬效果，前提條件就是能夠建立正確合理的模型。本模型的設(shè)計(jì)遵循下列原則：

1)本模型主要模擬回采巷道上覆巖層破壞垮塌后，在巖層破壞過(guò)程中形成的大量大直徑塊體，在巖層完全垮塌填滿(mǎn)回采巷道后大直徑塊體之間所形成的結(jié)構(gòu)及這些結(jié)構(gòu)對(duì)兩側(cè)煤壁的影響。因此，模擬的目的是為了得到垮塌巷道堆積體在巷道內(nèi)形成的結(jié)構(gòu)以及該結(jié)構(gòu)對(duì)巷道兩側(cè)煤壁的影響。在設(shè)計(jì)模型時(shí)，主要考慮應(yīng)力因素，對(duì)其他因素進(jìn)行合理的假設(shè)與簡(jiǎn)化。

2)一般情況下井下回采巷道多發(fā)生垮塌事故，所以要模擬回采巷道發(fā)生垮塌時(shí)，大直徑塊體相互之間的運(yùn)動(dòng)及其作用。因此，模型盡可能的與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致。

3)由于巷道內(nèi)的大直徑塊體形狀、大小各不相同，考慮到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存等條件，模型設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)近球度，把各種大小不一塊體都近似當(dāng)做球形顆粒來(lái)進(jìn)行計(jì)算，使計(jì)算機(jī)能快速方便的計(jì)算結(jié)果同時(shí)還不影響計(jì)算結(jié)果。

4)在考慮跟現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本一致的同時(shí)，盡可能的建立合理的模型，使得運(yùn)算簡(jiǎn)便，模擬準(zhǔn)確。

2 模型范圍的確定

回采巷道的斷面為梯形斷面，斷面尺寸為高幫3.4 m，低幫1.8 m，寬2.5 m。本文只進(jìn)行簡(jiǎn)單的二維模擬實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)此模型時(shí)，巷道是按1∶40的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。頂板的厚度也是按1∶40的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了方便計(jì)算，把大直徑的垮塌都考慮成近似的球體進(jìn)行模擬。球體顆粒的比例為1∶100。并且在回采巷道兩幫設(shè)置了13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，低幫有5個(gè)，高幫有8個(gè)，去觀(guān)察兩幫的受力情況。這樣做的目的是為了更加貼近實(shí)際情況。

在開(kāi)始進(jìn)行數(shù)值模擬前，還要設(shè)計(jì)模擬的巖層賦存情況，巖層的基本物理力學(xué)參數(shù)(泊松比、剪切模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、密度、抗拉強(qiáng)度等)。本文采用龍煤集團(tuán)鶴崗分公司某煤礦的地質(zhì)資料，最終確定的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在回采巷道上覆巖層球體開(kāi)始破壞過(guò)程中，可以觀(guān)察大小不同直徑的球體之間相互接觸關(guān)系以及最后形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

