煤矿回采巷道底臌变形分析及其破裂过程模拟

1、煤矿回采巷道底臌变形分析及其破裂过程模拟李常文（中国煤炭科工集团沈阳设计研究院 沈阳）摘 要：巷道底臌发生机理一直是煤矿开采中各类巷道中最难解决的问题。本文建立了巷道围岩变形的力学模型，基于软岩的膨胀理论与层状底板的应力状态，分析软岩回采巷道底臌发生过程，计算膨胀引起的底臌量。为进一步分析软岩巷道底臌过程，考虑软岩的蠕变特性及非均质性。在岩石破裂过程分析系统（RFPA）的数值模型中，引入蠕变模型及非均质系数，对软岩巷道的变形和底臌破裂过程进行数值模拟。从数值模拟结果中可以看出，在水平恒定荷载及岩体蠕变作用下，巷道围岩的应力集中造成巷道底板岩层的初始破坏，底板岩层出现初始离层；垂向荷载下降，导致

2、巷道底板出现破裂并发生扩展，加快巷道底板岩层向巷道内移动速度，致使底板发生离层；随着时间的变化，底板岩层的强度值不断衰减，造成巷道底板岩层不断向巷道内鼓出，产生挤压流动性底臌。 关键词：软岩，底臌，蠕变，非均质性，RFPA2D The deformation mechanism analyzing and failure process modelling of floor heave at the coal stoping tunnelLi Changwen() Abstract: It is difficult to analyze the mechanism of floor heave

3、 in the roadway of underground coal mine. In this paper, the deformation mechanics model of surrounding rock has been set up. Based on the swelling mechanism of soft rock and stress condition of floor strata, the deformation process of floor heave has been analyzed, and the displacement of floor def

4、ormation has been calculated. In order to analyze the process of floor heave of soft rock, the creep properties and inhomogeneity coefficient has been considered in the RFPA2D model, which is helpful to analyze the deformation and floor heave process. From the numerical result, floor strata failure

5、and initial strata separation of floor strata was presented under high horizontal stress condition; with the vertical stress reducing, floor strata appeared the failure and propagation, which accelerated the floor strata moving to roadway and lead to floor strata separation. With time changing, the

6、strength of floor strata continued to attenuate, and the floor strata heaved to roadway continually and emerged the squeezing and fluidity of floor heave. Keywords: numerical simulation, floor heave, creep deformation, failure mode, soft rock;1前 言 软岩问题从20世纪60年代就作为世界性难题被提了出来，特别是煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重大难

7、题之一13。软岩巷道开掘后，由于其高地应力、复杂的地质条件、软岩物理力学性质以及其受到采动影响，巷道围岩产生大变形、难支护的破坏特征，对软岩巷道需要不断的翻修，巷道维修费用大大超过成巷费用，很多巷道因维护不当而报废，造成较大的经济损失4, 5。随着煤矿开采深度的增加，一些煤炭矿山软岩巷道破坏越来越引起采矿工作者和岩石力学工作者的普遍关注。近年来，国内外很多学者对巷道底臌的成因、防治措施进行了深入的研究，促进了人们对底臌更深一步的认识。在软岩巷道物理力学性质方面，Aafrouz 和Chugh et al. 67总结了形成巷道底臌的21个因素，其中造成巷道底臌的最主要的三个因素是：巷道底板为软岩层

8、；巷道围岩的高应力和地下水的影响；Gesell 8认为底臌是底板泥岩遇水膨胀的结果；何满朝等10对煤矿高应力软岩进行了定义和分类，从物质组成、物理化学性质、水理性质、软化灾变点等阐述了岩石工程特征；在原岩应力方面，周宏伟等11研究了高地应力条件下岩石的脆-延特性、岩石的流变特性等，刘高等12分析了高应力软岩巷道围岩的变形特征和类型；在软岩巷道发生力学机制方面，康红普13认为巷道底臌是一个非常复杂物理力学过程，和巷道围岩性质、应力分布及其支护方法是密切相关的；于学馥、袁文伯等人14, 15考虑岩石在变形、破坏过程中的弱化阶段和残余变形阶段，把围岩视为线性弱化的理想残余塑性模型；刘夕才、林韵梅16

9、, 17舍弃传统的塑性区体积不变假设，采用 Mohr-Coulomb 屈服准则和非关联流动法则描述岩石的塑性扩容特性；Haramy 18把底板岩层看作是岩梁，其两端是固定的，研究其应力状态和其稳定性；何满朝教授19将用大变形理论对巷道底臌变形破坏机理进行了研究，并提出相应的治理巷道底臌的方法。本文在以上研究结果基础上，通过对回采巷道的受力特征，建立了围岩变形破坏的力学计算模型，对高应力软岩变形破坏力学机制、应力转移过程进行理论分析计算。应用岩石破裂过程分析系统（RFPA2D），考虑在岩体的长期强度衰减情况下，数值模拟软岩巷道在恒定荷载情况下，巷道底板岩层蠕变造成巷道底臌破坏过程，进而揭示蠕变岩

