不同深度软弱煤岩矩形巷道的FLAC3D数值分析

曹日跃，吴德义

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

不同深度软弱煤岩矩形巷道的FLAC3D数值分析

曹日跃，吴德义

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

利用FLAC3D软件对某深部矩形巷道进行开挖模拟，得到巷道在不同深度下的应变分布规律及塑性圈破碎范围。并得出以下结论：(1)随着巷道埋深的增加，巷道帮部位移和顶板位移变形都随之增大，且前者的变形速率明显大于后者，得出巷道帮部和拐角处是巷道支护的关键部位；(2)随着埋深增加，巷道塑性区范围也明显增加，且巷道帮部和拐角处的塑性区增加趋势大于顶板，再次表明巷道帮部和拐角处在开挖中最容易被破坏。结论可为类似工程设计与施工提供参考。

矩形巷道；FLAC3D；松动圈；关键部位

随着我国浅部煤矿开采接近尾声，深部煤矿的开采势在必行，而我国煤炭储量也以深部居多[1]。目前已探明的储量中约53%埋深超过1 000 m。随着开采规模增大，部分矿区，如淮南、淮北等开采深度均超过800 m，部分矿井采深已达到1 000～1 300 m[2]。而随着开采深度的增加，发生事故的概率也随之增加，给国家和人民生命财产带来巨大损失。深部软弱煤岩由于其岩土体的物理力学性能差，巷道破坏更加容易。本文就不同埋深情况下(即地应力为10 MPa，14 MPa，20 MPa处)，对深部软弱煤岩巷道开挖的稳定性，利用FLAC3D软件进行模拟分析，得到不同深度下巷道围岩的应变值以及塑性圈破坏范围，为后续安全施工提供科学依据。

1 FLAC3D模型建立及岩土参数

1.1 计算模型建立

图1 FLAC3D 计算模型

在某深部软弱煤岩处开挖3 m×3 m矩形巷道，建立模型，计算区域边界上的力为原岩应力，即认定边界条件(x轴与z轴)为刚性，计算模型为30 m×2 m×30 m(x，y，z)， 划分单位尺寸由内到外逐渐变大，渐变比例为1.1，有12 544个单元，如图1所示。计算时对模型进行简化，模型上部为地层压力荷载，根据侧压力系数确定侧面施加的力，底部为铰支座。考虑到巷道围岩的非线性大变形和煤岩的力学参数，计算时采用应变软化模型，围岩破碎情况可以通过模拟的应变云图及塑性区范围大小来判定。

1.2 岩体力学参数

根据实验室实测结果，开挖巷道的煤岩力学参数见表1。

表1 煤岩力学参数

岩性弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa煤岩1．50．31．52826．51．28

2 不同深度下矩形巷道位移变化分析

2.1 巷道帮部位移分析

图2、图3、图4分别是地应力在10 MPa、14 MPa、20 MPa下的巷道帮部位移模拟云图。图2显示地应力在10 MPa时，埋深相对于其他两组较浅，其巷道帮部的最大位移变化量在0.12 m，相对于其他两组变化较小。从图2中可以明显看出当开挖巷道时，巷道围岩应力重分布，帮部围岩变化集中在两帮附近，大约在距离巷道边界1.5 m处位移变形最大也最集中。由此可判断松动圈破坏范围在距离巷道边界1.5 m处，此时帮部为支护的关键部位。为了保持围岩稳定性，可在帮部进行锚杆锚索联合支护。

图3显示地应力为14 MPa时，巷道帮部位移最大变化量为0.3 m，增大近一倍。此时围岩松动圈也随之外扩，破坏程度明显增大。说明埋深增加对巷道位移变化有很大影响。由图4可以看出当地应力为20 MPa时，巷道帮部位移最大变化量为0.6 m，又增大近一倍，说明当埋深增大时，帮部位移成倍增加，巷道帮部已经完全破坏。

由上述分析可知：随着巷道埋深的增加，帮部位移变化呈增加趋势，巷道附近的软岩物理力学性质会进一步变差，巷道围岩内的岩石碎胀程度随着埋深的增加也越来越大[3]，导致巷道围岩进一步破坏。

