基于FLAC3D的深部巷道圍巖穩(wěn)定性分析

楊 嫣

（河南省昊鼎建筑基礎(chǔ)工程有限公司，450000）

基于FLAC3D的深部巷道圍巖穩(wěn)定性分析

楊 嫣

（河南省昊鼎建筑基礎(chǔ)工程有限公司，450000）

0 引言

沿空巷道由于處于采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)固支邊與鉸接邊之間，其頂板巖層將會斷裂成弧形三角塊。與采場相比，沿空巷道的推進(jìn)，勢必會造成更加復(fù)雜的應(yīng)力二次分布。由于錨固力、支承力的作用，在煤體邊緣產(chǎn)生破碎區(qū)與塑性區(qū)，出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)。沿穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道，雖然圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)，但圍巖比較破碎，并且回采空間會引起強(qiáng)烈的支承壓力作用，使受其影響的巷道圍巖壓力以數(shù)倍、甚至近十倍于原巖應(yīng)力迅速升高，從而造成深部圍巖出現(xiàn)大變形、大地壓、難支護(hù)的特征。深部巷道圍巖變形特點(diǎn)基本為：（1）圍巖變形量大，變形速度快，（2）巷道持續(xù)變形、流變?yōu)樯畈肯锏雷冃蔚闹饕卣?，?）深部巖石的擴(kuò)容性質(zhì)。該煤礦地處云貴高原，山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，巷道所處的煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，頂板節(jié)理發(fā)育，比較破碎，表現(xiàn)出深部巷道圍巖變形的特征，且其巷道原支護(hù)結(jié)構(gòu)方式和參數(shù)不合理等原因使得巷道發(fā)生嚴(yán)重變形和破壞，其中深部高應(yīng)力和圍巖較低承載能力是該礦巷道變形破壞的主要原因。故有必要運(yùn)用數(shù)值模擬方法了解在沿空巷道工作面施工期間，圍巖內(nèi)應(yīng)力及圍巖變形情況。

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，它常用于模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為，可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，故常用于煤礦的圍巖穩(wěn)定性等的模擬分析[1～2]。該文基于商業(yè)軟件FLAC3D動態(tài)的分析地下開采工程中巷道圍巖的穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

21156回風(fēng)巷位于南井二水平。地面位置位于大白巖西北部，距離地表垂深662m～727m。南部為212 石門，北部至F108 斷層，東部至+1289m 標(biāo)高，西部為21154 采空區(qū)，頂部為已回采完畢的21128 和21126 采空區(qū)。21156 巷道斷面形狀采用三心拱形斷面跨度為 5.0m，高3.0m。巷道圍巖主要采用錨桿、錨索為主的錨固技術(shù)。錨桿間排距取0.8m選取頂板錨桿長度為 2.4m，煤幫錨桿長度為2.0m。錨索采用“2-1-2”形布置，長度L＝6m。第一排錨索布置2根，布置于兩排錨桿之間，錨索距煤幫 1300mm，即錨索間距2400mm；第二排錨索布置1根，布置于第三排錨桿的頂板中心線布置，即錨索排距為 1200mm；第三排錨索如同第一排，依此類推。采用“2-1-2”形布置方式，選取錨索間距為2400mm，排距為1200mm。

2 計算模型

2.1 幾何模型和模型參數(shù)

巷道斷面形狀為三心拱形斷面，下寬5.0m，中高3.0m，面積為14.3m2。模型的計算邊界范圍的選取以在地下開采對巷道圍巖影響范圍內(nèi)[4]可以反映計算結(jié)果并能縮短計算時間為原則。具體選取邊界范圍為：水平方向上模型邊界為巷道中線每側(cè)3倍的開挖跨度處，豎直方向上上部模型邊界為巷道最高點(diǎn)上側(cè)3倍井筒開挖高度處，下部模型邊界為巷道底板下側(cè)3倍井筒開挖深度處。

根據(jù)工程實(shí)際情況和FLAC3D中可選材料本構(gòu)模型考慮，計算中選擇Drucker-Prager彈塑性模型，DP模型是理想彈塑性模型，理想彈塑性即應(yīng)力達(dá)到屈服極限以后，應(yīng)力不再增大，但是應(yīng)變會一直增長。將被開挖掉的部分賦予零模型，建議地層材料參數(shù)如表1所示。

表 1 建議地層材料參數(shù)

FLAC3D中Drucker-Prager模型中，所需模型參數(shù)與地層材料參數(shù)關(guān)系如下[5]

Drucker-Prager破壞在莫爾-庫倫范圍內(nèi)，則Drucker-Prager參數(shù)，與c，可由下式推出[6]：

2.2 邊界條件和載荷模式

2.2.1 邊界條件

計算時，施加的模型邊界約束條件為：上表面為自由邊界，計算模型的左右邊界分別受到水平方向的位移約束；模型的地層下部邊界受到Z方向的位移約束。還原后的模型上邊界埋深為-700m。

2.2.2 載荷模式

當(dāng)埋深較大時

對計算模型所施加的載荷就是按（5）式進(jìn)行計算出來的，并且在模型的x、y兩個方向施加相等的載荷，即取λ=1。因此取值為：700×2720 ×9.8=18.6MPa。

3 模擬結(jié)果和分析

還原后的模型上邊界埋深為-700.0m，模型厚度為100.0m。采取分步開挖，在模型中每一步循環(huán)進(jìn)尺為2.0m，采取邊開挖邊錨固的開挖方式。

在模擬計算過程中根據(jù)現(xiàn)場檢測點(diǎn)的位置預(yù)設(shè)檢測點(diǎn)，記錄巷道在受21156工作面采動影響后巷道表面位移的情況，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行了比較可得，該巷道在受開采影響時巷道圍巖變形主要是頂?shù)装遄冃?，巷道頂?shù)装逑鄬ξ灰谱畲笾导s為118mm；兩幫相對位移最大值為68mm。對比計算結(jié)果與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)可以看出，模擬計算值與現(xiàn)場實(shí)測值較為接近，巷道兩幫相對位移在受采動影響期間變形最大值約為112mm；而巷道頂?shù)装逶趦蓭头€(wěn)定后仍繼續(xù)變形，最終穩(wěn)定于約61mm。

4 結(jié)論

通過建立適當(dāng)?shù)膸r體力學(xué)模型，可分析巷道圍巖在各種影響因素作用下的變形與穩(wěn)定性，為設(shè)計和施工提供定量依據(jù)。

1由計算結(jié)果可知，巷道圍巖受工作面開采影響不大，其變形以兩幫尤其是靠近采空區(qū)一幫為主，變形特征主要向巷內(nèi)擠入，而巷道頂?shù)装遄冃沃性诒竟ぷ髅娌蓜佑绊懫陂g，頂板下沉明顯大于巷道底鼓。

2對比計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際觀測值可知，計算結(jié)果與實(shí)測值較接近但仍有差距。

[1]房健，尚濤，昌珺. Flac&FLAC3D在露天礦靠幫開采設(shè)計中的對比分析[J]，礦物開采，2013，11（6）：22～24.

[2]張合超，吳浩源. 回采巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)模擬優(yōu)化研究[J]，礦山工程，2015（7）：10～13.

[3]蘇軍，王文哲，楊小聰. 應(yīng)用FLAC3D研究地下開采對圍巖的影響范圍[J]，有色金屬，2009，11（4）：161～165.

[4]劉波，韓彥輝(美國). FLAC原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M]. 北京：人民交通出版社，2005.

[5]彭文斌. FLAC3D實(shí)用教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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1007-6344（2016）02-0077-01