10、体巷道底臌机理，为采取适合的软岩巷道稳定性控制方法提供理论基础。2. 回采巷道底臌发生力学机制分析回采巷道的底板为层状底板，其抗拉强度由层间的弱面所控制，其抗拉强度较小。因此，巷道底板岩层在支承压力的作用下产生离层，同时大大降低底板岩层的抗弯刚度。层状岩体受水平应力作用如图1所示。图1 层状岩体受纵向应力作用示意图Fig.1 the schematic diagram of strata rock under vertical stress condition在未受到支承压力的影响时，底板岩层各分层岩石是紧密黏合在一起，其纵向方向的弹性模量E表示。于是可知底板层状岩体在宏观应力的作用下，具有以

11、下应力应变关系： （1）岩体中宏观纵向应力的作用下，各分层岩石的纵向应变分别为： （2）当底板岩层在支承压力作用下离层后，底板岩层不是一个整体，则单个分层的抗弯刚度为： （3）在临界应力状态下ti岩层的内力为： （4）由式（5）可知，底板岩层的压曲临界载荷取决于底板分层厚度t、弹性模量E、长宽比。在底板分层厚度t一定情况下，弹性模量E越大，临界荷载越大。对于软岩巷道底板而言，其底板在恒定水平应力作用下，首先出现瞬时弹性变形，随着时间增长，应变不断增加，应变速率减小，为过渡蠕变阶段（阶段I）。随后，应变随时间变化逐渐呈直线增加，此阶段蠕变为等速蠕变（阶段II）。在等速蠕变阶段之后，应变加速增长，

12、直至破坏，为加速蠕变阶段（阶段III）（图2）。其具体表达式如下： （5）式中，-瞬时弹性变形；-过渡蠕变，在实际工程中，为了描述过渡蠕变阶段的变形特性，其过渡蠕变可表述为：，式中，A、a为与岩石、温度及压力相关的常数。-等速蠕变，在等速蠕变阶段，应变速率随应力之变化表述为：，式中，V0、均与岩石、温度及压力有关的常数。-加速蠕变。图2 蠕变随时间变化曲线Fig.2 Creep curve along with time，b为巷道宽度；将此式代入式4求得巷道底板底臌最大位移为：3. 数值模型建立3.1岩石蠕变演化模型从20世纪80年代开始，各国学者提出了各种损伤力学模型，包括弹性损伤模型、弹塑

13、性损伤模型等20。当载荷达到岩石瞬时强度（岩石单轴抗压强度）时，岩石发生破坏。在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下，如持续作用较长时间，由于流变作用，岩石也可能发生破坏。即：岩石强度随外载荷作用时间的延长而降低。分析使用期长的岩石工程的稳定性时，不应以瞬时强度而应以长期强度作为岩石强度的计算指标。为此，在岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）模型中，考虑岩体的长期强度效应，引入了长期强度演化方程21（图3）： 图3 岩石长期强度与岩石瞬时强度关系曲线Fig.3 Relationship curve between long-term strength and transient strength

14、 of rock （6）式中，岩石材料细观单元体的瞬时抗压强度；岩石材料细观单元体的长期强度；1岩石的强度衰减系数，由试验确定的经验常数。3.2数值模型建立本文所用的RFPA2D系统 22-26是一个基于有限元应力分析原理以及弹性损伤理论能模拟分析岩体变形、破裂过程研究的数值分析程序。将细观力学与数值计算方法有机地结合起来，通过考虑岩石性质的非均匀性特点，模拟岩石变形和破裂的非线性行为，是一种用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析工具。本文通过在数值软件中，引入岩石蠕变方程(式6)，建立数值计算模型。数值模型的单元划分为100×200=20000，模型的尺寸为200&

15、#215;100m（长×高），模型两端的载荷为恒定荷载，考虑岩石自身的蠕变特性。开挖巷道的尺寸为4.0×4.5m（高×宽），采用钢筋混凝土衬砌。为了考虑岩体的非均匀性，其细观单元的弹模和强度服从Weibull分布。在此计算模型中，只考虑强度衰减，其折减系数为0.6，弹模折减系数为1，即弹模不发生折减。 表1 岩体力学参数Table 1 the physical and mechanical parameters of rock mass不同岩石力学参数1 2 3均质度 (m) 弹性模量 /(MPa) 单轴抗压强度/(MPa)泊松比内摩擦角3 5 82800 200

