郭隆基, 何滿潮, 瞿定軍, 陶志剛
(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083; 3. 遠(yuǎn)安縣燎原礦業(yè)有限責(zé)任公司, 湖北 宜昌 444200)
我國(guó)的錨桿圍巖支護(hù)已取得很大進(jìn)展,但我國(guó)煤礦的軟巖地層分布十分廣泛,在開挖前巖體內(nèi)部就已經(jīng)存在大量原生節(jié)理裂隙,當(dāng)處于開挖應(yīng)力狀態(tài)時(shí),圍巖從原來(lái)的三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受力狀態(tài),迅速發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、擴(kuò)張,承載能力也迅速下降,導(dǎo)致圍巖大面積失穩(wěn).研究開發(fā)有效控制高應(yīng)力、高地壓、軟巖和開采擾動(dòng)等大變形巷道的錨桿及支護(hù)技術(shù)成為關(guān)鍵[1].眾多學(xué)者結(jié)合錨桿理論研究、室內(nèi)相似模型試驗(yàn),對(duì)錨桿本身的靜態(tài)力學(xué)性能和錨桿-圍巖耦合加固機(jī)理開展了大量的研究[2-6].Kang等[7]以煤粉水泥膠結(jié)料為模型材料,開展以2根錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)模型的實(shí)驗(yàn),分析了圍巖應(yīng)力場(chǎng)與支護(hù)構(gòu)件自身產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)相互作用的影響.Bobet等[8]給出了DMFC,CMC,CFC錨桿巷道圍巖支護(hù)與鋼筋錨固力間相互作用的封閉解,得出的解強(qiáng)烈依賴于錨桿和變形巖石之間的相對(duì)剛度,結(jié)果表明在巖石彈性變形時(shí)放置鋼筋,隧道收斂性不會(huì)大幅度減少,而在巖石經(jīng)歷塑性變形時(shí)放置錨桿其支護(hù)變形效果最好.Hu等[9]建立圍巖-支護(hù)流變變形模型,推演圍巖與錨桿支護(hù)相互作用機(jī)理,理論證實(shí)錨桿支護(hù)可應(yīng)用于軟巖巷道.
許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用SHPB沖擊、落錘錨桿、爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等,進(jìn)行了動(dòng)態(tài)荷載下錨桿-圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特性研究,但是大多支護(hù)吸能錨桿并沒(méi)有考慮其與圍巖結(jié)合的動(dòng)載相互作用[10-15].陳士海等[16]通過(guò)建立震源荷載實(shí)驗(yàn)?zāi)P停芯苛吮坪奢d下圍巖與支護(hù)錨桿動(dòng)力響應(yīng)特征,發(fā)現(xiàn)對(duì)于全錨錨桿既存在拉伸狀態(tài),又存在壓縮狀態(tài),為地下硐室支護(hù)設(shè)計(jì)提供可行的指導(dǎo).王光勇等[10]利用有限元數(shù)值軟件LS_DYNA 3D,模擬爆破集中荷載裝藥下錨桿與應(yīng)力波的相互作用,對(duì)錨桿的軸向應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究,得出拱腰錨桿都是先受壓后受拉.
采用傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)不能滿足工程穩(wěn)定性要求,He等[17-18]研發(fā)了350 kN恒阻大變形錨索,基于能量吸收和大變形控制高理論,利用350 kN高恒阻大變形錨索的吸收沖擊能量特性對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)以期達(dá)到防治沖擊地壓的目的.何滿潮等[19]通過(guò)多次落錘沖擊試驗(yàn),得出恒阻錨索可產(chǎn)生拉伸變形來(lái)吸收沖擊能量,其具有保持恒定阻力的特殊抗沖擊力學(xué)性能.呂謙[20]首次對(duì)NPR(negative Poisson’s ratio)高恒阻錨索的變形量和恒定阻力進(jìn)行了突破性實(shí)驗(yàn),并將NPR錨索應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程中,發(fā)現(xiàn)其不僅能吸收巖體內(nèi)多余的變形能,而且對(duì)巖體的大變形起控制作用,最大程度地保證巖體的穩(wěn)定性和完整性.王炯等[21]采用理論分析及物理模型試驗(yàn)的方法,通過(guò)對(duì)高恒阻大變形錨索支護(hù)巷道的圍巖變形試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值與位移計(jì)算值對(duì)比,得出高恒阻錨索有效抑制圍巖變形,解決深部軟巖巷道大變形問(wèn)題.
