不同賦存條件巷道圍巖力學(xué)特征數(shù)值模擬研究

徐　超

（淮南礦業(yè)集團顧橋煤礦安徽　鳳臺　232100）

不同賦存條件巷道圍巖力學(xué)特征數(shù)值模擬研究

徐超

（淮南礦業(yè)集團顧橋煤礦安徽鳳臺232100）

摘要為掌握巷道圍巖力學(xué)特征，以淮南謝一礦513（3）工作面回采巷道的地質(zhì)條件為背景，采用FLAC3D對不同埋深、不同傾角的巷道進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：隨著埋深的增加，巷道圍巖水平位移、垂直位移、水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力呈非線性增加趨勢，并且隨著埋深的增加，巷道圍巖塑性區(qū)逐漸增加；巖層傾角變化對巷道水平位移、水平應(yīng)力影響較大，對豎直位移、垂直應(yīng)力影響不大，巷道圍巖破壞范圍隨著巖層傾角的增加逐漸增大，可為安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞巷道圍巖；埋深；傾角；力學(xué)特征；數(shù)值模擬

隨著煤炭需求量的增加，開采規(guī)模不斷擴大，淺部資源日趨枯竭，很多煤礦向深部開采成為必然。而深部開采面臨很多問題，如巷道所處的環(huán)境復(fù)雜，巷道圍巖變形大，回采期間礦壓顯現(xiàn)劇烈等。巷道圍巖力學(xué)特征受巖性、傾角、埋深、地質(zhì)構(gòu)造等多種因素的影響，為掌握巷道圍巖力學(xué)特征，針對淮南謝一礦513（3）工作面回采巷道的地質(zhì)條件，采用FLAC3D對不同埋深、不同傾角的巷道進行了數(shù)值模擬研究，從而掌握深部復(fù)雜條件下巷道圍巖力學(xué)特征。數(shù)值模擬采用兩套模擬方案，方案一：建立三維數(shù)值模型，分別模擬巷道在200 m、400 m、600 m、800 m埋深時巷道圍巖的力學(xué)特征；方案二：建立三維數(shù)值模型，分別模擬巷道巖層水平和傾角為20°時，巷道圍巖的力學(xué)特征。針對兩套模擬方案的結(jié)果，分析巷道圍巖力學(xué)特征，為保證巷道圍巖穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。

1　數(shù)值模型的建立

1）幾何模型及邊界條件。

為了全面掌握深部工作面開采條件下，巷道圍巖破壞及其圍巖應(yīng)力空間分布特征，以淮南謝一礦513（3）工作面巷道所處的地質(zhì)條件為背景，建立三維計算模型：模型長200 m，傾斜寬200 m，高100 m，巖（煤）層傾角為20°，模型側(cè)向限制水平移動，底面限制垂直移動，上部載荷為巖層重量。模型共劃分68 000個單元，73 382個結(jié)點，按區(qū)域調(diào)整單元疏密。

2）力學(xué)模型及力學(xué)參數(shù)。

采用莫爾－庫侖屈服準則計算，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

摩爾－庫侖塑性模型所涉及的巖、土體物理力學(xué)參數(shù)包括：體積模量B、剪切模量S、黏聚力C、內(nèi)摩擦角f、質(zhì)量密度D。其中，B和S是由巖、土體的彈性模量和泊松比確定的，并根據(jù)公式B＝E／3（1－2μ）和S＝E／2（1＋μ）來計算。式中：E為巖體的彈性模量，μ為巖體的泊松比。

3）數(shù)值模擬的計算步驟如下。

a）加載求解原巖應(yīng)力場。

b）位移歸零（將所有單元和節(jié)點的位移重置為零）。

c）按每次3排錨桿長度2．4 m的循環(huán)進尺開挖巷道，同時進行錨桿與錨索支護，每隔2排錨桿施工1排錨索，將200 m×200 m×100 m范圍內(nèi)的機巷全部掘出。

