不同赋存条件巷道围岩力学特征数值模拟研究

徐　超

（淮南矿业集团顾桥煤矿安徽　凤台　232100）

不同赋存条件巷道围岩力学特征数值模拟研究

徐超

（淮南矿业集团顾桥煤矿安徽凤台232100）

摘要为掌握巷道围岩力学特征，以淮南谢一矿513（3）工作面回采巷道的地质条件为背景，采用FLAC3D对不同埋深、不同倾角的巷道进行了数值模拟研究。结果表明：随着埋深的增加，巷道围岩水平位移、垂直位移、水平应力、垂直应力呈非线性增加趋势，并且随着埋深的增加，巷道围岩塑性区逐渐增加；岩层倾角变化对巷道水平位移、水平应力影响较大，对竖直位移、垂直应力影响不大，巷道围岩破坏范围随着岩层倾角的增加逐渐增大，可为安全生产提供指导。

关键词巷道围岩；埋深；倾角；力学特征；数值模拟

随着煤炭需求量的增加，开采规模不断扩大，浅部资源日趋枯竭，很多煤矿向深部开采成为必然。而深部开采面临很多问题，如巷道所处的环境复杂，巷道围岩变形大，回采期间矿压显现剧烈等。巷道围岩力学特征受岩性、倾角、埋深、地质构造等多种因素的影响，为掌握巷道围岩力学特征，针对淮南谢一矿513（3）工作面回采巷道的地质条件，采用FLAC3D对不同埋深、不同倾角的巷道进行了数值模拟研究，从而掌握深部复杂条件下巷道围岩力学特征。数值模拟采用两套模拟方案，方案一：建立三维数值模型，分别模拟巷道在200 m、400 m、600 m、800 m埋深时巷道围岩的力学特征；方案二：建立三维数值模型，分别模拟巷道岩层水平和倾角为20°时，巷道围岩的力学特征。针对两套模拟方案的结果，分析巷道围岩力学特征，为保证巷道围岩稳定提供科学依据。

1　数值模型的建立

1）几何模型及边界条件。

为了全面掌握深部工作面开采条件下，巷道围岩破坏及其围岩应力空间分布特征，以淮南谢一矿513（3）工作面巷道所处的地质条件为背景，建立三维计算模型：模型长200 m，倾斜宽200 m，高100 m，岩（煤）层倾角为20°，模型侧向限制水平移动，底面限制垂直移动，上部载荷为岩层重量。模型共划分68 000个单元，73 382个结点，按区域调整单元疏密。

2）力学模型及力学参数。

采用莫尔－库仑屈服准则计算，岩体力学参数见表1。

摩尔－库仑塑性模型所涉及的岩、土体物理力学参数包括：体积模量B、剪切模量S、黏聚力C、内摩擦角f、质量密度D。其中，B和S是由岩、土体的弹性模量和泊松比确定的，并根据公式B＝E／3（1－2μ）和S＝E／2（1＋μ）来计算。式中：E为岩体的弹性模量，μ为岩体的泊松比。

3）数值模拟的计算步骤如下。

a）加载求解原岩应力场。

b）位移归零（将所有单元和节点的位移重置为零）。

c）按每次3排锚杆长度2．4 m的循环进尺开挖巷道，同时进行锚杆与锚索支护，每隔2排锚杆施工1排锚索，将200 m×200 m×100 m范围内的机巷全部掘出。

表1　岩体力学参数表

d）工作面按4 m的循环进尺进行回采及充填，充填滞后回采1个切眼长度7 m，回采100 m后停止计算。

2　数值模拟结果与分析

2．1不同埋深巷道围岩力学特征分析

不同埋深条件下，巷道掘进支护后围岩随埋深的变化规律如下：

1）巷道围岩位移分布特征。

巷道围岩垂直位移云图及巷道围岩随埋深的变化规律图见图1，2。

图1　埋深600 m巷道围岩竖直位移云图

图2　不同埋深巷道围岩最大竖直位移曲线图

由图1，2可知，巷道掘进后，巷道围岩最大竖直位移量随着埋深的增加逐渐增加，且呈现非线性增加的趋势，埋深200 m时，围岩最大底鼓量为4．5 mm，埋深800 m，时围岩最大底鼓量为38．8 mm，底鼓量增大37．8倍。由图2可知，随着埋深的增加，围岩垂直位移量增加幅度逐渐增大。由此说明，深部巷道围岩垂直位移量随着埋深呈现非线性增加趋势。

由数值模拟结果可知，巷道围岩水平位移呈现出与垂直位移类似的变化规律，最大水平位移量随着埋深的增加亦逐渐增加，埋深200 m时，围岩最大水平位移量为1．4 mm，埋深800 m时，围岩最大水平位移量为11．3 mm，最大水平位移量增大10．3倍。由此可知，随着埋深的增加，巷道围岩垂直位移增量较水平位移增量大。

2）围岩应力分布特征。

巷道围岩垂直应力云图及巷道围岩随埋深的变化规律图见图3，4。

图3　埋深600 m巷道竖直应力云图

图4　不同埋深巷道围岩最大竖直应力变化曲线图

由图3，4可知，巷道掘进后，巷道围岩垂直应力随着埋深的增加逐渐增加，且呈现非线性增加趋势，埋深200 m时，围岩最大竖直应力为22．3 MPa，埋深800 m时，围岩最大竖直应力为42．5 MPa，最大竖直应力增大0．9倍。由图4可知，随着埋深的增加，围岩竖直应力增加幅度逐渐增大，呈现出非线性的增加趋势。

