基于離散元法的巷道圍巖非線性大變形分析與控制

基于離散元法的巷道圍巖非線性大變形分析與控制

1深部巷道圍巖支護(hù)機(jī)制深部巖石位于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中。高肥力、高地形、高滲透和強(qiáng)時(shí)間效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致深體和平面巖石的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程反應(yīng)。具體體現(xiàn)為在淺部表現(xiàn)為堅(jiān)硬穩(wěn)定的圍巖,在深部一般都表現(xiàn)出顯著的軟巖特征。對(duì)深部巷道而言,由于存在著高賦存地應(yīng)力和圍巖體低強(qiáng)度之間的突出矛盾,巷道開(kāi)挖后造成的應(yīng)力集中和應(yīng)力重分布將導(dǎo)致很大范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)入峰后破裂碎脹狀態(tài)。因此,深部巷道圍巖多為破壞后的裂隙巖體或破裂塊體,采用的各種支護(hù)結(jié)構(gòu)與支護(hù)方式也主要用來(lái)限制破裂巖體的大變形。然而,由于支護(hù)機(jī)制沒(méi)有搞清楚,長(zhǎng)期以來(lái)深部地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)還主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行,已有的理論分析方法也大多局限于圓形洞室在靜水壓力條件下的解析解,且很難全面考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖體的加固作用。近年來(lái),一些學(xué)者借助于有限單元法、有限差分法等連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬方法,對(duì)其支護(hù)機(jī)制及相應(yīng)支護(hù)對(duì)策進(jìn)行了大量研究,并已得到一些有價(jià)值的成果。但由于深部破裂圍巖多為被結(jié)構(gòu)面切割而成的鑲嵌塊體,具有非線性、非連續(xù)變形特征,因此采用以小變形假設(shè)為前提的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法來(lái)研究,既與實(shí)際工程圍巖普遍處于破裂狀態(tài)的情況嚴(yán)重不符,也無(wú)法模擬破裂圍巖的非線性大變形力學(xué)特性。而基于離散單元法發(fā)展而來(lái)的UDEC(universaldistinctelementcode)軟件目前已廣泛應(yīng)用于采礦工程、隧洞工程、邊坡工程等方面。與傳統(tǒng)有限單元和有限差分法等軟件相比,其優(yōu)越性在于能夠較好地表征巖體幾何非連續(xù)特征及模擬節(jié)理裂隙的張開(kāi)、塊體滑移、旋轉(zhuǎn)、垮落等大位移、大變形分析。本文結(jié)合淮南顧北煤礦深部巖巷支護(hù)試驗(yàn)研究,采用離散元數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相結(jié)合的方法分析研究該類(lèi)巷道非線性大變形機(jī)制及支護(hù)設(shè)計(jì)方案,以期為今后開(kāi)展的類(lèi)似工程提供有益參考。2斷裂圍巖的非線性大變形機(jī)制分析2.1試驗(yàn)巷道選擇及試驗(yàn)段選擇淮南顧北煤礦-648m水平圍巖以炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及弱膠結(jié)的粉砂巖為主,屬于大規(guī)模松軟圍巖。井底車(chē)場(chǎng)自開(kāi)始建設(shè)時(shí)起,巷道就不斷產(chǎn)生大變形而破裂失穩(wěn),襯砌破壞嚴(yán)重,底臌變形大,因而不得不多次重復(fù)返修巷道,從而大大延長(zhǎng)了建設(shè)周期,增加了工程投資。為了從根本上解決該礦-648m水平巷道圍巖穩(wěn)定控制和支護(hù)的技術(shù)難題,選擇-648m南翼回風(fēng)大巷作為試驗(yàn)巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)試驗(yàn)。整個(gè)南翼回風(fēng)大巷全長(zhǎng)約2000m,區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜,圍巖裂隙、層理發(fā)育,且其中有一段需要穿過(guò)F92大斷層,該斷層附近又次生有4條小斷層,斷層帶巖層被切割得非常破碎,自穩(wěn)能力極差,支護(hù)難度很大。由于是新建巷道,在其中選擇一定長(zhǎng)度的試驗(yàn)段進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)研究,為使成果具有針對(duì)性和代表性,試驗(yàn)段位于F92斷層及其次生斷層的影響帶內(nèi)。