回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析

1、第18卷第5期1999年10月巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering18(5):497502Oct.,1999回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析康紅普(煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究所北京100013)摘要介紹了目前國(guó)際上比較流行的有限差分程序FLAC3.3。以山東新汶礦區(qū)錨桿支護(hù)回采巷道為條件,運(yùn)用該軟件分析了地應(yīng)力、層理、節(jié)理分布及其強(qiáng)度和剛度,并與井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,FLAC3.3軟件在分析幾何非線(xiàn)性和大變形問(wèn)題方面性能優(yōu)越。關(guān)鍵詞有限差分法,FLAC,回采巷道,錨桿支護(hù),分類(lèi)號(hào)O242.11FLAC3.3FL

2、AC(FastLagrangianAnalysisofContinua)2數(shù)值模擬條件及力學(xué)模型2.1模擬對(duì)象是一種用于工程力學(xué)計(jì)算的顯式有限差分程序1,2。該程序可模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為35。FLAC3.3(1995年)是目前最新二維版本,它采用了顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術(shù),使得該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動(dòng)和破壞。因?yàn)樵谟?jì)算過(guò)程中不形成矩陣,所以大型二維問(wèn)題不需要過(guò)多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。與有限元法相比,FLAC解線(xiàn)性問(wèn)題較慢,而解非線(xiàn)性問(wèn)題較快,特別是在大變形和幾何非線(xiàn)性的情況下,具有明顯優(yōu)勢(shì)。FLAC內(nèi)部含有多個(gè)力學(xué)模型,如摩爾2庫(kù)侖模型,應(yīng)變硬化 軟化模型,節(jié)理模型及雙

3、屈服模型等,用以模擬高度非線(xiàn)性,不可逆等地質(zhì)材料的變形特征。除此之外,FLAC還有多種特殊功能:FLAC中含有界面單元,可以模擬巖層中不連續(xù)面;含有4種結(jié)構(gòu)單元,分別為梁、錨桿、樁及支柱單元,可模擬各種支護(hù)構(gòu)件;FLAC內(nèi)部還有一種編程語(yǔ)言FISH,運(yùn)用該語(yǔ)言,用戶(hù)可編制自己的函數(shù)、變量,數(shù)值模擬對(duì)象是新汶礦務(wù)局協(xié)莊煤礦1212東綜采工作面運(yùn)輸巷。巷道開(kāi)掘在2#煤層中,頂?shù)装鍘r層分布和巷道支護(hù)斷面如圖2,3。開(kāi)挖方式為炮掘,頂板采用W鋼帶加長(zhǎng)錨固組合錨桿支護(hù)。傾斜錨桿#為20#2M1822400,頂板中部錨桿為182M1622000,排距0.6m。兩幫采用<36mm×1600m

4、m木錨桿支護(hù)。2.2數(shù)值模型模型模擬范圍為長(zhǎng)×寬=60m×60m。采用應(yīng)力邊界條件,模型的上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力,模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力,模型下表面垂直和水平位移固定。采用兩種力學(xué)模型模擬巖層:一種是應(yīng)變軟化模型,模擬巷道直接頂、直接底及距巷幫3m內(nèi)的煤層。其他范圍內(nèi)的巖層采用甚至引入自定義力學(xué)模型,顯著擴(kuò)大了FLAC的應(yīng)用范圍和靈活性。FLAC的求解過(guò)程如圖1。首先從已知的應(yīng)力或力,據(jù)運(yùn)動(dòng)方程導(dǎo)出新的速度和位移,然后由速度導(dǎo)出應(yīng)變速率,從而求出新的應(yīng)力。1998年1月12日收到初稿,1998年6月22日收到修改稿。圖1FLAC求解過(guò)程示意圖Fig.1Sc

5、hematicdiagramofFLACcomputingprocess作者康紅普簡(jiǎn)介:男,34歲,博士,1985年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院采礦系采礦工程專(zhuān)業(yè),現(xiàn)任研究室主任,主要從事巷道支護(hù)方面的工作。第18卷第5期康紅普.回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析535表1數(shù)值模擬方案Table1Numericalmodelingschemes地應(yīng)力模型層理與節(jié)理模型圍巖強(qiáng)度模型模型1v=0=1模型2v=20=1模型9直接頂內(nèi)無(wú)層理模型13直接頂厚2.5m模型3v=20=0.5模型4v=0=2模型5v=30=0.67模型6v=40=0.5模型7v=20=1.5模型17煤幫強(qiáng)度低模型8v=20=2模型

