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.222 北京科技大学学报 第30卷 程稳定性控制提供理论依据与基础 糙程度对渗流影响作用显著] 1工程地质特征 2数值计算模型及支护设计 1.1区域地质与构造特征 2.1计算力学与结构模型 破碎结构是不稳定顶板常见的岩体结构类型， 1907年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出的普 其工程地质特点包括：①层理与结构面发育且贯通 氏松散地压学说和1942年美国学者Terzaghi提出 性好，将岩体切割得相当破碎：②整体强度低，开挖 的太沙基学说都反映了地压中的拱效应，拱的形成 后顶板自稳能力差，易产生拱形冒顶，宁东矿区位 是由于岩体介质的不均匀位移引起的，它改变了介 于鄂尔多斯盆地西缘和吴忠地震活动带的东侧（我 质中的应力状态，从而把作用于拱上的压力传递到 国西北强地震区域)，井田位于碎石井区中段刘家庄 拱角及周围稳定围岩介质中].已有研究运用 一碎石井背斜与磁窑堡一长梁山向斜东侧F1断层 Timoshenko梁和岩石力学理论分别对顶板似连续 之间，褶曲较为发育，岩体比较破碎.历史上本区发 体以及帮煤变形破坏情况进行计算分析]、岩土力 生过7级以上大地震6次·受强地震作用，岩体内 学参数随机场的空间变异性分析及单元体力学参数 包含的节理（断层）和不连续面的形态对岩体的强 赋值]，以及锚杆锚索与围岩相互作用的非连续 度、变形、支护设计、施工与管理有决定性影响. 变形分析(DDA)].为评价和预测破碎岩体的稳 1.2岩体的空间变异性特征 定性，采用FLAC3D有限差分程序进行数值模拟计 岩体性质固有的空间变异性，即空间两点间岩 算及分析，揭示开采扰动区围岩变形与应力之间的 体参数具有相关性和变化性，对地下工程支护的正 关系，定量确定合理支护参数，为工程现场支护设计 确决策具有很大影响].通过室内测试、理论分 提供参考依据 析和现场实验（如点荷载强度试验法，声发射测试 2.2数值模型建立 等)更能反映这一特征[]，在破碎围岩条件下，由 2煤层厚度为7.27m,煤层走向210~260°，倾 于开采扰动作用，裂隙分布的随机性加剧了片帮与 向120~170°，倾角10°，平均埋深180m.110202工 冒落等失稳 作面上、下运巷位于2*煤层中，节理发育，顶板岩体 1.3地下水渗流特征 破碎.根据地质与开采技术特征，建立的计算模型 地下水渗流，在一定条件下能使岩体介质产生 如图1所示，模型倾向长800m,高180m,走向长 变形或破坏，影响围岩的稳定性[).110202工作面 300m,沿走向方向剖分了6层，单元总数为19000 位于矿区第Ⅲ含水组的下部.现场钻孔资料表明， 个，节点总数为22352.为了避免边界效应，采用固 第Ⅲ含水组含水丰富，平均水量在2m3h1,地下 定边界条件，底部采用固定约束，两端边界处沿x 渗流通过节理与裂隙导入从而劣化围岩强度诱发失 方向固定约束，前后边界沿y方向固定约束·由于 稳现象，根据实验室基于声发射的岩石崩解实验表 FLAC是时间渐进的，相应的计算次数隐含了时间 明，110202工作面岩体在饱水和失水崩解过程中声 因素，和物理时间具有一定的对应关系，因而一般 发射特征参数明显不同，崩解后节理断面的粗糙程 来讲，计算步数越多，对应的时间越长，模型发生的 度也明显不同.这从另一方面验证了节理表面的粗 变形也越大，为了真实地模拟开挖的时间效应，在 上覆岩层构造缺陷 110202上运巷 一110202下运巷 型 00m L,200m 800m (a) (b) 图1三维数值模型，(a)简化的计算模型：(b)网格单元 Fig.1 3D model for numerical simulation:(a)simplified model:(b)FDM mesh程稳定性控制提供理论依据与基础． 