巷道垮塌堆积体的数值模拟研究★

郭海涛 陈光波

(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)



巷道垮塌堆积体的数值模拟研究★

郭海涛 陈光波

(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

运用CDEM模拟软件，对回采巷道上覆岩层进行数值模拟，探讨了巷道垮塌堆积体内部块体之间的力学关系，得出的结论对巷道的设计施工有一定的参考价值。

巷道，垮塌堆积体，数值模拟，岩层

0 引言

中国科学院力学研究所利用有限单元法与离散元方法相互结合，开发出一种新的数值分析研究方法，即依据连续介质力学的离散元方法(CDEM)[1-3]。这种方法将块体颗粒运用有限元法进行计算，并把块体颗粒看作连续体去分析计算单元变形所产生的力，在产生变形时，变形在接触面上可以分开，可以比较容易的阐述块体颗粒下落的全过程，易于去计算垮塌堆积体块体颗粒的整个下落过程。离散单元法(CDEM)可以把计算模型分为两种，即块体单元与接触单元。块体单元可视为弹性体，利用有限元法与力的边界条件去计算内部各点的位移状态[4]；接触单元假设把法向与切向方向上由弹簧构成，如果弹簧不发生断裂则是弹性的，若发生断裂则会变成离散单元，所以能去阐述垮塌堆积体的非连续性。

1 数值模型的建立

要想获得准确的结果，达到我们想要的模拟效果，前提条件就是能够建立正确合理的模型。本模型的设计遵循下列原则：

1)本模型主要模拟回采巷道上覆岩层破坏垮塌后，在岩层破坏过程中形成的大量大直径块体，在岩层完全垮塌填满回采巷道后大直径块体之间所形成的结构及这些结构对两侧煤壁的影响。因此，模拟的目的是为了得到垮塌巷道堆积体在巷道内形成的结构以及该结构对巷道两侧煤壁的影响。在设计模型时，主要考虑应力因素，对其他因素进行合理的假设与简化。

2)一般情况下井下回采巷道多发生垮塌事故，所以要模拟回采巷道发生垮塌时，大直径块体相互之间的运动及其作用。因此，模型尽可能的与现场实际一致。

3)由于巷道内的大直径块体形状、大小各不相同，考虑到计算机的内存等条件，模型设计时根据近球度，把各种大小不一块体都近似当做球形颗粒来进行计算，使计算机能快速方便的计算结果同时还不影响计算结果。

4)在考虑跟现场实际基本一致的同时，尽可能的建立合理的模型，使得运算简便，模拟准确。

2 模型范围的确定

回采巷道的断面为梯形断面，断面尺寸为高帮3.4 m，低帮1.8 m，宽2.5 m。本文只进行简单的二维模拟实验。在设计此模型时，巷道是按1∶40的比例进行设计。顶板的厚度也是按1∶40的比例进行设计。为了方便计算，把大直径的垮塌都考虑成近似的球体进行模拟。球体颗粒的比例为1∶100。并且在回采巷道两帮设置了13个监测点，低帮有5个，高帮有8个，去观察两帮的受力情况。这样做的目的是为了更加贴近实际情况。

在开始进行数值模拟前，还要设计模拟的岩层赋存情况，岩层的基本物理力学参数(泊松比、剪切模量、内聚力、内摩擦角、密度、抗拉强度等)。本文采用龙煤集团鹤岗分公司某煤矿的地质资料，最终确定的物理力学参数如表1所示。

