基于FLAC 3D的南陽(yáng)煤礦巷道支護(hù)的模擬分析

崔新光， 趙志勇

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西高平科興南陽(yáng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

引言

隨著礦井開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大，一些大埋深、構(gòu)造應(yīng)力、采動(dòng)不均勻的疊加應(yīng)力作用影響下的巷道越來(lái)越多，現(xiàn)今的煤礦大多采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的方式進(jìn)行巷道支護(hù)。通常根據(jù)工程類比法初步確定巷道圍巖的支護(hù)參數(shù)，由于不同巷道圍巖的地質(zhì)條件有自身的特點(diǎn)，這就使得工程類比法有一定的局限性，需用別的方法加以驗(yàn)證［1］。而當(dāng)今比較主流的FLAC 3 D軟件可以對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、位移量和塑性變形進(jìn)行模擬分析，從而為巷道的支護(hù)提供有力的科學(xué)依據(jù)。

南陽(yáng)煤礦井田總體上為一單斜構(gòu)造，地層走向接近南北，傾向西側(cè)，地層平緩，傾角為3°～7°，發(fā)育有次一級(jí)向背斜構(gòu)造，井田內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，目前僅發(fā)現(xiàn)落差5.0 m以上斷層3條，5.0 m以下斷層4條，此外，井田還發(fā)現(xiàn)有4個(gè)陷落柱。本文所涉及的3202第二回風(fēng)巷沿3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面呈矩形，長(zhǎng)1 900 m，寬3.8 m，高2.8 m。

1 巖層分析

本巷道圍巖煤層頂板情況如表1。巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果如表2。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

表2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表

由以上兩表可以得出：本巷道圍巖的頂?shù)装宕蠖酁榉凵皫r，頂板結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，巖層較堅(jiān)硬，只有圍頂有水平層理發(fā)育的危險(xiǎn)，但底板相對(duì)嚴(yán)重一些，巖層較軟，需多加注意。巖層的抗拉、抗壓強(qiáng)度屬于中等嚴(yán)重程度。

2 模擬分析

2.1 FLAC 3D程序簡(jiǎn)介

FLAC 3D是一種三維快速拉格朗日分析程序。該程序較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)特性，特別適用于分析漸進(jìn)破壞失穩(wěn)以及模擬大變形［2］。該原理為：FLAC 3D程序利用最大不平衡力來(lái)計(jì)算FLAC 3D的收斂過(guò)程，即如果單元的最大不平衡力隨著時(shí)間增加而逐漸趨于極小值，則計(jì)算是穩(wěn)定的，否則就是不穩(wěn)定的［3］。首先從已知的應(yīng)力根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程導(dǎo)出新的速度和位移，然后由速度導(dǎo)出應(yīng)變速率，從而求出新的應(yīng)力。

2.2 計(jì)算模型建立

利用南陽(yáng)煤礦3202第二回風(fēng)巷工程地質(zhì)概況建立模擬計(jì)算模型。本次模擬取長(zhǎng)40 m、寬36 m、高22.25 m。考慮到模擬結(jié)果的精確性，對(duì)開(kāi)采礦體的頂、底板處的網(wǎng)格劃分適當(dāng)加密，而待開(kāi)采礦體部分則相應(yīng)變稀［4］。生成的模擬開(kāi)挖圖如圖1所示，模型共劃分為194 880個(gè)單元，228 333個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 模擬開(kāi)挖圖

2.3 模擬結(jié)果與分析

本次模擬主要對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)所涉及的塑性區(qū)分布、應(yīng)力、位移三個(gè)方面進(jìn)行了模擬計(jì)算。

2.3.1 塑性區(qū)分布圖

巷道塑性區(qū)是衡量巷道支護(hù)穩(wěn)定性大小的重要參數(shù)之一，是重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)；在錨桿錨索等各種支護(hù)手段的作用下，巷道頂板、兩幫、底板都會(huì)產(chǎn)生大小不一的破壞區(qū)，也就是不可塑性區(qū)，塑性區(qū)分布越廣巷道的支護(hù)就會(huì)越穩(wěn)定。如圖2、圖3所示為塑性圖的原始支護(hù)與優(yōu)化支護(hù)對(duì)比圖。

圖2 原始支護(hù)塑性區(qū)

圖3 優(yōu)化支護(hù)塑性區(qū)

通過(guò)原始支護(hù)與優(yōu)化支護(hù)模擬仿真的對(duì)比可以看出，在塑性區(qū)圖片的對(duì)比中：原始支護(hù)頂板有1.028 m的破壞，底板有1.575 m的破壞，兩幫各有0.76 m的破壞；而優(yōu)化支護(hù)后的巷道頂板有0.514 m的破壞，底板有1.050 m的破壞，兩幫雖然都有0.76 m的破壞，但是破壞區(qū)域明顯減少。

