层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析.pdf

第l 8 卷第 4 期 1 9 9 9 年 8 月 岩石力学与工程学报 H e s B J c r s a l o f 0 c Me c h a n i c s a n d En g i s e e r i n g 1 8 4 3 9 2 ～3 9 6 AP ． g ．，l 9 9 9 层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析 P f e 林 崇 德 北 京 1 0 0 0 1 3 吖 关 键 词 ， 婆 堑砸板 。、 、 烈 、 分类“ ∞一 。 腑兽 因 茏 l 引言 地下工程围岩稳定性问题是极为复杂的力学问 题 ，围岩的破坏往往是 多种复杂因索相互作用的结 果 ，人们观察到的围岩变形破坏状 态是 多因素作用 结果表现出来的现象。然而，一种现象可以有几种解 释 ，鲥如 ， 巷道顶板的破坏可以解释为粱的弯曲拉仲 破坏和拱的压缩破坏等。但是在一 定条件下巷遭顶 板变形破坏机制是确定的．寻找这 一机制的有效方 法就是了解和分析顶板的变形破坏过程 ， 这种研究 方法称为“ 过程分析” 方法口 ] 。 过程分析方法需要 有一种有效的手段来获取事 物变化过程中的信息 。 工程监测是一种简单的手段 ， 由于 目前观察监测手段的局限性，现场监测与相似 材料模拟试验均不能获取分析问题所需的足够信息， 如 围岩各部位的变形、破坏形态及应力、 应变分布状 态等。 数值模拟是一种最为明了便于分析问题的手 段 。它可以根据研究问题的需要 ． 改变 模型大小、材 料性 质及有关影 响因索 ． 通过数值 处理显示 围岩的 应力、变形破坏状态 ， 从而 易于分析问题的 内在关 系 。 采用数值模拟手段遇到的关键 问题是数值模型 能否模拟复杂的岩体工程条件。 对于一般的数值计 算方法 ， 如有限元法 和边界元 法 ，由于难以模拟节 理、 节理构造面的不连续性， 因而不能分析潜在着的 岩块滑动、 转动和冒落的稳定性问题。 此外， 这两种 1 9 9 7 年 1 0 月 i 0日 收到韧稿， 1 9 9 8年 6 月 6日收到修改稿。 作者 林崇德 茼舟t 男． { 0 岁， 1 9 8 4 年 从事巷遭支护与锚匿技术研究工作． 敷值方法 只给 出模拟计算 的最终 结果 ，而不能进 行 过程模拟分析 ，这就使得 许多理论与工程问题 的分 析停留在 结果分析” 的方法上。近几年来，离散元数 值计算功能得 到不断完 善，在世界许多地下工 程稳 定性分析及支护辅助设计 中得到应 用。目前先进 的 离散元数值模型具有多种介质和节理 的力学特性可 供选用， 可以用于模拟不同特性的不连续岩体， 可以 模拟工程开挖和围岩变形破坏及岩块滑落的过程； 在模拟支护体方面， 提供多种结构单元。 该数值方法 为地下工程力学问题的过程模拟分析 提供 了强有 力 的工具 。本文应用这种过 程模拟方法 对巷道层状 岩 石顶板破坏机 理及其相关 的锚杆支护理论 问题进 行 了分析探讨。 2 巷道围岩变形破坏过程与特征 2 ． I 数值分析模型 建立的离散 元数值分析 模型 如图 1所示。模型 尺寸为 3 0 I n 3 0 m，模拟条件巷道埋探为 7 0 0 m， 煤巷宽 4 m， 高 3 m； 直接顶岩层厚 3 In ， 其中 1 ． 5 I n 为节理发育岩层 ， 为不规则分布斜节理 ， 其分层间距 为 0 2 5 m， 并含倾角 6 0 。 ． 随机问距为 0 4 m。3种岩 层及其节理的力学参数见表 1 。此外，为了更逼真地 模拟围岩 的力学特性 ，将巷道周 围 3 m 范围内岩石 在塑性破坏后的力学特性设置为应变软 化特征 应 变软化的力学参数包括煤岩体的粘结强度 c 和内摩 擦角 现任高级工程师 中国煤炭学会岩石力学与支护专业委员会委员， 主要 维普资讯 第 1 8 卷第 4 期 林崇德．层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析 模型采用的加载方 式为先加载后开挖 。 首 先在 上边界施加 1 7 ． 5 MP a垂直应力及 在模型 中预设置 水平地应力 1 7 MP a ，加载后计算至模型中的应力平 衡， 然后开挖巷道。