2023-09-06
(1)在自主开发的岩层运动GPU并行计算系统StrataKing中，引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元，其本质是在四边形单元的任一种覆盖中，锚杆节点相对于子单元的位置保持不变。(2)以巨野矿区某轨道大巷为例，开展锚杆支护条件下巷道围岩的变形—开裂—运动过程计算。巷道附近破坏区内岩石单元之间的明显裂纹使围岩发生了较大膨胀，这比传统连续方法的结果更符合实际。基于岩层运动并行计算系统的锚杆单元原理、实现及巷道支护效果分析
作者：王学滨1 ，岑子豪2 ，陈双印2 ，薛承宇2 ，杜 轩2单位：1. 辽宁工程技术大学 计算力学研究所;2. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院锚杆支护以其显著的经济和技术优势在巷道支 护中获得了广泛应用。我国已形成了以锚杆支护为主的支护格局。研究锚杆支护条件下巷道围岩的应 力、变形及裂纹的时空分布对于冒顶和煤体片帮等灾 害的预防具有重要意义。在锚杆数值模拟研究方面，目前大致有2类模型。在等效模型中，不具体地模拟每根锚杆，而是提高锚 杆加固区内的围岩参数或将锚固体作为均布荷载作 用于围岩。该类模型虽然简单，但无法分析锚杆自身 的受力过程，并且加固区内围岩参数的选取较为困难。在离散模型中，采用杆单元、梁单元及桩单元等模拟 锚杆。该类模型适用性强，应用范围广，但仍有待改 进之处。例如，FLAC3D中的 Cable单元只涉及了锚 杆的轴向变形而未涉及锚杆的剪切变形。一些连续方法 (FLAC3D等)和非连续方法(DDA 和 UDEC等)都具有模拟锚杆的功能。陈云娟等在非连续变形岩石断裂分析方法中提出了一种考虑剪切变形的全长黏结式锚杆，开展了隧道稳定性的数值模拟研究。王晓卿等采用FLAC3D 开展了黏结刚度 对层状顶板支护效果影响的数值模拟研究。连续方法具有应力场、应变场等计算精度高的优势，但对于非连续介质问题的处理能力有限。非连续方法对于 应力及应变的计算精度较低，即使在弹性阶段通常都 需要引入有关的刚度参数，这会对应力场、应变场产 生一定的影响。被认为在模拟连续介质向非连续介质转化方面具有突出能力的连续−非连续方法正在快速发展，该类方法兼具连续方法和非连续方法各自的优势。例如，FDEM和自主开发的拉格朗日元与 离散元耦合连续−非连续方法。在连续阶段中，前者 的单元之间存在节理，并非是完全连续介质;后者的 单元之间无节理，是完全连续介质，计算效率和计算 精度较高。以拉格朗日元与离散元耦合连续−非连续 方法为基础，形成了岩层运动并行计算系统。该系统的控制循环由CPU 执行，密集的计算任务由 GPU 执行，这使得计算效率得以显著提升。在岩层运动并行计算系统中引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元，通过拉拔试验验证了其 正确性。以巨野矿区某轨道大巷为背景建立了力学 模型，得到了有无锚杆支护条件下巷道围岩的变形— 开裂—运动过程，分析了锚杆对巷道的支护效果。在自主开发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的岩层运动并 行计算系统 (基于拉格朗日元与离散元耦合连续−非连续方法)中，引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元，形成了锚杆模块。2个锚杆节点与之间的构件组成锚杆单元，其本质是在任一种覆盖 (将 1 个四边形单元离散成2个三角形子单元，离散方式有2种，即2 种覆盖) 中，锚杆节点相对于子单元的位置保持不变。控制循环由CPU 执行，密集的计算任务由 GPU 执行，锚杆模块与其他模块同时执行以获得较高的计算效率。考察了拉拔试验中不同位置锚杆单元轴力的演化规律。随着拉拔的进行，距离拉拔端一定距离内的锚杆单元轴力呈振荡上升趋势，从围岩对锚杆作用的 角度对此进行了解释。通过将目前的锚杆轴力分布与基于 Mindlin 问题的位移解推导出的理论结果进行对比，验证了锚杆单元的正确性。为了研究锚杆单元对巷道的支护效果，以巨野矿区某轨道 大巷为背景建立力学模型，得到了有无锚杆支护条件下巷道围岩的变形—开裂—运动过程。研究 发现，锚杆单元对于阻碍巷道围岩变形、控制裂纹发展和改善应力分布具有良好的效果，这是由 于锚杆长度范围内围岩围压增大导致了围岩承载力提高。目前的锚杆支护条件下的结果 (巷道附近 破坏区内岩石单元之间的明显裂纹使围岩发生了较大膨胀) 比传统连续方法的结果更符合实际。
图 1 锚杆单元轴向变形及转动的示意
图 2 锚杆单元对子单元的力的示意
图 3 2 种覆盖中子单元的力的分配及平均的示意
图 4 引入锚杆模块后的岩层运动并行计算系统流程
图 5 锚杆拉拔力学模型
图 6 σ3 及裂纹区段的时空分布
图 7 不同编号锚杆单元 Fm 的演化
图 8 锚杆轴力分布对比
图 9 巷道开挖前的力学模型
图 10 局部锚固锚杆示意
图 11 无锚杆支护条件下的 σ3 及裂纹区段的时空分布
图 12 有锚杆支护条件下的 σ3 及裂纹区段的时空分布
图 13 Nt−N 和 Ns−N 曲线
图 14 巷道顶板下沉量和两帮移进量的演化规律
王学滨，教授、博导，辽宁工程技术大学计算力学研究所所长，中国岩石力学与工程学会兼职副秘书长、理事、煤矿智能开采与岩层控制分会常务理事、岩石动力学专业委员会常务委员、地面岩石工程专业委员会常务委员、岩体物理数学模拟专业委员会委员，《防灾减灾工程学报》《岩石力学与工程学报》《岩土力学》《陕西煤炭》《有色金属（矿山部分）》《中国矿业大学学报》等7个期刊的编委、青年编委或中青年编委，东北大学、中国矿业大学（北京）深部国重兼职教授，中国煤炭学会科学传播专家、科普工作委员会委员，中国数字仿真理事会专家委员会委员，中国工业合作协会仿真技术产业分会理事。瞄准矿业领域岩层运动模拟现有软件功能有限的“卡脖子”难题，甘坐冷板凳，历时10余年，自主开发了岩层运动并行计算系统StrataKing（岩层之王，王之岩层）。发表论文300余篇，其中，一篇论文位列《煤炭学报》2021年Top10第2名，博士论文获得省优博和全国百篇优博提名，出版专著4部，4次入围全球前2%顶尖科学家-终身榜，获得数字仿真科技奖（杰出贡献奖+卓越应用奖）、省五一劳动奖章等奖励和荣誉。业余爱好广泛，并试图与本职工作有机结合。
来源：
王学滨，岑子豪，陈双印，等. 基于岩层运动并行计算系统的锚杆单元原理、实现及巷道支护效果分析[J].煤炭学报，2023，48(8):3020−3029.
责编：郭晓炜
责任编辑：宫在芹
