苏士龙基于离散元方法的深部巷道层状围岩稳定特性研究

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013002-1苏士龙，杜跃，朱俊福，等.基于离散元方法的深部巷道层状围岩稳定特性研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013002.SUShilong，DUYue，ZHUJunfu，etal.Numericalstudyonbearingbehavioroflayeredrockmassfordeeproadway[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013002.基于离散元方法的深部巷道层状围岩稳定特性研究苏士龙1，杜跃2，朱俊福2，张力2，赵振龙2，孟波2(1.华晋焦煤有限责任公司，山西吕梁033000；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221116)摘要：采用块体离散元方法UDEC，通过细观参数校核及无支护状态的宏观物理-数值模型对比，建立了深部层状围岩巷道模型，分析了4种支护方式对深部巷道层状围岩体承载特性及变形破坏特征的影响。在块体离散元巷道模型基础上，为进一步研究深部矩形巷道层状围岩体承载能力，通过监测模型内部的应力、塑性区分布及顶底板和两帮位移，对不同支护方式的压力拱成拱特性进行了分析。研究结果表明：不同支护方式下深部巷道顶底板及两帮围岩均出现了应力集中区，采用锚杆+锚索+喷射混凝土+工字钢支护后巷道表面收敛程度及围岩的位移均最小，支护效果最明显，对围岩的控制效果最好。研究结果可为实际工程中的矩形巷道层状围岩稳定性控制提供参考。关键词：块体离散元；巷道围岩；支护方案；成拱特性中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3002-11NumericalstudyonbearingbehavioroflayeredrockmassfordeeproadwaySUShilong，DUYue，ZHUJunfu，ZHANGLi，ZHAOZhenlong，MENGBo(1.HuajinCokingCoalCo.，Ltd.，Lyuliang033000，China；2.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMin-ingandTechnology，Xuzhou221116，China)Abstract：Inthispaper,blockdiscreteelementmethod(UDEC)wasadoptedtoestablishtheroadwaymodelofdeeplayeredsurroundingrockbycheckingmicroscopicparametersandcomparingthemacro-physicalandnumericalmodelswithoutsupport.Firstofall,thebearingcharacteristicsoftheroadwayunderfourdifferentsupportmodes(boltsupport,denseboltsupport,bolt+cablesupportandbolt+cable+shotcrete+I-shapedsteelsupport)wereanalyzedbymonitoringsurroundingrockstressdistribution,plasticzonedistributionanddisplacement.Then,thearchformingcharacteristicsofthepressurearchwithdifferentsupportmodeswerefurtherdiscussed.Theresearchresultsshowedthatthestressconcentrationareasappearedinthesurroundingrockofdeeproadwayunderdifferentsupportmodes,andtheconvergencedegreeofroadwaysurfaceandthedisplacementofsurroundingrockwereattheminimumwithbolt+cable+shotcrete+I-shapedsteelsupport.Thisresearchwillprovidereferenceandrelevantbasisforthestabilitycontrolofdeeproadwayoflayeredsurroundingrockinpracticalengineering.Keywords：blockdiscreteelement；roadwaysurroundingrock；supporttechnology；pressurearch收稿日期：2019-03-13修回日期：2019-05-08责任编辑：施红霞基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0603001)作者简介：苏士龙(1968—)，男，山西吕梁人，高级工程师，主要从事煤矿开采、巷道支护等方面的研究。E-mail：[e-mail]煤系地层为典型的复合层状岩层。由于各岩层物理力学性质的差异性，巷道层状围岩体的破坏苏士龙等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013002013002-2模式及破坏机理明显不同于均质围岩体，具有明显的各向异性特征。另外，深部开采条件下，受“三高一扰动”，即高地应力、高渗透水压、高瓦斯压力及强开采扰动等影响，深部巷道层状围岩的变形失稳常表现出分区破坏、非对称性变形、冒顶和片帮严重等现象。