研究試驗(yàn)段位于張良堡背斜南緣,林盛堡向斜西翼中段,為一軸向N35°~40°,向西南傾伏,西翼寬緩,東翼窄陡的不對(duì)稱寬緩傾伏背斜.背斜傾角3°~7°,西翼傾角5°~10°,東翼以東傾角25°~40°,地層走向受傾伏背斜控制,呈半環(huán)形,向東、東南、南、西南傾,形成寬緩的扇形分布.礦井區(qū)內(nèi)小構(gòu)造以斷層為主,按其發(fā)生時(shí)期及構(gòu)造形跡和分布區(qū)域分為背斜軸部斷層組、背斜東翼斷層組和背斜西翼斷層組三組(圖1).斷層中部最大落差達(dá)70 m,向兩端落差急劇減少至消失與派生的斷層一起,造成井田中部位構(gòu)造復(fù)雜化,對(duì)煤層破壞較嚴(yán)重.地層受構(gòu)造作用產(chǎn)生的大致與之褶皺軸平行的張性斷裂和相伴生的西北向斷裂,屬印支期的產(chǎn)物.
圖1 研究試驗(yàn)段地質(zhì)構(gòu)造
全區(qū)被第四系沖積層覆蓋,其下為上侏羅統(tǒng)地層不整合超覆于古生代地層之上,為隱伏煤田.本井田地層由第四系、第三系、侏羅系、二疊系、石炭系、奧陶系地層組成.本文數(shù)值模擬研究段地層系統(tǒng)由老至新如下:1) 上石炭統(tǒng)太原組由中部砂巖段和上部黑色泥巖夾薄層灰?guī)r段組成,本組約85 m.2) 下二疊統(tǒng)山西組的巖性主要由灰色、灰黑色中細(xì)粒砂巖,粉砂巖與泥巖互層及煤層組成,并夾一層海相泥巖,本組厚約110 m(圖2).
7#煤層北一釆區(qū)1213回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷為數(shù)值模擬試驗(yàn)段如圖3所示,該段巷道埋深-769.2~-793.6 m,總長(zhǎng)度303 m,地表標(biāo)高+23.6 ~+24.1 m,斷面為4.2 m×2.5 m.巷道支護(hù)完整,無(wú)大斷層和陷落柱.煤層堅(jiān)固性系數(shù)(f):煤,f=0.3;泥巖,f=1.8~2.9;粉砂巖,f=2.7~4.5;細(xì)砂巖,f=4~6; 中砂巖,f=6.2.
圖2 試驗(yàn)段地層綜合柱狀圖、巖層巖性及厚度
圖3 1213回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷平面位置示意圖
軟巖硐室的大變形破壞特征不僅受圍巖的力學(xué)特性影響,而且受所處的地應(yīng)力環(huán)境和工程因素等控制.我國(guó)許多煤礦在采深不大的情況下,坑道的變形破壞并不強(qiáng)烈,常規(guī)支護(hù)即可維護(hù)巷道硐室穩(wěn)定.但采深加大后,某些煤礦坑道穩(wěn)定性降低,變形破壞趨于強(qiáng)烈,常規(guī)支護(hù)錨桿/索難以維護(hù)穩(wěn)定.
高應(yīng)力軟巖(high stressed soft rock,簡(jiǎn)稱H型),是指在較高應(yīng)力水平(>25 MPa)條件下才發(fā)生顯著大變形的中高強(qiáng)度的工程巖體,如表1所示.這種軟巖的強(qiáng)度一般高于25 MPa,其砂質(zhì)成分較多,如泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等.其大變形的機(jī)理是處于高應(yīng)力水平時(shí),巖石骨架中的基質(zhì)(黏土礦物)發(fā)生滑移和擴(kuò)容,導(dǎo)致發(fā)生缺陷或裂紋的擴(kuò)容和滑移塑性變形,如表2所示.
表1 高應(yīng)力軟巖分級(jí)表Table 1 Classification of high stress soft rock
1) 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng).軟巖具有強(qiáng)流變性和低強(qiáng)度性,因此,軟巖巷道硐室開挖以后圍巖應(yīng)力重分布.軟巖巷道硐室變形破壞持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,往往長(zhǎng)達(dá)1~2年.
2) 破壞位置不同.軟巖具有強(qiáng)烈的各向異性,硐室所處的地應(yīng)力強(qiáng)度因方向而異,因而變形破壞程度不同.變形破壞在方向上的差異往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均,支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生巨大的彎矩,不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定.