由于离散元数值方法采取了数 值迭代计算， 在每个循环计算中， 分析软件通过对 各单元节点的应力平衡 计算 ，可求出各 节点的应力 与位移状况 ， 所以， 输 出不同循环计算的结果 ， 可以 了解模型在开挖后 围岩的应力、变形状 态及破坏过 一 仉 1 一 n 7 -0 ． 4 -- 1 ． 0 0 - 2 0 ． 5 0． 8 t， m 图 1 数值分析模型 Fi g ． 1 Nu me r i c a l mo d e l o f g a t e wa y 表 l 数值模型各岩层与节理的力学参数 T a b l e l Me e h a n i e． a l p a r a me t e r s o f s t r a t a a n d j o l n t s 节理 正压玛 I 虔 5 0 0 0 MP a ， 剪切l 9 I 度 3 0 0 0 MP a 粘结强度 l MP a t 摩擦系敷 2 2 巷道围岩变形破坏过程与特征 模型 中巷道开挖后 ，巷道周边围岩径向应力释 放 ，应力平衡被破坏 ，在原始应力场作 用下的初期 变形破坏状态如图2所示。围岩应力分布表 明 在巷 道 围岩 中形成 以巷道为 中心的压应力圈}在巷道矩 形周边 区域 ，出现了单 向压力 区，该区的大小与塑 性 区一致 ， 说 明该 区岩石处在塑性 压缩状态 巷道 的四个角周围区域岩石处在双向应力的弹性状态， 顶底板岩层均 处在单 向水平压应力状 态，而巷道两 帮周日煤体则处在单向垂直压应力状态。由于煤岩 体的单向抗压强度低于双向抗压强度， 单向受压区 的岩石均处在塑性破坏状态 当数值迭代计算达到 2 2 9 0 0 次 时，围岩应力接 近达到平衡状态 图3 ， 此时巷道两帮和顶板的塑性 破坏 区比巷遭开挖初期 的状 态 图 2 增大了 2 m 以 上，顶板中局部塑性和拉伸破坏达到 3 1“1 1 。 直接顶岩 层明显沿节理弱面断裂、离层和弯曲， 相 比之下，岩 性相同无 节理的底板遭到破坏程度较轻，并且承 受 很大的水平 压应力 说 明围岩 中节理构造面的存在 对围岩的承载能力及其稳定性有很大影响， 尤其当 节理面与最大主应力方 向斜交时 ，岩层最容易沿该 节理弱面破坏而失稳。所以， 对于强度大 、节理发育 的围岩 ， 如果 数值 模型 不考虑 节理构造面的模拟 ， 其分析结果难 以说 明问题 。 一 5 ．∞ 一2 ． 0 0 0 1 ． 0 0 0 4 ． 0 0 0 z ／ m 图 2 开挖初期肘岩破坏状态与应力分布 Fi g． 2 Fa i l u r e s t a t e an d s t r e s s dit r i b ut i o n i n p r i m a r y p e r i o d o f e xc a v at i on 00 o O o o 。 0 口 逞 o 0 O 1 ． 0 0 0 5 ．0 0 -- 2 ． 0 0 0 1 ．0 0 0 4 ， 0 0 0 l ／ m 图3 巷道围岩破坏状态与应力分布 FIS． 3 Fa D ． u r e s t a t e a n d s t r e s s d i s t r ibu t i o n i n t he s t ab l e pe r i od 0 0 0 0 0 o 通过输出从巷道开挖至围岩应力平衡时不伺阶 段的计算结果 ，发现 围岩破坏 区在扩展过程中，破 坏医边界 区域的岩石 总是 处在压缩塑性破 坏状 态， 维普资讯 岩石力学与工程学报 1 9 9 9芷 而在破坏 区内的岩石既有压缩 塑性破坏也有拉伸破 坏。 如图 3巷道底板只出现小部分塑性破坏区， 但较 大区域处在高水平压应力状 态。计算结果表 明，在 巷道开挖后，巷道周边 围岩的受力状态由双 向应力 变 为单 向压应力状态 ，由于岩 石单 向抗压强 度低 ， 致使 围岩产生塑性破坏 或沿 节理 弱面错 动、离层 ， 岩层受压破坏 的结果产生侧 向变形和弯 曲，破坏区 越大 ，弯曲变形越大 ，由此造成巷道周 边区域未破 断岩层产生弯曲拉伸破断。 3 层状顶板岩层破坏机制与组合梁锚 杆支护理论分析 为了进一步探讨层状顶 板岩层的破坏机制 ，同 时便于 比较顶板岩层受水 平压力破坏和受垂直压力 弯曲破坏的区别 ，将巷道顶板一定范围 内的岩层作 为研究对象， 建立的数值模型如 图4所示。 