控制圍巖變形以及預注漿加固的數值模擬

摘要：在煤礦生產過程中，煤礦事故在井下經常會出現，主要有突水、瓦斯、頂板、粉塵等事故，然而，這些事故中最為經常發生的是頂板事故，占到整個煤礦事故的百分之六七十左右，這類事故已經引起了煤礦企業的領導的高度重視和關注。在煤礦生產過程中，巷道圍巖的變形和破壞是阻礙煤礦生產發展，降低煤礦效益的關鍵因素，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數值模擬軟件對注漿預加固控制圍巖變形進行了仿真模擬，并且得出了相關的結果，為進行選擇和設計注漿預加固參數提供了依據。

關鍵詞：flac數值模擬軟件 圍巖變形 注漿預加固

1 概述

在地下工程問題分析中，常用的數值方法有有限元、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連續和小變形的限制，且有限元要解大型矩陣，需要大量的內存。國內現有的離散元程序，一般都假定離散的塊體為剛性體，這僅適合于處理低應力的情況；同時，這種離散元求解時所花的時間也相當可觀。近年來發展起來的快速拉格朗日分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua，簡稱FLAC)，則是在較好地吸取了上述方法的優點和克服其缺點的基礎上形成的一種新型的數值分析方法。

2 FLAC軟件的主要特點

FLAC程序是一種顯函數有限差分程序，由美國ITASCA咨詢集團公司開發，首先由Cundall在80年代提出并將其程序化、實用化。FLAC基本原理類同于離散元法，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則區域的連續問題求解。在求解過程中，FLAC又采用了離散元的動態松馳法，不需求解大型聯立方程組(剛度矩陣)，便于微機上實現。另一方面，同以往的差分分析相比，FLAC在以下幾方面作了較大改進和發展：它不但能處理一般的大變形問題，而且能模擬巖體沿某一軟弱結構面產生的滑動變形。FLAC還能針對不同材料特性，使用相應的本構方程來比較真實地反映實際材料的動態行為。此外，該數值分析方法還可考慮錨桿、擋土墻等支護結構與圍巖的相互作用。

3 計算模型的建立

3.1 幾何模型

模型總寬度為102m，高度為72.4m，巖層傾角為7o，兩條石門之間的距離為46m，石門底板巖層厚度為30m，頂板巖層厚度為38.4m；為了消除模型邊界對模擬結果的影響，模型邊界距離巷道為23m，見圖1所示。對于上覆巖層沒有在模型中顯示的部分，采用載荷來代替。

根據石門所處的底層條件建立數值模型，首先計算循環至穩定，模型上邊界施加的載荷和模擬地層應力達到平衡，即實現了石門開挖前的原始地應力條件。其次開挖石門安裝支護結構，計算循環至穩定。最后對西一石門四聯至五聯擴刷架棚支護和注漿加固。

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。這兩個值必須與FLAC3D公式一致：當飽和度小于1時孔隙水壓力必須為零，反之亦然。（在FLAC3D中，默認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，分別對應于：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。對石門的邊界設定為隔水邊界。

在FLAC3D中，默認邊界為隔水，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置成一個較大的負數。）

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，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 力學參數

在建立的分析模型基礎上，通過改變注漿加固圈的圍巖參數來模擬注漿加固的效果，注漿加固圈的參數設置見表3.1所示。

3.4 數值模擬結果分析

圖2－圖3為注漿條件下的圍巖垂直方向應力以及位移等的分布及特征。

4 模擬結果分析

下面就圖2、圖3做出相應的分析以及討論。

從巷道圍巖應力看，采用U型棚和注漿加固巷道圍巖的應力相對其他方案要大，這說明在巷道采用加固措施前巷道圍巖屈服深度已趨于相對穩定，采用注漿加固了巷道松動圈范圍內的破碎巖體，防止破碎巖體的松動。

從石門圍巖位移量看，采用擴刷架U29型棚支護＋壁后深淺孔注漿聯合支護能有效降低塑性屈服范圍，注漿加固了巷道2.5m范圍內的破碎圍巖，在巷道使用期間深部圍巖對加固體的作用力相對其他方案大，這說明采用U型棚和注漿加固體承受深部圍巖的載荷，同時支護結構受力大。兩幫和頂板注漿加固作用明顯，而底板塑性區增加。注漿加固有效的控制了圍巖的變形，頂底板的位移量明顯降低。注漿后的變形量主要是在石門底板，而頂板和兩幫的變形量遠小于沒有注漿石門，這也說明加固兩幫和頂板能有效的控制石門底鼓。以上為進行選擇和設計注漿預加固參數提供了依據。

5 問題與討論

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穩定，采用注漿加固了巷道松動圈范圍內的破碎巖體，防止破碎巖體的松動。采用U型棚和注漿加固體承受深部圍巖的載荷，同時支護結構受力大。兩幫和頂板注漿加固作用明顯，而底板塑性區增加。以上為進行選擇和設計注漿預加固參數提供了依據。