巷道垮塌堆積體的數值模擬研究★

郭海濤 陳光波

(黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

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巷道垮塌堆積體的數值模擬研究★

郭海濤 陳光波

(黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

運用CDEM模擬軟件，對回采巷道上覆巖層進行數值模擬，探討了巷道垮塌堆積體內部塊體之間的力學關系，得出的結論對巷道的設計施工有一定的參考價值。

巷道，垮塌堆積體，數值模擬，巖層

0 引言

中國科學院力學研究所利用有限單元法與離散元方法相互結合，開發出一種新的數值分析研究方法，即依據連續介質力學的離散元方法(CDEM)[1-3]。這種方法將塊體顆粒運用有限元法進行計算，并把塊體顆粒看作連續體去分析計算單元變形所產生的力，在產生變形時，變形在接觸面上可以分開，可以比較容易的闡述塊體顆粒下落的全過程，易于去計算垮塌堆積體塊體顆粒的整個下落過程。離散單元法(CDEM)可以把計算模型分為兩種，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算內部各點的位移狀態[4]；接觸單元假設把法向與切向方向上由彈簧構成，如果彈簧不發生斷裂則是彈性的，若發生斷裂則會變成離散單元，所以能去闡述垮塌堆積體的非連續性。

1 數值模型的建立

要想獲得準確的結果，達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。本模型的設計遵循下列原則：

1)本模型主要模擬回采巷道上覆巖層破壞垮塌后，在巖層破壞過程中形成的大量大直徑塊體，在巖層完全垮塌填滿回采巷道后大直徑塊體之間所形成的結構及這些結構對兩側煤壁的影響。因此，模擬的目的是為了得到垮塌巷道堆積體在巷道內形成的結構以及該結構對巷道兩側煤壁的影響。在設計模型時，主要考慮應力因素，對其他因素進行合理的假設與簡化。

2)一般情況下井下回采巷道多發生垮塌事故，所以要模擬回采巷道發生垮塌時，大直徑塊體相互之間的運動及其作用。因此，模型盡可能的與現場實際一致。

3)由于巷道內的大直徑塊體形狀、大小各不相同，考慮到計算機的內存等條件，模型設計時根據近球度，把各種大小不一塊體都近似當做球形顆粒來進行計算，使計算機能快速方便的計算結果同時還不影響計算結果。

4)在考慮跟現場實際基本一致的同時，盡可能的建立合理的模型，使得運算簡便，模擬準確。

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。本文只進行簡單的二維模擬實驗。在設計此模型時，巷道是按1∶40的比例進行設計。頂板的厚度也是按1∶40的比例進行設計。為了方便計算，把大直徑的垮塌都考慮成近似的球體進行模擬。球體顆粒的比例為1∶100。并且在回采巷道兩幫設置了13個監測點，低幫有5個，高幫有8個，去觀察兩幫的受力情況。這樣做的目的是為了更加貼近實際情況。

在開始進行數值模擬前，還要設計模擬的巖層賦存情況，巖層的基本物理力學參數(泊松比、剪切模量、內聚力、內摩擦角、密度、抗拉強度等)。本文采用龍煤集團鶴崗分公司某煤礦的地質資料，最終確定的物理力學參數如表1所示。

表1 巖層力學參數

3 數值模擬結果分析

在回采巷道上覆巖層球體開始破壞過程中，可以觀察大小不同直徑的球體之間相互接觸關系以及最后形成的穩定結構，如圖1所示。

如圖1可知，每隔2萬時步，截取一張圖片來觀察球體的破壞過程。圖1a)是回采巷道上覆巖層球體處于初始狀態；從圖1a)到圖1b)，大小直徑不同的球體開始向下垮塌，垮塌過程中球體與球體之間發生摩擦和擠壓，從而影響各個球體運動方向和運動軌跡；從圖1b)到圖1c)，在此過程中回采巷道上覆巖層球體已經基本上把巷道填滿，各球體顆粒之間內部摩擦、咬合力也逐漸變大，在某些地方已經開始形成臨時拱結構。一般在這個階段，所形成的臨時拱結構還沒有形成足夠支撐力去支撐上部壓力，此時的巷道兩幫也呈現出明顯的受力狀態；但從圖1c)到圖1d)過程中，回采巷道內部的球體顆粒開始發生并出現“自組織”運動，由于球體顆粒之間產生摩擦與咬合，使得載荷力不斷增大并到達一定范圍后，臨時拱結構就不再能承受上部的重量，當顆粒之間所形成的剪阻力不再能保證拱結構平衡時，臨時拱結構就會馬上出現崩塌的現象，球體顆粒材料所形成的結構出現位移變動，這種位移的變動其實就是“自組織”運動，而且如果顆粒之間的摩擦與咬合力變大時，“自組織”現象所積攢的能量也會變大，然后出現的位移變動也非常劇烈。位移劇烈變動最終可以導致球體材料結構之間形成的臨時拱結構出現了坍塌現象，從而使球體材料結構在宏觀上表現出突然的沉降變化。這種突然的沉降變化現象正好表現出球體顆粒堆內部產生了一種擺脫結構內部平衡情況的動力學現象，這就是“自組織”運動的一種特性。而這種在“自組織”運動中出現的突然沉降變化是一種隨機現象，顆粒之間所形成的拱結構和崩塌現象其實都是隨機過程。在發生這些過程的同時球體材料結構會出現一種特殊的效應，即搭拱效應。這種搭拱效應可以使作用力變換方向，作用力的峰值也會出現改變[5]。由于球體材料結構中力會發生方向的改變及峰值變化，導致了力的分布特別不均勻，顆粒間存在的接觸點應該才是力的傳遞點，因此載荷力作用到顆粒間結構中力是按照一條沒有規則的線路傳遞的。而大直徑的球體顆粒之間不斷咬合和摩擦，使其形成拱結構；而另一些小直徑的球體顆粒不斷通過大直徑球體顆粒之間的空隙，繼續充填回采巷道，直到回采巷道內再無空間可以充填為止。這期間運動其實就是一些規模大小不一樣的崩塌，每一次崩塌行為結束以后，顆粒間的結構就會隨機進入一種隨遇平衡狀態，從而演變成一個新的拱結構，所以，將會出現許多的隨遇平衡狀態[6]。因此，在有外力的作用下，球體顆粒間的結構內部會一直出現“自組織”運動，而這種運動會一直持續到顆粒之間再無可移動的空間才會停止運動。