3) 破壞范圍大.軟巖硐室中圍巖強(qiáng)度與地應(yīng)力比值很小,特別當(dāng)支護(hù)不當(dāng)或不及時(shí),圍巖破壞區(qū)的范圍可達(dá)5倍硐室半徑,甚至更大.軟巖流變過(guò)程中,圍巖強(qiáng)度降低.
表2 軟巖分類表Table 2 Classification of soft rock
試驗(yàn)段埋深近800 m,屬高應(yīng)力軟巖.建立基于以PFC3D顆粒流與FLAC3D耦合墻為主體的防沖支護(hù)數(shù)值模型,嵌入NPR錨桿/索.模擬對(duì)比分析25 MPa沖擊峰值壓力下,PR/NPR錨桿/索支護(hù)圍巖變形特征與硐室穩(wěn)定性.
模型圍巖地層條件如下:以砂巖為主,粉砂-中細(xì)粒結(jié)構(gòu),裂隙發(fā)育,屬軟巖-堅(jiān)硬巖.巖層近水平狀分布,巖石抗壓強(qiáng)度60 MPa,圍巖等級(jí)III級(jí).
首先建立2D模型大小為48 m×45 m,硐室截面大小為7.0 m×7.8 m,模型以硐室中心線對(duì)稱,硐室巷道截面為直墻半圓拱形式,如圖4所示.
圖4 硐室數(shù)值模型
試驗(yàn)段模擬PR/NPR錨桿/索支護(hù)措施:采用恒定阻力值25 t,預(yù)緊力10 t,長(zhǎng)度為6 m的NPR高恒阻大變形錨桿/索,在左右?guī)脱仨鲜医孛鎸?duì)稱布設(shè)25根,下部距離底板300 mm,幫部位錨桿/索間距離800 mm,拱頂錨索間距離850 mm,如表3,圖5所示.
表3 支護(hù)方案Table 3 Support scheme
圖5 數(shù)值支護(hù)模型
錨桿/索的類型為沖擊荷載下的唯一變量,如圖5所示,錨桿/索臨空端顯示的圓點(diǎn)即為錨固節(jié)點(diǎn)(link節(jié)點(diǎn));其次,在錨桿/索群的深部錨固端設(shè)計(jì)垂直于錨桿/索的網(wǎng)片狀彈性結(jié)構(gòu)單元(shell),長(zhǎng)度約為20 cm,并將錨桿/索錨固端頭與該網(wǎng)片中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性固定.最后,為每一根錨桿/索施加預(yù)應(yīng)力,該施加過(guò)程中錨桿/索不斷收縮,并牽引兩端網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生擠壓移動(dòng),網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)t可通過(guò)計(jì)算中的耦合墻單元(structure-wall)與圍巖顆粒發(fā)生力學(xué)傳導(dǎo),將預(yù)應(yīng)力施加給圍巖.
結(jié)合Mohr-Coulomb[22]強(qiáng)度理論公式,基于PFC3D離散元軟件,在單軸、三軸試驗(yàn)結(jié)果已知情況下,對(duì)單軸剪切破壞形式主導(dǎo)下的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及巖石單軸抗壓強(qiáng)度間建立關(guān)系式.調(diào)整細(xì)觀參數(shù)使模型模擬的宏觀現(xiàn)象與物理試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象相匹配.通過(guò)正反演分析法,先假定待反演的巖體參數(shù),通過(guò)正演分析得到巖體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力等,然后將其與實(shí)際的抗壓強(qiáng)度曲線相比較,逐步逼近實(shí)測(cè)值,從而確定待反演的巖體參數(shù),如表4、表5所示.
表4 數(shù)值模擬細(xì)觀參數(shù)Table 4 Mesoscopic parameters of numerical simulation
表5 NPR錨桿/索力學(xué)參數(shù)Table 5 Mechanical parameters of NPR bolt/cable
在初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成過(guò)程中,模型不設(shè)置速度邊界條件,依據(jù)地應(yīng)力場(chǎng)的分布情況在模型最外層單元施加應(yīng)力邊界條件,應(yīng)力轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)力作用在模型最外層單元的節(jié)點(diǎn)上,向模型內(nèi)部傳遞,并保持恒定.數(shù)值模型沒(méi)有位移邊界條件,平衡過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生較大的位移,在模型達(dá)到平衡后將所有節(jié)點(diǎn)速度清零,來(lái)模擬圍巖體在初始地應(yīng)力場(chǎng)作用下的靜力平衡狀態(tài).
