基于颗粒流软件深部软弱煤岩巷道松动圈规律研究.pdf

分 类 号TD325 密级公开 单位代码10878 学号20133301037 硕士专业学位论文硕士专业学位论文 （全日制）（全日制） 论 文题 目论 文题 目基于颗粒流软件深部软弱煤岩巷道 松动圈规律研究 专业学位类别专业学位类别工程硕士 专业学位领域专业学位领域建筑与土木工程 研 究方 向研 究方 向地下结构计算理论与应用 作 者姓 名作 者姓 名王军 导 师姓 名导 师姓 名吴德义 完 成时 间完 成时 间2016 年 3 月 万方数据 基于颗粒流软件深部软弱煤岩巷道松动圈规律研究 Based on particle flow software to research on loosening circle in deep soft coal rock roadway 专业学位类别专业学位类别工程硕士 专业学位领域专业学位领域建筑与土木工程 研 究方 向研 究方 向地下结构计算理论与应用 作 者姓 名作 者姓 名王军 导 师姓 名导 师姓 名吴德义 完 成时 间完 成时 间2016 年 3 月 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 I 摘要 煤矿开采日益加深，到达深部后软弱煤岩巷道松动破碎后更加难以支护。 本文以 深部软弱煤岩巷道在高地应力下松动圈规律作为研究对象。 通过颗粒流软件数值模拟 确定煤岩物理力学细观参数。进行了不同侧压比、不同应力水平、不同巷道断面、多 因素、多水平的建模。并监测模型帮部和顶部的应力、位移值。经过后处理并结合模 型松动破碎图总结了松动圈扩展变化规律，松动圈形态特征规律， 松动圈分区破坏特 征，松动圈深度判别方法。 随着开采深度的增加，巷道围岩松动圈不断扩展。 但埋深在临界深度以上的巷道 围岩松动圈深度较小，巷道发生松动破坏后围岩可以继续保持稳定。 当埋深在临界深 度以下的巷道围岩发生松动破坏后，巷道松动圈深度大幅增加， 在围岩发挥自身承载 力后仍不能保持稳定。在没有支护的条件下，巷道将会变形至趋于闭合。 由模拟得到的结果， 可以推测当巷道处在的应力场中等效应力大于等于岩石单轴 抗压强度时。则此巷道所处深度为临界深度，其以下部分为深部区域。 松动圈形态取决于地应力场侧压比和巷道所处的深度。 当巷道深度在临界深度之 上时，巷道帮部松动圈深度和顶部松动圈深度之比接近侧压比的倒数； 当巷道深度在 临界深度之下时， 巷道帮部松动圈深度加距巷道中心距离和顶部松动圈深度加距巷道 中心距离之比接近于侧压比倒数。即侧压比不等于一时，松动圈形状为椭圆形，椭圆 形长轴与最小地应力方向平行。围岩在松动圈长轴端产生大量剪切斜向裂纹， 在短轴 端产生大量环向裂纹；侧压比等于一时松动圈形状为圆形， 只有少量剪切裂纹和环形 裂纹。当巷道在临界深度以下时，由于重力作用顶部松动圈深度将比底部深度大。松 动圈表现为整体上移。 当巷道处于临界深度以下时，围岩松动圈中易形成分区破碎情况。 在应力图中表 现为松动圈区间内一段区域径向应力先减小后增加，环向应力先增大后减小。 即径向 应力曲线为凹线形，环向应力曲线为凸线形。以此辨别松动圈中分区破碎的发生。 松动圈深度判别方法与临界深度有关。当巷道深度在临界深度之上时， 松动圈破 碎范围小，通过应力图无法得到准确的范围值。 宜采用不同点的位移量判别松动圈大 小。各点位移量出现拐点处深度即为松动圈深度；当巷道深度在临界深度之下时，松 动圈破碎范围大， 尤其是发生分区破坏后。 未破坏的区域岩体影响其后松动体的位移。 对此宜采用测量不同点的应力值判别。 当围岩应力到达或超过的点即为出了松动圈范 围。 图 [84]表 [3]参 [42] 关键词关键词松动圈；颗粒流软件；煤岩 分类号分类号 （TD325） ； 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 II Abstract Coal mining is becoming more and more difficult to support after reaching the deep part of the soft coal and rock roadway is loose and broken. Take the loose circle of deep soft coal roadway under high ground stress as the research object, through the numerical simulation of particle flow software to determine the physical and mechanical parameters of coal rock. Different lateral pressure ratio, different level, different roadway ， multi-factor，multi-level modeling。monitoring wall departmen the top of the stress, displacement value. After the treatment and combined with the model loose and broken, the rules of the loose circle expansion and change, the shape characteristic rule of loose circle, the partition failure feature of loose circle, the of depth of loose circle. With the increase of mining depth, the surrounding rock loose circle expanding. But in the depth of the critical depth above the surrounding rock loose circle depth not big , after the destruction of the surrounding rock of roadway loosening can remain stable. When the depth occurred in the roadway below critical depth loose after the destruction of roadway, loose circle depth increase, play their own capacity is still not stable in the surrounding rock. In the absence of supporting conditions, roadway deation will be close to. The results obtained from the simulation can be assumed that the equivalent stress of the roadway is larger than that of the uniaxial compressive strength of rock when the roadway is in the stress field. The depth of the roadway is the critical depth, and the following is the deep part of the roadway. Loose circle depends on the compression ratio and the stress field of roadway at depth. When the tunnel depth above the critical depth, sidewall and the top of the loose circle depth ratio close to lateral pressure than the reciprocal; when the tunnel depth below the critical depth, and away from the tunnel sidewall center distance and the top of the loose circle depth and distance of roadway center distance ratio close to the pressure side than the last. Which side ratio is not equal to the moment, the loose circle is an oval shaped, oval and long axis parallel to the direction of minimum stress. The surrounding rock loose circle in the long axis end to produce a large number of shear diagonal cracks, resulting in a large number of circumferential cracks in short shaft; lateral pressure ratio is equal to a loose round shape, only a small amount of shear crack and circular crack. When the roadway is below the critical depth, the depth of the top of the top will be larger than the bottom due to the gravity effect. Loose coil perance as a whole up. 