FLAC3D在巷道支護中的模擬分析

郭 力,趙 靜,元永國

(吉林省遼源職業技術學院,吉林 遼源 136200)

FLAC3D是以有限差分法為理論基礎,利用三維計算機程序模擬三維土體、巖體或其他材料體力學特性。實現對巖石、土和支護結構等的三維建模,并對巖土工程進行數值分析和計算。其在工程地質界得到了廣泛的應用。

1 巷道支護模擬

1.1 幾何模型的確立

在掘進過程中,巷道圍巖的應力在不斷發生變化,其應變也在隨著掘進不斷增大,直至最后趨于穩定。為掌握巷道掘進過程中,巷道圍巖 (煤巖體)的應力、變形、位移隨掘進的變化情況及其分布規律,原模型示意圖見圖 1,煤層厚度 10m,為近水平煤層,中間有一層夾矸。

圖 1 原模型示意圖

巷道開挖后,圍巖應力重新分布,巷道的頂底板及兩幫產生變形、甚至破壞。其影響范圍在巷道半徑的 5倍范圍內。頂板為 14m的細砂巖,底板為 20m粉砂巖,巷道雙巷布置。故采用的模型尺寸為 50m×50m ×44m,共劃分為 185 000個單元。巷道支護斷面示意圖見圖 2。原巖應力σxx為 2.8×107N;σyy為 2.4×107N;σzz為 2.0×107N。X方向上的兩邊界在 X方向的位移固定;Y方向上的兩邊界在 Y方向的位移固定;Z方向上下部邊界固定其 X、Y、Z方向的位移,上部邊界無約束。煤層賦存深度為 1 000m,原巖應力 2.0×107N。

圖 2 巷道斷面示意圖

1.2 計算物理模型的確定

FLAC3D內置了 11種材料模型供選擇,每種模型對應一種特殊類型的巖土材料的本構特性。巖石和煤是黏結狀的粒狀散體材料,選擇M ohr-Cou lom b模型較適合巷道支護作用計算。

1.3 巖石力學參數的選取

根據現場地質調查和實驗室研究提供的巖石力學試驗結果,模擬計算采用的巖體力學參數見表 1。

表 1 煤巖物理參數表

2 數值模擬方案

巷道圍巖應力與巷道原巖應力及其支護密切相關,為了模擬巷道掘井過程中圍巖變形及應力分布,并模擬巷道支護效果。利用 FISH語言,設置循環來模擬巷道掘進循環,每循環掘進 0.8 m。掘進完成后,立即支護。主要模擬：在給定邊界力學與位移條件下模型的初始狀態;模擬巷道掘進,隨著巷道不斷向前掘進,模擬已支護巷道的支護效果;監測模擬巷道頂底板及幫得圍巖變形情況;監測模型掘進端頭圍巖的應力分布情況。

3 數值模擬結果與特征分析

3.1 巷道圍巖應力分析

巷道開掘后,若不及時支護,巷道頂底板及兩幫應力集中現象嚴重,兩幫在垂直方向上應力集中嚴重 ,見圖 3。

在水平方向主要是頂板應力集中,見圖 5。

支護后巷道圍巖應力得到改善,形成了壓力拱,見圖 4,6。

模擬中采用的是動態模擬掘進,觀察距掘進端頭不同距離的斷面應力分布,已知：隨著巷道向前掘進,巷道支護的壓力拱逐步形成,最終巷道圍巖應力重新分布完成。模擬中也監測了掘進端頭的圍巖應力分布情況,可以為掘進中防止煤與瓦斯突出提供參考的壓力參數。

這里由于篇幅有限,就不將各監測斷面的云圖一一列出。

3.2 巷道圍巖位移分析

模擬支護結果顯示,頂板的下沉量為 90 mm,底板無底鼓現象,頂底板累計移近量為 50mm;巷道左幫移近 15mm,右幫移近量為 17mm,兩幫累計移近量為 32mm。模擬分析表明巷道支護設計基本達到要求。巷道圍巖位移見圖 7,圖 8。

圖 7 支護后巷道 Z軸方向的位移示意圖

圖 8 巷道支護后 X軸方向的位移示意圖

由此可見,FLAC3D軟件能夠成功的以有限差分法為理論基礎,通過對三維土體、巖體或其他材料體的力學實驗模擬,實現對巖石、土和支護結構等的三維建模,對巖土工程能夠進行準確的數值分析和計算。

因此,在工程地質界應得到廣泛的應用。

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