煤矿井下风积沙箱式充填体侧向约束机理数值研究*

2023-05-30张志义

新疆大学学报(自然科学版)（中英文） 2023年3期

王伟，张志义，赵博

(新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830017)

0 引言

新疆作为中国新批的第14个亿吨级的大型煤炭基地，预测资源占有率约为全国的40%[1－2].然而，新疆聚煤区域地表多为干旱半干旱的沙漠或戈壁地带，水资源匮乏，生态环境异常脆弱[3－4].采用垮落法处理采空区时，覆岩移动和破坏更加强烈，大规模采矿活动势必会对地表植被、地下水资源造成严重影响和破坏，危及该地区脆弱的生态平衡[5－6].风积沙是新疆荒漠化矿区最常见的原材料，其来源广、价格低，是该地区理想的采空区固体充填材料[7].但是，对采空区进行干法充填时，由于风积沙内聚力几乎为零，导致无法与顶板有效接触，这很大程度削弱了充填体对顶板岩层的控制效果.利用由金属网箱和土工布组成的封闭外围约束来克服风积沙自身的流动性，减小风积沙干式充填时的欠接顶量，可保证充填体接顶效果（图1）.此外，外围约束箱体还可为风积沙充填体的初步压实提供侧向约束，提高充填体的抗压强度，有效减小充填体后期压缩变形量，保证充填体对顶板岩层移动的控制效果.

图1 风积沙箱式充填体填充示意图

散状充填体密实度是影响承载性能的关键参数（图2），学者们对此进行了大量研究，主要结论如下：张生辉、杨人凤等利用试验室标准击实试验研究了风积沙作路基填料在静压力作用下的压实特性，并提出了沙基干压实方法[8－9].曹源文等通过对比风积沙在振动方式和击实方式下的压实效果，发现风积沙的振动压实效果优于击实压实效果[10].袁玉卿等对乌兰布和沙漠风积沙进行了振动压实试验，结果表明振动频率为45～50 Hz时对风积沙压实效果最好[11].庞瀛洲等通过变量控制法得出榆林某处风积沙的最佳振动频率为70 Hz[12].张选刚等对腾格里沙漠地区风积沙进行了表面振动和振动台压实试验，分析了不同振动参数对风积沙最大干密度的影响，认为表面振动法所得最大干密度与现场试验结果较为接近，并提出了风积沙填料现场振动压实参数和施工工艺[13].张宏等进一步探究了不同试验方法（击实试验、振动台法、表面振动压实仪法）与试验控制条件下，风积沙干密度的变化规律与压实特征，得出风积沙击实曲线与振动压实曲线均呈现“振实-振松-再振实”造成的“多峰”特征，振动法所得干密度一般优于对应含水率条件下击实试验所得干密度的结论[14].张浩等通过不同的室内试验，对风积沙的压实特性、压实原理以及工程特性和特点进行分析，结果表明：在干燥状态和最优含水率状态下，风积沙都可被压实，最佳振动频率均为44 Hz[15].刘大鹏等通过动三轴试验研究了风积沙在循环荷载作用下的累积塑性应变特点，分析了围压、循环荷载大小、偏压固结比、初始静偏应力和循环荷载作用频率对累积塑性应变的影响，得出了风积沙的累积塑性应变随着循环荷载大小、初始静偏应力的增加而增大，随着围压、偏压固结比和荷载作用频率的增加而减小[16].

图2 风积沙网箱充填效果图

尽管对散状充填体密实度进行了非常多有价值的研究，但从微观角度出发研究风积沙箱体约束调控机制的较少.本文研究了箱体约束对风积沙压实的影响规律，通过宏微观层面探究风积沙的箱体约束调控机制.

1 试验方案

1.1 选取参数

对风积沙进行固结试验数值模拟，参考前人研究成果，利用PFC3D按照真实级配将粒径放大20倍模拟风积沙[17－21]，得到风积沙的细观参数.利用FLAC3D中shell结构模拟不同类型的金属网箱[22－25]，如表1和图3所示.

表1 风积沙细观参数

图3 数值模拟

1.2 建立模型

使用PFC3D-FLAC3D耦合，对不同箱体约束下风积沙进行振动（频率40 Hz，激振力0.3 MPa，振幅40 kPa，振动时间3 s）[26]压实效果数值模拟.由于FLAC中shell单元与箱体受力过程十分相似，所以采用shell单元模拟箱体结构（图4）.对不同箱体约束条件下的试验方案如表2和图4所示：选取形状、尺寸、强度三个因素进行试验，每个因素设置不同的水平（形状：正方体、圆柱体；正方体：边长分别为5 cm、6 cm、7 cm；圆柱体：半径×高分别为2.8 cm×5 cm、3.4 cm×6 cm、4.0 cm×7 cm；强度：30 kPa、50 kPa、70 kPa)，对每个因素进行单一试验.

表2 试验方案

图4 数值模拟方案

2 试验结果及分析

压力波在风积沙内部沿着纵深方向传播，在其作用下不同位置颗粒产生不同的速度.由于振动是循环反复运动，当一个循环结束后所产生的净速度V 会导致风积沙产生相应的累计塑性变形.研究相同振动参数不同网箱约束（形状、尺寸和强度）条件下风积沙内部的影响规律，以压实度和接触力链为指标，通过宏微观层面探究风积沙箱式充填体的侧向约束调控机制，揭示箱体约束对风积沙压实的外在作用机理.

