基于FLAC3D的深部巷道围岩稳定性分析

2016-08-16杨嫣

四川水泥 2016年2期

关键词：计算结果锚索采空区

杨嫣

（河南省昊鼎建筑基础工程有限公司，450000）

基于FLAC3D的深部巷道围岩稳定性分析

杨嫣

（河南省昊鼎建筑基础工程有限公司，450000）

0 引言

沿空巷道由于处于采空区上覆岩层结构固支边与铰接边之间，其顶板岩层将会断裂成弧形三角块。与采场相比，沿空巷道的推进，势必会造成更加复杂的应力二次分布。由于锚固力、支承力的作用，在煤体边缘产生破碎区与塑性区，出现应力降低区。沿稳定的采空区边缘掘进巷道，虽然围岩处于应力降低区，但围岩比较破碎，并且回采空间会引起强烈的支承压力作用，使受其影响的巷道围岩压力以数倍、甚至近十倍于原岩应力迅速升高，从而造成深部围岩出现大变形、大地压、难支护的特征。深部巷道围岩变形特点基本为：（1）围岩变形量大，变形速度快，（2）巷道持续变形、流变为深部巷道变形的主要特征，（3）深部岩石的扩容性质。该煤矿地处云贵高原，山区地质构造极为复杂，巷道所处的煤层直接顶为粉砂质泥岩，顶板节理发育，比较破碎，表现出深部巷道围岩变形的特征，且其巷道原支护结构方式和参数不合理等原因使得巷道发生严重变形和破坏，其中深部高应力和围岩较低承载能力是该矿巷道变形破坏的主要原因。故有必要运用数值模拟方法了解在沿空巷道工作面施工期间，围岩内应力及围岩变形情况。

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，它常用于模拟岩土或其他材料的三维力学行为，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，故常用于煤矿的围岩稳定性等的模拟分析[1～2]。该文基于商业软件FLAC3D动态的分析地下开采工程中巷道围岩的稳定性分析。

1 工程概况

21156回风巷位于南井二水平。地面位置位于大白岩西北部，距离地表垂深662m～727m。南部为212 石门，北部至F108 断层，东部至+1289m 标高，西部为21154 采空区，顶部为已回采完毕的21128 和21126 采空区。21156 巷道断面形状采用三心拱形断面跨度为 5.0m，高3.0m。巷道围岩主要采用锚杆、锚索为主的锚固技术。锚杆间排距取0.8m选取顶板锚杆长度为 2.4m，煤帮锚杆长度为2.0m。锚索采用“2-1-2”形布置，长度L＝6m。第一排锚索布置2根，布置于两排锚杆之间，锚索距煤帮 1300mm，即锚索间距2400mm；第二排锚索布置1根，布置于第三排锚杆的顶板中心线布置，即锚索排距为 1200mm；第三排锚索如同第一排，依此类推。采用“2-1-2”形布置方式，选取锚索间距为2400mm，排距为1200mm。

2 计算模型

2.1 几何模型和模型参数

巷道断面形状为三心拱形断面，下宽5.0m，中高3.0m，面积为14.3m2。模型的计算边界范围的选取以在地下开采对巷道围岩影响范围内[4]可以反映计算结果并能缩短计算时间为原则。具体选取边界范围为：水平方向上模型边界为巷道中线每侧3倍的开挖跨度处，竖直方向上上部模型边界为巷道最高点上侧3倍井筒开挖高度处，下部模型边界为巷道底板下侧3倍井筒开挖深度处。

根据工程实际情况和FLAC3D中可选材料本构模型考虑，计算中选择Drucker-Prager弹塑性模型，DP模型是理想弹塑性模型，理想弹塑性即应力达到屈服极限以后，应力不再增大，但是应变会一直增长。将被开挖掉的部分赋予零模型，建议地层材料参数如表1所示。

表 1 建议地层材料参数

FLAC3D中Drucker-Prager模型中，所需模型参数与地层材料参数关系如下[5]

Drucker-Prager破坏在莫尔-库伦范围内，则Drucker-Prager参数，与c，可由下式推出[6]：

2.2 边界条件和载荷模式

2.2.1 边界条件

计算时，施加的模型边界约束条件为：上表面为自由边界，计算模型的左右边界分别受到水平方向的位移约束；模型的地层下部边界受到Z方向的位移约束。还原后的模型上边界埋深为-700m。

2.2.2 载荷模式

当埋深较大时

对计算模型所施加的载荷就是按（5）式进行计算出来的，并且在模型的x、y两个方向施加相等的载荷，即取λ=1。因此取值为：700×2720 ×9.8=18.6MPa。

3 模拟结果和分析

还原后的模型上边界埋深为-700.0m，模型厚度为100.0m。采取分步开挖，在模型中每一步循环进尺为2.0m，采取边开挖边锚固的开挖方式。

在模拟计算过程中根据现场检测点的位置预设检测点，记录巷道在受21156工作面采动影响后巷道表面位移的情况，并将计算结果与现场检测结果进行了比较可得，该巷道在受开采影响时巷道围岩变形主要是顶底板变形，巷道顶底板相对位移最大值约为118mm；两帮相对位移最大值为68mm。对比计算结果与现场检测数据可以看出，模拟计算值与现场实测值较为接近，巷道两帮相对位移在受采动影响期间变形最大值约为112mm；而巷道顶底板在两帮稳定后仍继续变形，最终稳定于约61mm。