深部礦井巷道圍巖蠕變規(guī)律的數(shù)值模擬

■原富珍 魏新棟

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院江蘇徐州221116）

深部礦井巷道圍巖蠕變規(guī)律的數(shù)值模擬

■原富珍 魏新棟

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院江蘇徐州221116）

選用修正的時間強化模型并應用ANSYS有限元軟件，對某埋深800m的礦井巷道圍巖進行蠕變變形分析，并對無支護條件下、底板開放式錨桿組合支護和全斷面錨桿支護條件下的變形規(guī)律進行了比較。結果表明，全斷面錨桿支護方式的圍巖變形控制效果最好，兩幫和頂板是巷道變形最大部位。

蠕變 深部礦井 錨桿支護 ANSYS

淺部資源的逐漸枯竭，使得煤炭開采逐漸向深部延伸。開采深度增加的同時，地質條件惡化、破碎巖體增多、地應力增大、地溫升高等均導致突發(fā)性工程地質災害發(fā)生機率增大。受深部“三高一擾動”所帶來的影響，使得深部巷道支護成為地下工程中一項重要而復雜的技術問題，是礦井向深部發(fā)展的關鍵技術之一。研究深部巷道破壞變形規(guī)律及支護技術，對分析深部巖石力學特性具有重要意義。

蠕變是指物體受力變形中存在與時間有關的變形性質，表現(xiàn)為應力松弛、流動、彈性后效與時間強度的特性。如巷道開挖引起的地表沉降、巷道和硐室開挖后的持續(xù)變形與收斂等。

1　ANSYS蠕變分析

ANSYS使用隱式和顯式積分兩種方法來進行蠕變分析，均可應用于靜態(tài)和瞬態(tài)分析。隱式蠕變應用了Euler向后積分法求解蠕變應變，可以處理溫度相關蠕變常數(shù)，同時模擬蠕變與等向強化塑性模型。本文選取隱式蠕變分析方法，應用?TB?命令(?Lab? =CREEP)，通過TBOPT值選擇蠕變方程。

2　數(shù)值模型的建立

以某煤礦800m埋深條件下的巷道圍巖為研究對象，上覆巖層力學參數(shù)見表1。計算模型為長寬均為30m的平面應變模型，巷道為半圓拱形，直墻高1.5m，拱高2.5m，拱半徑為2m。ANSYS蠕變分析巖體單元選取plane182單元，錨桿單元為link180單元。

表1　上覆巖層材料參數(shù)

3　蠕變模型及參數(shù)選取

ANSYS中共提供了13個蠕變模型，分別用它們擬合單軸蠕變試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)相關文獻表明，修正的時間強化模型的擬合精度最高，如式（1）所示。

其中：C1=5.2×10-12，C2=1.5，C3=-0.7，C4=0。

邊界條件為：左右邊界為水平位移約束，下邊界為垂直位移約束，上邊界為豎直向下的上覆巖層自重載荷。

4　巷道蠕變變形規(guī)律分析

4.1無支護條件下圍巖變形規(guī)律分析

選取第1、8、16、24、40、60天的變形大小來表現(xiàn)成巷后變形速率的變化，60天時的位移云圖如圖1所示。

通過對頂板變形量，兩幫移近量，底臌量的分析可知，在成巷60天內仍處于初始蠕變階段。巷道兩幫變形最大，變形量為173mm；頂板變形次之，為120mm；底板變形量最小，為83mm。圖2是巷道幫部、頂板、底板的變形速率曲線圖。兩幫在60天內的平均變形速率為2.88mm/d，頂板為2.00mm/d，底板為1.38mm/d。巷道開挖初期變形速率較大，隨著時間的延長速率會逐漸變小，符合蠕變第一階段的變形特征，60天時變形速率趨于穩(wěn)定。

圖1　無支護條件下60天時水平、豎直位移云圖

圖2　無支護條件下巷道變形速率曲線

4.2錨桿支護條件下圍巖變形規(guī)律分析

錨桿支護方式如圖3所示，分別為：底板開放式錨桿支護和全斷面錨桿支護。錨桿的參數(shù)為：長5m，橫截面3.8cm2，彈性模量為200GPa，泊松比為0.2。

對于埋深800m的巷道，在成巷60天內仍處于初始蠕變階段。經(jīng)過計算，在此巷道開挖成60天內，兩種支護方式下，巷道兩幫變形最為嚴重，變形量分別為97mm和76mm，較無支護條件下優(yōu)化了43.9%和61.1%；頂板變形次之，分別為72mm和64mm，較無支護條件下優(yōu)化了40.0%和51.1%；底板變形量最小，分別為55mm和46mm，較無支護條件下優(yōu)化了32.1%和48.5%。

圖3　錨桿布置圖

5　結論

通過對埋深800m礦井巷道在無支護條件下、底板開放式錨桿組合支護和全斷面錨桿支護條件下的變形規(guī)律進行了比較，發(fā)現(xiàn)底板開放式錨桿組合支護較無支護情況下巷道蠕變變形的控制有較大提高，全斷面錨桿支護則進一步控制了圍巖蠕變變形。通過對比，可以得出兩幫與頂板是巷道支護的重點部位。

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P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-152-2