破碎压实岩体节理宏观力学参数研究_王泽雨.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 破碎压实岩体稳定性问题在煤矿生产过程中经 常遇到， 如采空区下巷道维护、 采空区下煤层开采、 断层破碎带巷道掘进等。巷道顶板的破碎岩块压实 形成再生顶板[1-3]， 再生顶板的稳定性评估成为了需 要解决的问题，而估算节理力学参数是评估再生顶 板稳定性的基础。诸多学者对破碎岩体的节理力学 参数做出来大量的研究。张振南等通过对破碎岩块 的压实试验， 得到了岩块压实变形模量同轴向应力、 轴向应变之间的关系[4-5]； 题正义通过压实试验得到 了充填矸石受压状态下的变形规律[6]； 黄艳利等采 用 UDEC 软件模拟了不同压实率充填体对地表沉陷 的控制作用，并得出地表沉陷在允许范围内的最大 压实率为 15[7]。上述研究大多对破碎岩块的压实 特性进行探讨，对由破碎岩块组成的压实体本身的 力学性质分析较少。且对节理几何参数和力学参数 的研究大多使用原位试验或室内试验对 1 条或多条 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.006 破碎压实岩体节理宏观力学参数研究 王泽雨 1， 2， 王同旭1， 2， 宋学峰1， 2， 马文强3 （1．山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590； 2．山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室 培育基地， 山东 青岛 266590； 3．信阳师范学院， 河南 信阳 464000） 摘要 为解决随机分布节理面力学参数的科学估算， 在实验室内选用不同粒径级配的破碎岩 块进行压缩， 获得不同压实率下的压实体试件。对压实体进行单轴压缩试验， 记录其轴向应力应 变曲线的同时分析压实体节理迹长概率分布函数和范围； 其次， 通过正交试验和数值模拟的方 法构造单轴压缩数值模型，选用与试验轴向应力应变曲线最接近的模拟曲线的节理力学参数， 作为该压实体的节理力学参数。最后结合实际现场， 利用得到的压实体节理力学参数， 研究不同 压实程度下再生顶板巷道顶板稳定性。得出了在破碎岩块粒径越小， 压实率越大的情况下， 再生 顶板越稳定的结论。 关键词 破碎压实岩体； 节理力学参数； 数值模拟； 随机节理网络； 正交试验； 再生顶板 中图分类号 TD315文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0023-05 Research on Macro-mechanical Parameters of Fractured Compacted Rock Mass WANG Zeyu1,2, WANG Tongxu1,2, SONG Xuefeng1,2, MA Wenqiang3 （1.College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China； 2.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China；3.Xinyang Normal University, Xinyang 464000, China） Abstract In order to solve the scientific estimation of mechanical parameters of randomly distributed joint surfaces, in the labora－ tory, fractured rock blocks with different particle size gradations are selected to compress and obtain compacted solid specimens with different compaction rates； uniaxial compression experiments are carried out on compacted solid to record its axial stress- strain curves and analyze the probability distribution function and range of joint trace length； secondly, through orthogonal test and numerical simulation, the uniaxial compression numerical model was constructed, and the joint mechanical parameters of the simu－ lated curve closest to the experimental axial stress-strain curve were selected as the joint mechanical parameters of the compres－ sion body. Finally, the roof stability of regenerated roof roadway under different degrees of compaction is studied by using the me－ chanical parameters of joints obtained from the actual site. It is concluded that the recycled roof is more stable when the particle size of the crushed rock is smaller and the compaction rate is higher. Key words fractured compacted rock mass； joint mechanical parameter； numerical simulation； random joint network； orthogonal test； recycled roof 基金项目 山东省重点研发计划资助项目 （2015GSF116012） ； 山东 省自然科学基金资助项目 （ZR2016EEM36） 23 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 表 1压实体试件制备方案 图 2不同压缩率下压实体单轴压缩应力应变曲线 图 1不同粒径范围下压实体单轴压缩应力应变曲线 同一倾角节理进行力学参数确定[8-13]， 对于多节理且 节理随机分布的研究较少。