表1 岩层力学参数

3 数值模拟结果分析

在回采巷道上覆岩层球体开始破坏过程中，可以观察大小不同直径的球体之间相互接触关系以及最后形成的稳定结构，如图1所示。

如图1可知，每隔2万时步，截取一张图片来观察球体的破坏过程。图1a)是回采巷道上覆岩层球体处于初始状态；从图1a)到图1b)，大小直径不同的球体开始向下垮塌，垮塌过程中球体与球体之间发生摩擦和挤压，从而影响各个球体运动方向和运动轨迹；从图1b)到图1c)，在此过程中回采巷道上覆岩层球体已经基本上把巷道填满，各球体颗粒之间内部摩擦、咬合力也逐渐变大，在某些地方已经开始形成临时拱结构。一般在这个阶段，所形成的临时拱结构还没有形成足够支撑力去支撑上部压力，此时的巷道两帮也呈现出明显的受力状态；但从图1c)到图1d)过程中，回采巷道内部的球体颗粒开始发生并出现“自组织”运动，由于球体颗粒之间产生摩擦与咬合，使得载荷力不断增大并到达一定范围后，临时拱结构就不再能承受上部的重量，当颗粒之间所形成的剪阻力不再能保证拱结构平衡时，临时拱结构就会马上出现崩塌的现象，球体颗粒材料所形成的结构出现位移变动，这种位移的变动其实就是“自组织”运动，而且如果颗粒之间的摩擦与咬合力变大时，“自组织”现象所积攒的能量也会变大，然后出现的位移变动也非常剧烈。位移剧烈变动最终可以导致球体材料结构之间形成的临时拱结构出现了坍塌现象，从而使球体材料结构在宏观上表现出突然的沉降变化。这种突然的沉降变化现象正好表现出球体颗粒堆内部产生了一种摆脱结构内部平衡情况的动力学现象，这就是“自组织”运动的一种特性。而这种在“自组织”运动中出现的突然沉降变化是一种随机现象，颗粒之间所形成的拱结构和崩塌现象其实都是随机过程。在发生这些过程的同时球体材料结构会出现一种特殊的效应，即搭拱效应。这种搭拱效应可以使作用力变换方向，作用力的峰值也会出现改变[5]。由于球体材料结构中力会发生方向的改变及峰值变化，导致了力的分布特别不均匀，颗粒间存在的接触点应该才是力的传递点，因此载荷力作用到颗粒间结构中力是按照一条没有规则的线路传递的。而大直径的球体颗粒之间不断咬合和摩擦，使其形成拱结构；而另一些小直径的球体颗粒不断通过大直径球体颗粒之间的空隙，继续充填回采巷道，直到回采巷道内再无空间可以充填为止。这期间运动其实就是一些规模大小不一样的崩塌，每一次崩塌行为结束以后，颗粒间的结构就会随机进入一种随遇平衡状态，从而演变成一个新的拱结构，所以，将会出现许多的随遇平衡状态[6]。因此，在有外力的作用下，球体颗粒间的结构内部会一直出现“自组织”运动，而这种运动会一直持续到颗粒之间再无可移动的空间才会停止运动。

在回采巷道上覆岩层球体开始破坏过程中，为了研究不同直径的球体之间形成的拱结构对两帮力的作用，选取了监测点3和监测点8受力图，去分析拱结构对两帮的影响，如图2所示。

我们从图2可以看出，监测点3和监测点8的受力情况大致相同，都是在5万时步以前压力较小，等到达6万时步时压力都达到了最大值，然后压力开始变小。而时步在6万时，正好对应的是图1d)，此时巷道内垮塌堆积体刚刚到达临时拱结构不久，“自组织”现象已经出现，这说明巷道内垮塌堆积体在形成临时拱结构时，对巷道两帮的压力比较大。然而，随着时间的推移，垮塌堆积体内的旧拱不断破坏，新拱又不断的形成，垮塌堆积体内部将自发的出现“自组织”运动现象，这种运动会一直持续到颗粒之

间再无可移动的空间才会停止运动。

此时，由于堆积体内部的球体颗粒之间的摩擦和咬合均到达最大值，堆积体内部形成了最稳定的拱结构，因而对两帮的压力有所减弱。因此，可以判断在巷道发生垮塌后，在最初的几天内巷道两帮的压力情况最不稳定，不易从巷道两帮挖掘救援通道。监测点3与监测点8的不同点在于，监测点8的压力明显大于监测点3的压力，因为，监测点3与监测点8分别位于巷道的低帮与高帮处。因此，可以判断巷道高帮所受压力比低帮大。

4 结语

通过上述在回采巷道上覆岩层数值模拟，让我们对巷道垮塌堆积体内部块体之间力学关系有了更清楚的认识，从而得出以下结论：

1)回采巷道上覆岩层球体刚把巷道填满后，各球体颗粒之间内部摩擦、咬合力也逐渐变大，在某些地方已经开始形成临时拱结构。一般在这个阶段，所形成的临时拱结构还没有形成足够支撑力去支撑上部压力，此时的巷道两帮也呈现出明显的受力状态。

2)回采巷道内部的球体颗粒自发的出现“自组织”运动现象，这种运动会一直持续到颗粒之间再无可移动的空间才会停止运动。

3)巷道内垮塌堆积体刚刚到达临时拱结构不久，“自组织”现象已经出现，这说明巷道内垮塌堆积体在形成临时拱结构时，对巷道两帮的压力比较大。所以，在巷道发生垮塌后，在最初的几天内巷道两帮的压力情况最不稳定，不易从巷道两帮挖掘救援通道。

4)巷道垮塌堆积体形成的拱结构对巷道高帮压力要大于对低帮压力。

[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] 田振农，李世海，刘晓宇，等.三维块体离散元可变形计算方法研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(S1)：2832-2840.

[4] 陈正垚.基于CDEM的边坡稳定性评价方法研究[D].石家庄:石家庄铁道大学硕士学位论文,2014.

[5] 蒋红英,苗天德,鲁进步.二维颗粒介质中力传递的一个概率模型[J].岩土工程学报,2006,28(7):881-885.

[6] 蒋红英,鲁进步，慕青松.散体材料结构沉降机理分析与模型建立[J].昆明理工大学学报(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

郭海涛(1989- )，男，硕士，助教； 陈光波(1990- )，男，硕士，助教

TD263

A

★:2015年黑龙江科技大学硕士研究生创新科研项目(项目编号：YJSCX2015-002HKD)