深部高應(yīng)力矩形巷道圍巖蠕變的數(shù)值模擬

曹日躍，吳德義

(安徽建筑大學(xué)　土木工程學(xué)院，合肥　230601)

深部高應(yīng)力矩形巷道圍巖蠕變的數(shù)值模擬

曹日躍*，吳德義

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥230601)

摘要：利用FLAC3D軟件對(duì)某深部煤巷開(kāi)采進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算中采用FLAC3D中的Burgers蠕變模塊，分析巷道圍巖在深部高應(yīng)力條件下的圍巖蠕變變形破壞特征，得到了該區(qū)域巷道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。結(jié)論： 1)在巷道蠕變初期，整個(gè)巷道應(yīng)力分布不均勻且波動(dòng)很大，隨著蠕變時(shí)間增加，應(yīng)力變化基本處于穩(wěn)定階段； 2)在巷道蠕變初期，位移變化很大，且在巷道中部位移變化量最為集中和明顯，而且水平位移變化量大于豎直位移變化量，說(shuō)明幫部支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性尤為重要。為巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)以及巷道圍巖蠕變的規(guī)律提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：快速拉格朗日差分分析；深部煤巷；蠕變變形；巷道支護(hù)

目前，我國(guó)煤炭的淺部開(kāi)采已接近尾聲，大量煤礦資源的開(kāi)采已經(jīng)進(jìn)入到深部開(kāi)采區(qū)。而煤炭?jī)?chǔ)量也以深部居多[1]，我國(guó)煤炭目前已探明的儲(chǔ)量中約53%埋深超過(guò)1 km。隨著開(kāi)采規(guī)模增大，全國(guó)大部分礦區(qū)如淮南、淮北等開(kāi)采深度均超過(guò)0.8 km，部分礦井開(kāi)采深度已達(dá)到1.0～1.3 km[2]。而隨著開(kāi)采深度的增加，發(fā)生安全事故的概率也增大，礦難事故時(shí)有發(fā)生。我國(guó)煤炭行業(yè)不得不面對(duì)深部開(kāi)采帶來(lái)的地溫高、瓦斯量大、礦壓大、支護(hù)困難等問(wèn)題。煤巖作為一種有機(jī)巖體，其自身巖性較弱，在深部條件下表現(xiàn)為強(qiáng)烈的流變變形特征。大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和室內(nèi)試驗(yàn)表明：煤巖的蠕變屬性更為顯著[3]。因此，采用科學(xué)的研究方法對(duì)深部軟弱煤巖的蠕變特性及其變化規(guī)律開(kāi)展研究，并解決實(shí)際工程中與蠕變相關(guān)的問(wèn)題具有重大的理論和工程實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)圓形巷道的研究已經(jīng)非常充分和完善，研究成果大都運(yùn)用到實(shí)際的工程中。在實(shí)際的煤礦開(kāi)采中，開(kāi)挖矩形巷道更為廣泛，而這方面的理論研究比較少。本文結(jié)合工程實(shí)例與數(shù)值模擬的情況，分析某深部矩形巷道在高應(yīng)力條件下開(kāi)挖后的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，總結(jié)其破壞蠕變破壞特征，以期為巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)以及巷道圍巖蠕變規(guī)律的研究提供參考依據(jù)。

1FLAC3D和蠕變理論

FLAC3D[4](Fast Lagrangian Analysis of Continuum，快速拉格朗日差分分析)是一種新的數(shù)值模擬方法，能很好地解決巖土類問(wèn)題，常常用來(lái)解決深埋巷道大變形問(wèn)題。FLAC3D有較強(qiáng)的內(nèi)部前后處理能力，劃分網(wǎng)格時(shí)，可以生成復(fù)雜的三維網(wǎng)格。其模擬結(jié)果既可以用分辨率較高的彩圖表示，也可以生成需要的等值線圖，簡(jiǎn)單明了；允許自行定義材料的屬性和參數(shù)；用戶可以自己定義實(shí)際的邊界狀況、受力狀況，通過(guò)運(yùn)算分析得到劃分單元、節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力結(jié)果。由于FLAC3D軟件具有很強(qiáng)的解決復(fù)雜巖土工程問(wèn)題的能力，所以在國(guó)際巖土工程學(xué)術(shù)界享有盛譽(yù)。

蠕變是在恒定荷載條件下，材料連續(xù)變形的性質(zhì)。狹義的蠕變是指在恒定溫度恒定拉伸荷載下，試件變形隨時(shí)間緩慢增加的現(xiàn)象；廣義的蠕變是指固體在受到恒定外力作用下，變形隨時(shí)間增加的現(xiàn)象。在一定應(yīng)力作用下，蠕變現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生，蠕變的時(shí)間與應(yīng)力有關(guān)，應(yīng)力越大，蠕變總時(shí)間越短。典型的蠕變曲線分為3個(gè)階段：減速蠕變階段Ⅰ、等速蠕變階段Ⅱ、加速蠕變階段Ⅲ。