2.3.2 巷道支護(hù)應(yīng)力

支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)，可以認(rèn)為是提供一個(gè)用以彌補(bǔ)由于巷道開(kāi)挖卸載造成的應(yīng)力損失而人為構(gòu)造的應(yīng)力場(chǎng)。各種支護(hù)形式與圍巖相互作用，均可在圍巖中形成一種由支護(hù)引起的應(yīng)力場(chǎng)。巷道開(kāi)挖后，在地應(yīng)力的作用下，巖體內(nèi)蘊(yùn)藏的應(yīng)力能釋放出來(lái)，導(dǎo)致巷道四周圍巖向內(nèi)擠壓，表現(xiàn)為頂板下沉、兩幫移近及底板鼓起。一個(gè)有效支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)便能夠有效控制上述巷道變形現(xiàn)象。支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)包括支護(hù)在圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)和在支護(hù)構(gòu)件內(nèi)部里產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，錨桿網(wǎng)索支護(hù)、架棚支護(hù)、噴射混泥土及砌碹支護(hù)，都可以在煤巖體中產(chǎn)生各種特點(diǎn)的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)。不同的支護(hù)構(gòu)件用于支護(hù)的時(shí)候，形成了各有特點(diǎn)的應(yīng)力場(chǎng)，如錨桿支護(hù)構(gòu)件包括桿體、錨固劑、托板、鋼帶及金屬網(wǎng)，它們共同作用支護(hù)圍巖，并在各自內(nèi)部形成了應(yīng)力場(chǎng)。圖4、圖5、圖6、圖7所示為應(yīng)力圖的原始支護(hù)與優(yōu)化支護(hù)對(duì)比圖。

圖4 原始支護(hù)垂直應(yīng)力圖

圖5 優(yōu)化支護(hù)垂直應(yīng)力圖

2.3.3 巷道支護(hù)位移

巷道位移量是衡量巷道變形量的重要指標(biāo)，巷道的位移量一般包括垂直位移和水平位移；垂直位移量是主要衡量頂板、底板下落或上升的指標(biāo)之一；水平位移量是主要衡量?jī)蓭拖騼蓚?cè)移近或是向巷道內(nèi)部移近的指標(biāo)之一。

圖6 原始支護(hù)水平應(yīng)力圖

圖7 優(yōu)化支護(hù)水平應(yīng)力圖

如圖8、下頁(yè)圖9、圖10、圖11所示為位移圖的原始支護(hù)與優(yōu)化支護(hù)對(duì)比圖?？梢缘贸觯涸谖灰茍D片的對(duì)比中：原始支護(hù)垂直位移為22.52 mm，優(yōu)化支護(hù)垂直位移為12.18 mm；原始支護(hù)水平位移為23.12 mm，優(yōu)化支護(hù)水平位移為12.16 mm。

圖8 原始支護(hù)垂直位移圖

圖9 優(yōu)化支護(hù)垂直位移圖

圖10 原始支護(hù)水平位移圖

3 結(jié)語(yǔ)

圖11 優(yōu)化支護(hù)水平位移圖

FLAC 3D數(shù)值模擬方法可以非常直觀并且能量化地評(píng)估巷道圍巖優(yōu)化前后的變形、受力情況，適合于錨桿錨索加固巷道的效果分析。針對(duì)3號(hào)煤層3202第二回風(fēng)巷巷道頂?shù)装遄冃螄?yán)重的現(xiàn)狀，運(yùn)用FLAC-3D對(duì)優(yōu)化前后的巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了支護(hù)效果研究并加以分析，內(nèi)容包括水平與垂直地應(yīng)力分布情況、頂?shù)装鍍蓭退酱怪币平俊⑾锏浪苄宰冃吻闆r等。從而為支護(hù)方案的提出提供了足夠的參考價(jià)值。

［1］ 肖猛，丁德馨.軟巖巷FLAC 3D數(shù)值模擬研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2007（2）：73-75.

［2］ 郭力，趙靜.FLAC 3D在巷道支護(hù)中的模擬分析［J］.山西焦煤科技，2011（3）：20-21.

［3］ 孫國(guó)權(quán)，李娟.基于FLAC 3D程序的采空區(qū)穩(wěn)定性分析［J］.金屬礦山，2007（2）：29-32.

［4］ 周傳波，郭廖武.采礦巷道圍巖變形機(jī)制樹(shù)脂模擬研究［J］.巖土力學(xué)，2009（3）：654-658.