論巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究及應(yīng)用

程文博　縱雙園

摘要：上個(gè)世紀(jì)70年代后期到80年代，是巷道圍巖穩(wěn)定理論空前發(fā)展時(shí)期，進(jìn)入21世紀(jì)，為了更好的研究巷道圍巖穩(wěn)定問(wèn)題。充分引用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬處理復(fù)雜巖土工程及力學(xué)問(wèn)題。三維快速拉格朗日法是一種基于三維顯示有限差分法的數(shù)值分析方法。五溝煤礦的南一采區(qū)回風(fēng)巷，經(jīng)數(shù)值分析后，確定了合理的支護(hù)參數(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)致益。并且安全得到了保障。

關(guān)鍵詞：巷道支護(hù)；數(shù)值模擬；經(jīng)濟(jì)效益；安全保障

中圖分類(lèi)號(hào)：TU7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198(2009)13-0277-02

0前言

三維快速拉格朗日分析采用了顯示有限差分格式來(lái)求解場(chǎng)的控制微分方程，并應(yīng)用了混合單元離散模型，可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過(guò)程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。三維快速拉格朗日分析程序FLAC3D具有強(qiáng)大的后處理功能。很適用采礦設(shè)計(jì)中評(píng)估斷層的影響、地質(zhì)體的錨固分析等數(shù)值模擬。

1FLAC3D的計(jì)算原理

快速拉格朗日分析程序有很強(qiáng)的分析功能，其基本思想是：通過(guò)對(duì)三維介質(zhì)的離散，使所有外力與內(nèi)力集中于三維網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)而將連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)定律轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點(diǎn)上的牛頓定律；時(shí)間與空間的導(dǎo)數(shù)采用沿有限空間與時(shí)間間隔線性變化的有限差分來(lái)近似；將靜力問(wèn)題當(dāng)作動(dòng)力問(wèn)題來(lái)求解，運(yùn)動(dòng)方程中慣性項(xiàng)用來(lái)作為達(dá)到所求靜力平衡的一種手段。

2南一采區(qū)回風(fēng)巷計(jì)算條件

五溝煤礦南一采區(qū)回風(fēng)巷埋深-375m，兩幫為煤，底板為砂巖，并伴有泥巖，巖性f=4-6；斷面形式為梯形，高3.7m，上底3.8m，下底4m；支護(hù)方式采用錨網(wǎng)梁支護(hù)，錨桿18×2200，間距800×800，噴厚90ram。

數(shù)值模擬采用FLAC-3D計(jì)算程序完成。參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)將圍巖定為不穩(wěn)定圍巖。

3南一回風(fēng)巷的三維彈塑性分析

為了進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算中錨桿間距分別取800×800mm和900×900mm。

3.1計(jì)算模型及初始狀態(tài)

巷道支護(hù)計(jì)算網(wǎng)格圖中網(wǎng)格剖分采用FLAC-3D完成，采用單元形態(tài)為六面體單元。

然后分別繪制錨桿間距為800×800mm和錨桿間距為900×900mm的錨桿襯砌支護(hù)及錨桿的錨固形式計(jì)算圖，錨桿錨固形式為端部錨固。垂直巷遂軸線方向初始水平應(yīng)力分布等色線圖，巷道軸線方向初始水平應(yīng)力分布等色線圖和巷道初始豎向應(yīng)力分布等色線圖。

3.2巷道支護(hù)數(shù)值模擬

數(shù)值模擬沒(méi)有考慮施工工序，認(rèn)為巷道是整體開(kāi)挖和及時(shí)支護(hù)的。分別繪制出以下錨桿間距為800×800mm和錨桿間距為900×900mm的計(jì)算結(jié)果圖；開(kāi)挖及支護(hù)后巷道位移矢量分布圖；開(kāi)挖及支護(hù)后巷道位移等值圖；開(kāi)挖及支護(hù)后垂直巷道軸線方向水平應(yīng)力分布圖；開(kāi)挖及支護(hù)后巷道軸線方向水平應(yīng)力分布圖；開(kāi)挖及支護(hù)后巷道豎向應(yīng)力分布圖；開(kāi)挖及支護(hù)后巷道中形成的塑性屈服區(qū)域，支護(hù)位移矢量分布圖；錨桿軸向所受的拉力和壓力分布圖；錨桿軸向所受的應(yīng)力分布圖。

計(jì)算結(jié)果圖顯示，對(duì)不穩(wěn)定圍巖而言，巷道支護(hù)后仍有較大的收斂位移。

從巷道位移矢量分布圖中可以看出巷道底板的位移較小，頂板的位移居中，而兩幫的位移最大，當(dāng)錨桿的間距為800×800mm時(shí)，巷道的位移最大值為245mm；當(dāng)錨桿的間距為900×900時(shí)，巷道的位移最大值為267mm，位移量增加了9.0％。

從巷道位移等值線圖中可以看出，錨桿間距800×800mm時(shí)，兩幫最大位移值為245mm，頂板的位移最大值為225mm，錨桿間距900×900mm時(shí)，兩幫最大值位移值為267mm，頂板的位移最大值為225mm，表明錨桿間距對(duì)頂板位移量影響不明顯。

從巷道圍巖應(yīng)力分布云圖中可以看出，當(dāng)錨桿間距800X800mm時(shí)，巷道頂部在豎直方向出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大值為1.50e5 N/m。當(dāng)錨桿間距900×900mm時(shí)，巷道兩幫在垂直于巷道軸線方向出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大值為1.39e54N/m。在巷道頂?shù)撞吭谪Q直方向出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大值為2.07e5N/m。錨桿間距增加后導(dǎo)致兩幫出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致兩幫張拉破壞加劇。

從開(kāi)挖及支護(hù)后巷道中形成的塑性屈服區(qū)域，支護(hù)位移矢量分布示意圖中表明巷道兩幫及頂?shù)装寰霈F(xiàn)塑性破壞，頂?shù)装宄霈F(xiàn)塑性屈服后，趨于穩(wěn)定而兩幫則處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并且在兩幫出現(xiàn)了拉壞區(qū)。當(dāng)錨桿間距從800mm增加到900mm時(shí)，頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)有減小的趨勢(shì)，而兩幫破壞加劇，同時(shí)張拉破壞也加劇。

錨桿軸向所受的拉力和壓力分布圖表明支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在兩幫。當(dāng)錨桿間距為800×800mm時(shí)，最大位移值為280mm。當(dāng)錨桿間距為900×900mm時(shí)，最大位移值為302mm。兩幫支護(hù)結(jié)構(gòu)(襯砌)的位移最大值大于圍巖兩幫位移最大值(g00×900mm時(shí)為302mm，800×800mm時(shí)為280mm)。說(shuō)明了襯砌局部出現(xiàn)脫離圍巖情況。

從錨桿軸向所受的應(yīng)力分布圖中可看出錨桿均處于張拉狀態(tài)，最大拉力為59KN。兩幫錨桿處于屈服狀態(tài)，最大應(yīng)力達(dá)到232MP。

4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬比較

南一采區(qū)回風(fēng)巷巷道數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)比較

5結(jié)語(yǔ)

五溝煤礦利用數(shù)值分析后，確定了合理的支護(hù)參數(shù)，至今，南一采區(qū)回風(fēng)巷未有一次大修，節(jié)約了巷道修復(fù)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益且安全得到了保障。