2.1 不同箱体类型对风积沙压实的影响规律

由图5可知，随着时间增长，正方体与圆柱体中风积沙压实量都随之增长，在尺寸大小和箱体强度相同的情况下，正方体中风积沙压实量大于圆柱体中风积沙压实量.时间为1 s时，正方体网箱风积沙压实量是圆柱体网箱的2.38倍.时间为2 s时，正方体网箱风积沙压实量是圆柱体网箱的2.7倍.时间为3 s时，正方体网箱风积沙压实量是圆柱体网箱的2.78倍.从位移云图中可以看出正方体网箱最先变形的部位是四条棱边，而圆柱体网箱的变形比较均匀.出现这种现象的原因是：材质的抗变形能力与它的形状有关，圆柱体网箱比正方体网箱的结构更强.圆柱体中心较接近重力的中心，支撑力可以完全发挥作用，且圆柱体没有转角处与接角处，所以支撑力大于正方体.另外，圆柱体有很好的受力特性，其各处所受到的力是十分均匀对称的，这样可以保证金属网箱不易损坏和变形.当受到上部力的加载时，圆柱体网箱内部风积沙相互挤压和嵌挤，加上圆柱体本身的结构十分稳固，所以可以承受更大的力.而正方体网箱在受到力的加载时，各处的受力并不均匀，主要集中在四条棱边上，棱角处受到的力会特别大，容易破裂的地方也在这里.

图5 不同网箱类型风积沙压实量

2.2 不同箱体尺寸对风积沙压实的影响规律

由图6（a）可知，随着网箱尺寸的增加，正方体网箱中风积沙的压实量在不断增加.网箱强度为30 kPa时，7 cm网箱中风积沙压实量是6 cm网箱中风积沙压实量的7.66倍，7 cm网箱中风积沙压实量是5 cm网箱中风积沙压实量的93.22倍.由图6（b）可知，随着网箱尺寸的增加，圆柱体网箱中风积沙的压实量在不断减少.网箱强度为30 kPa时，5 cm网箱中风积沙压实量是6 cm网箱中风积沙压实量的12.87倍，5 cm网箱中风积沙压实量是7 cm网箱中风积沙压实量的106.41倍.出现这种现象的原因是：正方体网箱棱边越长，对网箱施加振动荷载时应力在棱边处大幅增加，网箱越容易变形.而圆柱体网箱由于整体受力均匀，施加振动荷载时，传递到中间部分的能量越小，尺寸越大，整体越不容易变形.

图6 不同类型箱体尺寸风积沙压实量

2.3 不同箱体强度对风积沙压实的影响规律

由图7可知，正方体网箱和圆柱体网箱随着强度的增加，风积沙压实量都在不同程度的减小.正方体网箱在强度由30 kPa至70 kPa的过程中，7 cm网箱压实量由2.75 mm减少为2.15 mm，减小幅度为22%.圆柱体网箱在强度由30 kPa至70 kPa的过程中，5 cm网箱压实量由0.166 mm减少为0.116 mm，减小幅度为30%.出现这种现象的原因是：当风积沙被金属网箱完全束缚时，侧壁约束对风积沙颗粒产生围箍效应[27].相同的振动荷载下，圆柱体网箱和正方体网箱中风积沙的压实量随着箱体强度的增大而减小，箱体强度在一定程度上限制了风积沙的侧向变形.箱体强度越大，侧壁对风积沙颗粒的侧向位移束缚越大，振动效果较差.而且由于圆柱体网箱比正方体网箱受力更加稳定，当网箱的强度逐渐增加时，圆柱体网箱中风积沙的压实量也更小.

图7 不同箱体强度风积沙压实量

2.4 侧向约束对风积沙箱式充填体接触力链的影响规律

风积沙是由不同粒径级配构成的颗粒集结体，通过颗粒间的接触进行力的传递，形成力链网络.力链网络可以清楚地了解网箱对于风积沙的约束作用，更加直观地表征风积沙与网箱之间力的传递.因此，颗粒间的力链网络既可以表征风积沙的细观结构特征，也可以对风积沙的宏观力学特性有明显影响.力链的粗细和颜色均与接触力的大小成正比，研究风积沙网箱充填体力链变化，可以从微观层面揭示侧向约束对风积沙与网箱之间力的相互作用.由图8可知，圆柱体网箱中风积沙与网箱接触力链均匀地分布在侧壁四周，强力链作为风积沙的骨架呈长条形态贯穿网箱内部.而正方体网箱中风积沙与网箱较大接触力链分布在四条棱边附近，其余较小力链分布于各面上，强力链呈树枝状形态贯穿网箱内部，弱力链穿插于强力链内部.出现这种现象的原因是：圆柱体的受力十分均匀对称，风积沙颗粒与网箱接触力也十分均匀，没有局部接触力异常的情况，可以承受更大的支撑力[28].而正方体网箱是六面体，当受到力的荷载时，有明显局部应力集中的现象.并且棱角处受到的力会特别大，风积沙颗粒与网箱接触时所形成的力链，主要集中在正方体网箱的棱边处.

图8 不同网箱类型颗粒力链图

由图9可知，随着网箱强度的增大，侧壁四周接触力链的强度在不断增加.风积沙内部强力链不断发育，由均匀状态转变为树枝状.弱力链不断减少且分布在强力链的周围.出现这种现象的原因是：网箱强度越大，侧壁对风积沙颗粒的侧向位移束缚越大.网箱对于风积沙约束越强，风积沙作用于网箱的作用力越大，颗粒接触力也越大.随着网箱强度的增加，风积沙内部变得更加稳定，颗粒骨架力链也越稳定[29].