曹日跃,吴德义

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



全煤巷道锚喷支护下的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)

运用FLAC3D数值分析方法口孜东矿11-2煤巷围岩进行开挖与支护模拟，采用摩尔—库伦弹塑性计算模型，巷道围岩与支护结构之间采用接触单元，计算得出在锚喷支护条件下，巷道开挖段的顶板下沉、帮部水平收敛大小以及塑性区范围，为工程设计与施工提供参考。

FLAC3D ；巷道围岩；巷道开挖与支护；塑性区

0 引言

我国煤炭目前已探明的储量中约53%埋深超过1000 m，如淮南、淮北等开采深度均超过800 m，部分矿井采深已达到1000～1300 m[1]。随着开采深度的增加，发生矿难的概率也越大。而矿难处理比较困难，严重危害人们的生命安全。所以在开挖巷道时，必须进行有效合理的支护才能保证施工的安全。一般情况下煤巷破坏首先是两帮煤体被迅速挤出，紧接是强烈地鼓，然后是顶板下沉，选择合理支护，保持帮部煤岩稳定对于煤巷整体稳定，进而对于深部煤炭安全高效持续开采至关重要[2-3]。国内学者对圆形巷道的研究已经非常充分和完善，研究成果大都运用到实际的工程中。而在实际的煤矿开采中，开挖矩形巷道则更为广泛，并且在该方面的理论研究比较少。本文以口孜东矿11-2矩形煤巷为例,采用FLAC3D对某深部软弱煤岩巷道进行开挖模拟, 分析开挖支护后的应力应变场分布规律，并通过分析支护后的塑性区范围来判定围岩破坏程度。有广泛的实际意义和工程价值，为类似巷道的围岩稳定性分析提供参考。

1 FLAC3D简介

FLAC3D[4]能够动态的模拟计算岩土体受力情况与变形形态。当采用FLAC3D进行数值模拟分析时，必须先确定有限差分网格、本构关系和材料特性三个部分。相对于其他有限元软件，FLAC3D在模拟岩土体的屈服、塑性流动、蠕变直至大变形有其独特的优势。由于FLAC3D软件具有很强的解决复杂岩土工程问题的能力，所以在国际岩土工程学术界享有盛誉。

2 工程概况和计算模型

为了稳定开挖巷道的围岩稳定性，锚喷支护在实际工程中得到了广泛的应用。锚喷支护[5]指的是锚杆与混凝土共同对围岩内部的土体进行支护，改善土体的物理力学性能的一种联合支护体系。巷道开挖周围依次逐步形成松动破碎区、塑性区和弹性区以及围岩具有自承载能力已被大量的巷道模型试验及现场试验所证实。其中松动破碎区及塑性软化区强度较低，自承载能力较小，必须选择合理支护阻止次承载体扩展，保持围岩变形稳定。一般常规支护无法达到预期效果。为此，科研技术人员对此进行广泛深入研究，在工程实践中总结形成了巷道围岩次承载体及时进行锚喷支护，其可以显著提高围岩的物理力学性能[6]。

2.1 模型的建立

本文分析了在某煤巷中开挖一个3 m×3 m的矩形巷道，根据计算模型图1，确定X、Y、Z三个方向的正方向，计算范围选为：取巷道30 m内的围岩影响范围为边界，划分网格的边长为0.5 m。

2.2 边界条件

计算模型的边界分别约束X在-30 m到30 m的应力、位移边界；分别约束Y在-30 m到30 m的应力、位移边界；竖直方向只约束Z=-30 m面上的应力、位移边界，其余为荷载边界。模型计算时采用Mohr-Coulomb强度屈服准则。

图1 FLAC3D 计算模型

2.3 岩体力学参数

根据地勘报告，围岩土体采用的是摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)弹塑性材料模型，在进行数值模拟时需要的力学参数是体积模量(K)、剪切模量(G)，根据弹性力学公式求得[7]：

(1)

其中：E为弹性模量、μ为泊松比。岩体力学参数如表1所示。

表1 岩体力学参数

岩层名称密度(kg/m3)弹性模量(GPa)体积模量(GPa)泊松比粘聚力(MPa)摩擦角(°)泥岩、砂岩22000．8550．351．830

2.4 支护材料参数的确定

巷道施工的支护方式初期为锚杆支护，二次支护为混凝土衬砌。在数值计算中，采用衬砌单元模拟喷射混凝土，用锚杆单元模拟锚杆支护，锚杆长3.0 m，锚杆间距为1.5 m。锚杆及衬砌的力学参数见下表2。

