論巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究及應(yīng)用

程文博　縱雙園

摘要：上個(gè)世紀(jì)70年代后期到80年代，是巷道圍巖穩(wěn)定理論空前發(fā)展時(shí)期，進(jìn)入21世紀(jì)，為了更好的研究巷道圍巖穩(wěn)定問題。充分引用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬處理復(fù)雜巖土工程及力學(xué)問題。三維快速拉格朗日法是一種基于三維顯示有限差分法的數(shù)值分析方法。五溝煤礦的南一采區(qū)回風(fēng)巷，經(jīng)數(shù)值分析后，確定了合理的支護(hù)參數(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)致益。并且安全得到了保障。

關(guān)鍵詞：巷道支護(hù)；數(shù)值模擬；經(jīng)濟(jì)效益；安全保障

中圖分類號：TU7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)13-0277-02

0前言

三維快速拉格朗日分析采用了顯示有限差分格式來求解場的控制微分方程，并應(yīng)用了混合單元離散模型，可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。三維快速拉格朗日分析程序FLAC3D具有強(qiáng)大的后處理功能。很適用采礦設(shè)計(jì)中評估斷層的影響、地質(zhì)體的錨固分析等數(shù)值模擬。

1FLAC3D的計(jì)算原理

快速拉格朗日分析程序有很強(qiáng)的分析功能，其基本思想是：通過對三維介質(zhì)的離散，使所有外力與內(nèi)力集中于三維網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)而將連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動定律轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點(diǎn)上的牛頓定律；時(shí)間與空間的導(dǎo)數(shù)采用沿有限空間與時(shí)間間隔線性變化的有限差分來近似；將靜力問題當(dāng)作動力問題來求解，運(yùn)動方程中慣性項(xiàng)用來作為達(dá)到所求靜力平衡的一種手段。

2南一采區(qū)回風(fēng)巷計(jì)算條件

五溝煤礦南一采區(qū)回風(fēng)巷埋深-375m，兩幫為煤，底板為砂巖，并伴有泥巖，巖性f=4-6；斷面形式為梯形，高3.7m，上底3.8m，下底4m；支護(hù)方式采用錨網(wǎng)梁支護(hù)，錨桿18×2200，間距800×800，噴厚90ram。

數(shù)值模擬采用FLAC-3D計(jì)算程序完成。參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)將圍巖定為不穩(wěn)定圍巖。

3南一回風(fēng)巷的三維彈塑性分析

為了進(jìn)行對比，計(jì)算中錨桿間距分別取800×800mm和900×900mm。

3.1計(jì)算模型及初始狀態(tài)

巷道支護(hù)計(jì)算網(wǎng)格圖中網(wǎng)格剖分采用FLAC-3D完成，采用單元形態(tài)為六面體單元。

然后分別繪制錨桿間距為800×800mm和錨桿間距為900×900mm的錨桿襯砌支護(hù)及錨桿的錨固形式計(jì)算圖，錨桿錨固形式為端部錨固。垂直巷遂軸線方向初始水平應(yīng)力分布等色線圖，巷道軸線方向初始水平應(yīng)力分布等色線圖和巷道初始豎向應(yīng)力分布等色線圖。

3.2巷道支護(hù)數(shù)值模擬

數(shù)值模擬沒有考慮施工工序，認(rèn)為巷道是整體開挖和及時(shí)支護(hù)的。分別繪制出以下錨桿間距為800×800mm和錨桿間距為900×900mm的計(jì)算結(jié)果圖；開挖及支護(hù)后巷道位移矢量分布圖；開挖及支護(hù)后巷道位移等值圖；開挖及支護(hù)后垂直巷道軸線方向水平應(yīng)力分布圖；開挖及支護(hù)后巷道軸線方向水平應(yīng)力分布圖；開挖及支護(hù)后巷道豎向應(yīng)力分布圖；開挖及支護(hù)后巷道中形成的塑性屈服區(qū)域，支護(hù)位移矢量分布圖；錨桿軸向所受的拉力和壓力分布圖；錨桿軸向所受的應(yīng)力分布圖。

計(jì)算結(jié)果圖顯示，對不穩(wěn)定圍巖而言，巷道支護(hù)后仍有較大的收斂位移。

從巷道位移矢量分布圖中可以看出巷道底板的位移較小，頂板的位移居中，而兩幫的位移最大，當(dāng)錨桿的間距為800×800mm時(shí)，巷道的位移最大值為245mm；當(dāng)錨桿的間距為900×900時(shí)，巷道的位移最大值為267mm，位移量增加了9.0％。

從巷道位移等值線圖中可以看出，錨桿間距800×800mm時(shí)，兩幫最大位移值為245mm，頂板的位移最大值為225mm，錨桿間距900×900mm時(shí)，兩幫最大值位移值為267mm，頂板的位移最大值為225mm，表明錨桿間距對頂板位移量影響不明顯。

從巷道圍巖應(yīng)力分布云圖中可以看出，當(dāng)錨桿間距800X800mm時(shí)，巷道頂部在豎直方向出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大值為1.50e5 N/m。當(dāng)錨桿間距900×900mm時(shí)，巷道兩幫在垂直于巷道軸線方向出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大值為1.39e54N/m。在巷道頂?shù)撞吭谪Q直方向出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，最大值為2.07e5N/m。錨桿間距增加后導(dǎo)致兩幫出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致兩幫張拉破壞加劇。

從開挖及支護(hù)后巷道中形成的塑性屈服區(qū)域，支護(hù)位移矢量分布示意圖中表明巷道兩幫及頂?shù)装寰霈F(xiàn)塑性破壞，頂?shù)装宄霈F(xiàn)塑性屈服后，趨于穩(wěn)定而兩幫則處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并且在兩幫出現(xiàn)了拉壞區(qū)。當(dāng)錨桿間距從800mm增加到900mm時(shí)，頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)有減小的趨勢，而兩幫破壞加劇，同時(shí)張拉破壞也加劇。

錨桿軸向所受的拉力和壓力分布圖表明支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在兩幫。當(dāng)錨桿間距為800×800mm時(shí)，最大位移值為280mm。當(dāng)錨桿間距為900×900mm時(shí)，最大位移值為302mm。兩幫支護(hù)結(jié)構(gòu)(襯砌)的位移最大值大于圍巖兩幫位移最大值(g00×900mm時(shí)為302mm，800×800mm時(shí)為280mm)。說明了襯砌局部出現(xiàn)脫離圍巖情況。

從錨桿軸向所受的應(yīng)力分布圖中可看出錨桿均處于張拉狀態(tài)，最大拉力為59KN。兩幫錨桿處于屈服狀態(tài)，最大應(yīng)力達(dá)到232MP。

4現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬比較

南一采區(qū)回風(fēng)巷巷道數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測比較

5結(jié)語

五溝煤礦利用數(shù)值分析后，確定了合理的支護(hù)參數(shù)，至今，南一采區(qū)回風(fēng)巷未有一次大修，節(jié)約了巷道修復(fù)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益且安全得到了保障。