层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析

层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析

林崇德

(煤炭科学研究总院开采研究所　北京　100013)

摘要　应用离散元数值模拟过程分析方法,结合现场实际现象和相似材料模拟的试验结果,对巷道围岩的变形破坏机制进行了分析,结果表明,层状岩石顶板主要是受水平压应力作用产生离层、弯曲破坏,而不是直接受垂直压力作用以承载梁的形式破坏,进而说明组合梁理论不适合作为这类顶板的锚杆支护原理。

关键词　锚杆支护,数值模拟,过程分析

分类号　TD350.1

1　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素相互作用的结果,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,例如,巷道顶板的破坏可以解释为梁的弯曲拉伸破坏和拱的压缩破坏等。但是在一定条件下巷道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[1]。

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素,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,这两种数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

2.1　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30m×30m,模拟条件:巷道埋深为700m,煤巷宽4m,高3m;直接顶岩层厚3m,其中1.5m 为节理发育岩层,为不规则分布斜节理,其分层间距为0.25m,并含倾角60°,随机间距为0.4m。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3m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φ。

1997年10月10日收到初稿,1998年6月6日收到修改稿。

作者林崇德简介:男,40岁,1984年于煤炭科学研究总院获硕士学位,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,主要从事巷道支护与锚固技术研究工作。

　　模型采用的加载方式为先加载后开挖。首先在上边界施加17.5MPa 垂直应力及在模型中预设置水平地应力17MPa ,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、变形状态及破坏过程

。

图1　数值分析模型

Fig.1　Numerical model of gateway

表1　数值模型各岩层与节理的力学参数

T able 1　Mechanical parameters of strata and joints 项目

σ压

/MPa c

/MPa E

/MPa φ

/(°)ν

γ

/kN ・m -3σ拉

/MPa

煤层

9 2.63000300.28140.9泥岩307.310000380.23250.3砂岩45

9.6

12000

40

0.2

25

4

节理

正压刚度5000MPa ,剪切刚度3000MPa ,

粘结强度1MPa ,摩擦系数0.2

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,而巷道两帮周围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22900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道开挖初期的状态(图2)增大了2m 以上,顶板中局部塑性和拉伸破坏达到3m 。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

。

图2　开挖初期围岩破坏状态与应力分布

Fig.2　Failure state and stress distribution

in primary period of

excavation

图3　巷道围岩破坏状态与应力分布

Fig.3　Failure state and stress distribution

in the stable period

通过输出从巷道开挖至围岩应力平衡时不同阶

段的计算结果,发现围岩破坏区在扩展过程中,破坏区边界区域的岩石总是处在压缩塑性破坏状态,

・

393・第18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　　

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2m ,分层厚度为0.25m ,含60°

随机斜节理,岩层岩性与图1大模型巷道顶板的岩性相同。岩层下部自由边界宽4m (),剩余两侧水平边界为垂直约束边界。

图4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5cm 左右,因而可精细计算岩层的应力状态和变形破坏过程。

图4　

层状顶板数值模型

Fig.4　Numerical model of laminate roof

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9MPa 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<2MPa ,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。

图5　载荷9MPa 时岩层应力分布状态

Fig.5　Stress distribution under load of 9MPa

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9MPa 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(9MPa )“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20000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30MPa 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9MPa (小于1/3)。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

Fig.6　Failure state of the stratum

・493・　　岩石力学与工程学报1999年

值得注意的是在此模型中并没有施加任何垂直方向载荷,而只在两侧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。

关于组合梁理论,人们曾做过这样的组合板弯曲试验(图7)。试验用简支梁,并在梁的中部垂直加载。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,

形成一个整体板梁时,其抗弯强度大大提高[2]。这个试验说明了锚杆支护的组合梁作用原理,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,他们对简支梁试验做了改进,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梁的影响。

图7　组合梁原理试验

Fig.7　Test on the principle of binding beams

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1MPa 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3MPa 时,岩层的破坏状态如图8所示,梁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)梁的破坏自上而下发展,固定端上部破坏比下部破坏严重;

(2)岩梁整体弯曲变形破坏,节理弱面破坏及分层离层现象极不明显;

(3)岩梁承载能力极低,仅为1MPa ,远远小于岩石的强度和一般巷道的原岩应力值。

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围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梁理论不能解释锚杆在顶板岩层中的实际作用和支护原理。

图8　固定岩梁垂直加载破坏状态

Fig.8　Failure state of beams fixed at ends

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,在围岩中形成无侧向约束、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梁的形式破坏。因此,以加强承载梁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梁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。

参考文献

1林崇德,李效甫.深井动压巷道锚杆支护机理研究.煤炭科学基金项目论文报告,1996

2王焕之,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制.徐州:中国矿业大学出版社,1994

3

罗科R O ,达曼J K.层状顶板条件下锚杆加固对梁和拱影响的

・

593・第18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　　

实验室研究.见:石文波,刘玉堂编.巷道支护技术译文集.北京:煤炭科学研究总院开采所,1990

4

林崇德.层次分析法在回采巷道支护形式选择中的应用.岩石力学与工程学报,1990,9(3):244～251

PROCED URE ANALYSIS OF NUMERICAL SIMU LATION

FOR THE FAIL URE MECHANISM OF LAMINATE ROOF

Lin Chongde

(Beijing Research Institute of Coal Mining ,Cent ral Coal Research Institute ,　Beijing 　100013　China )

Abstract 　The failure mechanism and the behaviors of strata arround gateways are analysed with the procedure simulation of distinct element method ,combined with the deformation characteristics of gateways in coal mines and the results of simulation test with equivalent materials.It is shown that the movement and fracture of laminate roof are resulted from the effect of the horizontal stresses in the roof instead of the vertical stresses as the case of beams under vertical load.The further study shows that the principle of binding beams is not suited for the application of bolt support in laminate roof.

K ey w ords 　bolt support ,numerical simulation ,procedure analysis

・693・　　岩石力学与工程学报

1999年