由数值模拟结果可知，巷道围岩水平应力呈现出与垂直应力类似的变化规律，最大垂直应力随埋深的增加逐渐增加，埋深200 m时围岩最大水平应力为12．5 MPa，埋深800 m时围岩最大水平应力为25 MPa，应力增大1倍。由此可知，随着埋深的增加，巷道围岩垂直应力与水平应力增加量相近。

3）围岩塑性区分布特征。

埋深600 m巷道围岩的塑性区分布图见图5。

图5　埋深600 m巷道围岩破坏状况图

由数值模拟可知，巷道围岩塑性区范围随着埋深的增加逐渐扩大，埋深200 m时围岩塑性区范围最小，埋深800m时围岩塑性区范围最大。巷道围岩破坏先由巷道底板两脚及两拱角部分区域出现塑性屈服开始，然后范围逐渐扩展，巷道变形表现形式为巷道两帮向巷道空间内挤入、顶板下沉和底板鼓起。巷道底板破坏范围大于顶板，两帮破坏范围基本一致。

2．2不同倾角巷道围岩力学特征分析

在其它地质条件相同的条件下，岩层倾角对巷道围岩力学特征的影响较大，通过FLAC3D对岩层倾角分别为0°和20°时巷道围岩的力学特征进行了模拟研究，结果表明：

1）岩层倾角对巷道围岩水平位移影响较大，对垂直位移影响较小。巷道掘进后，岩层倾角为0°时，围岩最大水平位移为2．5 mm，最大垂直位移为8．4 mm。倾角为20°时，围岩最大水平位移为11．3 mm，最大垂直位移为7．9 mm。

2）岩层倾角对巷道围岩水平应力影响较大，对垂直应力影响较小。巷道掘进后，岩层倾角为0°时，围岩最大水平应力为11 MPa。倾角为20°时，最大水平应力为25 MPa，水平应力增大1．27倍；岩层倾角为0°时，围岩最大垂直应力为25 MPa，倾角为20°时，最大垂直应力为30 MPa，垂直应力增大0．2倍。

3）岩层倾角对巷道围岩破坏范围影响明显，随着倾角的增大，围岩破坏范围逐渐增大。

3　结　论

本文针对淮南谢一矿513（3）工作面回采巷道的地质条件，采用FLAC3D对不同埋深、不同倾角的巷道进行了数值模拟研究，主要结论如下：

1）随着埋深的增加，巷道围岩水平位移、垂直位移、水平应力、垂直应力呈非线性增加趋势，垂直位移量大于水平位移量，随着埋深的增加，巷道围岩塑性区亦逐渐增加。埋深800 m的围岩最大底鼓量比埋深200 m增大37．8倍，最大水平位移量约增大10．3倍；埋深800 m时围岩最大竖直应力为42．5 MPa，埋深200 m为22．3 MPa，应力增大0．9倍；埋深800 m时围岩最大水平应力为25 MPa，埋深200 m为12．5 MPa，应力增大1倍。

2）岩层倾角变化对巷道水平位移、水平应力影响较大，对竖直位移、垂直应力影响不大，巷道围岩破坏范围随着岩层倾角的增加逐渐增大。

3）若巷道埋深较大、岩层倾角较大，巷道所处的力学环境相对复杂，生产期间应采取措施以提高巷道的稳定性，如加强支护、加大支护强度、改进支护方式、加强管理，以保证安全生产。

参考文献

［1］陈炎光，陆士良．中国煤矿巷道围岩控制［M］．中国矿业大学出版社，1994：159－161．

［2］袁亮．高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术［J］．煤炭学报，2006，31（2）：174－178．

［3］华心祝．我国沿空留巷技术发展现状及改进建议［J］．煤炭科学技术，2006，34（12）：78－81．

［4］朱川曲，张道兵，施式亮，等．综放沿空留巷支护结构的可靠性分析［J］．煤炭学报，2006，31（2）：141－144．

［5］张东升，马立强，缪协兴，等．综放巷内充填原位沿空留巷技术［J］．岩石力学与工程学报，2005，24（7）：1164－1168．

中图分类号：TD315＋．3

文献标识码：A

文章编号：1672－0652（2014）01－0045－03

收稿日期：2013－11－02

作者简介：徐超（1983—），男，安徽淮南人，2008年毕业于安徽理工大学，助理工程师，主要从事煤矿采掘技术及管理工作（E－mail）haifeng990＠163．com

Numerical Simulation Research on Surrounding Rock Mechanical Characteristics of Different Occurrence Conditions

Xu Chao

AbstractIn order to master the mechanical characteristics of surrounding rock，takes the geological conditions of Huainan Xieyi coal mine 513（3）working face mining roadway as the background，FLAC3D is adopted to research numerical simulation to roadway of different buried depth and angle．The results show that roadway surrounding rock horizontal displacement，vertical displacement，horizontal stress and vertical stress are on the nonlinearity increase trend with the growth of buried depth，the plastic zone of surrounding rock increase gradually with the increase of buried depth．The change of strata dip angle which have a great influence on horizontal displacement and horizontal stress and don’t much affect on vertical displacement and vertical stress．Damage range of surrounding rock is gradually increasing with the increase of strata dip angle．It can provide guidance for safety production．

Key wordsSurrounding rock；Buried depth；Inclination；Mechanical characteristics；Numerical simulation