岩体非连续破坏模拟与应用

本书结合矿业工程中发生的一些灾害现象，研究其中岩体非连续破坏的定性和定量特征，使用颗粒流理论和方法对这些破坏现象进行模拟和分析。现象包括：岩体地震破坏、岩体爆破、煤岩体自燃、开采过程冲击地压等；研究对象包括：尾矿库、边坡、巷道、采空区等。主要内容包括：（1）岩体结构建模方法；（2）岩体爆破过程模型研究与应用；（3）岩体位移及沉降模拟与分析；（4）残煤自燃过程模拟与分析；（5）岩体地震破坏过程模拟与分析；（6）冲击地压过程模拟与分析。本书论述了作者研究期间提出的一些描述岩土体非连续破坏过程的模型和方法。

目录
《岩石力学与工程研究著作丛书》序
《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话
前言
章 绪论 1
1.1 研究工作的目的和意义 1
1.2 研究现状和存在的问题1
1.2.1 岩体建模方法 2
1.2.2 岩体爆破模拟方法 2
1.2.3 岩体位移及沉降模拟方法 3
1.2.4 煤岩自燃模拟方法 5
1.2.5 岩体地震模拟方法 6
1.2.6 冲击地压模拟方法 7
1.3 颗粒流理论 9
1.3.1 颗粒流与PFC 3D 9
1.3.2 物理模型 10
1.3.3 接触模型 11
1.3.4 阻尼模型 16
1.3.5 热力耦合模型 17
1.3.6 边界条件施加 18
1.3.7 一般构建过程 18
1.3.8 计算循环实现 19
1.3.9 细观参数标定 20
1.4 本书主要内容及研究特色 22
参考文献 22
第2章 岩体建模方法 31
2.1 山地造形方法 31
2.1.1 山形构建方法 32
2.1.2 山形网格构建 32
2.1.3 山形数据处理 33
2.1.4 山形模型构建 33
2.2 下落法构建岩体模型 34
2.2.1 尾矿库模型构建 35
2.2.2 PFC 3D模型构建 37
2.2.3 下落法建模过程 39
2.2.4 煤堆模型构建 42
2.3 岩体中不整合面构建 43
2.3.1 岩层接触形式 43
2.3.2 接触面构造方法 44
2.3.3 接触面模型构建 45
2.3.4 模拟与结果分析 52
2.4 小结 53
参考文献 54
第3章 岩体爆破过程模拟 55
3.1 边坡爆破过程模拟及稳定性分析 55
3.1.1 边坡模型构建 55
3.1.2 爆炸模型构建 57
3.1.3 模拟与结果分析 59
3.2 放顶爆破方案模拟 64
3.2.1 工程背景 64
3.2.2 采空区模型构建 66
3.2.3 模拟与结果分析 69
3.3 边坡爆破高度对边坡稳定性的影响 72
3.3.1 边坡模型构建 72
3.3.2 模拟与结果分析 73
3.4 边坡爆破与飞石距离分析 76
3.4.1 爆破方案设置 76
3.4.2 飞石模拟与距离统计分析 77
3.5 厚硬岩层回采处理方案模拟 79
3.5.1 工程背景 79
3.5.2 模型构建 80
3.5.3 模拟与结果分析 81
3.6 爆炸模型改进 84
3.6.1 三维爆炸模型构建 85
3.6.2 模拟与结果分析 87
3.7 小结 92
参考文献 93
第4章 岩体位移及沉降模拟 95
4.1 充填开采与地面路基沉降模拟 95
4.1.1 岩层模型构建 95
4.1.2 模拟与结果分析 96
4.2 采空区处理方式与上覆路基沉降模拟 100
4.2.13 种方案模型构建 100
4.2.2 模拟与结果分析 101
4.3 岩层错动与复杂构造岩体破坏 105
4.3.1 工程背景 105
4.3.2 模拟与结果分析 105