數(shù)值模型具體的邊界位移約束表達(dá)式如下:
1) 施加水平位移約束在模型的左右及前后,初始位移設(shè)置為零;
2) 設(shè)置模型頂部及底部邊界水平、垂直初始位移均為零.
由應(yīng)力條件確定該模型所處的應(yīng)力條件,X方向上取水平位移約束條件,即
u|x=0=0,u|x=1 300=0 .
Y方向上取水平位移約束條件,即
u|y=0=0,u|y=10=0 .
頂部及底部邊界設(shè)置垂直位移約束條件,即
u|z=0=0.
施加初始地應(yīng)力,具體采用摩爾-庫(kù)侖模型分階段的彈塑性求解法,首先調(diào)整施加模型圍巖顆粒較大的內(nèi)聚力和抗拉強(qiáng)度,擠壓產(chǎn)生初始應(yīng)力場(chǎng),進(jìn)行彈性求解,直至平衡;再將內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度重置為初始設(shè)定值,進(jìn)行開挖硐室,塑性階段的求解,直至模型體系力平衡狀態(tài).在考慮地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的情況下,施加在模型上的載荷即為構(gòu)造應(yīng)力,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用應(yīng)力伺服控制程序進(jìn)行初始地應(yīng)力生成[23].
沖擊荷載加載,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的應(yīng)力波-時(shí)間函數(shù)曲線,確定其應(yīng)力峰值.圍巖地應(yīng)力場(chǎng)水平應(yīng)力為7 MPa,垂向應(yīng)力為14 MPa,地層單軸抗壓強(qiáng)度為25 MPa.通常認(rèn)為應(yīng)力波是以柱狀和球形向四周傳播,但對(duì)于大埋深地下工程,當(dāng)應(yīng)力波傳播距離足夠遠(yuǎn)時(shí),可以近似看作是平面波,即本模擬中25 MPa應(yīng)力波以平面波形式傳遞.
隨著應(yīng)力波的傳遞,能量逐漸傳遞擴(kuò)散,產(chǎn)生位移變形.在沖擊載荷施加初期,其截取時(shí)間相對(duì)較短,而在后期圍巖變形速度放緩,其云圖截取時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),通過(guò)反復(fù)校核云圖截取效果,選定t=7,40,150 ms 共3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn).
沖擊載荷經(jīng)由地表加載后,應(yīng)力波由地表處向深部及四周傳遞.如圖6所示PR圍巖顆粒速度擴(kuò)散云圖,t=7 ms巖體顆粒峰值速度5.89 m/s,應(yīng)力波傳遞首先引起硐室頂部發(fā)生震動(dòng)響應(yīng),一倍硐徑范圍內(nèi)巖體顆粒以相互碰撞等方式傳遞和耗散傳遞峰值應(yīng)力;t=40 ms時(shí)峰值速度為4.7 m/s,應(yīng)力經(jīng)過(guò)擾動(dòng),錨桿/索襯砌受力變形;t=150 ms硐室兩幫襯砌已經(jīng)發(fā)生變形,拱頂下沉,判定硐室因錨桿/索襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)變形發(fā)生失穩(wěn)破壞.
圖6 PR圍巖顆粒速度擴(kuò)散云圖
圖7為NPR圍巖顆粒速度擴(kuò)散云圖,t=7 ms應(yīng)力波藥包位置形成爆破空腔,速度最大為5.89 m/s,由邊界反射再次傳遞至硐室圍巖,引起速度場(chǎng)應(yīng)力迅速向周邊擴(kuò)展.t=40 ms頂部和兩幫率先受到爆破速度場(chǎng)的影響,圍巖顆粒經(jīng)過(guò)傳遞速度峰值為4.25 m/s,圍巖體峰值能量被巖體顆粒間阻尼、顆粒間擴(kuò)散、錨桿/索襯砌吸收三種方式耗散至遠(yuǎn)處,使得此時(shí)圍巖體速度下降.t=150 ms 時(shí),應(yīng)力波由邊界反射再次傳遞至硐室圍巖處,引起圍巖體擾動(dòng),錨桿/索襯砌未發(fā)生變形,圍巖應(yīng)力基本完成重分布達(dá)到穩(wěn)定,硐室NPR襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.
