官地礦井下巷道噴射混凝土損傷力學(xué)數(shù)值模擬

王振喜

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地礦，山西 太原030024）

目前，隨著煤礦開(kāi)采的推進(jìn)，矸石的產(chǎn)出也越來(lái)越多，利用煤矸石為原料，制成混凝土進(jìn)行巷道的支護(hù)是處理煤矸石有效的方法。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了混凝土的力學(xué)試驗(yàn)，混凝土的彈性模量反應(yīng)其支護(hù)的強(qiáng)度，飽和混凝土以及考慮界面影響的混凝土彈性模量反映了不同支護(hù)條件以及不通混凝土的強(qiáng)度[1-2]，對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬的方法可以得到全面的混凝土力學(xué)特性參數(shù)[3-4]。本文在此基礎(chǔ)上，研究了混凝土試件在破壞過(guò)程中的裂隙演化規(guī)律，通過(guò)微觀裂隙的演化規(guī)律解釋了混凝土試件宏觀破壞，為實(shí)際巷道支護(hù)工程提供了數(shù)據(jù)支持。并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用在官地礦井下實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有效地驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 噴射混凝土支護(hù)數(shù)值模型的建立

在煤礦巷道掘進(jìn)以及中期維護(hù)的過(guò)程中，巷道的支護(hù)伴隨著生產(chǎn)的始終，目前，煤礦巷道的支護(hù)主要依靠錨桿錨索的固定作用，通過(guò)噴射混凝土配合錨桿錨索以及支護(hù)網(wǎng)可以達(dá)到巷道長(zhǎng)期支護(hù)的目的，對(duì)于大型礦井以及因?yàn)樯a(chǎn)需要長(zhǎng)期維護(hù)的巷道進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)是不錯(cuò)的選擇，此外，因?yàn)樵陂L(zhǎng)期的開(kāi)采過(guò)程中，矸石的大量產(chǎn)出以及堆積對(duì)地面土地有一定的影響，僅靠采空區(qū)的回填很難達(dá)到矸石的大量處理，利用噴射混凝土可以有效地利用矸石，將廢棄的矸石通過(guò)工業(yè)處理得到可以直接使用的混凝土。利用混凝土、錨桿錨索以及配套設(shè)備對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，從而保證支護(hù)的強(qiáng)度，達(dá)到巷道長(zhǎng)時(shí)間支護(hù)目的的同時(shí)，還提高了矸石的利用率。

在進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)中，對(duì)于混凝土支護(hù)的強(qiáng)度以及孔裂隙的演化規(guī)律的研究是了解混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵，結(jié)合微觀以及宏觀可以得到更加全面的力學(xué)參數(shù)，而力學(xué)參數(shù)是保證巷道支護(hù)強(qiáng)度的根本，在此，利用PFC顆粒流離散單元法對(duì)混凝土在單軸壓縮情況下的強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。利用PFC軟件進(jìn)行模擬的過(guò)程中，應(yīng)該充分的了解軟件，PFC顆粒流離散單元法是依據(jù)顆粒之間的接觸作用，在邊界條件的限制下通過(guò)顆粒之間的相互作用得到力學(xué)特性參數(shù)，從而可以得到宏觀狀態(tài)下混凝土的強(qiáng)度參數(shù)。

下頁(yè)圖1為顆粒流離散單元法顆粒模型的建立，因?yàn)樵撃Ｐ褪峭ㄟ^(guò)顆粒之間的相互作用反應(yīng)作用力，所以建立的模型中應(yīng)該最大限度地確保顆粒之間的距離，使得其相互作用的同時(shí)避免過(guò)多的顆粒重疊。在模型初步建立的基礎(chǔ)上，首先對(duì)模型中的顆粒進(jìn)行平衡處理使得顆粒間達(dá)到平衡，平衡處理后消除顆粒間最大內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)去除懸浮顆粒使得模型均勻準(zhǔn)確。上述的處理可以有效地避免因?yàn)轭w粒大小不均勻以及顆粒間作用力大小的不同給試驗(yàn)帶來(lái)的偏差，去除顆粒較大的單元體可以使得模型的建立更加均勻化，不會(huì)因?yàn)榇箢w粒造成應(yīng)力集中以及應(yīng)力偏大的現(xiàn)象，對(duì)于懸浮顆粒的去除可以有效地減少顆粒的疊加引起的受力不均勻的現(xiàn)象，整個(gè)過(guò)程后，顆粒流離散單元法顆粒模型的建立才算完成。對(duì)于混凝土支護(hù)顆粒模型的建立，為了充分保證顆粒之間的作用，還應(yīng)該添加平行粘結(jié)接觸，即在一定的距離內(nèi)，即使顆粒之間為接觸，也認(rèn)為顆粒之間有相互作用的力存在（見(jiàn)下頁(yè)圖2）。

從圖2可得，該模型中共有3 672個(gè)顆粒，添加了8 451個(gè)平行粘結(jié)接觸，去除顆粒邊界之后，得到混凝土支護(hù)顆粒的模型，后期的力學(xué)分析都基于此模型的基礎(chǔ)上完成。