1 工程地质特征 1∙1 区域地质与构造特征 破碎结构是不稳定顶板常见的岩体结构类型 其工程地质特点包括：①层理与结构面发育且贯通 性好将岩体切割得相当破碎；②整体强度低开挖 后顶板自稳能力差易产生拱形冒顶．宁东矿区位 于鄂尔多斯盆地西缘和吴忠地震活动带的东侧（我 国西北强地震区域）井田位于碎石井区中段刘家庄 —碎石井背斜与磁窑堡—长梁山向斜东侧 F1断层 之间褶曲较为发育岩体比较破碎．历史上本区发 生过7级以上大地震6次．受强地震作用岩体内 包含的节理（断层）和不连续面的形态对岩体的强 度、变形、支护设计、施工与管理有决定性影响． 图1 三维数值模型．（a） 简化的计算模型；（b） 网格单元 Fig．1 3D model for numerical simulation：（a） simplified model；（b） FDM mesh 1∙2 岩体的空间变异性特征 岩体性质固有的空间变异性即空间两点间岩 体参数具有相关性和变化性对地下工程支护的正 确决策具有很大影响［4—5］．通过室内测试、理论分 析和现场实验（如点荷载强度试验法声发射测试 等）更能反映这一特征［6—8］．在破碎围岩条件下由 于开采扰动作用裂隙分布的随机性加剧了片帮与 冒落等失稳． 1∙3 地下水渗流特征 地下水渗流在一定条件下能使岩体介质产生 变形或破坏影响围岩的稳定性［9］．110202工作面 位于矿区第Ⅲ含水组的下部．现场钻孔资料表明 第Ⅲ含水组含水丰富平均水量在2m 3·h —1地下 渗流通过节理与裂隙导入从而劣化围岩强度诱发失 稳现象．根据实验室基于声发射的岩石崩解实验表 明110202工作面岩体在饱水和失水崩解过程中声 发射特征参数明显不同崩解后节理断面的粗糙程 度也明显不同．这从另一方面验证了节理表面的粗 糙程度对渗流影响作用显著［10］． 2 数值计算模型及支护设计 2∙1 计算力学与结构模型 1907年俄国学者普罗托吉雅可诺夫提出的普 氏松散地压学说和1942年美国学者 Terzaghi 提出 的太沙基学说都反映了地压中的拱效应拱的形成 是由于岩体介质的不均匀位移引起的它改变了介 质中的应力状态从而把作用于拱上的压力传递到 拱角及周围稳定围岩介质中［11—12］．已有研究运用 Timoshenko 梁和岩石力学理论分别对顶板似连续 体以及帮煤变形破坏情况进行计算分析［13］、岩土力 学参数随机场的空间变异性分析及单元体力学参数 赋值［14］以及锚杆—锚索与围岩相互作用的非连续 变形分析（DDA） ［15］．为评价和预测破碎岩体的稳 定性采用 FLAC 3D有限差分程序进行数值模拟计 算及分析揭示开采扰动区围岩变形与应力之间的 关系定量确定合理支护参数为工程现场支护设计 提供参考依据． 2∙2 数值模型建立 2＃煤层厚度为7∙27m煤层走向210～260°倾 向120～170°倾角10°平均埋深180m．110202工 作面上、下运巷位于2＃煤层中节理发育顶板岩体 破碎．根据地质与开采技术特征建立的计算模型 如图1所示模型倾向长800m高180m走向长 300m沿走向方向剖分了6层单元总数为19000 个节点总数为22352．为了避免边界效应采用固 定边界条件底部采用固定约束两端边界处沿 x 方向固定约束前后边界沿 y 方向固定约束．由于 FLAC 是时间渐进的相应的计算次数隐含了时间 因素和物理时间具有一定的对应关系．因而一般 来讲计算步数越多对应的时间越长模型发生的 变形也越大．为了真实地模拟开挖的时间效应在 ·222· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