6、10層理強(qiáng)度剛度小模型11層理強(qiáng)度剛度大模型12既有層理又有節(jié)理模型18煤幫強(qiáng)度高模型14模型15直接頂厚3.5m直接頂為煤層模型16無(wú)直接頂注:表中0為垂直原巖應(yīng)力,為側(cè)壓系數(shù)。31(模型1),巷道圍巖位移和破壞。垂直應(yīng)力與圍巖位移關(guān)系如圖4(水平應(yīng)力均為20)。隨著垂直應(yīng)力增加,頂板下沉量和幫位移量都在不斷增加,特別是幫位移量增加劇烈,兩幫塑性區(qū)急劇擴(kuò)大。可見(jiàn),垂直應(yīng)力對(duì)巷道兩幫煤層的位移和破壞影響最為明顯。水平應(yīng)力與巷道位移的關(guān)系如圖5(垂直應(yīng)力均為20)。隨著水平應(yīng)力增大,巷道頂板下沉量、底臌圖2巷道巖層柱狀圖Fig.2Stratacolumnarsection都明顯增加,兩幫位移也顯

7、著增加,但幅度沒(méi)有前兩者大。拉斷區(qū)和剪切破壞區(qū)迅速擴(kuò)展至整個(gè)直接頂和直接底。兩幫煤層的破壞深度沒(méi)有明顯增加,但出現(xiàn)破壞的單元數(shù)明顯增加,拉斷區(qū)深度和范圍也顯著擴(kuò)大?？梢?jiàn),水平應(yīng)力是決定巷道頂板巖層變形和破壞的關(guān)鍵因素。但大水平應(yīng)力下兩幫煤層的擠出變形也不可忽視。圖3巷道支護(hù)斷面圖Fig.3Crosssectionofboltedmaingate1.頂板2.底板3.幫圖4垂直應(yīng)力與圍巖位移關(guān)系Fig.4Verticalstressversusdisplacement摩爾2庫(kù)侖模型。采用界面單元模擬巖層面和節(jié)理。巷道全斷面一次開(kāi)挖,模擬炮掘。2.3模擬方案模擬方案共18個(gè)(表1),分析不同條件下巷

8、道圍巖變形和破壞的規(guī)律。3.2層理和節(jié)理對(duì)巷道變形的影響3.2.1層理直接頂內(nèi)層理數(shù)目對(duì)頂板下沉和破壞有顯著的影響。如直接頂內(nèi)無(wú)層理的模型9,比直接頂內(nèi)有兩條層理的模型7,頂板下沉量減少30%。536巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)1999年1.頂板2.底板3.幫圖5水平應(yīng)力與圍巖位移關(guān)系Fig.5Horizontalstressversusdisplacement層理面的強(qiáng)度和剛度也嚴(yán)重影響著巷道圍巖的變形和破壞。模型10和11層理間的強(qiáng)度和剛度分別為很小和很大。模型10頂板下沉量高達(dá)620mm,幫位移量914mm,已屬于嚴(yán)重的幾何非線(xiàn)性問(wèn)題了顯著的離層,11頂板下沉量?jī)H90mm,312mm。3.2.2節(jié)

9、理模型12模擬了頂板既有層理又有傾斜節(jié)理的情況。頂板下沉量為286mm,頂板巖層在層理和節(jié)理面處出現(xiàn)了明顯的離層和滑動(dòng)。相反,對(duì)于無(wú)節(jié)理的模型2,其頂板下沉量?jī)H為模型12的21%,頂板無(wú)明顯破壞。表明頂板巖層中節(jié)理的存在嚴(yán)重影響巖層的變形和破壞狀態(tài)。3.3圍巖強(qiáng)度對(duì)巷道變形的影響模型15的直接頂為煤層,強(qiáng)度小,屬全煤巷道(圖6)。模型16直接頂強(qiáng)度等于老頂強(qiáng)度(圖7)。前者頂板下沉量高達(dá)590mm,而后者頂板下沉量?jī)H為62mm。隨著頂板強(qiáng)度降低,下沉量急劇增加。頂板發(fā)生剪切和拉斷破壞的范圍也明顯擴(kuò)大。此外,直圖()F7amof(noimmediateroof)接頂厚度(模型13,14),兩幫煤