如圖1可知，每隔2萬(wàn)時(shí)步，截取一張圖片來(lái)觀(guān)察球體的破壞過(guò)程。圖1a)是回采巷道上覆巖層球體處于初始狀態(tài)；從圖1a)到圖1b)，大小直徑不同的球體開(kāi)始向下垮塌，垮塌過(guò)程中球體與球體之間發(fā)生摩擦和擠壓，從而影響各個(gè)球體運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)軌跡；從圖1b)到圖1c)，在此過(guò)程中回采巷道上覆巖層球體已經(jīng)基本上把巷道填滿(mǎn)，各球體顆粒之間內(nèi)部摩擦、咬合力也逐漸變大，在某些地方已經(jīng)開(kāi)始形成臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)。一般在這個(gè)階段，所形成的臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)還沒(méi)有形成足夠支撐力去支撐上部壓力，此時(shí)的巷道兩幫也呈現(xiàn)出明顯的受力狀態(tài)；但從圖1c)到圖1d)過(guò)程中，回采巷道內(nèi)部的球體顆粒開(kāi)始發(fā)生并出現(xiàn)“自組織”運(yùn)動(dòng)，由于球體顆粒之間產(chǎn)生摩擦與咬合，使得載荷力不斷增大并到達(dá)一定范圍后，臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)就不再能承受上部的重量，當(dāng)顆粒之間所形成的剪阻力不再能保證拱結(jié)構(gòu)平衡時(shí)，臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)就會(huì)馬上出現(xiàn)崩塌的現(xiàn)象，球體顆粒材料所形成的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移變動(dòng)，這種位移的變動(dòng)其實(shí)就是“自組織”運(yùn)動(dòng)，而且如果顆粒之間的摩擦與咬合力變大時(shí)，“自組織”現(xiàn)象所積攢的能量也會(huì)變大，然后出現(xiàn)的位移變動(dòng)也非常劇烈。位移劇烈變動(dòng)最終可以導(dǎo)致球體材料結(jié)構(gòu)之間形成的臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了坍塌現(xiàn)象，從而使球體材料結(jié)構(gòu)在宏觀(guān)上表現(xiàn)出突然的沉降變化。這種突然的沉降變化現(xiàn)象正好表現(xiàn)出球體顆粒堆內(nèi)部產(chǎn)生了一種擺脫結(jié)構(gòu)內(nèi)部平衡情況的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，這就是“自組織”運(yùn)動(dòng)的一種特性。而這種在“自組織”運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的突然沉降變化是一種隨機(jī)現(xiàn)象，顆粒之間所形成的拱結(jié)構(gòu)和崩塌現(xiàn)象其實(shí)都是隨機(jī)過(guò)程。在發(fā)生這些過(guò)程的同時(shí)球體材料結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)一種特殊的效應(yīng)，即搭拱效應(yīng)。這種搭拱效應(yīng)可以使作用力變換方向，作用力的峰值也會(huì)出現(xiàn)改變[5]。由于球體材料結(jié)構(gòu)中力會(huì)發(fā)生方向的改變及峰值變化，導(dǎo)致了力的分布特別不均勻，顆粒間存在的接觸點(diǎn)應(yīng)該才是力的傳遞點(diǎn)，因此載荷力作用到顆粒間結(jié)構(gòu)中力是按照一條沒(méi)有規(guī)則的線(xiàn)路傳遞的。而大直徑的球體顆粒之間不斷咬合和摩擦，使其形成拱結(jié)構(gòu)；而另一些小直徑的球體顆粒不斷通過(guò)大直徑球體顆粒之間的空隙，繼續(xù)充填回采巷道，直到回采巷道內(nèi)再無(wú)空間可以充填為止。這期間運(yùn)動(dòng)其實(shí)就是一些規(guī)模大小不一樣的崩塌，每一次崩塌行為結(jié)束以后，顆粒間的結(jié)構(gòu)就會(huì)隨機(jī)進(jìn)入一種隨遇平衡狀態(tài)，從而演變成一個(gè)新的拱結(jié)構(gòu)，所以，將會(huì)出現(xiàn)許多的隨遇平衡狀態(tài)[6]。因此，在有外力的作用下，球體顆粒間的結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)一直出現(xiàn)“自組織”運(yùn)動(dòng)，而這種運(yùn)動(dòng)會(huì)一直持續(xù)到顆粒之間再無(wú)可移動(dòng)的空間才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。

在回采巷道上覆巖層球體開(kāi)始破壞過(guò)程中，為了研究不同直徑的球體之間形成的拱結(jié)構(gòu)對(duì)兩幫力的作用，選取了監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)8受力圖，去分析拱結(jié)構(gòu)對(duì)兩幫的影響，如圖2所示。

