深部巷道圍巖蠕變的數(shù)值模擬

張周鑫,　劉麗紅

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

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深部巷道圍巖蠕變的數(shù)值模擬

張周鑫,劉麗紅

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

煤礦深部開采時,針對高地應(yīng)力下巖體蠕變導(dǎo)致的巷道圍巖變形問題,分析了圍巖變形破壞特征,并結(jié)合現(xiàn)場相關(guān)地質(zhì)資料,采用FLAC3D程序的Burgers蠕變模塊,對不同圍壓條件下巷道圍巖蠕變問題進行模擬研究。結(jié)果表明:圍巖的蠕變存在著初始蠕變和穩(wěn)定蠕變兩個階段；圍巖的蠕變移近量、變形速率和應(yīng)力均隨時間的延長而增大,最終趨于穩(wěn)定。該研究對高地應(yīng)力條件下巷道施工有一定指導(dǎo)意義。

巷道; 高地應(yīng)力; 圍巖蠕變; 數(shù)值模擬; FALC3D

(School of Earth & Environment, Anhui University of Science & Technology, Huainan 232001, China)

0　引　言

隨著淺部煤炭資源的逐漸萎縮,向深部開采的力度與需求在不斷地加大。大量工程實踐表明,深部硐室、巷道開挖后,在外界荷載的長期作用下圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)及破壞形態(tài)都會隨時間的變化而不斷改變,從而表現(xiàn)出明顯的時效特征和流變特性。天然巖體屬于不連續(xù)、非均質(zhì)、各向異性的力學(xué)介質(zhì),大量的流變實驗研究表明,在單軸應(yīng)力條件下當(dāng)巖體所處的應(yīng)力水平較低時,巖石就會呈現(xiàn)出類似固體材料的黏彈性變形特征;一旦加載應(yīng)力超過巖體應(yīng)力閥值,則會出現(xiàn)類似流體材料的黏塑性變形特征。近年來,煤礦的深部開采使巷道的安全穩(wěn)定性問題逐漸顯現(xiàn),而這又與巖石的流變力學(xué)特性密切相關(guān)。目前,國內(nèi)關(guān)于圍巖蠕變的理論研究成果較為豐富[1-6],其中,王永巖等[7]對深部工程中不同深度的巷道圍巖在高地應(yīng)力作用下的蠕變破壞過程進行了數(shù)值模擬,得到了時間-蠕變、水平地應(yīng)力-蠕變曲線組和時間-水平地應(yīng)力-蠕變?nèi)S曲面, 應(yīng)用Mohr-Coulomb和Griffith破壞準則,獲得了高地應(yīng)力巖體的非線性蠕變破壞的規(guī)律。但深部巷道圍巖流變特性的研究還較少,因此,文中應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件中的Burgers蠕變模型,模擬分析不同圍壓條件下,圍巖的應(yīng)力、形變、位移速率隨時間的變化關(guān)系;同時,從流變的角度,運用力學(xué)理論,對高地應(yīng)力下巷道圍巖蠕變特性進行分析研究。

1　數(shù)值模型

1.1研究背景

謝一礦謝李大井服務(wù)于-660 m以下深部水平,以綜采綜掘為主,為深井開采實驗礦井。文中數(shù)值模型以此為工程背景,設(shè)計尺寸60 m×100 m×60 m,巷道半圓部分半徑為2 m,側(cè)幫高2 m,巷道置于單一巖層中,頂?shù)讕r層簡單化處理為巖組;模型施加水平約束,底界垂直約束,頂界面據(jù)不同深度h分別設(shè)置不同壓力。為較好反應(yīng)不同圍壓條件下巷道蠕變特征,結(jié)合礦井實際,擬定-660、-960和-1 200 m三個水平為具體研究對象。

1.2模型選取

FLAC3D軟件在解決非線性大變形問題上具有很大的優(yōu)勢,其中的蠕變本構(gòu)模型共有八個,該次模

擬選取能很好的描述這種煤巖蠕變規(guī)律的Burgers蠕變模型[8-12]。該模型是由一個開爾文模型和一個馬克斯威爾模型串聯(lián)而成的,其中馬克斯威爾模型具有瞬時蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和非線性松弛,且具有黏性流動的特征;開爾文模型具有衰減蠕變和彈性后效的特征。模型的具體表達式為

k——剛度系數(shù);

η——黏度系數(shù)。

Burgers模型如圖1所示,圖1a為本構(gòu)模型,圖1b為蠕變移近量隨時間變化關(guān)系,圖1c為當(dāng)應(yīng)力值一定時形變量與時間的關(guān)系。

圖1　Burgers模型Fig. 1　Burgers model

1.3參數(shù)確定

根據(jù)相關(guān)資料建立模型,所需的各參數(shù)見表1,計算模型及初始最大主應(yīng)力平衡如圖2、3所示。

表1　模型參數(shù)Table 1　Parameters of model

圖2　計算模型Fig. 2　Calculation model

圖3　最大主應(yīng)力平衡Fig. 3　Map of max main stress balance

2　結(jié)果與分析

由于蠕變計算與動力計算不能耦合,因此計算過程中先用蠕變計算應(yīng)力場,然后進行瞬態(tài)的動力計算。蠕變過程由偏應(yīng)力狀態(tài)控制,從數(shù)值計算的精度來講,最大蠕變時間步長可以表示成材料黏性常數(shù)和剪切模量的比值。計算過程自動調(diào)整時間步長, 同時在計算的過程中設(shè)置檢測點對蠕變移近量及速度進行采樣。

