曹日躍,吳德義

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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全煤巷道錨噴支護(hù)下的FLAC3D數(shù)值分析

曹日躍,吳德義

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值分析方法口孜東礦11-2煤巷圍巖進(jìn)行開挖與支護(hù)模擬，采用摩爾—庫(kù)倫彈塑性計(jì)算模型，巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間采用接觸單元，計(jì)算得出在錨噴支護(hù)條件下，巷道開挖段的頂板下沉、幫部水平收斂大小以及塑性區(qū)范圍，為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

FLAC3D ；巷道圍巖；巷道開挖與支護(hù)；塑性區(qū)

0 引言

我國(guó)煤炭目前已探明的儲(chǔ)量中約53%埋深超過1000 m，如淮南、淮北等開采深度均超過800 m，部分礦井采深已達(dá)到1000～1300 m[1]。隨著開采深度的增加，發(fā)生礦難的概率也越大。而礦難處理比較困難，嚴(yán)重危害人們的生命安全。所以在開挖巷道時(shí)，必須進(jìn)行有效合理的支護(hù)才能保證施工的安全。一般情況下煤巷破壞首先是兩幫煤體被迅速擠出，緊接是強(qiáng)烈地鼓，然后是頂板下沉，選擇合理支護(hù)，保持幫部煤巖穩(wěn)定對(duì)于煤巷整體穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)于深部煤炭安全高效持續(xù)開采至關(guān)重要[2-3]。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。而在實(shí)際的煤礦開采中，開挖矩形巷道則更為廣泛，并且在該方面的理論研究比較少。本文以口孜東礦11-2矩形煤巷為例,采用FLAC3D對(duì)某深部軟弱煤巖巷道進(jìn)行開挖模擬, 分析開挖支護(hù)后的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律，并通過分析支護(hù)后的塑性區(qū)范圍來判定圍巖破壞程度。有廣泛的實(shí)際意義和工程價(jià)值，為類似巷道的圍巖穩(wěn)定性分析提供參考。

1 FLAC3D簡(jiǎn)介

FLAC3D[4]能夠動(dòng)態(tài)的模擬計(jì)算巖土體受力情況與變形形態(tài)。當(dāng)采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，必須先確定有限差分網(wǎng)格、本構(gòu)關(guān)系和材料特性三個(gè)部分。相對(duì)于其他有限元軟件，F(xiàn)LAC3D在模擬巖土體的屈服、塑性流動(dòng)、蠕變直至大變形有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于FLAC3D軟件具有很強(qiáng)的解決復(fù)雜巖土工程問題的能力，所以在國(guó)際巖土工程學(xué)術(shù)界享有盛譽(yù)。

2 工程概況和計(jì)算模型

為了穩(wěn)定開挖巷道的圍巖穩(wěn)定性，錨噴支護(hù)在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。錨噴支護(hù)[5]指的是錨桿與混凝土共同對(duì)圍巖內(nèi)部的土體進(jìn)行支護(hù)，改善土體的物理力學(xué)性能的一種聯(lián)合支護(hù)體系。巷道開挖周圍依次逐步形成松動(dòng)破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)以及圍巖具有自承載能力已被大量的巷道模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所證實(shí)。其中松動(dòng)破碎區(qū)及塑性軟化區(qū)強(qiáng)度較低，自承載能力較小，必須選擇合理支護(hù)阻止次承載體擴(kuò)展，保持圍巖變形穩(wěn)定。一般常規(guī)支護(hù)無法達(dá)到預(yù)期效果。為此，科研技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行廣泛深入研究，在工程實(shí)踐中總結(jié)形成了巷道圍巖次承載體及時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)，其可以顯著提高圍巖的物理力學(xué)性能[6]。