通過(guò)巖體結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查,可確定巷道橫斷面上主要存在兩組節(jié)理,其中一組節(jié)理傾角為120°,間距為0.8m;另一組傾角約50°,間距為0.5m。同時(shí),地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示,該處垂直主應(yīng)力為17.7~17.8MPa,最大水平主應(yīng)力為19.1~20.2MPa,側(cè)壓力系數(shù)平均為1.10,整體屬高地應(yīng)力場(chǎng)區(qū)。2.2塊體材料模型為分析深部巷道破裂圍巖變形破壞過(guò)程及非線性大變形機(jī)制,本文采用離散元數(shù)值分析軟件UDEC4.0進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。UDEC是Itasca公司推出的二維離散單元軟件,在該軟件中巖體被視為裂隙節(jié)理切割并處于鑲嵌狀態(tài)的碎裂塊體,且塊體和節(jié)理材料分別服從自身的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。其中塊體代表巖石材料,它可以是剛體,也可以是變形體,而塊體邊界則代表節(jié)理結(jié)構(gòu)面。若塊體是可變形的,則塊體進(jìn)一步劃分為三角形常應(yīng)變有限差分網(wǎng)格,計(jì)算時(shí)通過(guò)運(yùn)動(dòng)微分方程的數(shù)值積分獲得三角有限變形區(qū)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移增量,然后依據(jù)塊體材料模型,得到塊體內(nèi)的應(yīng)力值。(1)可變形塊體模型由于巖土類(lèi)材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)不及其抗壓強(qiáng)度,因此,本文可變形塊體材料采用了考慮抗拉強(qiáng)度的Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型,即當(dāng)塊體承受的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí),塊體發(fā)生拉破壞。其在應(yīng)力空間的表示見(jiàn)圖1。圖1中A到B由Mohr-Coulomb屈服函數(shù)fs定義為式中:?為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;N?=(1+sin?)/(1-sin?)。BC段由拉應(yīng)力屈服函數(shù)ft定義為式中:σt為抗拉強(qiáng)度。(2)節(jié)理材料模型UDEC軟件提供了幾種節(jié)理材料模型,如點(diǎn)接觸庫(kù)侖滑移模型、面接觸庫(kù)侖滑移模型、連續(xù)屈服模型等,其中面接觸庫(kù)侖滑移模型最適于地下工程巖體的開(kāi)挖模擬,通常的節(jié)理張開(kāi)、剪切屈服及剪脹效應(yīng)在此模型中都能實(shí)現(xiàn)。節(jié)理面接觸行為以彈簧-滑塊來(lái)模擬,根據(jù)應(yīng)力-位移關(guān)系,其作用力分為法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。法向應(yīng)力作用在節(jié)理的法向方向,假設(shè)其應(yīng)力-位移關(guān)系是線性,且由法向剛度系數(shù)Kn控制,則式中:Δσn為法向應(yīng)力增量;Δun為法向位移增量。式(3)中,若節(jié)理面法向應(yīng)力σn小于節(jié)理抗拉強(qiáng)度時(shí)(拉為負(fù),壓為正),則σn置于0,表明節(jié)理面發(fā)生拉破壞。切向應(yīng)力作用在節(jié)理的平行方向,大小由切向剛度系數(shù)Ks控制,且有最大切向應(yīng)力值τmax的限制,其切向應(yīng)力與位移的關(guān)系可分為兩個(gè)線段來(lái)描述:式中:Δuse為彈性切向位移增量;Δus為總切向位移增量。2.3模型幾何尺寸及邊界條件根據(jù)上述工程地質(zhì)概況建立如圖2所示的數(shù)值計(jì)算模型。該計(jì)算模型特點(diǎn)如下:(1)巷道斷面形式為直墻半圓拱,其中直墻高為1.5m,拱高為3.0m,凈寬為6.0m。計(jì)算模型幾何尺寸為66m×45m,共有7266個(gè)塊體、41558個(gè)單元以及49400個(gè)節(jié)點(diǎn)。(2)試驗(yàn)段巷道巖層主要為節(jié)理發(fā)育的弱膠結(jié)粉砂巖,根據(jù)相關(guān)測(cè)試研究報(bào)告,巖層塊體參數(shù)和節(jié)理面物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1、2。