FLAC3D在巷道支护中的模拟分析

郭 力,赵 静,元永国

(吉林省辽源职业技术学院,吉林 辽源 136200)

FLAC3D是以有限差分法为理论基础,利用三维计算机程序模拟三维土体、岩体或其他材料体力学特性。实现对岩石、土和支护结构等的三维建模,并对岩土工程进行数值分析和计算。其在工程地质界得到了广泛的应用。

1 巷道支护模拟

1.1 几何模型的确立

在掘进过程中,巷道围岩的应力在不断发生变化,其应变也在随着掘进不断增大,直至最后趋于稳定。为掌握巷道掘进过程中,巷道围岩 (煤岩体)的应力、变形、位移随掘进的变化情况及其分布规律,原模型示意图见图 1,煤层厚度 10m,为近水平煤层,中间有一层夹矸。

图 1 原模型示意图

巷道开挖后,围岩应力重新分布,巷道的顶底板及两帮产生变形、甚至破坏。其影响范围在巷道半径的 5倍范围内。顶板为 14m的细砂岩,底板为 20m粉砂岩,巷道双巷布置。故采用的模型尺寸为 50m×50m ×44m,共划分为 185 000个单元。巷道支护断面示意图见图 2。原岩应力σxx为 2.8×107N;σyy为 2.4×107N;σzz为 2.0×107N。X方向上的两边界在 X方向的位移固定;Y方向上的两边界在 Y方向的位移固定;Z方向上下部边界固定其 X、Y、Z方向的位移,上部边界无约束。煤层赋存深度为 1 000m,原岩应力 2.0×107N。

图 2 巷道断面示意图

1.2 计算物理模型的确定

FLAC3D内置了 11种材料模型供选择,每种模型对应一种特殊类型的岩土材料的本构特性。岩石和煤是黏结状的粒状散体材料,选择M ohr-Cou lom b模型较适合巷道支护作用计算。

1.3 岩石力学参数的选取

根据现场地质调查和实验室研究提供的岩石力学试验结果,模拟计算采用的岩体力学参数见表 1。

表 1 煤岩物理参数表

2 数值模拟方案

巷道围岩应力与巷道原岩应力及其支护密切相关,为了模拟巷道掘井过程中围岩变形及应力分布,并模拟巷道支护效果。利用 FISH语言,设置循环来模拟巷道掘进循环,每循环掘进 0.8 m。掘进完成后,立即支护。主要模拟：在给定边界力学与位移条件下模型的初始状态;模拟巷道掘进,随着巷道不断向前掘进,模拟已支护巷道的支护效果;监测模拟巷道顶底板及帮得围岩变形情况;监测模型掘进端头围岩的应力分布情况。

3 数值模拟结果与特征分析

3.1 巷道围岩应力分析

巷道开掘后,若不及时支护,巷道顶底板及两帮应力集中现象严重,两帮在垂直方向上应力集中严重 ,见图 3。

在水平方向主要是顶板应力集中,见图 5。

支护后巷道围岩应力得到改善,形成了压力拱,见图 4,6。

模拟中采用的是动态模拟掘进,观察距掘进端头不同距离的断面应力分布,已知：随着巷道向前掘进,巷道支护的压力拱逐步形成,最终巷道围岩应力重新分布完成。模拟中也监测了掘进端头的围岩应力分布情况,可以为掘进中防止煤与瓦斯突出提供参考的压力参数。

这里由于篇幅有限,就不将各监测断面的云图一一列出。

3.2 巷道围岩位移分析

模拟支护结果显示,顶板的下沉量为 90 mm,底板无底鼓现象,顶底板累计移近量为 50mm;巷道左帮移近 15mm,右帮移近量为 17mm,两帮累计移近量为 32mm。模拟分析表明巷道支护设计基本达到要求。巷道围岩位移见图 7,图 8。

图 7 支护后巷道 Z轴方向的位移示意图

图 8 巷道支护后 X轴方向的位移示意图

由此可见,FLAC3D软件能够成功的以有限差分法为理论基础,通过对三维土体、岩体或其他材料体的力学实验模拟,实现对岩石、土和支护结构等的三维建模,对岩土工程能够进行准确的数值分析和计算。

因此,在工程地质界应得到广泛的应用。

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