不同深度軟弱煤巖矩形巷道的FLAC3D數(shù)值分析

曹日躍，吳德義

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

不同深度軟弱煤巖矩形巷道的FLAC3D數(shù)值分析

曹日躍，吳德義

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

利用FLAC3D軟件對某深部矩形巷道進行開挖模擬，得到巷道在不同深度下的應(yīng)變分布規(guī)律及塑性圈破碎范圍。并得出以下結(jié)論：(1)隨著巷道埋深的增加，巷道幫部位移和頂板位移變形都隨之增大，且前者的變形速率明顯大于后者，得出巷道幫部和拐角處是巷道支護的關(guān)鍵部位；(2)隨著埋深增加，巷道塑性區(qū)范圍也明顯增加，且巷道幫部和拐角處的塑性區(qū)增加趨勢大于頂板，再次表明巷道幫部和拐角處在開挖中最容易被破壞。結(jié)論可為類似工程設(shè)計與施工提供參考。

矩形巷道；FLAC3D；松動圈；關(guān)鍵部位

隨著我國淺部煤礦開采接近尾聲，深部煤礦的開采勢在必行，而我國煤炭儲量也以深部居多[1]。目前已探明的儲量中約53%埋深超過1 000 m。隨著開采規(guī)模增大，部分礦區(qū)，如淮南、淮北等開采深度均超過800 m，部分礦井采深已達到1 000～1 300 m[2]。而隨著開采深度的增加，發(fā)生事故的概率也隨之增加，給國家和人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失。深部軟弱煤巖由于其巖土體的物理力學性能差，巷道破壞更加容易。本文就不同埋深情況下(即地應(yīng)力為10 MPa，14 MPa，20 MPa處)，對深部軟弱煤巖巷道開挖的穩(wěn)定性，利用FLAC3D軟件進行模擬分析，得到不同深度下巷道圍巖的應(yīng)變值以及塑性圈破壞范圍，為后續(xù)安全施工提供科學依據(jù)。

1 FLAC3D模型建立及巖土參數(shù)

1.1 計算模型建立

圖1 FLAC3D 計算模型

在某深部軟弱煤巖處開挖3 m×3 m矩形巷道，建立模型，計算區(qū)域邊界上的力為原巖應(yīng)力，即認定邊界條件(x軸與z軸)為剛性，計算模型為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12 544個單元，如圖1所示。計算時對模型進行簡化，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?？紤]到巷道圍巖的非線性大變形和煤巖的力學參數(shù)，計算時采用應(yīng)變軟化模型，圍巖破碎情況可以通過模擬的應(yīng)變云圖及塑性區(qū)范圍大小來判定。

1.2 巖體力學參數(shù)

根據(jù)實驗室實測結(jié)果，開挖巷道的煤巖力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學參數(shù)

巖性彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa煤巖1．50．31．52826．51．28

2 不同深度下矩形巷道位移變化分析

2.1 巷道幫部位移分析

圖2、圖3、圖4分別是地應(yīng)力在10 MPa、14 MPa、20 MPa下的巷道幫部位移模擬云圖。圖2顯示地應(yīng)力在10 MPa時，埋深相對于其他兩組較淺，其巷道幫部的最大位移變化量在0.12 m，相對于其他兩組變化較小。從圖2中可以明顯看出當開挖巷道時，巷道圍巖應(yīng)力重分布，幫部圍巖變化集中在兩幫附近，大約在距離巷道邊界1.5 m處位移變形最大也最集中。由此可判斷松動圈破壞范圍在距離巷道邊界1.5 m處，此時幫部為支護的關(guān)鍵部位。為了保持圍巖穩(wěn)定性，可在幫部進行錨桿錨索聯(lián)合支護。

圖3顯示地應(yīng)力為14 MPa時，巷道幫部位移最大變化量為0.3 m，增大近一倍。此時圍巖松動圈也隨之外擴，破壞程度明顯增大。說明埋深增加對巷道位移變化有很大影響。由圖4可以看出當?shù)貞?yīng)力為20 MPa時，巷道幫部位移最大變化量為0.6 m，又增大近一倍，說明當埋深增大時，幫部位移成倍增加，巷道幫部已經(jīng)完全破壞。

由上述分析可知：隨著巷道埋深的增加，幫部位移變化呈增加趨勢，巷道附近的軟巖物理力學性質(zhì)會進一步變差，巷道圍巖內(nèi)的巖石碎脹程度隨著埋深的增加也越來越大[3]，導(dǎo)致巷道圍巖進一步破壞。

圖2 10 MPa的幫部位移云圖

圖3 14 MPa的幫部位移云圖

圖4 20 MPa的幫部位移云圖

2.2 巷道頂板位移分析

圖5、圖6、圖7分別是地應(yīng)力在10 MPa、14 MPa、20 MPa下的巷道頂板位移模擬云圖。由圖5可以看出，地應(yīng)力較小時，頂板位移變化較小，在10 MPa下開挖，頂板位移變化為0.16 m，相對于同條件的幫部位移變化，頂板位移變化明顯小于幫部位移，說明在巷道開挖時，巷道幫部是最容易破壞的位置，是巷道支護中最為關(guān)鍵的部位。由圖6可知，當?shù)貞?yīng)力增加到14 MPa時，巷道頂板位移最大變化量為0.26 m，相比于圖5只增加0.1 m，明顯小于幫部位移在地應(yīng)力增加時的位移變化速率。說明巷道埋深的變化對頂板的影響沒有幫部大。當?shù)貞?yīng)力增加到20 MPa時，巷道頂板位移最大變化量為0.5 m，變化較大，說明在深部軟弱煤巖較高地應(yīng)力的情況下，頂板和幫部都已失穩(wěn)破壞。此時圍巖破碎可進行注漿提高圍巖強度，以增強承載能力。采用錨桿錨索聯(lián)合支護，增強巷道圍巖穩(wěn)定性滿足施工的安全要求[4]。