岩层厚度 为 2 m， 分层厚度为 0 ． 2 5m， 含 6 0 。 随机斜节理 ， 岩 层岩性与 图 l大模型巷道顶板的岩性相 同。岩层下 部 自由边界宽 4 n x 巷道顶宽 ，剩余两侧 水平边界 为垂直约束边界 图 d 模型是按顶板岩层 受水平压力破坏机制设 置边界条件 的。岩层受载只考虑水平压力 作用而不 考虑垂直压力的作用。水平压力通过岩层 两端 的弹 性体施加到岩层上 为 了防止岩层受压 向上弯 曲变 形，上边界采用一个 固定层来约束 ，因为巷道顶板 不可能 向上弯 曲变形 。使用这种小范围的模型 ，可 以使节点间距缩小到 5 c m 左右，因而可精细计算岩 层的应力状态和变形破坏过程 。 4 ． O 0 0 O 00 2 ． 0 0 0之 1． O o o 0 ． 0 叩 一 4 ．0 0 0--2． 5 00 1 ．0 0 0 n 5 0 0＆ 0 00 5 0 0 ／ m 图 4 层状顶板数值模型 Fi g．4 Num e r i c a l mo de l of l a mi n at e r o of 在数值模型岩层两侧弹性体上逐渐加大水平压 应力。当应力达到 9 MP a时 ， 下位岩层节理面破坏 ， 出现错动、 离层 图 5 。中部最下分层应力2 MP a ， 基本卸载。从岩层 整个 应力分布看 ，应力分布 已不 均匀，由于下部分层 破坏及卸载严重 ，造成上部岩 层应力集中 ， 这说 明岩层破坏 由下而上扩展 ， 破坏 程度由下而上减 轻。在顶板岩层 中形成 应力拱 ，应 力拱 的形态与节理弱面的分布有关 ∞ 0 2 0 0 0 1 ． 0 0 0 O 0 0 0 一 l 5 0 0 0 1 ． 5 00 3 0 0 0 z／ m 图 5 载荷 9MP a时岩层应力分布状态 Fi g． 5 St r e s s di s t r l but i on unde r t o a d of 9 M Pa 巷道围岩破 坏后 即要 产生卸载 ，而不可能一直 承受某一定值的荷载 同理 ，在本模型中，当加载到 9 MP a岩层开始破坏后 ，将岩层两侧垂直边界固定 ， 即把 已加到岩 层中的 压应力 9 MP a 封住” ， 让岩 层按 自身的力学特性调 整应力和保持 自身的最大承 载 或抵抗 能力 。 固定边界后继续迭代计算 ，随着岩层破坏、卸 载和应力平衡调整 ，岩层 间裂隙增大 ，岩层弯曲下 沉 ，各分层应力急剧降低 。计 算至 2 0 0 0 0次 时，岩 层的状态如图 6所示 岩层沿节理弱面错动松脱 ， 离 层范围达 到最上分层 ，整个顶板处 在松弛状 态。该 模型计算结果表 明， 具有 3 0 MP a单轴抗压强度的顶 板岩层 ，由于 节理弱面的存 在，岩层 的最大抗压承 载能力仅为 9 MP a 小于 l ／ 3 。 岩层沿节理弱面破坏 后 ，离层增大 ，岩块 间挤压的错 动 ，引起卸载松动 ， 直至在 自重作用下失稳 冒落。此模型岩层变 形破 坏 后 的形态 ，自下而上 的破坏过程及应力分布状态均 与前面大范围全 断面分析模型 图 1 得到的巷道顶 板变形破坏特征一致 ， 也 与许 多现场翻修扩大巷道 断面时见到顶板破坏形态及在实验室中相似材料模 型试验结果 一致 ，这说 明此小范围模型设置的边界 条件及加载方式是基本正确的。 图 6 岩层破坏状态 Fi g． 6 Fa i l ur e st a t e of t he s t r at u m 维普资讯 第 l 8 卷第 期 林崇德．层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析 ． 3 9 5 ． 值得注意的是在此模型中并投有施加任何垂直 方向载荷 ， 而 只在两埘边界上施加 水平压应力 ，虽 然这一加载边界并不完全符合 实际 ， 但 其模拟结果 与实际的一致性说明顶板岩层的破坏主要是顶板中 水平压应力作用引起的。该模拟结果再一次验证了 前面分析得 出的有关顶板 岩层 由水平压应力作用而 破坏的观点 如果这个观点正确，将否定顶板 岩层 是 由垂直应力作用造成弯曲拉伸破坏的认识和 由此 认识提出的锚杆支护组合梁理论。 关于组合粱理论 ，人们曾做过这样 的组合板 弯 曲试验 图 7 。 