张家湾煤矿巷道无支护条件下位移的数值模拟

孙传丽+勾靖国

【摘 要】本文通过FLAC3D对张家湾煤矿6号煤层6106工作面，开切眼巷道的水平位移和垂直位移的计算模拟。通过计算得出如下结果：巷道在无支护条件下顶板围岩最大变形位移为62.15mm，底板的最大变形位移为16.23mm，顶底板最大变形位移量的和为78.38mm；左右两帮的位移基本对称变形位移达到57.3mm，总的变形位移量为114.6mm。对我们支护有一定的工程指导意义，进一步可以确定支护强度。

【关键词】围岩位移；数值模拟；开切眼

支护和加固也可以归类为主动的或者被动的。主动支护的实施将在岩石表面施加一个事先确定好的荷载，对于长壁开采面它可以采用预拉的锚杆和锚索、液压支柱、膨胀、膨胀式分段混凝土衬砌或动力支架的形式。在需要支护或单个岩块或岩石松动区产生的重力荷载作用时，通常要求主动支护。被动支护或加固在施工时不需要加荷载，相反，支护荷载是随岩体变形逐渐加上去的。被动支护可以用钢拱、木架或复合式砌体设置，也可以用未预拉的岩石注浆锚杆、钢筋或锚索来实现。未预拉的岩石注浆锚杆、钢筋和锚索通常称为锚栓。

支护最关键的问题就是合理控制围岩的位移，尤其在变形地压较大的矿井巷道中，允许围岩发生合理的变形，这样由于应力重新分布产生的应变能就会释放，围岩的自承能力就会提高。但是很多巷道的围岩周边达到某一位移值是，松动圈的围岩就会发生脱落，对支护的强度反而增大。所以一方面让围岩发生充分的变形，另一方面要不能让围岩的位移不能超过脱落点[1]。

锚杆和液压支架就很好的兼顾了这两方面，即让围岩发生一定的变形，又会控制围岩发生太大的变形。是属于柔性之护。锚杆可以用来悬吊层状岩石中可能失稳的顶板岩石。锚杆锚固装置一定要错入到潜在破坏区以外。减跨作用：把顶板看成一个长的岩梁，在巷道顶板岩层中打入锚杆，把锚杆简化为铰支座的力学模型，通过分割岩梁的跨度就减小了，这样弯曲正应力就减小了。 组合作用：相当于把几个薄板通过锚杆锚固在一起，类似于一个层合岩梁变成叠合岩梁。由于上覆岩层对顶板的压力一定则弯矩就一定，根据材料力学弯曲正应力计算公式得，梁的惯性矩/增大了，弯曲应力就减小了。这样就使得围岩应力降低，改善了围岩的应力状态。则围岩的位移也会减少。本文对张家湾煤矿6#煤层6106工作面开切眼在无支护条件下进行了模拟。在无支护条件下顶板和两帮的位移数值模拟计算。对以后在现场支护中确定锚杆的支护强度和支护时间有一定的指导意义。

1 煤及顶板岩石力学参数及稳定性评价

6号煤层顶板为粘土岩，或为粗砂岩顶部为硬质粘土岩，底板为软质粘土岩，遇水分解成泥状可塑性强。

2 用FLAC3D有限差分软件对6106工作面的仿真模拟

根据张家湾煤矿的地质柱状图和6#煤层6106的地质条件。建立数学力学分析模型来确定锚杆的支护参数。用FLAC3D有限差分软件进行了数值模拟。该软件是为岩土工程应用而开发的，采用了拉格朗日显式算法可以跟踪材料的渐进破坏和垮落，这对采矿工程是很重要的[2]。

6#煤层的平均厚度为11m，在该煤层的地质条件下开切眼，巷道总高度为3m。6106开切眼尺寸长7.5m，宽3.0m。巷道顶板层由顶煤、软岩及硬岩层组成， 上覆岩层的模拟厚度为一直到地面其深度为87m。底板模拟边界为10m，两帮的模拟厚度为25m。上部边界简化为应力条件，下部为固定边界条件，也就是下部的位移近视的看做零。模型共划分23000个六面体体单元，共有25533个节点。围岩的物理力学参数以上述表格1的实测参数。

模拟中主要考虑围岩。

2.1 在无锚杆支护下张家湾矿6106工作面开挖围岩位移的仿真模拟

巷道开挖后，允许围岩发生一定的变形，这样由于应力重新分布产生的应变能就会释放，围岩的自承能力就会提高[3]。围岩的位移与顶板的岩性、岩体的完整性及原岩应力的大小有关系。而且与支护结构的刚性、支护时间及巷道断面的面积有关系。本文主要考虑在无支护条件下，在一个小时内围岩的位移。

2.2 围岩位移分布

在无支护条件巷道围岩垂直位移分布图如图2和图3所示。说明围岩是存在松动圈，而且松动圈的位移是对围岩的总位移贡献最大。由于松动圈的岩体破碎，摩擦角Φ和内聚力C几乎等于零，已经不符合弹塑性力学的假设[3]。通过模拟可得巷道在无支护条件下顶板围岩最大为62.15mm，底板的最大位移为16.23mm，顶底板最大位移量的和为78.38mm；左右两帮的位移基本对称达到57.3mm，总的位移量为114.6mm。

在模拟过程中由于节理、裂隙等不连续面的存在，在模拟中没有考虑这些因素的影响。实际情况围岩的位移量会更大些。

3 结论

巷道在无支护条件下顶板围岩变形位移最大为62.15mm，底板的最大变形位移为16.23mm，顶底板最大变形位移量的和为78.38mm；左右两帮的位移基本对称达到57.3mm，总的位移量为114.6mm。通过对我们支护有一定的工程指导意义，进一步可以确定支护强度。

【参考文献】

[1]贾喜荣.岩石力学[M].重庆徐州：中国矿业大学，2011.

[2]肖猛，丁德馨，莫勇刚.软岩巷道围岩稳定性的FLAC3D数值模拟研究[J].矿业研究与开发，2007（01）.

[3]靖洪文，李元海.深埋巷道破裂围岩位移分析[J].中国矿业大学学报，2006（05）.

[责任编辑：王伟平]