16、0 450025 15 35 0.25 0.2 0.2330° 28° 30°图4 数值模型建立Fig.4 the numerical model set-up4. 数值计算结果及分析在巷道开挖衬砌后，扰动围岩的原岩应力，导致巷道围岩应力重新分布，此时巷道围岩将出现快速初始瞬时弹性变形。当巷道围岩经历应力重新分布和初始变形以后，在长期载荷作用下，巷道两帮以及底板围岩的破坏主要以蠕变为主，其蠕变位移量（诸如顶底板之间）比较缓慢，低于前一阶段巷道围岩的变形速度，此阶段为过渡蠕变阶段。从数值分析结果可以看出，由于巷道围岩为沉积层状岩层，其底板破裂面形态决定了底臌发生的形

17、式和底臌的量级。在恒定水平荷载作用下，由于岩体的蠕变特性，层状底板破裂面沿着水平层面发育，底板岩层层间发生开裂、缓慢臌起，形成挠曲褶皱性底臌。当围岩强度折减到原围岩强度的0.65倍时，在顶底板产生高应力集中（图4a）。在水平恒定荷载及岩体蠕变作用下，巷道围岩的应力集中造成巷道底板岩层的初始破坏，底板岩层出现初始离层，由于垂向荷载下降，导致巷道底板出现破裂并发生扩展，加快了巷道底板岩层向底板深部岩层破坏发展移动速度（图4b）。由于岩体强度随着时间变化不断衰减，层状底板的首层岩体发生蠕变，破裂的底板岩层加速峰后蠕变并向巷道内臌起，其主要破坏形式是离层，同时在巷道两肩部发生高应力集中，并产生初始破裂

18、。底板岩层离层后，失去抗弯刚度，致使底板岩层其破裂逐步向底板的纵深方向发展（图4c）；随着时间的变化，底板岩层的强度值不断衰减，水平应力沿着底板岩层纵深方向向底板的深部岩层转移，造成巷道底板岩层不断向巷道内鼓出，达到最终破裂深度，同时巷道两肩部发生开裂，致使钢筋混凝土衬砌发生变形（图4d），产生挤压流动性底臌。由此可以看出，岩体蠕变导致巷道两肩部和底板产生永久破裂变形，巷道底臌位移量（图5、图6）700mm左右，而且其变形随着时间变形不断增长，产生等速蠕变，导致整个巷道空间被全部封闭。5 结 论本文根据软岩回采巷道受力及其岩体蠕变特点，对层状软岩巷道底臌发生的变形机制及底臌位移量进行分析；在岩

19、石破裂过程分析系统中，考虑软岩的蠕变特性及其非均质特性，数值模拟软岩巷道的围岩变形破坏和底臌破裂过程，通过分析得出如下结论： 从层状软岩巷道的变形分析来看，底板岩层的压曲临界载荷取决于底板分层厚度、弹性模量、长宽比。在底板分层厚度一定情况下，岩体弹性模量越大，临界荷载越大，底板岩层离层后，其抗弯刚度大大下降；其底板的最大位移量主要取决于软岩的弹性模量及底板的应力状态； 在岩石破裂过程分析系统（RFPA）中，考虑软岩的蠕变特性和非均质系数，数值模拟底臌破裂过程，分析结果可以看出，在水平恒定荷载及岩体蠕变作用下，软岩巷道底板出现初始破坏和初始离层；由于软岩蠕变作用，垂向荷载下降，导致巷道底板出现破

20、裂、扩展，加快向巷道内移动速度，致使底板发生离层；随着时间的变化，底板岩层的强度值不断衰减，造成巷道底板岩层不断向巷道内鼓出，产生挤压流动性底臌。 从以上对软岩巷道底臌变形特征及底臌破裂过程模拟可以看出，在生产实践中，针对软岩巷道稳定性控制，应着重分析岩层地质构造分布特征及其物理力学性质，尽量避免层状底板的离层，采用高强预应力底板锚杆将底板锚固成一体，增强底板岩层的刚度，增加对巷道底角的稳定性控制，这为有效解决软岩巷道的支护问题提供了基础。(a) 最大主应力分布 (b) 弹性模量分布图图5 蠕变岩体底臌破裂过程数值模拟Fig.5 the numerical simulation the fai

21、lure process of floor heave under creep rockmass condition 图6 巷道底板的应力分布Fig.6 the stress distribution at the floor of roadway图7 巷道底臌的位移曲线Fig.7 the displacement at the floor of roadway参考文献:1. 何满潮,景海河,孙晓明. 软岩工程力学M.北京：科学出版社, 2002.5.2. J.C.Stankus and S.S.Peng. Floor bolting for control of mine floor hea

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