10、層強(qiáng)度(模型17,18)對(duì)巷道變形和破壞都有影響。隨著直接頂厚度增加,兩幫煤層強(qiáng)度降低,巷道圍巖變形和破壞范圍都有不同程度的增加。4井下試驗(yàn)在新汶礦務(wù)局協(xié)莊煤礦1212東運(yùn)輸巷,試驗(yàn)了錨桿支護(hù),支護(hù)參數(shù)與數(shù)值模型相同。從井下施工開(kāi)始到巷道報(bào)廢,進(jìn)行了長(zhǎng)期礦壓觀測(cè)。累計(jì)的頂?shù)装逡平繛?71mm,兩幫移近量為423mm。巷道維護(hù)狀況滿(mǎn)足了生產(chǎn)需要。井下實(shí)測(cè)地應(yīng)力的結(jié)果表明,垂直應(yīng)力和最大水平應(yīng)力相差不大。模型12考慮了采動(dòng)影響,巖層層理和節(jié)理分布,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差不大,表明FLAC3.3可以比較合理地模擬巷道圍巖的大變形和破壞,計(jì)算結(jié)果有一定的可靠性。5結(jié)論(1)FLAC3.3是一種性能比較

11、優(yōu)越的數(shù)值計(jì)算軟件。在解決幾何非線(xiàn)性、大變形問(wèn)題上尤為突出,為煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有力工具。(2)在傾斜或緩傾斜煤層中開(kāi)掘的矩形或倒梯形巷道中,垂直應(yīng)力對(duì)巷道兩幫煤層的位移和破壞影響最為明顯,而水平應(yīng)力是決定巷道頂?shù)装遄冃魏推茐牡年P(guān)鍵因素。大水平應(yīng)力下,出現(xiàn)大面積拉、剪破壞,巖層間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)和離層是頂板破壞的顯著特點(diǎn)。(3)層理和節(jié)理密度、強(qiáng)度、剛度以及分布,嚴(yán)圖6巷道破壞狀態(tài)(全煤)Fig.6Damagestateofmaingate(coalroof)第18卷第5期康紅普.回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析537重影響著巖層的變形和破壞方式。其影響程度在很多情況下超過(guò)任何其他因素。

12、(4)頂板軟弱巖層厚度和強(qiáng)度對(duì)頂板下沉和破壞的影響也比較明顯。此外,煤層強(qiáng)度是決定煤幫位移和破壞的關(guān)鍵因素,也明顯影響頂板下沉,完整穩(wěn)定的兩幫有利于提高頂板的穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)2FLAC3.3UsersManual.ItascaConsultingGroupInc.,19953梁海波,李仲奎,谷兆祺.FLAC程序及其在我國(guó)水電工程中的應(yīng)用.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1996,15(3):2252304黃潤(rùn)秋,許強(qiáng).顯式拉格朗日差分分析在巖石邊坡工程中的應(yīng)用.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1995,14(4):3453535謝和平,周宏偉,王金安.FLAC在煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及對(duì)比分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),

13、1999,18(4):3713751CoetzeeMJ.FLACBasics.ItascaConsultingGroupInc.,1993FLACANALYSISONBKangHongpuCoalResearchInstitute,Beijing100013China)AbstractThepopularfinitedifferencecodeFLAC3.3isintroduced.Theinfluencesofin2situstresses,beddingsandjoints,strengthofsurroundingrockonthedeformationanddamageoftheroc

14、ksurroundinggateroadsareanalyzedundertheconditionofaboltedmaingateinXinwencoalarea.Thenumericalmodelingresultsarecomparedwiththemeasurementdatainthefield.Itispointedoutthatthedistributionandmechanicalpropertiesofdiscontinuousplanesarethemostimportantfactorstothedeformationandrockboltloads.FLAC3.3iso

15、utstandingtosolvegeometricnon2linearandlargestrainproblems.Keywordsfinitedifference,FLAC,gateroad,rockbolting,affectingfactors巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)編務(wù)新規(guī)定巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)編輯部自1994年由北京移至武漢后,基本上延用原北京編輯部的編務(wù)程序,這對(duì)學(xué)報(bào)的正常運(yùn)作起了不小的作用。近年來(lái),隨著生活和工作節(jié)奏的加快,以及郵費(fèi)的逐年增加,越來(lái)越多的作者對(duì)目前編務(wù)程序中要求作者預(yù)先郵寄審稿費(fèi)、保密證明和版面費(fèi)支付承諾書(shū)的做法表示不滿(mǎn);希望適當(dāng)提高版面費(fèi),去繁就簡(jiǎn),既方便作者,也減少編務(wù)工作量。巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)編輯部衷心感謝廣大作者的批