为此从破碎岩块压缩后 的压实体的力学特性出发，对多节理且节理随机分 布的破碎压实岩体的力学性质进行研究。在实验室 制作破碎压实体并进行单轴试验的基础上，假设构 成压实体的破碎岩块均匀分布。根据构成压实体的 破碎岩块的尺寸来选取多且随机分布的节理的几何 参数；通过正交试验获得节理面力学参数组合方 案，用 3DEC 离散元软件构造破碎压实体的随机节 理网络，建立多组单轴压缩数值模型；将得出的多 组应力应变曲线与实验室记录进行对比，取与试验 应力应变曲线最接近的模拟曲线所对应的节理力学 参数作为该压实体的宏观节理力学参数。将得到的 节理参数代入以北皂矿现场为基础的数值模型中， 可以为预估其再生顶板下沉量提供方法。 1压实体实验室试验及结果分析 1．1压实体试件制备与压缩 对北皂矿油页岩顶板取心，岩石破碎后筛选出 6 种级配的岩石碎块， 形成 3 种粒径组合。 压实体设 计压缩量为 60、 65、 70 mm， 对应的压缩率为 31．6％、 34．2％、 36．8％。压实体初始高度均为 190 mm， 直径 为 100 mm。将脱模后的压实体， 分组进行单轴压缩 试验， 获得轴向应力应变曲线。 1．1．1不同粒径范围压实体应力应变曲线 压实体试件制备方案见表 1。压缩率为 36．8％ 情况下，将表 1 中 3 种粒径范围的压实体试件进行 单轴压缩试验得到的轴向应力应变曲线如图 1。 由图 1 可知， 压缩率为 36．8％情况下， 单轴抗压 强度随着粒径的增大而降低，曲线斜率也逐渐减 小。这意味着同等压缩率条件下，破碎岩块的尺寸 越小，压实体的孔隙率越小，其抗压强度及弹模也 就越高。 1．1．2不同压缩率压实体应力应变曲线 粒径范围为 5～25 mm 的岩石碎块，在 31．6％、 34．2％、 36．8％压缩率下形成的压实体试件，其单轴 压缩轴向应力应变曲线如图 2。 可见， 当岩石碎块的粒径组合相同时， 压缩率越 大的压实体其抗压强度越高。压缩率越低，压实体 空隙率越大， 其抗压强度越低， 变形模量也越小。 以上 2 种对照试验都表明压实体的强度主要由 岩石碎块之间接触面的强度参数决定，破坏主要是 由于接触面的裂隙扩张和滑动引起，而破碎岩块本 身一般不会发生破坏。 1．2压实体节理几何参数分析 假设压实体内节理的倾角、倾向和节理中心点 坐标为均匀分布。由于表 1 中的 5 种压实体的粒径 选择都按 1∶1∶1∶1 的质量比配得， 文中用破碎岩块数 目在压实体内的概率分布来近似表达压实体内部节 理迹长的概率分布。由构成压实体的破碎岩体的数 量可以得出节理迹长的函数表达为负指数分布函 数，迹长范围即粒径的范围。节理面的总数量可由 式 （1） 计算 N＝nxnynz（1 ） 式中 N 为节理面的总数量； nx、 ny、 nz分别为 x、 y、 z 3 个方向上节理面的数量。 则 3DEC 数值模拟时所需要的节理几何参数的 压实体粒径范围/mm设计压缩量/mm a b c d e 5～25 10～30 15～35 5～25 5～25 70 70 70 65 60 24 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 表 3节理面力学参数组合方案 图 35 种压实体应力应变曲线 表 2节理几何参数 取值见表 2。 2数值模型的建立及正交试验对比后的确定参数 2.1压实体单轴压缩数值模型 采用 3DEC 软件中基于蒙特卡罗原理[14-16]的DFN 模块建模，建模中的破碎岩块的节理特性是随机、 平面且有限尺寸。节理形式为圆盘节理，圆盘节理 的尺寸、 位置、 产状均随机分布。通过对块体与节理 面力学参数取值范围的合理估测，制定了四因素三 水平正交表， 节理面力学参数组合方案见表 3。 由获得 9 种节理面力学参数组合方案，总计得 到 59 个 3DEC 单轴压缩数值模型。 2.2单轴压缩数值模拟结果分析 通过对 59 个 3DEC 单轴压缩数值模型模拟， 将模拟的单轴应力应变曲线与实验室对应曲线进行 对比， 从 9 种节理力学参数组合中寻找最优方案。5 组模型的模拟曲线与试验曲线如图 3。 压实 体 域/ （mmm ）条数 迹长 P30/m-3 分布 缩放 指数 a 范围/mm a b c d e 0.10.10.12 0.10.10.12 0.10.10.12 0.10.10.125 0.10.10.13 1 872 512 216 1 872 1 872 负指数 负指数 负指数 负指数 负指数 2 2 2 2 2 [525] [1030] [1535] [525] [525] 1 560 000 426 667 180 000 1 497 600 1 440 000 方案 法向刚度/ GPa 切向刚度/ GPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/ （ ） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 2 2 2 3 3 3 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 0.1 0.2 0.3 0.2 0.3 0.1 0.3 0.1 0.2 16 19 22 22 16 19 19 22 16 25 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 5不同方案下顶板下沉量曲线 图 4数值计算模型图 选定 7 个应变值所对应的应力作为与实验曲线 的判断基准， 7 个应变值为 0.251.75的均匀分 布， 将图 3 中的 5 组图像分别进行距离差计算， 计算 所得距离差见表 4。 