4.3.3 很优巷道路径确定 107
4.4 急倾斜煤层开采模拟 108
4.4.1 开采方案 108
4.4.2 方案模型构建 109
4.4.3 模拟与结果分析 111
4.4.4 岩体加固建议 114
4.5 小结 115
参考文献 116
第5章 煤岩自燃过程模拟 117
5.1 采空区遗煤发火模拟 117
5.1.1 工程背景 117
5.1.2 遗煤发火细观模型构建 118
5.1.3 模拟与结果分析 119
5.1.4 模型改进研究 121
5.2 煤堆自燃模拟 122
5.2.1 工程实例 122
5.2.2 氧气流动模型构建 123
5.2.3 模拟与结果分析 123
5.3 残煤自燃与矿边坡稳定性 126
5.3.1 工程实例及模型构建 126
5.3.2 模拟与结果分析 127
5.4 边坡残煤自燃温场确定 130
5.4.1 氧流场及细观模型构建 130
5.4.2 模拟与结果分析 131
5.5 煤岩自燃与复杂边坡稳定性 133
5.5.1 自燃模型构建 133
5.5.2 模拟结果分析 134
5.6 小结 136
参考文献 137
第6章 岩体地震模拟与稳定性 139
6.1 尾矿库地震稳定性 139
6.1.1 尾矿库模型构建 139
6.1.2 地震模型构建 139
6.1.3 模拟与结果分析 140
6.2 一般边坡的地震稳定性 141
6.2.1 工程实例及模型构建 142
6.2.2 模拟与结果分析 143
6.3 顺坡裂隙边坡地震破坏模拟 145
6.3.1 工程背景及模型构建 145
6.3.2 模拟与结果分析 146
6.3.3 地震模拟结果总结 148
6.3.4 治理方案及效果分析 149
6.4 逆坡裂隙边坡地震破坏 150
6.4.1 模型构建 150
6.4.2 模拟与结果分析 151
6.4.3 与顺坡裂隙边坡破坏的对比 153
6.5 废弃采空区地震与地表沉降 154
6.5.1 模型构建 154
6.5.2 模拟与结果分析 155
6.6 小结 159
参考文献 160
第7章 冲击地压过程模拟 162
7.1 冲击地压细观过程 162
7.1.1 冲击地压与能量理论 162
7.1.2 细观过程与能量关系 163
7.2 不同深度冲击地压过程 168
7.2.1 冲击地压模型构建 168
7.2.2 冲击地压过程分析 170
7.3 深度及倾角对冲击地压的影响 175
7.3.1 模型构建 176
7.3.2 模拟与结果分析 177
7.4 冲击地压特征量数值关系 180
7.4.1 特征量提取 181
7.4.2 特征量关系分析 181
7.5 小结 184
参考文献 185

    章绪论
    1.1研究工作的目的和意义
    目前，岩体的灾变过程研究取得了较大进展，但也存在明显问题。
    相似实验和基于连续性理论的岩体灾变过程研究存在先天不足，特别是对非连续性破坏的研究。对于实验台，其实验尺度对结果具有不可忽略的影响，模型难以1:1建立。另外，模型的制作相当耗费人力、财力和时间。为弥补实验的不足，提出使用模拟对难以制作的模型及难以出现的现象进行分析。对于模拟，基于连续性介质理论的模拟破坏过程也存在一定不符合实际过程的缺点。例如，AN-SYS、FLAC及ADINA等模拟软件是基于连续介质理论的，一般情况下只能模拟破坏后的岩体变形，即连续性破坏；不能模拟实际过程中的岩体断裂、破碎现象。这样的模拟结果难以描述岩体地震及爆破破坏、煤岩自燃破坏、冲击地压等动力作用后的岩体非连续破坏现象。但是，这些现象在实际生产生活中是普遍存在的，是不可回避的工程及科学问题。