2FLAC3D模型建立及巖土參數(shù)

2.1計(jì)算模型建立

在某深部煤巖處開(kāi)挖3 m×3 m矩形巷道，按照建立模型的原則建立模型，計(jì)算區(qū)域邊界上的力為原巖應(yīng)力，即認(rèn)定邊界條件(x軸與z軸)為剛性，計(jì)算模型為30 m×2 m×30 m(x,y,z), 劃分單位尺寸由內(nèi)到外逐漸變大，漸變比例為1.1，有3 329個(gè)單元及4 325個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型上部為地層壓力荷載，根據(jù)側(cè)壓力系數(shù)確定側(cè)面施加的力，底部為鉸支座。計(jì)算時(shí)采用應(yīng)變軟化模型和FLAC3D中的Burgers蠕變模塊。

圖1　FLAC3D 計(jì)算模型

2.2巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)結(jié)果，開(kāi)挖巷道的煤巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　煤巖力學(xué)參數(shù)

3深部矩形巷道應(yīng)力場(chǎng)變化分析

在深部軟弱煤巖條件下，巷道圍巖的蠕變特性會(huì)很突出，在高應(yīng)力下，巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)隨巷道蠕變而發(fā)生演變。當(dāng)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到煤巖強(qiáng)度極限時(shí)，圍巖就會(huì)產(chǎn)生蠕變[5]，深部巷道大變形就是圍巖蠕變引起的。

圖2和圖3分別是蠕變30 d的水平應(yīng)力云圖和蠕變200 d的水平應(yīng)力云圖。從圖2可知，當(dāng)巷道開(kāi)挖完成不久時(shí)，圍巖應(yīng)力重分布，巷道頂豎直應(yīng)力大于水平應(yīng)力，且在蠕變初期巷道水平應(yīng)力分布不均勻，巷道圍巖處于初始蠕變階段。從圖3可知：當(dāng)圍巖蠕變經(jīng)過(guò)200 d后，巷道的整體水平應(yīng)力均勻分布在巷道周圍，呈對(duì)稱分布，水平應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)巷道進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段[6]。由于蠕變的時(shí)間不同，圍巖的水平應(yīng)力場(chǎng)也表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

圖4和圖5分別是蠕變30 d的豎直應(yīng)力云圖和蠕變200 d的豎直應(yīng)力云圖。從圖3可知：在蠕變初期，巷道豎直方向的應(yīng)力場(chǎng)分布不均勻，應(yīng)力場(chǎng)呈不規(guī)律的狀態(tài)分布于整個(gè)巷道周圍，說(shuō)明巷道開(kāi)挖初期階段，圍巖蠕變應(yīng)力波動(dòng)很大大，此時(shí)應(yīng)該注重巷道支護(hù)施工。當(dāng)經(jīng)過(guò)200 d后，如圖5所示，巷道圍巖的豎直應(yīng)力場(chǎng)均勻分布在巷道周圍，呈對(duì)稱分布，說(shuō)明此時(shí)圍巖處于蠕變穩(wěn)定期。

從圖6可知：在蠕變30 d內(nèi)，應(yīng)力釋放最快，應(yīng)力差突然增大是巷道位移變化的主要因素。在巷道中部蠕變速度變化較快，隨著距離巷道越來(lái)越遠(yuǎn)，巷道應(yīng)力逐漸恢復(fù)原巖應(yīng)力大小，基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，蠕變的速度也在減小。

圖2　蠕變30 d的水平應(yīng)力云圖

圖3　蠕變200 d的水平應(yīng)力云圖

圖4　蠕變30 d的豎直應(yīng)力云圖

圖5　蠕變200 d的豎直應(yīng)力云圖

圖6　巷道蠕變應(yīng)力圖

4深部矩形巷道位移場(chǎng)變化分析

深部軟巖巷道蠕變變形的主要原因是：巷道開(kāi)挖后，應(yīng)力重分布，在開(kāi)挖初期導(dǎo)致主應(yīng)力差突然變大，使得煤巖內(nèi)部裂隙發(fā)展增大，形成裂隙帶[7]，而裂隙帶內(nèi)的承載力很差，圍巖長(zhǎng)時(shí)間在高應(yīng)力作用下就產(chǎn)生圍巖大變形。