(3)模型邊界條件為:左右兩側(cè)面水平方向固定,底部邊界垂直向上固定,上邊界為應(yīng)力邊界,施加的初始地應(yīng)力為17.7MPa(巷道所處埋深的地應(yīng)力水平),水平向側(cè)壓力系數(shù)為1.1,水平地應(yīng)力為19.5MPa。(4)模擬計(jì)算過(guò)程為:首先,使模型在原巖應(yīng)力狀態(tài)下達(dá)到平衡狀態(tài),然后開(kāi)挖巷道。2.4巷道圍巖變形特征分析以下是在開(kāi)挖無(wú)支護(hù)條件下的洞室圍巖穩(wěn)定性分析,目的是為了了解開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力、應(yīng)變調(diào)整狀態(tài)以及確定最佳支護(hù)部位。圖3為破裂塊體的跨落與滑移示意圖,圖4為不同計(jì)算時(shí)步下巷道圍巖塑性區(qū)分布圖,圖5則為巷道開(kāi)挖后主應(yīng)力分布圖。表3給出了不同計(jì)算時(shí)步下巷道各特征點(diǎn)位移值。由圖3、4可知,原來(lái)處于鑲嵌狀態(tài)的破裂塊體,由于巷道開(kāi)挖后應(yīng)力的解除,巷道頂板、底板及兩側(cè)邊墻局部塊體(即所謂的關(guān)鍵塊體)首先產(chǎn)生垮落或滑移,形成以張拉破壞為主的破壞區(qū),是巷道最不利部位,應(yīng)為支護(hù)設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn),而應(yīng)力集中區(qū)域則主要分布在巷道左右拱肩及兩側(cè)底角,其破壞型式以剪切破壞為主。受破裂面傾角影響,左側(cè)拱肩及右邊底角處應(yīng)力集中程度尤為嚴(yán)重(見(jiàn)圖5)。隨計(jì)算時(shí)步的增加,塑性區(qū)范圍逐漸向深部擴(kuò)展,以剪切破壞為主的破壞區(qū)域明顯增多,同時(shí)伴隨著巷道變形量的持續(xù)增長(zhǎng)(見(jiàn)表3)。由此可見(jiàn),巷道開(kāi)挖后的變形破壞過(guò)程是一個(gè)漸近發(fā)展的過(guò)程,局部關(guān)鍵塊體的垮落或滑移,將導(dǎo)致其他部位失穩(wěn)。因此,只有對(duì)深部巷道破裂圍巖關(guān)鍵塊體采取及時(shí)、合理的支護(hù)措施,才能有效確保巷道圍巖的穩(wěn)定性。3支出和設(shè)立計(jì)劃3.1巷道圍巖支護(hù)根據(jù)上述對(duì)巷道地質(zhì)條件和非線性大變形機(jī)制的綜合分析,擬定了分步聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)方案,即采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土+高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索為一次支護(hù),U型鋼支架+注漿為二次支護(hù)(見(jiàn)圖6)。其設(shè)計(jì)的主要原則是:(1)巷道開(kāi)挖后在最短時(shí)間內(nèi)最大限度地恢復(fù)巷道自由面上的徑向應(yīng)力,改善因巷道開(kāi)挖導(dǎo)致劣化的近表圍巖的應(yīng)力狀態(tài),限制圍巖沿巷道自由面或結(jié)構(gòu)面徑向的張開(kāi)變形。(2)全斷面錨桿支護(hù),并在頂、底板處、拱肩及兩側(cè)邊墻采用高強(qiáng)或超高強(qiáng)錨索支護(hù)增強(qiáng)圍巖,以提高圍巖抗剪強(qiáng)度,調(diào)動(dòng)深部圍巖承載能力,達(dá)到限制關(guān)鍵塊體沿潛在破裂滑移面滑移的目的。(3)采取打幫角錨桿以及底角注漿錨桿的方式,減弱該處圍巖的應(yīng)力集中程度,避免幫角過(guò)早破壞而引起巷道兩幫與底板的較大變形,以有效防止底臌或減小底臌量。(4)對(duì)破裂區(qū)圍巖進(jìn)行固結(jié),恢復(fù)提高圍巖的完整性和整體強(qiáng)度,并配合錨網(wǎng)索支護(hù),擴(kuò)大支護(hù)結(jié)構(gòu)有效承載圈范圍。(5)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,判斷施工方案的合理性,指導(dǎo)后續(xù)施工。3.2預(yù)應(yīng)力錨索及注漿錨桿安裝(1)巷道開(kāi)挖后,盡快在巷道表層噴射50mm厚的混凝土層封閉圍巖,以防止圍巖風(fēng)化和表面危巖跨落,噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。(2)金屬網(wǎng)采用φ6mm的鋼筋制成,網(wǎng)格尺寸為100mm×100mm,每片尺寸2200mm×800mm。(3)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿:材料采用建筑Ⅳ級(jí)螺紋鋼,等強(qiáng)螺紋,左旋無(wú)縱筋桿體,直徑為φ22mm,長(zhǎng)度為2800mm,間排距為700mm×700mm,梅花形布置,采用樹(shù)脂錨固劑端錨,錨固段長(zhǎng)度不小于1800mm,預(yù)應(yīng)力不小于50kN。同時(shí),在兩幫墻腳向上0.2~0.3m處各增加一根俯角為45°并傾斜向下的幫角錨桿。