2.1 模型的建立

本文分析了在某煤巷中開挖一個(gè)3 m×3 m的矩形巷道，根據(jù)計(jì)算模型圖1，確定X、Y、Z三個(gè)方向的正方向，計(jì)算范圍選為：取巷道30 m內(nèi)的圍巖影響范圍為邊界，劃分網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為0.5 m。

2.2 邊界條件

計(jì)算模型的邊界分別約束X在-30 m到30 m的應(yīng)力、位移邊界；分別約束Y在-30 m到30 m的應(yīng)力、位移邊界；豎直方向只約束Z=-30 m面上的應(yīng)力、位移邊界，其余為荷載邊界。模型計(jì)算時(shí)采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則。

圖1 FLAC3D 計(jì)算模型

2.3 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告，圍巖土體采用的是摩爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)彈塑性材料模型，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)需要的力學(xué)參數(shù)是體積模量(K)、剪切模量(G)，根據(jù)彈性力學(xué)公式求得[7]：

(1)

其中：E為彈性模量、μ為泊松比。巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

巖層名稱密度(kg/m3)彈性模量(GPa)體積模量(GPa)泊松比粘聚力(MPa)摩擦角(°)泥巖、砂巖22000．8550．351．830

2.4 支護(hù)材料參數(shù)的確定

巷道施工的支護(hù)方式初期為錨桿支護(hù)，二次支護(hù)為混凝土襯砌。在數(shù)值計(jì)算中，采用襯砌單元模擬噴射混凝土，用錨桿單元模擬錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)3.0 m，錨桿間距為1.5 m。錨桿及襯砌的力學(xué)參數(shù)見下表2。

表2 錨桿、噴射混凝土力學(xué)參數(shù)

材料彈性模量(GPa)體積模量(GPa)剪切模量(GPa)截面積(m2)剛度(N/m)粘聚力(Mpa)錨桿451185．64．9E-41621．6噴射混凝土2426．710///

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算采用摩爾-庫(kù)侖彈塑性材料模型。根據(jù)巷道圍巖初期的錨桿支護(hù)和二次混凝土襯砌支護(hù)來模擬圍巖穩(wěn)定性情況，得到巷道在開挖支護(hù)后的塑性區(qū)范圍分布規(guī)律以及頂板位移和幫部位移變化的規(guī)律。

3.1 巷道開挖后支護(hù)的塑性區(qū)分析

圖2為巷道開挖后的塑性區(qū)范圍分布圖。巷道開挖時(shí)，周圍土體發(fā)生應(yīng)力重分布，會(huì)引起圍巖產(chǎn)生屈服破壞，形成塑性區(qū)。在已有的研究基礎(chǔ)上，可知塑性區(qū)的大小對(duì)圍巖穩(wěn)定性有著重要影響，它跟圍巖的應(yīng)力大小、巖土體的性質(zhì)有著密切關(guān)系，在分析圍巖穩(wěn)定性時(shí)，塑性區(qū)的影響不容忽視。從圖2可看出幫部的塑性區(qū)范圍比頂板的塑性區(qū)范圍大，說明在開挖巷道時(shí)，幫部容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，此為巷道支護(hù)的關(guān)鍵部位，施工時(shí)應(yīng)給予重視。當(dāng)進(jìn)行錨噴支護(hù)時(shí)，提高了開挖巷道圍巖的物理力學(xué)性能，增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性，能很好滿足初期施工要求。當(dāng)進(jìn)行錨噴支護(hù)后，巷道周邊的破壞區(qū)明顯減少，表明錨噴支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性有著很好的維穩(wěn)作用。

圖2 支護(hù)后的塑性區(qū)

圖3 體系最大不平衡力

3.2 巷道道開挖支護(hù)后位移場(chǎng)分析

圖3反映了巷道開挖最大不平衡力與時(shí)間的關(guān)系,從圖中可以看出, 巷道在開挖初期，圍巖的最大不平衡力變化幅度很大，因?yàn)橄锏篱_挖初期圍巖應(yīng)力重分布，此時(shí)整個(gè)巷道圍巖都處于不穩(wěn)定狀態(tài),隨著錨噴支護(hù)的進(jìn)行，提高了圍巖內(nèi)部巖土體的物理力學(xué)性能，使圍巖逐漸趨于穩(wěn)定。說明錨噴支護(hù)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性起了很好的支護(hù)作用，增強(qiáng)了圍巖的穩(wěn)定性。