表1　巖體力學(xué)參數(shù)表

d）工作面按4 m的循環(huán)進尺進行回采及充填，充填滯后回采1個切眼長度7 m，回采100 m后停止計算。

2　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2．1不同埋深巷道圍巖力學(xué)特征分析

不同埋深條件下，巷道掘進支護后圍巖隨埋深的變化規(guī)律如下：

1）巷道圍巖位移分布特征。

巷道圍巖垂直位移云圖及巷道圍巖隨埋深的變化規(guī)律圖見圖1，2。

圖1　埋深600 m巷道圍巖豎直位移云圖

圖2　不同埋深巷道圍巖最大豎直位移曲線圖

由圖1，2可知，巷道掘進后，巷道圍巖最大豎直位移量隨著埋深的增加逐漸增加，且呈現(xiàn)非線性增加的趨勢，埋深200 m時，圍巖最大底鼓量為4．5 mm，埋深800 m，時圍巖最大底鼓量為38．8 mm，底鼓量增大37．8倍。由圖2可知，隨著埋深的增加，圍巖垂直位移量增加幅度逐漸增大。由此說明，深部巷道圍巖垂直位移量隨著埋深呈現(xiàn)非線性增加趨勢。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道圍巖水平位移呈現(xiàn)出與垂直位移類似的變化規(guī)律，最大水平位移量隨著埋深的增加亦逐漸增加，埋深200 m時，圍巖最大水平位移量為1．4 mm，埋深800 m時，圍巖最大水平位移量為11．3 mm，最大水平位移量增大10．3倍。由此可知，隨著埋深的增加，巷道圍巖垂直位移增量較水平位移增量大。

2）圍巖應(yīng)力分布特征。

巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖及巷道圍巖隨埋深的變化規(guī)律圖見圖3，4。

圖3　埋深600 m巷道豎直應(yīng)力云圖

圖4　不同埋深巷道圍巖最大豎直應(yīng)力變化曲線圖

由圖3，4可知，巷道掘進后，巷道圍巖垂直應(yīng)力隨著埋深的增加逐漸增加，且呈現(xiàn)非線性增加趨勢，埋深200 m時，圍巖最大豎直應(yīng)力為22．3 MPa，埋深800 m時，圍巖最大豎直應(yīng)力為42．5 MPa，最大豎直應(yīng)力增大0．9倍。由圖4可知，隨著埋深的增加，圍巖豎直應(yīng)力增加幅度逐漸增大，呈現(xiàn)出非線性的增加趨勢。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道圍巖水平應(yīng)力呈現(xiàn)出與垂直應(yīng)力類似的變化規(guī)律，最大垂直應(yīng)力隨埋深的增加逐漸增加，埋深200 m時圍巖最大水平應(yīng)力為12．5 MPa，埋深800 m時圍巖最大水平應(yīng)力為25 MPa，應(yīng)力增大1倍。由此可知，隨著埋深的增加，巷道圍巖垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力增加量相近。

3）圍巖塑性區(qū)分布特征。

埋深600 m巷道圍巖的塑性區(qū)分布圖見圖5。

圖5　埋深600 m巷道圍巖破壞狀況圖

由數(shù)值模擬可知，巷道圍巖塑性區(qū)范圍隨著埋深的增加逐漸擴大，埋深200 m時圍巖塑性區(qū)范圍最小，埋深800m時圍巖塑性區(qū)范圍最大。巷道圍巖破壞先由巷道底板兩腳及兩拱角部分區(qū)域出現(xiàn)塑性屈服開始，然后范圍逐漸擴展，巷道變形表現(xiàn)形式為巷道兩幫向巷道空間內(nèi)擠入、頂板下沉和底板鼓起。巷道底板破壞范圍大于頂板，兩幫破壞范圍基本一致。