圖7 NPR圍巖顆粒速度擴(kuò)散云圖
圓點(diǎn)即代表力傳遞的節(jié)點(diǎn),圓點(diǎn)消失則表示錨桿/索失效.圖8為PR錨桿/索瞬時(shí)軸力云圖,當(dāng)t=7 ms時(shí)軸力峰值為240 kN,隨爆破引起應(yīng)力波的傳播,硐室?guī)筒颗c頂板處的錨桿/索受力開始逐漸增加,shell單元鋼片開始出現(xiàn)小幅度變形;當(dāng)t=40 ms時(shí),硐室頂部錨桿/索已經(jīng)全部失效,右右?guī)筒课恢缅^桿/索逐步出現(xiàn)破斷效應(yīng);當(dāng)t=150 ms時(shí),左幫3根PR錨桿/索及右?guī)?根尚未失效,即21根錨桿/索已經(jīng)失效,右?guī)痛竺娣e失效,導(dǎo)致了耦合墻嚴(yán)重變形,硐室呈現(xiàn)內(nèi)凸的弧形變形破壞.
圖9為NPR錨桿/索瞬時(shí)軸力云圖,當(dāng)t=7 ms時(shí),shell單元鋼片開始出現(xiàn)小幅度變形;當(dāng)t=40 ms時(shí)軸力達(dá)到最大值250 kN,但僅小部分錨桿/索軸力出現(xiàn)驟降現(xiàn)象;當(dāng)t=150 ms時(shí),僅有5根錨桿/索出現(xiàn)范圍內(nèi)變形,錨桿/索全都未出現(xiàn)失效.
圖8 PR錨桿/索瞬時(shí)軸力云圖
圖9 NPR錨桿/索瞬時(shí)軸力云圖
圖10為PR錨桿/索瞬時(shí)位移云圖,當(dāng)t=7 ms時(shí),峰值位移量0.153 m,錨桿/索變形開始增加;當(dāng)t=40 ms時(shí),shell單元鋼片連接開始大范圍位移變形;當(dāng)t=150 ms時(shí),硐室左右兩幫因錨桿/索拉斷位移近100 mm,破斷大面積扭曲破壞.
圖10 PR錨桿/索瞬時(shí)位移云圖
圖11為NPR錨桿/索瞬時(shí)位移云圖,當(dāng)t=7 ms 時(shí), shell單元小幅度變形, 峰值位移為0.035 3 m;t=40 ms時(shí),左幫最大伸長(zhǎng)量達(dá)到175 mm;當(dāng)t=150 ms時(shí),僅底板錨桿/索出現(xiàn)小范圍內(nèi)變形.
圖11 NPR錨桿/索瞬時(shí)位移云圖
沖擊壓作用下,巷道頂板PR錨桿/索軸力出現(xiàn)波動(dòng)如圖12,圖13所示.t=0.18 s,頂板錨桿/索軸力突降為0 kN,此時(shí)處于震中階段,頂部、幫部PR錨桿/索的恒阻性均在震中階段失效.同等條件下,NPR錨桿/索始終保持高恒阻力,幫部20# 錨桿/索出現(xiàn)軸力為0 kN是由于此處巷道襯砌受壓,導(dǎo)致預(yù)緊力損失.綜上,PR錨桿/索支護(hù)下巷道難以整體穩(wěn)定性,但NPR錨桿/索保持高恒阻力,保證巷道整體穩(wěn)定性.
圖12 頂板PR/NPR錨桿/索軸力
圖13 幫部PR/NPR錨桿/索軸力
1) FLAC3D與PFC3D聯(lián)合建立模擬區(qū)域圍巖體、爆破點(diǎn)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的耦合模擬計(jì)算新思路和新方法,實(shí)現(xiàn)高沖擊速率條件下的地下硐室NPR錨桿/索防沖加固模擬.
2) 基于模擬現(xiàn)場(chǎng)爆破位置及布設(shè)方式,25 MPa峰值壓力模擬結(jié)果顯示:沖擊荷載作用下,PR錨桿/索支護(hù)巷道的右?guī)推茐膰?yán)重,沖擊前共25根錨桿/索正常支護(hù),沖擊后有21根錨桿/索失效, NPR錨桿/索支護(hù)硐室未出現(xiàn)NPR錨桿/索破斷情況,且圍巖體趨于穩(wěn)定,幫部得到有效支護(hù),防沖效果顯著.
3) 通過(guò)此次數(shù)值模擬對(duì)比試驗(yàn)得出,在相同能量沖擊試驗(yàn)下,普通錨桿/索產(chǎn)生了沖擊破壞;高恒阻大變形NPR錨桿/索在沖擊力作用下可吸收爆炸產(chǎn)生的沖擊能量,同時(shí)保持恒定的阻力.表明高恒阻大變形錨桿/索比普通錨桿/索具有更好的抗沖擊性能,防沖效果良好.