圖7和圖8分別是蠕變30 d的水平位移云圖和蠕變200 d的水平位移云圖。從圖7可知：在巷道開(kāi)挖初期，巷道水平蠕變位移最大值為0.49 m，圍巖變形較大，圍巖處于蠕變初期。巷道位移變化率波動(dòng)很大，說(shuō)明此時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)部的煤巖承載力下降很快，失去承載能力，使圍巖產(chǎn)生變形。對(duì)比巷道的豎直位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，在巷道蠕變初期階段，巷道的水平位移變化大于豎直位移變化。從圖7可知：當(dāng)蠕變進(jìn)行到200 d后，圍巖蠕變位移最大值為0.53 m，只增加了0.04 m，說(shuō)明隨著蠕變時(shí)間的增加，后期的蠕變速率明顯減小，此時(shí)處于穩(wěn)定蠕變階段。蠕變速率減小，說(shuō)明圍巖內(nèi)部的裂隙發(fā)展基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)破壞范圍也基本穩(wěn)定，不會(huì)再向外圍擴(kuò)展，只要采取有效的支護(hù)措施，提高圍巖的承載力，就可以提高圍巖的穩(wěn)定性。

圖9和圖10分別是蠕變30 d的豎直位移云圖和蠕變200 d的豎直位移云圖。從圖9可知：在蠕變初期，巷道的最大豎直位移為0.44 m。相比于同時(shí)間的蠕變階段，水平位移變化大于豎直位移變化，說(shuō)明在巷道開(kāi)挖時(shí)，幫部是支護(hù)的關(guān)鍵部位。在經(jīng)歷過(guò)200 d后的蠕變基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道豎直最大位移為0.48 m，只增加0.04 m，巷道變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11和圖12分別是巷道蠕變位移矢量圖和巷道蠕變位移變化圖。在蠕變階段，巷道表面的位移變化是最大的，而巷道幫部位移變化最為集中，是最容易產(chǎn)生破壞的位置，所以在進(jìn)行支護(hù)時(shí)，幫部是最為關(guān)鍵的支護(hù)部位[8]。在蠕變30 d內(nèi)，巷道位移變化最快，隨著蠕變時(shí)間的增加，其位移變化逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7　蠕變30 d的水平位移云圖

圖8　蠕變200 d的水平位移云圖

圖9　蠕變30 d的豎直位移云圖

圖10　蠕變200 d的豎直位移云圖

圖11　巷道蠕變位移矢量圖

圖12　巷道蠕變位移圖

5結(jié)語(yǔ)

本文利用FLAC3D有限差分軟件對(duì)某深部矩形巷道的蠕變規(guī)律做了分析研究，分析巷道應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的分布規(guī)律，得到以下結(jié)論：1)從應(yīng)力場(chǎng)分析，在巷道蠕變初期，整個(gè)巷道應(yīng)力分布不均勻且波動(dòng)很大，但在200 d后，應(yīng)力變化基本處于穩(wěn)定階段，在巷道的中部應(yīng)力較小，隨著距離巷道邊界越來(lái)越遠(yuǎn)，其應(yīng)力值越來(lái)越大，直至到接近巷道原巖應(yīng)力。2)從位移場(chǎng)分析，在巷道蠕變初期，位移變化很大，且在巷道中部位移變化量最為集中和明顯。水平位移變化量大于豎直位移變化量，說(shuō)明幫部支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性尤為重要。隨著蠕變時(shí)間的增加，巷道位移變化基本處于穩(wěn)定階段。

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Simulation of the Creep of Surrounding Rock in Different Deep Rectangular Tunnels

CAORiyue*，WUDeyi

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601,China)

Abstract:Numerical simulation study on a deep mining coal roadway was conducted by using software FLAC3D.In the calculation, Burgers creep module of FLAC3D was used to analyze the reep of roadway surrounding rock deformation and failure characteristics under conditions of high stress in the deep part. As a result, the stress and strain distribution in the region around the tunnel rock was obtained. And the following conclusions were attained: 1) at the beginning of the roadway creep, the entire roadway was under the uneven distribution of stress and volatile, with the increase in creep time stress was in a stable phase; 2) at the beginning of the roadway creep, the displacement was large, and the most concentrated and visible change was in the amount of displacement of the central roadway while the horizontal displacement and vertical displacement were greater than the amount of change which indicated that the section for supporting the support on surrounding rock stability was particularly important. The study provided a reference for the design and creep law of roadway tunnel support.

Key words:FLAC3D；deep coal roadway；creep deformation; roadway support

DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.02.001

收稿日期：2016-04-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金“深部煤巖穩(wěn)定性量化判別研究”(51374009)

作者簡(jiǎn)介：曹日躍(1991— )，男(漢族)，安徽合肥人，在讀碩士研究生，研究方向：地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論與應(yīng)用，通信作者郵箱：1165399082@qq.com。

中圖分類號(hào)：TD313

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383(2016)02-0001-04

吳德義(1966— )男(漢族)，安徽貴池人，教授，博士，研究方向：巖石力學(xué)。