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行业动态

基于块体 -DDA数值模拟的浅层硐室 破坏风险估计:建议方法和实例研究
发布时间:2022年06月03日

我在简短的讲话中主要想跟大家介绍一下,我们在地下工程方面的一些经 验。我们最早进行研究的时候,实际是从煤矿下的溶洞群开始的,我们需要对这 些溶洞进行勘探作业。当物探的方法不能实施时,我们必须进行钻探而且钻探之 前必须确定井孔的深度和井孔之间的距离。非常重要的一点是,我们需要知道跨 度和上覆盖层高度之间的临界关系,只有保证跨度和它的上覆盖层的高度的比例 是合适的,才能在保证煤矿的拱顶是安全的前提下确定井深和井距。在这种情况 下,我们进行了一些模拟,我们在这个模拟的过程中是怎么做的? 为了研究跨度和覆盖层高度之间的关系这一传统岩石力学问题,首先,我们 模拟了在以色列中部的一种常见岩体,这种岩体水平成层且节理垂直。我们在分 析的过程中用的是离散单元法,我们不是仅仅系统且综和地模拟了节理,而是生 成了一个称作“机械层”的结构,在这个结构中节理被岩层厚度限制。我们可以 看到节理没有穿透整个岩层而是停止了,它们被岩层厚度所控制。所以我们可以 得到一个更真实的块状岩体结构,然后模拟穿过中线的节理。这里有一个块状岩 体结构的例子,我们看到的参数是 B和 H的关系。我们的研究方法是采用一个 特定的岩体结构,然后改变这些参数。虽然模拟结果可能和岩体结构有关,但是 从我展示给大家的例子中可以看出这种节理模拟方法在不同的块状岩体结构中 得到的结果都还不错。这里我们模拟了一个无限远的层状平原,而且模拟了两套 近层向和两套近垂向的节理。在同一个模型的两个模拟中,考虑到机械层的作用 的岩桥较大;而如果限制迹长不让节理穿透模型,则最后的作用是相同的。再接 着上面已经介绍过的模型,我们开始做模拟。我们研究了重力作用下顶板偏转和 拱区横向应力的情况。顶板中有 4个不同的测量点:1个在中部,其余 3个接近地 表。模型边界很远可以使集中应力消散。这是我们研究的几何模型。在这种研究之后,我们就找到了三类不同的情况。 第一类就是稳定,也就是上部三个点没有位移,拱应力稳定。当我们丢失两 个测量点时,应该在适当的位置加入两个。不稳定是 3个测量点都丢失,或者断 裂穿透地表。第二类情况就是一般的稳定、不太稳定,也就是说我们在两个测量 点上,都表现出的是静态的稳定,但是还有一个测量点,或者是没有一个测量点就 表示它有静态的稳定。现在我们把这三种不同的情况分别看一下,大家可以在这 里面看到时间的 DDA情况,它的时间是实时的记录,大家也可以看到纵轴上的情 况,也可以看到我们测量的每一个点的情况如果都稳定,那么整个情况就是稳 定的。 下面,大家可能看到我们所做的模拟,实际不仅仅是适合在煤矿当中,其实在 其他的采矿过程中,其他的洞穴的情况也是合适的。大家也可以看到在内的横向 应力的变化,应力的变化就会影响到它的稳定性,这是刚才第一类的情况。补充 一点,在这个例子中,我们丢失了最下面的测量点,但当我们讨论采煤和土木工程 上部问题时,如果丢失了顶板的中线,不是一个很大的问题。当我们丢失了顶板, 其他的三个测量点还在,你仍可以看到除了顶板中的拱应力降为 0,其他位置的 孔应力,水平应力不变。 第二类情况属于基本的稳定结构,大家可以看到,在 2~3个测量点数值的分 布是稳定的,但是在有些敏感的地区和点上,情况可能就不稳定,所以整个的情况 是处于一般稳定状态。这时我们失去了一半顶板,下面两个测量点丢失,其他的 两个还在,这种情况在采矿中是可以的,但在城市中会更复杂。 第三类情况属于不稳定状态,是我们在四个测量点上都可以看到,从上边一 直到最上面,不管是横向的应力,还是纵向的应力,都处于不稳定的状态,所以它 就没有办法形成拱。 现在,我们再看一下我们从中得到的重要结论。四个测量点都丢失而断裂穿 透地表。