3工程实例模拟预测 3.1现场数值模型建立 北皂矿 1105 油页岩下分层工作面， 由上分层顶 板冒落后重新压实形成下分层再生顶板，需要对再 生顶板巷道顶板稳定性及其随块体大小组合及压 实时间 （压实率）变化规律进行分析预测。为此， 建立 3DEC 数值模型， 模型长 50 m、 高 23 m、 宽 1 m， 下分层巷道宽 4 m、 高 3 m。数值计算模型如图 4。模型中的节理参数分别采用反演分析得到的上 述 4 种节理力学。 3.2再生顶板巷道稳定性分析 根据所选择的 4 种节理参数（对应表 4 中方案 3、 方案 5、 方案 4、 方案 2 ） ， 分别模拟 4 种方案下巷 道顶板下沉位移， 所得位移曲线由图 5。 由图 5 可见， 巷道中部的顶板下沉量最大， 方案 3、 方案 5、 方案 4、 方案 2 的顶板最大下沉量依次为 30.29、 32.61、 35.61、 36.73 cm。可见， 同样粒径下压 缩率越大则顶板稳定性越好，块体与块体之间的变 形与滑移，是造成顶板变形较大、稳定性较差的主 要原因， 必须进行加强支护， 增加再生顶板整体性， 才能保证顶板稳定性。 4结语 破碎岩块压实体稳定性主要由节理几何及力学 特征决定，但估算随机分布复杂节理体系的力学参 数是十分困难的。为此抛开了单节理特征参数的研 究方法，而是将含有随机分布复杂节理体系的破碎 压实岩体的实验室单轴压缩结果与离散元数值模拟 结果进行对比， 获得不同块体大小及数目组合、 不同 压实率下压实体的宏观节理力学参数。通过估算得 出的节理力学参数可以为现场再生顶板下沉量的估 计提供参考。 参考文献 ［1］ 王同旭， 马文强， 曲孔典．随机节理岩体巷道再生顶板 失稳机理与控制研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2016， 33 （2） 265－270． ［2］ 马文强， 王同旭， 江东海， 等．基于双承载拱的巷道再 生顶板控制机理 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2017， 34 （1） 47－53． ［3］ 马文强， 李恭建， 王同旭．再生顶板下巷道布置及支护 压实体方案 1方案 2方案 3方案 4方案 5方案 6方案 7方案 8方案 9 a b c d e 0.96 0.96 0.59 0.78 0.74 0.79 0.48 0.30 0.37 0.15 0.19 0.25 0.30 0.27 0.17 0.37 0.43 0.29 0.53 0.33 0.66 0.24 0.46 0.24 0.18 1.28 1.22 1.01 1.07 0.99 0.72 0.35 0.55 0.60 0.54 1.51 1.23 1.02 1.18 0.99 1.10 1.27 1.14 1.26 1.03 表 45 种压实体在不同方案下的距离差MPa 26 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 离散元模拟 ［J］ ．辽宁工程技术大学学报 （自然科学 版） ， 2016， 35 （9） 897－901． ［4］ 张振南， 茅献彪， 郭广礼．松散岩块压实变形模量的试 验研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2003， 22 （4） 578. ［5］ 张振南， 缪协兴， 葛修润．松散岩块压实破碎规律的试 验研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2005， 24 （3） 451. ［6］ 题正义， 秦洪岩， 李树兴．矸石充填的压实特性试验分 析 ［J］ ．水资源与水工程学报， 2012， 23 （4） 129－131． ［7］ 黄艳利， 张吉雄， 张强， 等．充填体压实率对综合机械 化固体充填采煤岩层移动控制作用分析 ［J］ ．采矿与 安全工程学报， 2012， 29 （2） 162－167． ［8］ 马文强， 王同旭， 曲孔典．基于薄板模型的高韧性煤层 难冒放机理分析 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2017， 34 （4） 644－649． ［9］ 付建新， 宋卫东， 谭玉叶．岩体力学参数对巷道变形特 性的影响程度分析 ［J］ ．浙江大学学报 （工学版） ， 2017， 51 （12） 2365－2372. ［10］ 严秋荣， 冯君， 杨涛， 等．节理岩体力学参数确定的数 值试验方法 ［J］ ．同济大学学报 （自然科学版） ， 2017， 45 （2） 188－194． ［11］ 王泮飞， 刘国磊， 袁承录， 等．北皂煤矿油页岩上行开 采对软岩巷道的影响分析及支护对策 ［J］ ．煤炭工 程， 2011， 43 （7） 53－55． ［12］ 吴琼． 复杂节理岩体力学参数尺寸效应及工程应用 研究 ［D］ ．武汉 中国地质大学， 2012． ［13］ 崔臻， 冷先伦， 朱泽奇， 等．非贯通随机节理岩体的结 构效应对地下洞室地震响应的影响 ［J］ ．岩土力学， 2014， 35 （S2） 645－652． ［14］ 朱杰．节理岩体边坡的关键块体失稳概率和可靠度 研究 ［D］ ．南京 河海大学， 2006． ［15］ 刘海军．基于蒙特卡罗法的岩体裂隙网络模型及渗 透张量的研究 ［D］ ．哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2011． ［16］ 李满枝， 王洪涛， 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