官地矿井下巷道喷射混凝土损伤力学数值模拟

王振喜

（山西焦煤集团有限责任公司官地矿，山西 太原030024）

目前，随着煤矿开采的推进，矸石的产出也越来越多，利用煤矸石为原料，制成混凝土进行巷道的支护是处理煤矸石有效的方法。国内许多学者进行了混凝土的力学试验，混凝土的弹性模量反应其支护的强度，饱和混凝土以及考虑界面影响的混凝土弹性模量反映了不同支护条件以及不通混凝土的强度[1-2]，对于混凝土的抗压强度通过实验以及数值模拟的方法可以得到全面的混凝土力学特性参数[3-4]。本文在此基础上，研究了混凝土试件在破坏过程中的裂隙演化规律，通过微观裂隙的演化规律解释了混凝土试件宏观破坏，为实际巷道支护工程提供了数据支持。并将实验数据运用在官地矿井下实际生产过程中，有效地验证了实验结果。

1 喷射混凝土支护数值模型的建立

在煤矿巷道掘进以及中期维护的过程中，巷道的支护伴随着生产的始终，目前，煤矿巷道的支护主要依靠锚杆锚索的固定作用，通过喷射混凝土配合锚杆锚索以及支护网可以达到巷道长期支护的目的，对于大型矿井以及因为生产需要长期维护的巷道进行喷射混凝土支护是不错的选择，此外，因为在长期的开采过程中，矸石的大量产出以及堆积对地面土地有一定的影响，仅靠采空区的回填很难达到矸石的大量处理，利用喷射混凝土可以有效地利用矸石，将废弃的矸石通过工业处理得到可以直接使用的混凝土。利用混凝土、锚杆锚索以及配套设备对巷道进行支护，从而保证支护的强度，达到巷道长时间支护目的的同时，还提高了矸石的利用率。

在进行喷射混凝土支护中，对于混凝土支护的强度以及孔裂隙的演化规律的研究是了解混凝土强度的关键，结合微观以及宏观可以得到更加全面的力学参数，而力学参数是保证巷道支护强度的根本，在此，利用PFC颗粒流离散单元法对混凝土在单轴压缩情况下的强度进行了数值模拟分析。利用PFC软件进行模拟的过程中，应该充分的了解软件，PFC颗粒流离散单元法是依据颗粒之间的接触作用，在边界条件的限制下通过颗粒之间的相互作用得到力学特性参数，从而可以得到宏观状态下混凝土的强度参数。

下页图1为颗粒流离散单元法颗粒模型的建立，因为该模型是通过颗粒之间的相互作用反应作用力，所以建立的模型中应该最大限度地确保颗粒之间的距离，使得其相互作用的同时避免过多的颗粒重叠。在模型初步建立的基础上，首先对模型中的颗粒进行平衡处理使得颗粒间达到平衡，平衡处理后消除颗粒间最大内应力，同时去除悬浮颗粒使得模型均匀准确。上述的处理可以有效地避免因为颗粒大小不均匀以及颗粒间作用力大小的不同给试验带来的偏差，去除颗粒较大的单元体可以使得模型的建立更加均匀化，不会因为大颗粒造成应力集中以及应力偏大的现象，对于悬浮颗粒的去除可以有效地减少颗粒的叠加引起的受力不均匀的现象，整个过程后，颗粒流离散单元法颗粒模型的建立才算完成。对于混凝土支护颗粒模型的建立，为了充分保证颗粒之间的作用，还应该添加平行粘结接触，即在一定的距离内，即使颗粒之间为接触，也认为颗粒之间有相互作用的力存在（见下页图2）。

从图2可得，该模型中共有3 672个颗粒，添加了8 451个平行粘结接触，去除颗粒边界之后，得到混凝土支护颗粒的模型，后期的力学分析都基于此模型的基础上完成。

图1 颗粒流离散单元法颗粒模型的建立

图2 混凝土支护颗粒模型的建立

2 数值模拟的结果分析

通过上述模型的建立，结合在试验室实测的数据，得到了图3所示的混凝土应力应变曲图。

图3 混凝土应力应变曲线

从图3中可以看出，试验情况下的混凝土应力应变曲线与模拟情况下的应力应变曲线基本重合，在Ⅰ阶段内，处于试件的弹性区域，在此区域内，随着应力的增加，试件中的原始裂隙被压密，因此裂隙数基本为零；随着应力的增加，试件中开始有少量的裂隙产生，所以可以看出在区域Ⅱ内裂隙数开始不断的增长；当试件达到屈服应力后，试件中开始不断的产生新裂纹，此阶段变现为区域Ⅲ内，这个阶段内的岩石裂纹扩展迅速；当试件达到破坏后，即区域Ⅳ内，裂纹开始迅速的扩展并连通，试件被破坏，在整个应力应变区域内，试件经历了原始裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段，阶段内的裂隙从压密到新增到最后的扩展连同，从微观上变现处出试件的破坏过程。

图4 应力为35 MPa时的裂隙演化规律

图5 试件破坏后的裂隙演化规律

如图4、图5为混凝土破坏过程中的裂隙演化规律，其中，图5为应力值为35 MPa下的裂隙演化规律，对应图4中的区域Ⅲ。从图4中可以看出，试件内部已经出现了许多新增的裂隙，但是只有少数的裂隙连同，这时混凝土并未达到完全破坏，还有一定的强度；当试件破坏后，裂隙数量迅速扩张。从图5可以看出，大量的裂隙已经连同形成断面，这时，混凝土的强度会迅速下降，支护强度已经达不到要求。

通过数值模拟以及试验的单轴压缩混凝土试验，得到了混凝土的强度曲线以及数值模拟参数。在进行混凝土颗粒流模型建立中，应该尽量使得颗粒间有相互的接触，适当地控制颗粒间的应力以及剔除多余的悬浮颗粒。通过添加平行粘结接触使得颗粒间有相互作用的力存在，通过数值模型的建立以及试验室的单轴混凝土压缩试验得到了混凝土试件的单轴应力应变曲线，并得到了混凝土试件的裂隙随应变的演化规律，结合试件的应力应变曲线以及裂隙演化规律综合分析，试件在原始裂隙压密阶段以及弹性阶段原始裂隙被压密，基本没有新的裂隙产生；在塑性区域内，在高应力的作用下，开始有新的裂隙产生；当试件达到破坏强度后，裂隙开始大面积扩散并相互贯通，在与试件水平面形成45°的大断面，宏观方面表现为45°的破坏。

在实际的支护过程中，混凝土通常与锚杆锚索以及支护铁丝网共同支护巷道，其中锚杆锚索主要其固定约束的作用。在长期的开采中，巷道会不断地发生变形，而混凝体起主要的支护作用。对于混凝土的强度，本文通过数值模拟以及实验室试验进行了研究，为实际工程中支护的强度提供了数据参考。

3 结论

1）利用PFC颗粒流离散单元法对混凝土进行模型建立时，应该保证颗粒之间有接触，同时剔除大颗粒以及悬浮颗粒，添加平行粘结接触保证模型的完整准确性。

2）在模型的建立基础上，通过对混凝土的单轴压缩试验，得到试件经历了原始裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段以及破坏阶段。

3）分析混凝土的裂隙演化规律，在弹性阶段之前，试件不会有新的裂隙产生，应力达到屈服应力后，试件内部新的裂隙开始发育，试件达到破坏后，裂隙开始大面积的扩散连同，宏观变现为45°的破坏形式。