    上述问题的主要矛盾在于连续与非连续、静态与动态之间的转化。此时，需要同时具备连续与非连续、静态与动态模拟能力的理论与方法对该问题进行解决。颗粒流理论是目前较好的解决方案，可同时描述固体在连续和非连续过程中受到动力破坏作用后的变形、破裂、分离、抛射和坍塌等过程，是解决上述问题的有效途径。
    因此，本书目的在于借助颗粒流理论，并进行二次模型开发，对岩体进行建模，从而研究其在动力作用下发生的从静态到动态、从连续到非连续的破坏过程。涉及的动力作用包括地震、爆破、自燃、冲击地压等；研究对象为岩体，包括尾矿库、边坡、采空区、上覆岩层等。
    非连续破坏在实际生产生活中比连续破坏更为普遍。对岩体非连续破坏进行研究也是学术界的热点。本书进行的研究是探索性的，力求在定性和规律层面上得到一些有益的结果。
    1.2研究现状和存在的问题
    学术界对岩体非连续破坏形式的研究是多样的，这里给出与本书相关的研究现状和存在的问题。
    1.2.1岩体建模方法
    PFC3D是Itasca公司2008年发布的一款高端产品，特别适合复杂机理性问题的研究[1]。在岩体工程中可用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。PFC3D应用难度较大，对用户要求较高。
    本书涉及使用PFC3D进行复杂山形建模、岩体建模和岩体接触面建模方面的研究。
    对于复杂山形的建模，只有张龙等[2]的鸡尾山高速远程滑坡运动过程PFC3D模拟中明确使用了山地造形，但并未说明造形的具体过程。
    关于岩体建模研究主要有:陈宜楷[3]对基于颗粒流离散元的尾矿库坝体进行了稳定性分析；李识博等[4]研究了松散堆积物坝基渗透淤堵试验及颗粒流模拟；吴顺川等[5]进行了卸载岩爆试验及PFC3D数值模拟研究；刘先珊等[6]研究了三维颗粒流数值模型的胶结砂岩力学特性；姜春林等[7]对微型抗滑桩土拱效应空间特征的细观力学进行了分析；周健等[8]进行了基于三维离散-连续耦合方法的分层介质中桩端刺入数值模拟。但是，使用PFC3D所构建的模型形状都比较简单，尺寸也比较小，难以满足实际工程需要。
    关于岩体中不同岩石接触面建模的研究主要有：毛先成等[9]研究了基于不规则三角网的地质界面三维形态分析方法与应用；张燕等[10]研究了开采扰动下不整合面附近的岩体变形特征；于福生等[11]对龙门山前缘关口断裂典型构造剖面的物理模拟实验及其变形主控因素进行了研究；廖杰等[12]对珠江口盆地白云凹陷裂后异常沉降进行了数值模拟。这些模拟的岩体中接触面构建得并不精细；更为重要的是，接触面之间的岩体力学性质与岩体内部完整部分的性质有很大差异，这对后期模拟施工等将有难以预料的影响。另外，多数岩土模拟软件应用连续介质理论，模拟包含接触面的连续-非连续岩体存在先天缺陷，在接触面构建和参数差异赋值控制方面比较困难，因此如何构造符合实际的接触面是值得研究的问题。
    1.2.2岩体爆破模拟方法
    本节研究岩体颗粒流爆破模型的建立和应用，内容包括放顶爆破、边坡爆破、破石。
    目前对爆破模型和过程的研究尚不充分。陈朝玉等[13]研究了爆破对柔弱夹层顺层边坡的稳定性影响；王建国等[14]进行了爆破震动对高陡边坡稳定性产生影响的数值模拟研究；钟冬望等[15]进行了爆炸荷载下岩质边坡动力特性试验及数值分析研究；刘磊[16]进行了岩质高边坡爆破动力响应规律数值模拟研究；谢冰[17]实现了岩体动态损伤特性分析及其在基础爆破安全控制中的应用。这些研究一般基于连续介质理论，其模拟研究难以实现爆破岩体的碎裂过程，也无法根据实际情况控制各破碎岩块状态，更无法进行宏观层面上的爆破过程模拟。