設(shè)置巷道蠕變時間為20 a,導(dǎo)出巷道檢測點形變圖表,分析無支護巷道的蠕變特性。由圖4可知,無支護巷道圍巖在不同的圍壓條件下，在開始的250 d左右處于初始蠕變階段,隨后有一個較短時間的過度階段,270 d之后進入穩(wěn)定蠕變階段。由于圍壓的不同,圍巖蠕變移近量也表現(xiàn)出不同的曲線特性,如圖4所示,隨著深度的增加,形變量的變化率越大,越能更好地反應(yīng)圍壓大小對巖石蠕變的影響。

圖5為相同檢測點圍巖蠕變速度曲線,總體趨勢是在蠕變時間為250 d內(nèi)圍巖變形速率相差很大,在某一時刻達到了峰值速率,呈現(xiàn)出類拋物線特征;隨后經(jīng)歷一段時間的波動,最終分別達到穩(wěn)定變形速率的狀態(tài)。同時,在巷頂及側(cè)幫的速率檢測結(jié)果表明,由于深度的影響,變形速率的峰值與穩(wěn)定狀態(tài)值也呈對應(yīng)關(guān)系。

圖4　巖石形變時程曲線Fig. 4　Time-histories curve of deformation in roadway rock

圖5　巖石蠕變速率曲線Fig. 5　Velocity curve of rocks creep

圖6a為巷道深度是-660 m時的垂直應(yīng)力云圖,由圖6a可知,巷道中心及附近位置應(yīng)力最小為1 MPa,兩幫位置最高達10 MPa,且在模型范圍內(nèi)拉、壓應(yīng)力同時存在;應(yīng)力的總體形態(tài)呈現(xiàn)出以巷道中心為軸對稱的均勻分布,頂?shù)装宸秶鷥?nèi)表現(xiàn)出應(yīng)力拱型特征。當(dāng)深度增加到-960 m時,巷道圍壓增大,圍巖垂直應(yīng)力云圖的形態(tài)特征略微發(fā)生變化,在巷道兩幫外圍小范圍內(nèi)應(yīng)力集中達到最大的壓應(yīng)力,形態(tài)幾乎呈對稱均勻分布,巷道橫向5 m范圍內(nèi)為拉應(yīng)力區(qū),應(yīng)力最小(圖6b)。當(dāng)巷道深為-1 200 m時,受深部地應(yīng)力影響,模型全局范圍內(nèi)受壓應(yīng)力作用,且在巷道側(cè)幫橫向上達到最大,頂?shù)装鍛?yīng)力近乎梯度變化(圖6c)。

圖6　不同深度圍巖蠕變垂直應(yīng)力云圖Fig. 6　Vertical stress nephogram of surrounding rock under different depth

3　結(jié)　論

(1)運用FLAC3D軟件蠕變模塊分析了不同圍壓條件下,無支護巷道的蠕變特性,得到了不同深度巷道圍巖的形變量、變形速率及應(yīng)力變化特征圖,并分析了巷道蠕變的應(yīng)力場分布規(guī)律,描繪了巷道頂板及兩幫的蠕變位移曲線和變形速率曲線,清晰地反應(yīng)出圍巖蠕變的應(yīng)力、應(yīng)變隨時間變化的流變特征。

(2)不同深度的巷道圍巖蠕變表現(xiàn)出相似的特征,均分為初始蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變兩個階段,且隨著深度增加蠕變量增大且加快;進入到穩(wěn)態(tài)蠕變之后表現(xiàn)出幾乎線性的黏彈性特征。

(3)確定具體條件下蠕變的時間歷程,在相應(yīng)階段采取措施,可在一定程度上控制巷道圍巖變形。

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(編輯王冬)

Numerical simulation on creep for surrounding rocks of deep laneway

ZHANGZhouxin,LIULihong

Aimed at addressing the deformation of the surrounding rock of roadway triggered by the creep of rock mass subjected to high in-situ stress, such as occurs in deep coalmining, this paper describes an analysis of the distortion and failure character of surrounding rock and a simulation on the creep of tunnel surrounding rock under the different confining pressure, combined with related field geological data and using the burgers creep module of FLAC3D. The results show that rock deformation around roadway, deformation rate, and stress increase with time and tend to be stable. The creep involves two stages: initial creep and steady creep. This research is of a certain guiding significance for the construction of roadway under the high in-situ stress.

mining roadway; high stress; surrounding rocks creep; numerical simulation; FLAC3D

2013-09-17

國家自然科學(xué)基金項目(41201017)

張周鑫(1988-),男,安徽省安慶人,碩士,研究方向:水文地質(zhì)與工程地質(zhì),E-mail:zhxzhang88@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.06.004

TD315.3

1671-0118(2013)06-0519-04

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