图2 10 MPa的帮部位移云图

图3 14 MPa的帮部位移云图

图4 20 MPa的帮部位移云图

2.2 巷道顶板位移分析

图5、图6、图7分别是地应力在10 MPa、14 MPa、20 MPa下的巷道顶板位移模拟云图。由图5可以看出，地应力较小时，顶板位移变化较小，在10 MPa下开挖，顶板位移变化为0.16 m，相对于同条件的帮部位移变化，顶板位移变化明显小于帮部位移，说明在巷道开挖时，巷道帮部是最容易破坏的位置，是巷道支护中最为关键的部位。由图6可知，当地应力增加到14 MPa时，巷道顶板位移最大变化量为0.26 m，相比于图5只增加0.1 m，明显小于帮部位移在地应力增加时的位移变化速率。说明巷道埋深的变化对顶板的影响没有帮部大。当地应力增加到20 MPa时，巷道顶板位移最大变化量为0.5 m，变化较大，说明在深部软弱煤岩较高地应力的情况下，顶板和帮部都已失稳破坏。此时围岩破碎可进行注浆提高围岩强度，以增强承载能力。采用锚杆锚索联合支护，增强巷道围岩稳定性满足施工的安全要求[4]。

图5 10 MPa的顶板位移云图

图6 14 MPa的顶板位移云图

图7 20 MPa的顶板位移云图

3 不同深度下矩形巷道塑性范围分析

图8、图9、图10分别是地应力在10 MPa、14 MPa、20 MPa下的巷道塑性区分布图。由图8可以看出，当地应力为10 MPa时，帮部和顶板处塑性区范围都比较小，对于矩形巷道在开挖后，巷道拐角处塑性区明显向外扩展，说明在巷道拐角破坏程度更大，其变形程度也大，为巷道支护的关键部位。因为处于帮部与顶板的连接位置，所以此方向的支护尤为重要，该位置的破坏将导致整个巷道失稳破坏。

由图9可以看出，当地应力增大到14 MPa时，巷道的塑性区整个向外扩展增大[5]，而且在巷道帮部和拐角处的塑性区范围都比顶板的范围大。也再次说明随着巷道埋深的增加，在巷道帮部和拐角处的破坏程度比顶板位置大，巷道帮部和拐角处都是支护的关键部位。随着埋深进一步增加，该现象更为明显。由图10可知，当地应力为20 MPa时，围岩塑性区向外围扩展的更大，在巷道帮部和拐角处的塑性区已经明显大于顶板，整个巷道完全处于失稳破坏状态。

图8 10 MPa的塑性区分布图

图9 14 MPa的塑性区分布图

图10 20 MPa的塑性区分布图

4 结论

本文利用FLAC3D软件对某深部矩形巷道进行开挖模拟，得到巷道在不同深度下的应变分布规律及塑性圈破碎范围，并得出以下结论：

(1)通过分析不同地应力下的巷道帮部位移、顶板位移的变形规律和塑性区分布规律，发现随着巷道埋深的增加，巷道帮部位移和顶板位移变形都随之增大，且巷道帮部的位移变形速率明显大于顶板的变形速率，巷道帮部和拐角处是巷道支护的关键部位。在矩形巷道施工支护中有很好的指导意义，可以为巷道支护提供有价值的支护依据。

(2)随着埋深增加，巷道塑性区范围也明显增加，且巷道帮部和拐角处的塑性区增加趋势大于顶板，再次表明巷道帮部和拐角处在开挖中最容易破坏，在巷道支护中应该注重对此部位的支护。

[1] 贺永年，韩立军，邵鹏，等. 深部巷道稳定的若干岩石力学问题[J].中国矿业大学学报，2006，35(3)：288-295.

[2]姜耀东，刘文岗，赵毅鑫，等. 开滦矿区深部开采中巷道围岩稳定性研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(11)：1857-1862.

[3]苏承东，顾明，唐旭，等. 煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2012(1):18-26.

[4]赵维生，程建龙，徐平，等. 巷道围岩稳定性表征变量的一种快速实现方法[J]. 河南理工大学学报(自然科学版)， 2015(2):179-184.

[5]孟庆彬，韩立军，乔卫国，等. 深部软岩巷道锚注支护机理数值模拟研究[J]. 采矿与安全工程学报，2016(1):27-34.

Analysis of FLAC3D in tunnel with different depth of soft coal and rock

CAO Ri-yue, WU De-yi

(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230601,China)

Using FLAC3D software to simulate the excavation of a deep rectangular tunnel, the distribution law of the strain and the plastic ring breaking range under different depth are obtained. And conclusions are as follows: (1) with the increase of the depth of the roadway, the roadway sides and roof displacement displacement increase, and the displacement and deformation of roadway sides deformation rate are significantly greater than the roof, the sidewall and the corner are a key part of roadway. (2) with the increase of buried depth, the plastic zone of roadway is increased obviously, and the plastic zone at the corner of the roadway is larger than that of the top plate, which can provide reference for similar engineering design and construction.

rectangular entry；FLAC3D；loose circle；critical parts

2016-05-10

国家自然科学基金(51374009)

曹日跃(1991—)，男，安徽合肥人，硕士研究生。

1674-7046(2016)06-0049-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.06.010

TD263

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