    对上覆坚硬且构造复杂的岩体进行爆破强制放顶的相关研究包括:周登辉等[18]对大倾角坚硬顶板深孔超前预爆破进行了研究；伍永平等[19]对坚硬顶板综放工作面超前弱化进行了模拟研究；张杰[20]对浅埋煤层顶板深孔预爆强制初放进行了研究；高魁等[21]对深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用进行了研究；张春雷等[22]对大倾角大采高综采工作面坚硬顶板控制技术进行了研究；曹胜根等[23]对采场上覆坚硬岩层破断的数值模拟进行了研究。
    露天矿边坡爆破是矿业生产的主要方式之一，而爆破产生的飞石也是重要的安全隐患。目前对于爆破飞石距离的研究主要是经验拟合和算法预测等。熊炎飞等[24]总结了爆破飞石飞散距离计算公式；吴春平等[25]研究了爆破飞石预测公式的量纲分析法；刘庆等[26]进行了基于BP神经网络模型的爆破飞石很大飞散距离预测研究；周磊[27]进行了台阶爆破效果评价及爆破参数优化研究；杨佑发等[28]对爆破地震波模拟进行了研究；张东明等[29]研究了预裂爆破在隧洞施工中的应用。这些研究基本上关注爆破状态，即通过对爆破开始状态参数设定和爆破结束后参数测量确定爆破性质。其很大问题在于，不考虑爆破过程中岩石之间的相互作用、能量传递、飞石在空中和落地后的运动状态。
    1.2.3岩体位移及沉降模拟方法
    岩体位移及沉降模拟方法涉及开采过程中上覆岩层运移、地面路基沉降、岩层错动等模拟研究。
    采空区上覆岩层应力应变变化致使上部地面既有建（构）筑物发生破坏，甚至失去正常使用能力，已经成为矿业工程中亟待解决的问题。目前解决方法主要是充填开采。对充填开采上覆岩层运移的研究主要有:何涛等对不同采空区处理方式上覆岩层活动规律进行了研究；黄艳利等[31]对充填体压实率关于综合机械化固体充填采煤岩层移动控制作用进行了分析；白国良[32]对膏体充填综采工作面地表沉陷规律进行了研究；王启春等[33]对厚松散层下矸石充填开采地表移动规律进行了研究；苏仲杰等[34]对基于数值模拟的充填开采地表下沉系数进行了分析；王家臣等[35]对长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟进行了研究；甯瑜琳等[36]对急倾斜矿体充填法开采的地表沉陷特性进行了研究；张普纲[:对采空区高速公路路基破坏进行了数值模拟分析；吴盛才等[38]采用概率积分法预计高速公路采空区地表变形；童立元等[39]对高速公路与下伏煤矿采空区相互作用规律进行了探讨。这些研究也存在一些问题:相似材料模拟实验存在的尺寸效应和地质构造建模误差等会使结果产生失真，且传感器的布置区域有限，难以全面监测；概率积分法适应范围较窄，计算参数的选择均来自历史岩移观测资料的经验总结，且当地质条件影响无法计入计算模型时将导致复杂岩体产生的地表沉降无法计算；基于连续性理论的模拟无法解决如断裂、破碎等常见破坏问题；基于非连续-连续性理论的模拟能较好地体现岩体中各种构造现象，但对构造面形态复杂的模型建模也比较困难。
    根据采空区上覆岩层特点，使用相应的方法对其进行处理。可采用水砂或废石对充分采动后工作面顶板自然垮落形成的空间（采空区）进行充填，使上覆岩层变形减小；针对采空区上覆岩层坚硬、厚度较大等无法在理想情况下自行垮落问题，为了避免难以控制的上覆岩层瞬间断裂导致矿难发生，往往对上覆岩层进行爆破强制垮落。相关研究有:杨鹏[40]对采场上覆岩层采动裂隙演化规律进行了相似模拟研究；荣海[41]对复杂特厚煤层重复开采条件下上覆岩层变形进行了数值模拟分析；廖孟柯[42]对回采上覆岩层裂隙演化相似性模拟进行了研究；付玉平[43]对浅埋厚煤层大采高工作面顶板岩层断裂演化规律的模拟进行了研究；刘桂丽[44]对煤矿采空区上覆岩层裂隙发育数值模拟进行了试验；梁赛江[45]对工作面推进过程中上覆岩层冒落进行了数值模拟等。