圖5 10 MPa的頂板位移云圖

圖6 14 MPa的頂板位移云圖

圖7 20 MPa的頂板位移云圖

3 不同深度下矩形巷道塑性范圍分析

圖8、圖9、圖10分別是地應(yīng)力在10 MPa、14 MPa、20 MPa下的巷道塑性區(qū)分布圖。由圖8可以看出，當?shù)貞?yīng)力為10 MPa時，幫部和頂板處塑性區(qū)范圍都比較小，對于矩形巷道在開挖后，巷道拐角處塑性區(qū)明顯向外擴展，說明在巷道拐角破壞程度更大，其變形程度也大，為巷道支護的關(guān)鍵部位。因為處于幫部與頂板的連接位置，所以此方向的支護尤為重要，該位置的破壞將導(dǎo)致整個巷道失穩(wěn)破壞。

由圖9可以看出，當?shù)貞?yīng)力增大到14 MPa時，巷道的塑性區(qū)整個向外擴展增大[5]，而且在巷道幫部和拐角處的塑性區(qū)范圍都比頂板的范圍大。也再次說明隨著巷道埋深的增加，在巷道幫部和拐角處的破壞程度比頂板位置大，巷道幫部和拐角處都是支護的關(guān)鍵部位。隨著埋深進一步增加，該現(xiàn)象更為明顯。由圖10可知，當?shù)貞?yīng)力為20 MPa時，圍巖塑性區(qū)向外圍擴展的更大，在巷道幫部和拐角處的塑性區(qū)已經(jīng)明顯大于頂板，整個巷道完全處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)。

圖8 10 MPa的塑性區(qū)分布圖

圖9 14 MPa的塑性區(qū)分布圖

圖10 20 MPa的塑性區(qū)分布圖

4 結(jié)論

本文利用FLAC3D軟件對某深部矩形巷道進行開挖模擬，得到巷道在不同深度下的應(yīng)變分布規(guī)律及塑性圈破碎范圍，并得出以下結(jié)論：

(1)通過分析不同地應(yīng)力下的巷道幫部位移、頂板位移的變形規(guī)律和塑性區(qū)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著巷道埋深的增加，巷道幫部位移和頂板位移變形都隨之增大，且巷道幫部的位移變形速率明顯大于頂板的變形速率，巷道幫部和拐角處是巷道支護的關(guān)鍵部位。在矩形巷道施工支護中有很好的指導(dǎo)意義，可以為巷道支護提供有價值的支護依據(jù)。

(2)隨著埋深增加，巷道塑性區(qū)范圍也明顯增加，且巷道幫部和拐角處的塑性區(qū)增加趨勢大于頂板，再次表明巷道幫部和拐角處在開挖中最容易破壞，在巷道支護中應(yīng)該注重對此部位的支護。

[1] 賀永年，韓立軍，邵鵬，等. 深部巷道穩(wěn)定的若干巖石力學問題[J].中國礦業(yè)大學學報，2006，35(3)：288-295.

[2]姜耀東，劉文崗，趙毅鑫，等. 開灤礦區(qū)深部開采中巷道圍巖穩(wěn)定性研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(11)：1857-1862.

[3]蘇承東，顧明，唐旭，等. 煤層頂板破碎巖石壓實特征的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報， 2012(1):18-26.

[4]趙維生，程建龍，徐平，等. 巷道圍巖穩(wěn)定性表征變量的一種快速實現(xiàn)方法[J]. 河南理工大學學報(自然科學版)， 2015(2):179-184.

[5]孟慶彬，韓立軍，喬衛(wèi)國，等. 深部軟巖巷道錨注支護機理數(shù)值模擬研究[J]. 采礦與安全工程學報，2016(1):27-34.

Analysis of FLAC3D in tunnel with different depth of soft coal and rock

CAO Ri-yue, WU De-yi

(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

Using FLAC3D software to simulate the excavation of a deep rectangular tunnel, the distribution law of the strain and the plastic ring breaking range under different depth are obtained. And conclusions are as follows: (1) with the increase of the depth of the roadway, the roadway sides and roof displacement displacement increase, and the displacement and deformation of roadway sides deformation rate are significantly greater than the roof, the sidewall and the corner are a key part of roadway. (2) with the increase of buried depth, the plastic zone of roadway is increased obviously, and the plastic zone at the corner of the roadway is larger than that of the top plate, which can provide reference for similar engineering design and construction.

rectangular entry；FLAC3D；loose circle；critical parts

2016-05-10

國家自然科學基金(51374009)

曹日躍(1991—)，男，安徽合肥人，碩士研究生。

1674-7046(2016)06-0049-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.06.010

TD263

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