因此，深部巷道围岩稳定性和破坏机理的研究对于指导深部煤矿安全生产具有重要意义。国内外学者针对各岩层间相互作用对围岩的变形失稳问题，开展了广泛的理论研究和现场实践，并取得了一定的成果。在现场实践方面，张农等以淮北矿区孙疃煤矿布置于薄层状煤岩互层中的巷道为工程背景，提出通过封闭方式可有效控制层状围岩巷道的不均匀破坏，有利于层状围岩巷道长期稳定的支护技术；张俊文等以首山一矿厚泥岩复合顶板煤巷为工程背景，通过监测和分析巷道围岩变形量及破坏形式，进行了复杂应力条件下厚泥岩复合顶板巷道破坏的力学机制研究。在层状岩体承载特性的理论研究方面，针对层状岩体的特殊力学特性，国内外学者对不同类型的层状岩体进行了分析并建立了梁模型、梁拱模型等力学模型，并通过这些力学模型对层状岩体的承载特性进行了研究。由于深部复合岩层赋存条件的复杂性和特殊性，对深部巷道层状围岩体破坏机理仍需深入研究。另外，关于深部巷道层状围岩的变形规律及承载特性等尚缺乏系统深入的研究。本文基于块体离散元理论，利用UDEC数值模拟软件进行了矩形巷道层状围岩体的建模，从巷道围岩应力和塑性区分布规律、围岩变形破坏特征，对锚杆支护、密集锚杆支护、锚杆+锚索支护、锚杆+锚索+喷射混凝土+工字钢支护4种不同支护结构的深埋矩形巷道层状围岩承载特性进行了研究，并以此为基础进行了压力拱成拱特性分析。1块体离散元模型1.1UDEC简介基于块体离散元理论认为岩体是由大量微细观块体通过界面接触而黏结在一起的集合。基于此，二维块体离散元程序UDEC中的块体被视为独立的单元，并通过接触与其他块体相互作用。如图1所示，块体间的接触变形通过法向刚度k、切向刚度k表征，接触面的强度通过摩擦角φ、黏聚力C及抗拉强度jt来定义。接触本构关系如图1所示，当块体接触面上的应力超过它的抗拉强度和剪切强度时，岩体中出现剪切滑破坏和拉破坏，裂纹开始产生、扩展。图1离散块接触本构模型Fig.1Contactconstitutivemodelofdiscreteblocks1.2建模及边界条件本次建模以我国东部矿区某深埋大巷地质条件为工程背景，该巷道埋深为742～877m，巷道断面形状为直墙拱形，掘进断面尺寸为5100mm×4200mm，巷道围岩以粉砂岩、细砂岩及泥岩为主。考虑模拟范围至少应为巷道开挖尺寸的3～5倍，建立60m×60m的数值计算模型，如图2(a)所监测线1号细砂岩泥岩粉砂岩细砂岩细砂岩泥岩煤层3号2号4号层状60m60m60m(a)模型尺寸及边界条件(b)监测线布置图2深部矩形巷道层状围岩体数值模型Fig.2Numericalmodelofdeeproadwayoflayeredsurroundingrockmass苏士龙等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013002013002-3示，巷道位于模型正中间，巷道尺寸为5.1m(宽)×4.2m(高)。在划分网格时，全部采用矩形网格，考虑开挖对巷道周围岩体影响较大，因此巷道周围的网格划分较密集，而上下边界周围采用较大的网格进行划分。另外，根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487-2008，设计巷道附近的围岩体分层厚度为0.9m(薄层结构)。在边界条件设定时，模型左右两侧为水平位移约束，模型底部采用固定位移边界条件，通过对模型上部施加的竖向载荷模拟上覆岩层压力。以H＝800m的巷道埋深进行数值建模，模型遵循Mohr-Coulomb强度破坏准则，上覆岩层平均容重γ＝25kN/m，围岩重力加速度g＝-10m/s，侧压系数K＝1.2，则模型上部施加的竖向应力σ和左右两侧施加的水平应力σ分别取20MPa和24MPa。在模型中布置监测线以监测数值模拟过程中巷道开挖后围岩的应力演化特征，考虑模型尺寸及模型的对称性，一共布置4根测线，其中巷道顶板、肩部、右帮、底板各1根，每根测线上布置100个测点，测线的具体布置如图2(b)所示。1.3岩层细观参数标定根据现场巷道顶底板岩性对UDEC模型各岩层的力学参数进行赋值，见表1。另外，在对巷道围岩分层时，层理面采用UDEC内置的Jregion进行模拟。表1数值模型各岩层力学参数Table1Mechanicalparametersofrockformationsandcoalseamsinthenumericalmodel岩层体积模量/GPa剪切模量/GPa摩擦角/()黏聚力/MPa抗拉强度/MPa泥岩3.54.4302.061.3粉砂岩6.77.3339.108.7细砂岩11.618.73911.2012.6煤1.62.8273.381.5图3为在无支护的情况下物理试验破坏形式、数值模型的破坏形式和竖向位移云图。由图3可知，在无支护的情况下，数值模型中巷道顶板逐渐垮落，巷道顶板最终成为拱形，底臌较为严重，这与物理试验的破坏形式较为接近，所以采用此参数能较好地对其余工况进行模拟。(a)物理实验(b)数值模型破坏形式(c)数值模型竖向位移图3模型校核Fig.3Modelchecking2巷道围岩稳定性分析2.1支护方案利用所建模型进行了锚杆支护(方案1)、密集锚杆支护(方案2)、锚杆+锚索支护(方案3)、锚杆+锚索+喷射混凝土+工字钢支护(方案4)4种巷道围岩支护方案的设计，且同一种支护方案中的不同支护方式依次进行。在进行支护方案模拟时，采用UDEC中的“cable”单元模拟锚杆和锚索，采用“structure”单元模拟混凝土和工字钢加强支护。图4为4种不同支护方案的锚杆锚索长度及间排距等具体支护参数，其中，锚杆长度2.5m，直径22mm；锚索长度6.2m，直径21.6mm。方案1顶板锚杆间距为1500mm，帮部锚杆间距为1800mm；方案2顶板锚杆间距为900mm，帮部锚杆间距为1200mm；方案3顶板锚杆间距为1500mm，帮部锚杆间距为2400mm，两锚杆之间布置1根锚索，且巷道肩部和底角各布置1根锚索；方案