    对采空区上覆岩层应力应变的研究主要有:轩大洋等[46]对巨厚火成岩下采动应力演化规律与致灾机理进行了研究；靳钟铭等[47]对煤矿坚硬顶板控制进行了研究；钱鸣高等[48，49]对岩层控制中关键层的理论进行了研究；王金安等[50]和肖江等[51]对浅埋坚硬覆岩下开采地表塌陷机理和高位巨厚岩浆岩断裂失稳机理进行了研究；谢广祥等[52]对采场围岩应力壳力学特性的工作面长度效应进行了研究；李学良[53]对基于FLAC3D的采动区覆岩破坏高度数值模拟进行了研究；付玉平等[54]对浅埋厚煤层大采高工作面顶板岩层断裂演化规律的模拟进行了研究；戴华阳等[5]对唐山矿深部开采覆岩离层与法向裂缝分布规律进行了研究。同样，基于解析计算的方法适用条件较大，且岩体内部物理力学参数存在不确定性，因此难以保证结果的有效性；连续性理论模拟对复杂岩体构造下的应力应变分析适应性也不高，特别是对破碎的岩层及岩层相互侵入挤压情况下的模拟效果更为有限。
    急倾斜煤层开采应根据不同赋存条件予以调整。相关研究有:赵娜等[56]针对急倾斜煤层开采的复杂地质条件，对某煤矿分别选取六种方案进行了模拟，从而选出很优方案。袁志刚等[57]针对急倾斜煤层上保护层俯伪斜开采的保护范围划定问题，确定了被保护层的垂直层理面应力和煤层变形规律；张艳伟等[58]模拟了在采空区中下部矸石自溜充填后工作面采动煤岩应力分布规律及顶底板破坏特征；朱强等[59]运用求解非线性大变形问题有限差分法对急倾斜煤层开采进行数值模拟；王来贵等[60]探讨了急倾斜煤层开采诱发地裂缝分布规律，利用可描述拉张破裂的有限元方法，对地表裂缝演化过程进行了数值模拟愚涛等[61]采用数值模拟、理论分析和现场试验相结合的方法对急倾斜松软煤层回采进行了研究。上述对急倾斜煤层开采问题的研究都是在各自工程背景下进行的，虽然都是急倾斜煤层的开采，但由于地质条件不同，开采方式也是不同的。
    1.2.4煤岩自燃模拟方法
    本节涉及各种状态下煤岩自燃的模拟，包括采空区、煤堆、复杂边坡等。
    回采后可能留有遗煤层，而遗煤层由于氧化作用可能产生自燃。近几年来，随着放顶煤技术得到普及，端头支架处的顶煤放出率偏低，导致采空区内遗煤较多，采空区自燃概率逐步增大。由此可见，尽管对该类型自燃及其升温过程已深入研究[62~70]，但效果并不理想。据统计，靠前约有56%的矿井有自燃隐患，远远高于其他国家[71]，而采空区是发生自燃灾害很频繁的区域[72，73]。
    针对遗煤自燃问题，目前有几个研究方向：
    (1)可通过实际对遗煤层温度及其升温区域进行测量，结合相关物理参量进行拟合和参数反演，得到某一方面的解析式。这样的分析方法思路清晰，便于理论研究，但是无法进行复杂的耦合分析，也无法实例化建模。
    (2)基于流体方面的研究，通过气体温度等关系进行研究，使用Fluent等流体模拟软件。但也存在问题，例如，如何控制固体与流体之间热交换，热量如何在固体中传播等。
    (3)使用连续性岩土软件模拟，多数岩土模拟软件提供热力模型，以研究升温对固体应力应变的影响。但是，气体如何影响固体热传递、岩体裂隙中气流如何模拟也存在问题。
    煤堆发生自燃是由于煤堆内部的煤颗粒比表面积大，与空气中氧气发生氧化反应，放出热量。当放出的热量大于向外部环境散发