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 III when tunnel is below critical depth, surrounding rock loose circle ed easily broken partition In the stress diagram, the radial stress in a section of the loose circle is first decreased and then increased, and the circumferential stress first increases and then decreases. The radial stress curve is concave and the circumferential stress curve is convex. In order to identify the occurrence of partition fragmentation in the loose circle. Distinguishing of loose circle depth ralate to critical depth. When the tunnel depth above the critical depth, the loose circle broken through stress range is small, unable to get accurate value, should adopt different displacement point discriminant loose circle size. The depth of the inflection point is the depth of the loose circle. When the depth of the roadway is below the critical depth, the broken area is large, especially after the failure of the zone. The failure of the rock mass affected the displacement of the loose body. This should be used in stress measurement of different point values. When the surrounding rock stress reaches or exceeds a point is a loose circle. Figure [84]table [3]reference [42] Key words Loose circle； Particle flow code； Coal rock Chinese books catalog（TD325） ； 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 IV 目录 摘要..............................................................................................................................Ⅰ Abstract..................................................................................................................................II 目录..............................................................................................................................IV Contents................................................................................................................................VI 第一章 绪论..................................................................................................................... - 1 - 1.1 研究背景............................................................................................................ - 1 - 1.2 深部巷道开挖研究现状..................................................................................... - 2 - 1.2.1 深部的研究现状...................................................................................... - 2 - 1.2.2 深部的定义.............................................................................................. - 3 - 1.2.3 深部岩石力学性质.................................................................................. - 4 - 1.2.4 深部巷道围岩应力场特征...................................................................... - 5 - 1.2.5 深部巷道开挖松动圈理论...................................................................... - 6 - 1.3 主要研究内容与方法......................................................................................... - 7 - 第二章 颗粒流软件 PFC 及其对煤岩体模拟................................................................- 9 - 2.1 颗粒流软件背景................................................................................................. - 9 - 2.2 颗粒流软件原理................................................................................................. - 9 - 2.3 颗粒流软件对煤岩体模拟............................................................................... - 11 - 2.3.1 目前煤岩力学实验................................................................................ - 11 - 2.3.2 模拟煤岩力学性质................................................................................- 14 - 2.4 岩体强度与岩石强度的换算...........................................................................- 18 - 第三章 深部煤岩巷道松动圈模拟...............................................................................- 19 - 3.1 模拟概述...........................................................................................................- 19 - 3.2 模型建立与计算...............................................................................................- 20 - 3.2.1 模型及物理力学性质构建....................................................................- 20 - 3.2.2 模型开挖和监测点设置........................................................................- 21 - 3.3 模型后处理.......................................................................................................- 21 - 3.3.1 侧压比为 0.5 的正方形巷道围岩松动破碎图.....................................- 21 - 3.3.2 侧压比为 0.5 的圆形巷道围岩松动破碎图.........................................- 23 - 3.3.3 侧压比为 1 的正方形巷道围岩松动破碎图........................................- 25 - 3.3.4 侧压比为 1 的圆形巷道围岩松动破碎图............................................- 27 - 3.3.5 侧压比为 1.5 的正方形巷道围岩松动破碎图.....................................- 29 - 3.3.6 侧压比为 1.5 的圆形巷道围岩松动破碎图.........................................- 31 - 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 V 第四章 模拟数据分析...................................................................................................- 34 - 4.1 侧压比为 0.5 的深部巷道围岩松动圈模拟分析............................................- 34 - 4.1.1 垂直应力 10MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 34 - 4.1.2 垂直应力 16MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 37 - 4.1.3 垂直应力 18MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 39 - 4.1.4 垂直应力 20MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 42 - 4.1.5 垂直应力 18MPa 圆形巷道围岩松动圈模拟分析..............................- 45 - 4.1.6 垂直应力 20MPa 圆形巷道围岩松动圈模拟分析..............................- 47 - 4.2 侧压比为 1 的深部巷道围岩松动圈模拟分析...............................................- 50 - 4.2.1 垂直应力 16MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 50 - 4.2.2 垂直应力 18MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 53 - 4.2.3 垂直应力 20MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 55 - 4.2.4 垂直应力 18MPa 圆形巷道围岩松动圈模拟分析..............................- 58 - 4.2.5 垂直应力 20MPa 圆形巷道围岩松动圈模拟分析..............................- 60 - 4.3 侧压比为 1.5 的深部巷道围岩松动圈模拟分析............................................- 63 - 4.3.1 垂直应力 10MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 63 - 4.3.2 垂直应力 14MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 65 - 4.3.3 垂直应力 20MPa 正方形巷道围岩松动圈模拟分析..........................- 68 - 4.3.4 垂直应力 14MPa 圆形巷道围岩松动圈模拟分析..............................- 71 - 4.3.5 垂直应力 20MPa 圆形巷道围岩松动圈模拟分析..............................- 73 - 第五章 结论与展望.......................................................................................................- 77 - 5.1 结论..................................................................................................................- 77 - 5.2 展望..................................................................................................................- 78 - 参考文献.....................................................................................................................- 78 - 致谢.................................................................................................................................- 82 - 作者简介及读研期间主要科研成果.............................................................................- 82 - 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 VI Contents Abstract........................................................................................................................