因为拱的发展,水平应力变为 0。从这些图片中可以看到,在同一个 20m厚的盖层下,跨度增大则稳定性减小。同时,在深部开挖时,保持跨度一定 而改变盖层厚度时,并不是像我们以前所想的可能是线性的。实际中更复杂,应 该是一半率的关系。在图中可以看到,有的是 5、18、14,有的是 11,也就是说它的 稳定性,也就是 B和 H的关系并不是线性的,如你所看到的,我们得到的是一个 非线性的响应,这里已经达到稳定状态,而且盖层相对很薄,只有 6~18m。所以 我们要是想进行模拟是非常非常困难的,不管怎么样,大家还是可以看到,在中间 这块区域的风险是比较低的,今天上午有一位嘉宾提到,属于深埋的洞穴和浅埋 的洞穴在进行钻洞的时候,稳定性的变化,而且他也谈到,如果深度达到 30米以下的情况,会怎么样。我们得到过一个急促的要求,要我们为了稳定性考虑增加 盖层厚度。今天早上我们看到了危险区。结果是相同的,跨度增大时它变化迅 速,后来当低于 30m时值又降下来。 以上结果我们从一个人工合成的岩体中得来。但是我们的结果实际上也在 三个不同的岩体的不同案例当中都证明了我们研究的结论是正确的,一个是真实 的采矿,两个是有历史意义的地下工程开挖。 这是 Ayalon,是在以色列中部的一个露天矿,开挖水泥所需的原料。在这里 可以看到覆盖的深埋厚度是 30米,它的跨度是 40米,我们测量了节理长度,间距 摩擦,然后进行模型建立。我们采用离散元 DDA的方法,建立了 15,000个块体, 每个块体大约有 1平方米,这么多的块体必须有相互作用。在这里我们用的检测 方法跟我们在进行人工岩石研究的过程中的情况是一样的。我们对这种情况也 进行了数值模拟,在模拟过程中也发现在到达一定点的时候就会坍塌,说明了在 这个过程中稳定性的重要性。在这里有不同的岩块,相互之间可以作用,我们还 要考虑重力的问题。通过研究我们得到 DDA正向分析的结果,大家可以看到。 大家可以看到第二个测量点的情况,是稳定的,但是在其他的测量点都是有一定 的稳定性,并不像我们想象的那么稳定。根据我们刚才所做的定义,在其他两个 点上都属于基本稳定,这个定义本身可能不是一个真正意义上的定义。但是不管 怎么说,我们可以用刚才所说的标准把它划分到第二类,也就是基本稳定,不能算 是太稳定。它运行了 36个小时。第二个案例在耶路撒冷的旧城,这里的岩体和 上个例子完全不同。这个旧城下有一个巨大的洞穴,是两千多年前古罗马时代开 挖的,当时为了修建一个庙宇开采了这些岩石。这个地下采石场的跨度是 40米, 它上边的覆盖层是 25米,你可以看到岩石的结构。我们也对它的顶部稳定性进 行了研究,我们在研究的过程中,发现如果要是它的应力发生了变化,那么中间可 能就会发生坍塌,而且如果把顶板看作连续梁,坍塌用普通的弹性理论是无法解 释的,这是因为在最下方纤维中的拉应力有 10MPa,然而我们得到的只有 2. 8MPa。 在这里,它有塑性点,还有它的重力,我们怎么来解释这个问题?我们借鉴了 VoussoirBeamAnalog博士论文(由 BradyandBrown发表)和由加拿大学者发表的 一些论文中关于拱石的研究。很多人对这个问题进行了研究,他的研究结果我们 可以借鉴。也就是说它出现了裂缝,这样裂缝就会往上延伸,到了一定的程度之 后,岩石的裂缝停止了,两块岩石依然还是联系在一起。所以人们一直试图想解 释这种拱石的现象,人们也希望能够了解它的机制究竟是什么,在什么情况下使 得两块石头在最上边把它们联系在一起。如果拉应力足够高,就会产生扩张裂缝,然后这些拉张裂缝就有可能延伸到顶部,把梁分成两部分。这里存在的问题 是它的不确定性,所以我们假设了受压区的宽度,还有它的几何尺寸,是或不是椭 圆。在转折点有三种破坏机制,一种是在转折点的压缩破坏,一种是肩部的剪切 破坏,另一种是由于屈曲而造成的折断。按照它的几何形态来说,应该已经折断 了,但是它没有。所以 Voussoir方法也不能真正解释顶板为什么稳定。