我們從圖2可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和監(jiān)測(cè)點(diǎn)8的受力情況大致相同，都是在5萬(wàn)時(shí)步以前壓力較小，等到達(dá)6萬(wàn)時(shí)步時(shí)壓力都達(dá)到了最大值，然后壓力開(kāi)始變小。而時(shí)步在6萬(wàn)時(shí)，正好對(duì)應(yīng)的是圖1d)，此時(shí)巷道內(nèi)垮塌堆積體剛剛到達(dá)臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)不久，“自組織”現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)，這說(shuō)明巷道內(nèi)垮塌堆積體在形成臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)巷道兩幫的壓力比較大。然而，隨著時(shí)間的推移，垮塌堆積體內(nèi)的舊拱不斷破壞，新拱又不斷的形成，垮塌堆積體內(nèi)部將自發(fā)的出現(xiàn)“自組織”運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)一直持續(xù)到顆粒之

間再無(wú)可移動(dòng)的空間才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。

此時(shí)，由于堆積體內(nèi)部的球體顆粒之間的摩擦和咬合均到達(dá)最大值，堆積體內(nèi)部形成了最穩(wěn)定的拱結(jié)構(gòu)，因而對(duì)兩幫的壓力有所減弱。因此，可以判斷在巷道發(fā)生垮塌后，在最初的幾天內(nèi)巷道兩幫的壓力情況最不穩(wěn)定，不易從巷道兩幫挖掘救援通道。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3與監(jiān)測(cè)點(diǎn)8的不同點(diǎn)在于，監(jiān)測(cè)點(diǎn)8的壓力明顯大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的壓力，因?yàn)椋O(jiān)測(cè)點(diǎn)3與監(jiān)測(cè)點(diǎn)8分別位于巷道的低幫與高幫處。因此，可以判斷巷道高幫所受壓力比低幫大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述在回采巷道上覆巖層數(shù)值模擬，讓我們對(duì)巷道垮塌堆積體內(nèi)部塊體之間力學(xué)關(guān)系有了更清楚的認(rèn)識(shí)，從而得出以下結(jié)論：

1)回采巷道上覆巖層球體剛把巷道填滿(mǎn)后，各球體顆粒之間內(nèi)部摩擦、咬合力也逐漸變大，在某些地方已經(jīng)開(kāi)始形成臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)。一般在這個(gè)階段，所形成的臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)還沒(méi)有形成足夠支撐力去支撐上部壓力，此時(shí)的巷道兩幫也呈現(xiàn)出明顯的受力狀態(tài)。

2)回采巷道內(nèi)部的球體顆粒自發(fā)的出現(xiàn)“自組織”運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)一直持續(xù)到顆粒之間再無(wú)可移動(dòng)的空間才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。

3)巷道內(nèi)垮塌堆積體剛剛到達(dá)臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)不久，“自組織”現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)，這說(shuō)明巷道內(nèi)垮塌堆積體在形成臨時(shí)拱結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)巷道兩幫的壓力比較大。所以，在巷道發(fā)生垮塌后，在最初的幾天內(nèi)巷道兩幫的壓力情況最不穩(wěn)定，不易從巷道兩幫挖掘救援通道。

4)巷道垮塌堆積體形成的拱結(jié)構(gòu)對(duì)巷道高幫壓力要大于對(duì)低幫壓力。

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Research on numerical simulation of tunnel collapse deposit★

Guo Haitao Chen Guangbo

(CollegeofMiningEngineering,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150000,China)

Using the CDEM simulation software, this paper made numerical simulation on mining roadway overlying strata, discussed the mechanical relationship of tunnel collapse deposit and internal block, the gained conclusion had certain reference value to the tunnel design construction.

tunnel, collapse deposit, numerical simulation, strata

1009-6825(2016)11-0054-02

2016-02-02

郭海濤(1989- )，男，碩士，助教； 陳光波(1990- )，男，碩士，助教

TD263

A

★:2015年黑龍江科技大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：YJSCX2015-002HKD)