在回采巷道上覆巖層球體開始破壞過程中，為了研究不同直徑的球體之間形成的拱結構對兩幫力的作用，選取了監測點3和監測點8受力圖，去分析拱結構對兩幫的影響，如圖2所示。

我們從圖2可以看出，監測點3和監測點8的受力情況大致相同，都是在5萬時步以前壓力較小，等到達6萬時步時壓力都達到了最大值，然后壓力開始變小。而時步在6萬時，正好對應的是圖1d)，此時巷道內垮塌堆積體剛剛到達臨時拱結構不久，“自組織”現象已經出現，這說明巷道內垮塌堆積體在形成臨時拱結構時，對巷道兩幫的壓力比較大。然而，隨著時間的推移，垮塌堆積體內的舊拱不斷破壞，新拱又不斷的形成，垮塌堆積體內部將自發的出現“自組織”運動現象，這種運動會一直持續到顆粒之

間再無可移動的空間才會停止運動。

此時，由于堆積體內部的球體顆粒之間的摩擦和咬合均到達最大值，堆積體內部形成了最穩定的拱結構，因而對兩幫的壓力有所減弱。因此，可以判斷在巷道發生垮塌后，在最初的幾天內巷道兩幫的壓力情況最不穩定，不易從巷道兩幫挖掘救援通道。監測點3與監測點8的不同點在于，監測點8的壓力明顯大于監測點3的壓力，因為，監測點3與監測點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 結語

通過上述在回采巷道上覆巖層數值模擬，讓我們對巷道垮塌堆積體內部塊體之間力學關系有了更清楚的認識，從而得出以下結論：

1)回采巷道上覆巖層球體剛把巷道填滿后，各球體顆粒之間內部摩擦、咬合力也逐漸變大，在某些地方已經開始形成臨時拱結構。一般在這個階段，所形成的臨時拱結構還沒有形成足夠支撐力去支撐上部壓力，此時的巷道兩幫也呈現出明顯的受力狀態。

2)回采巷道內部的球體顆粒自發的出現“自組織”運動現象，這種運動會一直持續到顆粒之間再無可移動的空間才會停止運動。

3)巷道內垮塌堆積體剛剛到達臨時拱結構不久，“自組織”現象已經出現，這說明巷道內垮塌堆積體在形成臨時拱結構時，對巷道兩幫的壓力比較大。所以，在巷道發生垮塌后，在最初的幾天內巷道兩幫的壓力情況最不穩定，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構對巷道高幫壓力要大于對低幫壓力。

[1] LISHIHAI,Zhao MANHONG,WANG YUANNIAN,et al.A new numerical method fordem-block and particlemodel[J].International journal of rock mechanics and mining sciences,2004,41(3):436.

[2] WEI ZUOAN,LI SHIHAI,J.G.WANG,et al.A dynamic comprehensive method for landslide control[J].Engineering Geology,2006,84(1-2):1-11.

[3] 田振農，李世海，劉曉宇，等.三維塊體離散元可變形計算方法研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(S1)：2832-2840.

[4] 陳正垚.基于CDEM的邊坡穩定性評價方法研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學碩士學位論文,2014.

[5] 蔣紅英,苗天德,魯進步.二維顆粒介質中力傳遞的一個概率模型[J].巖土工程學報,2006,28(7):881-885.

[6] 蔣紅英,魯進步，慕青松.散體材料結構沉降機理分析與模型建立[J].昆明理工大學學報(理工版),2010,2(35):33-36.

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年黑龍江科技大學碩士研究生創新科研項目(項目編號：YJSCX2015-002HKD)