(4)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索:錨索規(guī)格為φ17.8mm×6000mm,間排距為1400mm×1400mm,垂直于巷道輪廓線布置,預(yù)應(yīng)力不小于100kN。(5)巷道頂幫采用29U型鋼支架,支架間距為500mm,采用傳統(tǒng)卡子連接,地面預(yù)制,井下裝配。支架后適當(dāng)充填碎石,以使支架受力均勻,盡快發(fā)揮支護(hù)作用。(6)支架安裝完畢后,在巷道表層噴射100mm混凝土,起封閉作用。(7)全斷面注漿。首先進(jìn)行淺孔注漿,注漿參數(shù)為:注漿管長(zhǎng)為500mm,注漿孔長(zhǎng)1000mm,其排距為5000mm,每斷面布置5根,注漿壓力為2.5MPa。待淺孔注漿形成強(qiáng)度后,再進(jìn)行深孔注漿,注漿參數(shù)為:注漿孔長(zhǎng)度為2000mm,注漿錨桿長(zhǎng)度為1800mm,排距為2000mm,封孔長(zhǎng)度為400~500mm,注漿壓力為3.5MPa,共布置12根深孔注漿錨桿。底角注漿錨桿選用直徑為48mm的無(wú)縫鋼管制備,其余注漿管和注漿錨桿采用外徑為27mm無(wú)縫鋼管制備。3.3錨網(wǎng)索支護(hù)下圍巖位移分布對(duì)上述分步聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬,以論證該支護(hù)方案的可行性,其相應(yīng)計(jì)算模型如圖7所示。在計(jì)算時(shí)錨桿(索)用Cable單元模擬,U型鋼支架用Struct單元模擬,而鋼筋網(wǎng)、初噴混凝土以及全斷面注漿對(duì)圍巖的加固作用則作為安全儲(chǔ)備而不予考慮,整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行12000步后達(dá)到平衡狀態(tài)。圖8為采用錨網(wǎng)索支護(hù)后圍巖體內(nèi)水平及垂直位移分布云圖。圖9、10分別為巷道周邊塑性區(qū)和主應(yīng)力分布圖。比較上述圖形說(shuō)明,采用該支護(hù)方案后,巷道圍巖變形得到了有效控制,其水平相對(duì)收斂位移為80~100mm,頂板位移量為20~40mm,底臌量為100~120mm,且未出現(xiàn)塊體垮落或滑移。另外,巷道周邊應(yīng)力分布狀態(tài)也明顯改善,應(yīng)力集中的程度、區(qū)域和塑性區(qū)分布范圍均較支護(hù)前明顯減小,表明支護(hù)結(jié)構(gòu)已充分起到了對(duì)淺部圍巖的控制作用。3.4現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析現(xiàn)場(chǎng)采用該支護(hù)方案后,為檢驗(yàn)支護(hù)效果,完善、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,故在試驗(yàn)段設(shè)置了若干監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)工作自2008年4月19日起,截止到2008年9月3日止。在該期間內(nèi),共進(jìn)行了多種方法的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),并根據(jù)量測(cè)結(jié)果繪制了收斂時(shí)間曲線圖。本文選取拱頂下沉和兩幫收斂2個(gè)最直接、最具有代表性的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行分析。由圖11可知,觀測(cè)段巷道基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中,監(jiān)測(cè)斷面兩幫最大收斂速率約為4.11mm/d,拱頂最大下沉速率約為0.8mm/d,累積水平收斂量和拱頂下沉量分別為122.95mm和35.54mm?？梢?jiàn)該支護(hù)方案有效控制了深部破裂圍巖巷道的大變形,保證了巷道的穩(wěn)定和礦井的正常生產(chǎn)。4深部巷道圍巖支護(hù)效果分析本文在對(duì)顧北礦-648m南翼回風(fēng)大巷試驗(yàn)巷道地質(zhì)條件和非線性大變形機(jī)制綜合分析的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地提出了深部巷道破裂圍巖的支護(hù)對(duì)策與方案,并通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行了分析驗(yàn)證,得出如下結(jié)論:(1)破裂圍巖開(kāi)挖后的變形破壞過(guò)程是一個(gè)漸近發(fā)展的過(guò)程,局部關(guān)鍵塊體的垮落或滑移,是導(dǎo)致其他部位失穩(wěn),巷道產(chǎn)生非線性大變形的主要原因,所以對(duì)深部巷道破裂圍巖關(guān)鍵塊體需采取及時(shí)、合理的支護(hù)措施,才能有效確保地下工程的圍巖穩(wěn)定性。(2