试验用筒支粱 ， 并在粱的中部垂直如 载 。 对于简单的层状叠合板 ，其抗弯强度较小 ； 当用 锚杆将各层板钉合 在一起 ， 形成 一个整体板粱时 ， 其抗弯强度大大提高口 ] 。 这个试验说明了锚杆支护 的组合粱作用原理， 该原理得到较普遍的接受， 在 许 多有关 书刊中均 有引用。文[ 3 ] 也 曾做过这样试 验 ，他们对简支粱试验做 了改进 ，采用 两端 固定梁 中部垂直加载 的相似材料模型试验 ， 该试验 用来分 析锚杆加固对粱的影响。 丑 培 { 拉仲 图 7 组台梁原理试验 Fi g 7 Te a t on t he p r i nc i pl e o f b i n dl ng b ea ms 为了说明顶板在垂直加载 条件下的变形破坏过 程与形态是否符合实际， 将数值模型 图 4 中岩层的 两端固定 ，去掉上边界 的约束层，然后施加垂 直方 向的均布载荷 。当垂直载荷加到 1 MP a时，在梁的 固定端及中部 出现拉伸和塑性压缩破坏 ， 岩层开始 失稳下弯。继续加载至 3 MP a时，岩层的破坏状态 如图 8 所示， 粱的固定端边界及中部出现大片区域 的破坏， 其破坏形态与文[ 3 ] 的相似材料模型试验结 果很吻合。 从这两个模型模拟结果可归纳出垂直加 载梁的变形破坏特征 1 粱 的破坏 自上 而下发展 ，固定端上部破坏 比下部破坏严重 ； 由此可见，这种岩梁变形破坏的 3 个特征与现 场实际顶板的变形破坏形 态和大范尉模型的模拟结 果不相符， 这表明巷道顶板受垂直压力变形破坏的 观点是不符合实际的。因此 ，由这种组合梁试验导 出的锚杆支护组合粱理论 不能解释锚杆在顶板岩层 中的实际作 用和支护原理 一 2-OOO E 1．000 一 3 0 00一 】5 00 0 1 5 0 0 OO O ／ m 图 8 固定岩粱垂直加载破坏状态 Fi s ． 8 Fa i l u r e s t a t e o f b e a ms fi x e d a t e n d s 4 结语 通过采用数值模型对巷道 围岩及层状岩石顶板 的变形破坏进行过程分析， 并将其分析结果与现场 观察的实际现象及相似材料模拟试验结果相比较， 可以得到如下结论 ； 1 煤层巷道 围岩 ，无论是顶板岩层还是巷 帮 煤体， 在矿山压力作用下经历了挤压破坏、弯曲变 形 的过程 。围岩的破坏主要是 由于巷道周边径 向应 力释放 、 切 向应力增高 ， 在 围岩中形成无埘 向约束、 受单向压应力区， 该区岩石在单向集中压应力作用 下产生塑性破坏或沿节理弱面错动 、离 层，引起岩 层弯曲变形破坏。 2 层状岩石顶板 是在水平压应力作用下 破坏 而不是在垂直压力作用下以承载粱的形式破坏 因 此 ，以加强承载粱的抗 弯作用为基础 的组合梁锚杆 支护理论不适合用于指导一般巷道顶板 的锚杆支护。 一 种锚杆支护理论或作用机理是以围岩某 种变 形破坏形 式为条件提 出来的。本文 的研究结果提 出 了这样一个问题 ， 即层状岩石顶板的破坏机制与 组 合粱理论中的承载梁破坏机制不同， 那么， 层状岩 石顶板在水平压应力作用下破坏时， 锚杆的支护作 用如何 这个问题将另做分析论述。 2 岩粱整体弯 曲变形破坏 ，节理弱 面破坏 及 分层离层现象极不 明显 2 3 岩梁承载能力极低， 仅为 1 MP a ， 远远小于 岩石的强度和一般巷道的原岩应力值 。 3 参考文献 林祟德， 李效甫． 深井动压巷道锚杆支护机理研究． 煤炭科学基 盎项 目 论文报告． ] 9 9 6 王焕之， 陆士良一中国煤矿巷道眉岩控制． 标州 中国矿业大学 出版社，1 9 9 4 罗科 R O 选曼 J K ． 层状顶板条件下锚杆加圃对鞫 钿 拱髟响的 r 兀 ]] 维普资讯 3 9 6 岩石力学与工程学报 1 9 9 9 盎 实验室研 究．见 京 石文谴 ， 蜘玉堂煽．巷道支护技术译文集．北 4 总院开采所， ] 9 9 0 林崇德屡次分析j 麦 在回采巷遭支护形式选择中的应用．岩石 力学与工程学报， ] 9 9 0 ， 9 3 l 2 4 4 2 5 1 PR0CEDURE ANALYSI S 0F NUM ERI CAL S I M ULAT1 0N F0R THE FAI LURE M ECHANI SM 0F LAM I NATE R00F Li n Ch on g de Be Re ．