二次采動煤巷圍巖失穩數值模擬研究

摘 要：本文作者利用RFPA2D數值模擬方法對巷道進行了圍巖失穩數值模擬研究，形象地再現了該巷道從掘進到相鄰采面推過后圍巖應力和位移的演化過程，并得出了護巷煤柱的合理寬度范圍。

關鍵詞：采動煤巷圍巖 失穩 研究

中圖分類號：TD32文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)04(b)-0118-01

1 RFPA數值模擬方法簡介

在巖土工程或礦山工程中可供采用的數值分析或數值模擬方法雖然比較多，但由于有限元法的顯著優點，在工程實踐中至今應用最廣的仍為有限元法或有限元法與其他方法的耦合，特別是有限元與邊界元的耦合及有限元與離散元的耦合。前者可以克服有限元計算中的邊界效應，便于提高計算精度，后者則考慮巖體的不連續性，可以較好地模擬巖體的大變形。

本文采用巖石破裂與失穩分析系統（Rock failure process analysis 簡稱RFPA）對受采動影響的巷道圍巖應力分布及巷道失穩過程進行數值模擬分析。

2 數值計算模型

2.1 模擬條件

試驗巷道埋深250m，3上煤平均厚2.6m，為中厚層塊狀結構，發育一到兩層厚約0.1～1.6m的夾矸，巷道圍巖的巖體力學性能較差。工作面運順沿3上煤底板掘進，預留12m保護煤柱，巷道斷面為矩形，使用半斷面錨桿支護，掘進斷面面積為7.82m2，寬×高=3.4m×2.3m。

2.2 數值分析模型建立

數值分析采用當前先進的線彈性有限元數值計算軟件RFPA進行，根據巷道的圍巖地質條件，建立的非均質巖石巷道數值計算模型為：取采場的縱剖面作為計算區域，計算采用平面應變模型，模型的左右邊界和下部采用位移約束方式，采動分部進行開挖，巖層只受自重作用。巖層力學參數假定符合韋伯分布；巖體破裂采用庫侖－莫爾強度準則判斷。建立的數值模擬模型如圖1所示，模型單元為100×470=47000個，代表試樣的幾何尺寸為20000mm×235000mm=4.7×109mm2，每個單元格的模擬尺寸為200×500＝100000mm2。模型共設置了有代表性的四種巖層，其力學參數如表1。

試驗巷道的約束條件，按巖層自重計算，原巖垂直應力分量設為7.0MPa，水平應力分量約為6.0MPa，采用先加載后開挖的方式。模型加載計算至應力平衡后，將巷道所處位置的單元刪除，模擬巷道開挖；然后在預設位置將采空區單元格刪除，模擬煤柱護巷的開采過程。

3 數值模擬結果及分析

數值模擬結果采動影響前后采面一側圍巖（含12m煤柱一側）的應力矢量和位移矢量分布，可以看出，在距采面5～10m范圍內為應力降低區，水平和垂直應力均低于原巖應力，把巷道布置在該區域內，可有效改善巷道圍巖受力狀況，從而降低巷道的支護難度，減輕巷道的破壞程度。

4 結論

采用RFPA2D軟件系統對巷道的破壞過程進行了模擬，形象地再現了該巷道從掘進到相鄰采面推過后圍巖應力和位移的演化過程。根據本模擬結果，可以很清楚地看出，護巷煤柱的合理寬度范圍在5～10m之間。

參考文獻

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