所以必须 采用和现实中一样的更多的节理。节理增多,块的长度就会减小,各块之间也会 有更激烈的相互作用。 根据这个问题的解释来说,到了这个点上,应该有一个点依旧能够把它们联 结在一起,不至于坍塌,但是实际上还是坍塌了,这种情况究竟怎么样解释?为什 么在这种情况下它的顶部还能够保持稳定的状况,我们对这种状况用 DDA进行 了正向的模拟,大家可以看到我们研究的结果。在图上大家可以看到不同的岩 石、岩块之间相互作用的力量非常大。大家可以看到初期的纵向的位移,但是在 纵向位移一段时间之后就可以看到拱部的应力发生了变化,使得整个情况发生了 变化。在这个情况下,位移就停止了。应力的情况也是一样的,在这点上,位移停 止时应力仍在积聚,在适当的位置裂缝梁会被锁住。在顶板的确会有一些位移和 开口,这足够发生剪切和压缩,这些作用会使梁停止下落。令人惊讶的是,节理使 顶板稳定了。 我们做的第三个案例叫 TelBeer-Sheva,这是 3000年前的地下储水系统,公 元前 1000年,在考古学上称为以色列时期,即大卫国王和所罗门国王时期。我自 己也去过,大家可以看到它的结构很有意思,可以看到一个井,一直伸到地下,在 地下的地方就像水库一样。在这里大家可以看到它里面隧道的延伸情况,在某一 个地方大家可以看到,隧道在建设的过程中出现了坍塌的情况。当时是古时候的 工程师利用支护系统,把坍塌的位置又重新地支持起来了,它是如何做的呢?就 是在一个点上做了支护的支柱,这些节理是跟地下的供水系统的墙和主节理平行 的,开挖时借助这些节理可以省很多能量。大家可以看到有两组不同的节理,而 且不同的节理相距只有 20厘米,我们对它进行了进一步的分析,在分析的过程 中,我们考虑到了它的剪应力和正应力情况,同时也发现了它的摩擦角是 35度, 在图上可以看到摩擦角的角度情况。 我们可以用 DDA来对这些数据进行分析,我们发现 30度的摩擦角是不能够 支持住的。如果把摩擦角提高到 60度,就可以支持住它的顶板了。大家可以看 到,摩擦角对整个顶部的稳定是非常重要的。我们也需要能够对它的节理之间的 距离以及摩擦角进行进一步的优化。我们可以在这里看到这条直线,实际上表现 的是 DDA在运行的过程中可能出现的一些局限性,一旦块体变大,需要的摩擦角就会变小,DDA中块体内部没有应力分布。不管怎么说,这是我们运行的结果, 一个是摩擦角,一个是节理之间不同的距离,研究结果表明,这个摩擦角一定要大 于 70度才能保持稳定。我们可以看到三个案例的情况,研究结果已经发表了,最 重要的是告诉大家跨度和覆盖层的高度之间(P和 H)的关系并不是线性的,它对 于采矿,以及对于浅埋的洞穴研究都是有用的。 下面,我要讲的一个问题就是进水口如果出现问题,它可能对民用的建筑形 成巨大的风险。在这里我想再用最后的几分钟跟大家介绍一下,我们目前正在进 行的一些研究。 现在,我们正在跟冯夏庭先生所带领的团队进行研究,我们也希望对岩爆形 成的机理得到更多的结论,我们的研究主要是希望用 NMM 的方式,有限元网格 在 DDA网格之上,能够对岩爆的机理进行进一步的研究。我们在这里所碰到的 第一个重要的问题就是如何施加高的原位地应力,到现在很多人不知道怎么用。 我们是用 NMM或者是 DDA的方法,我们就可以对这个问题做出研究。研究最重 要的就是我们如何能够用原位应变计的数据进行岩爆的机理形成的研究工作。 我们现在已经得到了一些冯夏庭先生所带领的团队的关于应变计的数据,我们对 这些数据进行了逆向的研究,这样我们就知道了原位地应力的情况是什么,还有 怎么施加。我们研究的情况可能跟目前已经发表的有些结果有一些不同,我们需 要了解究竟是为什么,这样的原位应力是什么,我们也希望在明年能够对这个问 题有进一步的深入研究。我们同时也希望用冯夏庭教授所研究的结果,在明年能 够做更多的模拟研究,以便能够知道这种动态的应力的承载,究竟会对爆破过程 中的震动产生什么样的影响。 