由圖4支護(hù)后Z方向位移曲線可以看出，隨著開挖的進(jìn)行，巷道垂直位移最后穩(wěn)定在一特定的值[8]。這表明,巷道圍巖在錨噴支護(hù)之后,最終穩(wěn)定下來。

圖5為巷道水平方向位移分布圖,從圖中可以看出，巷道附近圍巖的水平位移呈對(duì)稱發(fā)展,距巷道的幫部越近，圍巖的水平位移變化量就越大。離巷道較遠(yuǎn)處的圍巖處于彈性區(qū)內(nèi)，隨距離的增加,其水平位移變化越來越小，最后趨于0。再次說明巷道幫部是最危險(xiǎn)的部位,施工需時(shí)注重該位置的支護(hù)效果[9]。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比

表3 不同情況下的巷道位移變化對(duì)比

巷道位置未支護(hù)條件下數(shù)值模擬支護(hù)條件下數(shù)值模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巷道頂板位移(mm)3501210巷道幫部位移(mm)4602013

把未支護(hù)與支護(hù)條件下的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比，可以得出在未支護(hù)條件下，巷道圍巖變化非常大，基本處于失穩(wěn)破壞中，而當(dāng)進(jìn)行錨噴支護(hù)后巷道變形很小，且與實(shí)測(cè)值很接近，說明錨噴支護(hù)對(duì)口孜東礦11-2煤巷的支護(hù)效果很好。

4 結(jié)論

(1) 從圖中2可以看到，支護(hù)后塑性區(qū)范圍明顯比未支護(hù)的情況小了很多，支護(hù)后圍巖的物理力學(xué)性能得到改善，豎直位移和水平位移都減少了。在位移曲線中可以明顯的看到一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這是在施加初期支護(hù)后對(duì)圍巖變形的限制，阻止了圍巖的進(jìn)一步變形所致。支護(hù)后的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比后，可以得出錨噴支護(hù)能起到很好地支護(hù)效果。

(2) 對(duì)處于深部的圍巖開挖后必須及時(shí)支護(hù)，由于深部地應(yīng)力大，使巷道圍巖處于較高的地應(yīng)力條件下，非常容易失穩(wěn)破壞。如果支護(hù)不及時(shí)則使圍巖兩幫煤體被迅速擠出，緊接是強(qiáng)烈底鼓，然后是頂板下沉。造成嚴(yán)重安全事故。從巷道開挖初期后的整體安全情況來看，巷道幫部是最不穩(wěn)定區(qū)域，為支護(hù)的關(guān)鍵部位。

圖4 支護(hù)后Z方向位移曲線

圖5 支護(hù)后X方向位移曲線

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Analysis of FLAC3D to Simulation of Deep Soft Rock Roadway under the Bolt Concrete Support

CAO Ri-yue，WU De-yi

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

The simulation of excavation and support on the surrounding rock of full coal roadway was carried out using the software FLAC3D.During the simulation,the Mohr-Coulomb model was used and contract elements were applied on the interfaces between the structure and surrounding rock.This simulation offers full coal roadway vault subsidence,horizontal convergence in the boundary wall and plastic zone of surrounding rock.

FLAC3D ;coal roadway surrounding rock; coal roadway excavation and support；plastic zone

2016-02-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(51374009)

曹日躍(1991-)，男，安徽合肥人，安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：地下結(jié)構(gòu)理論計(jì)算與運(yùn)用研究。E-mail：1165399082@qq.com

TD353

A

1672-7169(2016)02-0040-05