s e a c h J n d “ Co a l Mi n i a g，Ce n t r a g O o a l Re c h h “ B ， 丑e 1 0 0 0 1 3 Ch i n a A b s t r a c t T h e f a i l u r e m e c ha n i s m a n d t he b e h a ver s of s t r a t a a r r o und g at e w a ys a r e a na l y s e d w i t h t he p r o c e dur e s i m ul a t i on of d i s t i nc t e l e m e nt m e t ho d，c o m b i ne d w i t h t he d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f g at e wa ys i n c oa I m in e s a n d t he r e s u l t s o f s i m ul a t | 0 n t e s t wi t h e q ui va l e nt m a t e r i a l s ． I t i s s ho w n t ha t t he m o v e m e nt a nd f r a c t u r e o f l a m in a t e r o of a r e r e s ul t e d fro m t he e f f e c t o f t he h or i z ont a l s t r e s s e s i n t h e r o o f i ns t e a d o f t he v e r t i c a l s t r e s s e s a s t h e c l l se o f b e ams u n de r v e r t i c al l o a d - T he f u r t h e r s t u dy s h ows t h at t he p r in c i pl e of b in din g b e a m s i s n o t s u i t e d f o r t h e a pp l i c at i on o f b ol t s u pp o r t i n l a m i n at e r o of ． Ke y wo r ds bol t s up p o r t ，nu m e r i c al s i m ul a t i on，p r o c e d u r e an a l ys i s 岩石力学与工程学报 2 0 0 0 年征订启事 岩石力学与工程学报 2 0 0 0 年征fiT作现巳开始． 请广大读者注意本刊国内邮发代号为 3 8 3 1 5 ， 就近到各地邮局订阅。 漏 订者可复制下面的征订单， 填好后寄到本刊编辑部。 本刊大 1 6 开 ， 每期 1 3 0 页， 订价 l 2 元， 全年 7 2 元人民币。 本刊编辑部还有少量不连续的过刊， 需要者可和编辑部联系订 阅。 订费由银行j [ 寄至 建行武昌铁路支行科代 8 5 4 8 5 8 } 帐号 8 5 4 8 5 8 9 2 2 6 1 0 0 6 4 8 1 帐敢单位 中国科学院武汉岩土力学研究 所， } 口囊 用途栏注明付‘ 岩石力学与工程学报 编辑部。 也可由邮局汇款．编辑部接到来款． 即寄订户正式报销收据． 编辑部地 址 武汉市小洪山中国科学院武汉岩土力学研究所 岩石力学与工程学报， 编辑部 l 邮编 4 3 0 0 7 1 ； 电话 0 2 7 8 7 8 6 9 8 5 0 ， 传真 0 2 7 8 7 8 6 3 3 8 6 ． E ma l l k j wa n g p u b l i c ． w h ． b b ． c n ，联系人唐文生。 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 征 订 单 订户 单位、 收件人 订户详细收刊地址 邮 政 编 码 口口[ 口口口 盎 卷 期 每期本数 共计 本 金额 元 订 购 数 备注 ．总计人民币 大写 经办人 维普资讯