Ⅱ Contents........................................................................................................................Ⅵ Chapter1Introduction.................................................................................................1 Chapter2Particle flow software simulation of coal and rock mass............................9 Chapter3Deep coal roadway loose circle dynamic simulation................................20 Chapter4Data analysis..............................................................................................35 Chapter5Conclusion and Prospect........................................................................... 77 Reference......................................................................................................................80 Thank............................................................................................................................82 About theAuthor and the main research during graduate school................................82 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪论 1.1 研究背景 煤炭在我国社会建设和国民经济发展中发挥着重要的支撑作用， 是我国现阶段主 要的能源 ［1-9］ 。2014 年以来虽然风电、水电、核电等可再生能源近年发展很快，但总 体规模占我国能源总量比重较小。与之相对比的煤矿资源，拥有储量的庞大性、应用 类型的广泛性、供应方式的安全性、利用途径的可清洁性等。我国在一次能源中占消 耗总量的 70以上，其中煤炭占总体的 72.1、石油占总体的 19.4。可见煤炭资源 在将来的一段时间内，依然作为我国主体能源。 煤炭工业在我国能源供应和国民经济 中的基础性地位长期存在且不可动摇。 我国目前经济的快速发展，对能源的需求与日剧增， 但大部分浅部易采的煤矿资 源已经开采殆尽，而煤炭埋深超过 1000m 以下占总煤炭储量的一半。矿山的深部大 规模开采将日益推广开来 ［10-18］ 。目前我国和国外的很多矿山都在进行深部煤炭资源 的开采利用。在东部地区的许多矿井都向深部开采转化。沈阳、开滦、徐州新汶、门 头沟等煤矿相继开采深度超过了 1000m。 深部巷道围岩与浅部存在相当大的差异， 围 岩有很明显的变形、产生明显的破碎、出现大的流变性。导致了深部矿井工程隐患大 大增加 ［19-22］ 。工程灾害更加频发，如岩爆、高温、透水、冒顶等，对矿下人员的安 全构成极大地威胁。 在深部开采中接近一半的死亡事故， 是由于巷道围岩变形、 片帮、 冒顶等引起的 ［23-29］ 。这也反过来要求安全和生产技术需要达到更高的要求。 图 1-1 巷道严重大变形破坏图 深部开采的头等难题就是软岩巷道的支护问题。 深部岩石的力学性质不同于浅部 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - 2 - 岩石力学性质、深部的应力场也不同于浅部的应力场。 这也决定了深部巷道围岩变形 不同于浅部巷道围岩变形。事故的发生表现出明显的突发性。 大量的死伤事故在事发 前，没有出现明显的预兆。深部煤岩埋深很大，带来了很大的地应力，煤岩体从弹性 进入塑性并发生破坏的时间远远小于浅部巷道。冒顶、 透水等事故越来越表现出突然 性。在浅部巷道中用到的判别经验到了深部无法使用。 深部埋藏的煤炭，受到构造应力作用、高温作用。煤岩体的力学性质和结构性质 不同于浅部煤岩体。深部煤岩体是沉积作用形成的岩体， 内部结构在细部存在很大的 差异性。煤岩体中充满了节理、裂隙、孔洞，导致煤岩力学性质表现出了极强的差异 离散性。强度高的煤岩与强度低的煤岩岩石抗压强度能够相差十几倍。 而且煤岩体由 于内部存在各种缺陷，表现出了明显的各向异性。 1.2 深部巷道开挖研究现状 1.2.1 深部的研究现状 随着开采深部煤矿时间日益增加，深部矿井中发生的灾害日益频繁。 科技工作人 员开始对岩爆、岩体动力失稳、透水等一系列严重突发灾害事故进行分析。在不断的 对深部岩石力学研究过程中， 国内外矿业、 岩土学界学者都陆续提出 “深部” 的概念。 在实际工程中，发现对于一个矿井工程存在某一个阶段区间。 在这个区间以上的 工程很少发生巷道破坏，巷道变形量亦在可控范围内，施工成本、方案易于接受。围 岩松动破坏不明显。但当开挖达到这个阶段及以下空间后。顶板冒落、底板鼓突、帮 部收缩量将突然增大，巷道将发生严重的松动破坏， 现有的支护技术和手段无法保证 巷道稳定，施工成本和方案难以承受。对这一区间称之为临界深度（Hcr） 。 对于自重地应力场临界深度为 tan5 . 11 2 tan11 2 cr     CC H （1-1） 式中C 是岩体的粘聚力，KN/m2；γ为岩层的容重，KN/m3；φ为岩体内摩擦 角， （） ；α为开挖后围岩应力集中系数。这里取 0.5。 对于构造地应力场临界深度，当沿其中一水平应力σh1方向开挖时为             tan 2 1 - 3 1 22 2 2 cr C H （1-2） 式中，γ为岩层的容重，KN/m3；C 是岩体的粘聚力，KN/m2；φ为岩体内摩擦 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - 3 - 角， （） ；β为构造应力集中系数。当沿另一水平方向开挖时，公式形式相同，将β 2改为β1即可。 学者通过工程实际发现， 在深部开采生产过程中出现了一些浅部开采生产中很少 遇到的技术难题。大家把“深部”以一个深度指标来进行定义，但对这个深度有不同 的指标，大多数认为开采深度超过 600m 的定义为深部开采。各个国家又有各自不同 的深度指标。南非、加拿大、德国定义为 8001000m；日本定义为 600m；英国、波 兰定义为 750m。 我国将 400800m 定义为中深井 8001200m 定义为深井， 大于 1200m 定义为特深井 ［30-32］ 。 除了用深度指标外，有的学者以岩爆发生频率显著增加来判断； 也有的学者把围 岩中应力达到岩石的强度来判定。 上述判定准则对于深部理论的研究都有一定的推动 作用。 但都是简单的以一个具体的深度作为判定标准， 在实际应用中有一定的局限性。 因为有的矿区在掘进到定义的深度区间时会发生深部特有的冒顶、大变形、 垮落等非 线性力学现象； 而有的矿区掘进到定义深度区间时并未发生这些典型的深部非线性力 学现象。所以“深部”的合理定义不应该仅仅只从深度指标上判定，更应该从发生的 现象入手定义。 1.2.2 深部的定义 为了克服只以深度指标作为“深部”判定标准的局限性。我国学者根据各自在指 导生产实践中遇到的现象，进一步深化“深部”的定义。 钱鸣高院士通过在各个矿区指导采煤面来压布局观察对比深部煤矿与浅部煤矿 开采时开采面上覆岩移动规律[33]， 提出深部的关键层段破间距比浅部的要小， 深部开 采上覆岩层关键层随着开采深度增加破裂间断距离越来越小。 以此来界定区分深部与 浅部；何满潮[34-35]结合深部开采出现的各种灾害现象提出深部是随着采深增加，岩体 的各种非线性力学和物理现象发生突变的范围及以下区间； 钱七虎院士[36]以发生分区 破坏做为深部界定特征； 王明洋[37]则以最大巷道支撑压力拱区发生初始的碎裂作为深 部的判断条件； 蔡美峰主张以深部煤矿开采采空区上覆岩层冒落区的出现作为判断特 征。 为此何满潮、钱七虎等根据深部工程中出现各种物理力学现象总结出如下定义 [3