刚才,我也跟大家说过,我们要想得到这种原位地应力数据,尤其是在比较深 的地方原位的应力数据,相对来说是比较困难的,所以我们现在就希望能够通过 反演得到原位应力的数据。我们在以前没有这方面的研究,所以现在我们希望能 够模拟挖掘过程中的每一个环节,以便能够产生这些应变计的数据,我们是怎么 做呢?我们怎么样能够得到初应力呢?我们在边界上引用许多加载点,然后建立 了一些方程进行计算,研究的区域必须是方形,而不应该是圆形,固定边界和点, 避免位移和旋转。在这个星期李晓忠和冯夏庭先生,他们又有了一些新的数据, 这些数据是来自不同的隧道中的钻孔。他们进入 A隧道,这里有 4个钻孔,在不 同的钻孔中测量方法是不一样的,其中一个用的是应变仪。他们又对另外两个隧 洞 A和 F里面的钻孔情况进行了进一步的分析,除了已有的应变仪,他们还用了 超声波速测量设备和钻孔摄像技术等。所以他们在这种情况下,就可以知道在挖 掘的过程中,岩石的反应究竟会是什么,这就是我们所用的 AF两个不同隧道中的数据。我们用这些数据来检查我们导入这些初始应力的方法?首先我们从他 们提供的已有初应力的数据着手,这些数据是他们最好的解译结果,我们把这些 初始应力放在边界上,把它作为一个常量,看在这种情况下,其他的数字会产生什 么样的变化,付出了很多努力才得出了结论。 现在我们已经知道怎么做了,所以我们可以利用应变仪的数据,来进行下一 步的研究。在应变仪中我们有 17个测量点,每个点都可以看到不同时间下的位 移情况。大家可以看到如果在这里,你要能成功地做到保持稳定,就说明在这个 位置上应变仪测到的数据是弹性的,没有不连续和剪切破坏。也就说明你在挖掘 的过程中,岩石反应的确切情况你了解到了。 所以我们为了进一步的研究,我们先把它分成了不同的阶段。在第一个阶段 中没有挖掘任何隧道,我们在第二阶段开挖隧道 A,第三阶段开挖隧道 F的上部 岩层,第四阶段开挖隧道 F的梯段。在第四阶段中,大家看到的是 F隧道,这是我 们在过去几个月中研究的不同阶段,在最早的 NMM 代码中是没有的,这是我们 对其代码的扩展,所以我们能够进行开挖顺序的模拟。现在进行反演,我们有 17 个测量点的数据。 我们这里假设垂向应力是已知的常量,为什么?这是因为覆盖层的重力比我 们感兴趣点深度的值偏高,但是这个数字我们在研究的过程中是一直把它作为常 量。我们又做了一个循环,在一定的间隔下改变边界上的∑X和∑Y的值,我们 这样做是为了找到最优解,这个最优解是在测量和数值结果中测量点的最小平方 根。这就是我们现在得到的结果。在这里 RMS,大家可以看到它的最小值在这 里,好像对于在剪切边界系统不敏感,但是对于∑X是非常敏感的。大家如果记 得在前面我们所说的关于如何施加初应力和高的水平地应力,这是一个两维的过 程分析。这里的应力有 30MPa,所以最匹配的解是垂向应力采用 66.5MPa。这 个最匹配的解表明隧道中 X方向的水平地应力约为 30MPa。现在我们已经了解 了应力场,我们就进一步研究岩爆的情况,这也是我们未来的计划。我来展示这 个应力场,这里看到的是 17个测量点最匹配的解,而且数值解与最匹配的解吻 合。怎样得到如此吻合的结果呢?主要是应变仪的数据告诉我们,因为开挖而引 起的岩石松动与岩爆没有任何关系,只是用来预测地应力。 现在我们到了一个非常关键的时刻,我们在这个阶段更多地是使用 DDA,因 为我们用 DDA的经验要比使用 NMM的经验更多,所以我们决定继续使用 DDA 进行初应力的应用研究。第一步,把初始地应力导入到 DDA,之后我们还要用 DDA进行各种不同的掘进过程中的环节模拟,其次我们还要用 DDA进一步研究 不同的节理情况。除此之外,我们还会研究侧壁的情况,还要看一看在应变松驰模型中侧壁会发生什么样的变化。同时,我们也会研究在爆炸过程中,震动波在 传播的过程中会对侧面的壁产生什么样的影响。然后,我们就会明白数值模拟岩 爆是否可行。