2．2不同傾角巷道圍巖力學(xué)特征分析

在其它地質(zhì)條件相同的條件下，巖層傾角對巷道圍巖力學(xué)特征的影響較大，通過FLAC3D對巖層傾角分別為0°和20°時巷道圍巖的力學(xué)特征進行了模擬研究，結(jié)果表明：

1）巖層傾角對巷道圍巖水平位移影響較大，對垂直位移影響較小。巷道掘進后，巖層傾角為0°時，圍巖最大水平位移為2．5 mm，最大垂直位移為8．4 mm。傾角為20°時，圍巖最大水平位移為11．3 mm，最大垂直位移為7．9 mm。

2）巖層傾角對巷道圍巖水平應(yīng)力影響較大，對垂直應(yīng)力影響較小。巷道掘進后，巖層傾角為0°時，圍巖最大水平應(yīng)力為11 MPa。傾角為20°時，最大水平應(yīng)力為25 MPa，水平應(yīng)力增大1．27倍；巖層傾角為0°時，圍巖最大垂直應(yīng)力為25 MPa，傾角為20°時，最大垂直應(yīng)力為30 MPa，垂直應(yīng)力增大0．2倍。

3）巖層傾角對巷道圍巖破壞范圍影響明顯，隨著傾角的增大，圍巖破壞范圍逐漸增大。

3　結(jié)　論

本文針對淮南謝一礦513（3）工作面回采巷道的地質(zhì)條件，采用FLAC3D對不同埋深、不同傾角的巷道進行了數(shù)值模擬研究，主要結(jié)論如下：

1）隨著埋深的增加，巷道圍巖水平位移、垂直位移、水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力呈非線性增加趨勢，垂直位移量大于水平位移量，隨著埋深的增加，巷道圍巖塑性區(qū)亦逐漸增加。埋深800 m的圍巖最大底鼓量比埋深200 m增大37．8倍，最大水平位移量約增大10．3倍；埋深800 m時圍巖最大豎直應(yīng)力為42．5 MPa，埋深200 m為22．3 MPa，應(yīng)力增大0．9倍；埋深800 m時圍巖最大水平應(yīng)力為25 MPa，埋深200 m為12．5 MPa，應(yīng)力增大1倍。

2）巖層傾角變化對巷道水平位移、水平應(yīng)力影響較大，對豎直位移、垂直應(yīng)力影響不大，巷道圍巖破壞范圍隨著巖層傾角的增加逐漸增大。

3）若巷道埋深較大、巖層傾角較大，巷道所處的力學(xué)環(huán)境相對復(fù)雜，生產(chǎn)期間應(yīng)采取措施以提高巷道的穩(wěn)定性，如加強支護、加大支護強度、改進支護方式、加強管理，以保證安全生產(chǎn)。

參考文獻

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中圖分類號：TD315＋．3

文獻標識碼：A

文章編號：1672－0652（2014）01－0045－03

收稿日期：2013－11－02

作者簡介：徐超（1983—），男，安徽淮南人，2008年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦采掘技術(shù)及管理工作（E－mail）haifeng990＠163．com

Numerical Simulation Research on Surrounding Rock Mechanical Characteristics of Different Occurrence Conditions

Xu Chao

AbstractIn order to master the mechanical characteristics of surrounding rock，takes the geological conditions of Huainan Xieyi coal mine 513（3）working face mining roadway as the background，F(xiàn)LAC3D is adopted to research numerical simulation to roadway of different buried depth and angle．The results show that roadway surrounding rock horizontal displacement，vertical displacement，horizontal stress and vertical stress are on the nonlinearity increase trend with the growth of buried depth，the plastic zone of surrounding rock increase gradually with the increase of buried depth．The change of strata dip angle which have a great influence on horizontal displacement and horizontal stress and don’t much affect on vertical displacement and vertical stress．Damage range of surrounding rock is gradually increasing with the increase of strata dip angle．It can provide guidance for safety production．

Key wordsSurrounding rock；Buried depth；Inclination；Mechanical characteristics；Numerical simulation