圖1 顆粒流離散單元法顆粒模型的建立

圖2 混凝土支護(hù)顆粒模型的建立

2 數(shù)值模擬的結(jié)果分析

通過(guò)上述模型的建立，結(jié)合在試驗(yàn)室實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，得到了圖3所示的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲圖。

圖3 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

從圖3中可以看出，試驗(yàn)情況下的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)與模擬情況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)基本重合，在Ⅰ階段內(nèi)，處于試件的彈性區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，隨著應(yīng)力的增加，試件中的原始裂隙被壓密，因此裂隙數(shù)基本為零；隨著應(yīng)力的增加，試件中開(kāi)始有少量的裂隙產(chǎn)生，所以可以看出在區(qū)域Ⅱ內(nèi)裂隙數(shù)開(kāi)始不斷的增長(zhǎng)；當(dāng)試件達(dá)到屈服應(yīng)力后，試件中開(kāi)始不斷的產(chǎn)生新裂紋，此階段變現(xiàn)為區(qū)域Ⅲ內(nèi)，這個(gè)階段內(nèi)的巖石裂紋擴(kuò)展迅速；當(dāng)試件達(dá)到破壞后，即區(qū)域Ⅳ內(nèi)，裂紋開(kāi)始迅速的擴(kuò)展并連通，試件被破壞，在整個(gè)應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域內(nèi)，試件經(jīng)歷了原始裂隙壓密階段、彈性階段、塑性階段以及破壞階段，階段內(nèi)的裂隙從壓密到新增到最后的擴(kuò)展連同，從微觀上變現(xiàn)處出試件的破壞過(guò)程。

圖4 應(yīng)力為35 MPa時(shí)的裂隙演化規(guī)律

圖5 試件破壞后的裂隙演化規(guī)律

如圖4、圖5為混凝土破壞過(guò)程中的裂隙演化規(guī)律，其中，圖5為應(yīng)力值為35 MPa下的裂隙演化規(guī)律，對(duì)應(yīng)圖4中的區(qū)域Ⅲ。從圖4中可以看出，試件內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了許多新增的裂隙，但是只有少數(shù)的裂隙連同，這時(shí)混凝土并未達(dá)到完全破壞，還有一定的強(qiáng)度；當(dāng)試件破壞后，裂隙數(shù)量迅速擴(kuò)張。從圖5可以看出，大量的裂隙已經(jīng)連同形成斷面，這時(shí)，混凝土的強(qiáng)度會(huì)迅速下降，支護(hù)強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)不到要求。

通過(guò)數(shù)值模擬以及試驗(yàn)的單軸壓縮混凝土試驗(yàn)，得到了混凝土的強(qiáng)度曲線(xiàn)以及數(shù)值模擬參數(shù)。在進(jìn)行混凝土顆粒流模型建立中，應(yīng)該盡量使得顆粒間有相互的接觸，適當(dāng)?shù)乜刂祁w粒間的應(yīng)力以及剔除多余的懸浮顆粒。通過(guò)添加平行粘結(jié)接觸使得顆粒間有相互作用的力存在，通過(guò)數(shù)值模型的建立以及試驗(yàn)室的單軸混凝土壓縮試驗(yàn)得到了混凝土試件的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，并得到了混凝土試件的裂隙隨應(yīng)變的演化規(guī)律，結(jié)合試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)以及裂隙演化規(guī)律綜合分析，試件在原始裂隙壓密階段以及彈性階段原始裂隙被壓密，基本沒(méi)有新的裂隙產(chǎn)生；在塑性區(qū)域內(nèi)，在高應(yīng)力的作用下，開(kāi)始有新的裂隙產(chǎn)生；當(dāng)試件達(dá)到破壞強(qiáng)度后，裂隙開(kāi)始大面積擴(kuò)散并相互貫通，在與試件水平面形成45°的大斷面，宏觀方面表現(xiàn)為45°的破壞。

在實(shí)際的支護(hù)過(guò)程中，混凝土通常與錨桿錨索以及支護(hù)鐵絲網(wǎng)共同支護(hù)巷道，其中錨桿錨索主要其固定約束的作用。在長(zhǎng)期的開(kāi)采中，巷道會(huì)不斷地發(fā)生變形，而混凝體起主要的支護(hù)作用。對(duì)于混凝土的強(qiáng)度，本文通過(guò)數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行了研究，為實(shí)際工程中支護(hù)的強(qiáng)度提供了數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié)論

1）利用PFC顆粒流離散單元法對(duì)混凝土進(jìn)行模型建立時(shí)，應(yīng)該保證顆粒之間有接觸，同時(shí)剔除大顆粒以及懸浮顆粒，添加平行粘結(jié)接觸保證模型的完整準(zhǔn)確性。

2）在模型的建立基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)混凝土的單軸壓縮試驗(yàn)，得到試件經(jīng)歷了原始裂隙壓密階段、彈性階段、塑性階段以及破壞階段。

3）分析混凝土的裂隙演化規(guī)律，在彈性階段之前，試件不會(huì)有新的裂隙產(chǎn)生，應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力后，試件內(nèi)部新的裂隙開(kāi)始發(fā)育，試件達(dá)到破壞后，裂隙開(kāi)始大面積的擴(kuò)散連同，宏觀變現(xiàn)為45°的破壞形式。