摘要:在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中,煤礦事故在井下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn),主要有突水、瓦斯、頂板、粉塵等事故,然而,這些事故中最為經(jīng)常發(fā)生的是頂板事故,占到整個(gè)煤礦事故的百分之六七十左右,這類(lèi)事故已經(jīng)引起了煤礦企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)的高度重視和關(guān)注。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中,巷道圍巖的變形和破壞是阻礙煤礦生產(chǎn)發(fā)展,降低煤礦效益的關(guān)鍵因素,所以,控制巷道圍巖變形,防止巷道圍巖破壞,本文引入了一種新的方法——預(yù)注漿加固,這是一種能夠有效控制圍巖變形的方法。本文主要借助于flac數(shù)值模擬軟件對(duì)注漿預(yù)加固控制圍巖變形進(jìn)行了仿真模擬,并且得出了相關(guān)的結(jié)果,為進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)注漿預(yù)加固參數(shù)提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:flac數(shù)值模擬軟件 圍巖變形 注漿預(yù)加固
1 概述
在地下工程問(wèn)題分析中,常用的數(shù)值方法有有限元、邊界元、離散元等。然而,這些理論方法本身以及采用的算法,都有各自的局限性。例如,有限元和邊界元都有介質(zhì)連續(xù)和小變形的限制,且有限元要解大型矩陣,需要大量的內(nèi)存。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的離散元程序,一般都假定離散的塊體為剛性體,這僅適合于處理低應(yīng)力的情況;同時(shí),這種離散元求解時(shí)所花的時(shí)間也相當(dāng)可觀。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的快速拉格朗日分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua,簡(jiǎn)稱(chēng)FLAC),則是在較好地吸取了上述方法的優(yōu)點(diǎn)和克服其缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上形成的一種新型的數(shù)值分析方法。
2 FLAC軟件的主要特點(diǎn)
FLAC程序是一種顯函數(shù)有限差分程序,由美國(guó)ITASCA咨詢集團(tuán)公司開(kāi)發(fā),首先由Cundall在80年代提出并將其程序化、實(shí)用化。FLAC基本原理類(lèi)同于離散元法,但它卻能像有限元那樣適用于多種材料模式與邊界條件的非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問(wèn)題求解。在求解過(guò)程中,F(xiàn)LAC又采用了離散元的動(dòng)態(tài)松馳法,不需求解大型聯(lián)立方程組(剛度矩陣),便于微機(jī)上實(shí)現(xiàn)。另一方面,同以往的差分分析相比,F(xiàn)LAC在以下幾方面作了較大改進(jìn)和發(fā)展:它不但能處理一般的大變形問(wèn)題,而且能模擬巖體沿某一軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的滑動(dòng)變形。FLAC還能針對(duì)不同材料特性,使用相應(yīng)的本構(gòu)方程來(lái)比較真實(shí)地反映實(shí)際材料的動(dòng)態(tài)行為。此外,該數(shù)值分析方法還可考慮錨桿、擋土墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用。
3 計(jì)算模型的建立
3.1 幾何模型
模型總寬度為102m,高度為72.4m,巖層傾角為7o,兩條石門(mén)之間的距離為46m,石門(mén)底板巖層厚度為30m,頂板巖層厚度為38.4m;為了消除模型邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響,模型邊界距離巷道為23m,見(jiàn)圖1所示。對(duì)于上覆巖層沒(méi)有在模型中顯示的部分,采用載荷來(lái)代替。
根據(jù)石門(mén)所處的底層條件建立數(shù)值模型,首先計(jì)算循環(huán)至穩(wěn)定,模型上邊界施加的載荷和模擬地層應(yīng)力達(dá)到平衡,即實(shí)現(xiàn)了石門(mén)開(kāi)挖前的原始地應(yīng)力條件。其次開(kāi)挖石門(mén)安裝支護(hù)結(jié)構(gòu),計(jì)算循環(huán)至穩(wěn)定。最后對(duì)西一石門(mén)四聯(lián)至五聯(lián)擴(kuò)刷架棚支護(hù)和注漿加固。
3.2 邊界及初始條件
初始條件與知道的壓力和飽和度相關(guān)。這兩個(gè)值必須與FLAC3D公式一致:當(dāng)飽和度小于1時(shí)孔隙水壓力必須為零,反之亦然。(在FLAC3D中,默認(rèn)初始孔隙水壓力為零飽和度為1)
四種形式的邊界條件被考慮了,分別對(duì)應(yīng)于:①給出孔隙水壓力;②給出邊界法向的比流量矢量;③透水邊界;④隔水邊界。對(duì)石門(mén)的邊界設(shè)定為隔水邊界。
在FLAC3D中,默認(rèn)邊界為隔水,飽和度不能作為邊界條件施加。(注意為了保持模型的滿飽和,流體彈性模量可能需要設(shè)置成一個(gè)較大的負(fù)數(shù)。)
滲透邊界有如下形式:qn=h(p-pe)
這里qn是垂直于邊界的比流量矢量的外垂直線方向的部分,h 是滲透系數(shù),單位[m3/N-sec],p是在邊界表面的孔隙壓力,而pe是在滲透層的孔壓。
3.3 力學(xué)參數(shù)
在建立的分析模型基礎(chǔ)上,通過(guò)改變注漿加固圈的圍巖參數(shù)來(lái)模擬注漿加固的效果,注漿加固圈的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3.1所示。
3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析
圖2-圖3為注漿條件下的圍巖垂直方向應(yīng)力以及位移等的分布及特征。
4 模擬結(jié)果分析
下面就圖2、圖3做出相應(yīng)的分析以及討論。
從巷道圍巖應(yīng)力看,采用U型棚和注漿加固巷道圍巖的應(yīng)力相對(duì)其他方案要大,這說(shuō)明在巷道采用加固措施前巷道圍巖屈服深度已趨于相對(duì)穩(wěn)定,采用注漿加固了巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)的破碎巖體,防止破碎巖體的松動(dòng)。
從石門(mén)圍巖位移量看,采用擴(kuò)刷架U29型棚支護(hù)+壁后深淺孔注漿聯(lián)合支護(hù)能有效降低塑性屈服范圍,注漿加固了巷道2.5m范圍內(nèi)的破碎圍巖,在巷道使用期間深部圍巖對(duì)加固體的作用力相對(duì)其他方案大,這說(shuō)明采用U型棚和注漿加固體承受深部圍巖的載荷,同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大。兩幫和頂板注漿加固作用明顯,而底板塑性區(qū)增加。注漿加固有效的控制了圍巖的變形,頂?shù)装宓奈灰屏棵黠@降低。注漿后的變形量主要是在石門(mén)底板,而頂板和兩幫的變形量遠(yuǎn)小于沒(méi)有注漿石門(mén),這也說(shuō)明加固兩幫和頂板能有效的控制石門(mén)底鼓。以上為進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)注漿預(yù)加固參數(shù)提供了依據(jù)。
5 問(wèn)題與討論
綜上所述,在巷道采用加固措施前巷道圍巖屈服深度已趨于相對(duì)穩(wěn)定,采用注漿加固了巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)的破碎巖體,防止破碎巖體的松動(dòng)。采用U型棚和注漿加固體承受深部圍巖的載荷,同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大。兩幫和頂板注漿加固作用明顯,而底板塑性區(qū)增加。以上為進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)注漿預(yù)加固參數(shù)提供了依據(jù)。