表2 锚杆、喷射混凝土力学参数

材料弹性模量(GPa)体积模量(GPa)剪切模量(GPa)截面积(m2)刚度(N/m)粘聚力(Mpa)锚杆451185．64．9E-41621．6喷射混凝土2426．710///

3 计算结果分析

计算采用摩尔-库仑弹塑性材料模型。根据巷道围岩初期的锚杆支护和二次混凝土衬砌支护来模拟围岩稳定性情况，得到巷道在开挖支护后的塑性区范围分布规律以及顶板位移和帮部位移变化的规律。

3.1 巷道开挖后支护的塑性区分析

图2为巷道开挖后的塑性区范围分布图。巷道开挖时，周围土体发生应力重分布，会引起围岩产生屈服破坏，形成塑性区。在已有的研究基础上，可知塑性区的大小对围岩稳定性有着重要影响，它跟围岩的应力大小、岩土体的性质有着密切关系，在分析围岩稳定性时，塑性区的影响不容忽视。从图2可看出帮部的塑性区范围比顶板的塑性区范围大，说明在开挖巷道时，帮部容易出现失稳现象，此为巷道支护的关键部位，施工时应给予重视。当进行锚喷支护时，提高了开挖巷道围岩的物理力学性能，增强了围岩稳定性，能很好满足初期施工要求。当进行锚喷支护后，巷道周边的破坏区明显减少，表明锚喷支护对围岩稳定性有着很好的维稳作用。

图2 支护后的塑性区

图3 体系最大不平衡力

3.2 巷道道开挖支护后位移场分析

图3反映了巷道开挖最大不平衡力与时间的关系,从图中可以看出, 巷道在开挖初期，围岩的最大不平衡力变化幅度很大，因为巷道开挖初期围岩应力重分布，此时整个巷道围岩都处于不稳定状态,随着锚喷支护的进行，提高了围岩内部岩土体的物理力学性能，使围岩逐渐趋于稳定。说明锚喷支护对巷道围岩稳定性起了很好的支护作用，增强了围岩的稳定性。

由图4支护后Z方向位移曲线可以看出，随着开挖的进行，巷道垂直位移最后稳定在一特定的值[8]。这表明,巷道围岩在锚喷支护之后,最终稳定下来。

图5为巷道水平方向位移分布图,从图中可以看出，巷道附近围岩的水平位移呈对称发展,距巷道的帮部越近，围岩的水平位移变化量就越大。离巷道较远处的围岩处于弹性区内，随距离的增加,其水平位移变化越来越小，最后趋于0。再次说明巷道帮部是最危险的部位,施工需时注重该位置的支护效果[9]。

3.3 现场实测与模拟结果对比

表3 不同情况下的巷道位移变化对比

巷道位置未支护条件下数值模拟支护条件下数值模拟现场实测巷道顶板位移(mm)3501210巷道帮部位移(mm)4602013

把未支护与支护条件下的数值模拟结果与现场实测值对比，可以得出在未支护条件下，巷道围岩变化非常大，基本处于失稳破坏中，而当进行锚喷支护后巷道变形很小，且与实测值很接近，说明锚喷支护对口孜东矿11-2煤巷的支护效果很好。

4 结论

(1) 从图中2可以看到，支护后塑性区范围明显比未支护的情况小了很多，支护后围岩的物理力学性能得到改善，竖直位移和水平位移都减少了。在位移曲线中可以明显的看到一个转折点，这是在施加初期支护后对围岩变形的限制，阻止了围岩的进一步变形所致。支护后的数值模拟与现场实测数据的对比后，可以得出锚喷支护能起到很好地支护效果。

(2) 对处于深部的围岩开挖后必须及时支护，由于深部地应力大，使巷道围岩处于较高的地应力条件下，非常容易失稳破坏。如果支护不及时则使围岩两帮煤体被迅速挤出，紧接是强烈底鼓，然后是顶板下沉。造成严重安全事故。从巷道开挖初期后的整体安全情况来看，巷道帮部是最不稳定区域，为支护的关键部位。

图4 支护后Z方向位移曲线

图5 支护后X方向位移曲线

[1] 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,2005,11:1857-1862.

[2] 单仁亮,孔祥松,蔚振廷,等. 煤巷强帮支护理论与应用[J]. 岩石力学与工程学报,2013,7:1304-1314.

[3] 李英明,贾安立,马念杰. 煤巷顶板岩层赋存特征及块体梁顶板稳定性分析[J]. 中国安全生产科学技术,2014,6:51-57.

[4] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013：2-5.

[5] 仉银. 对锚喷支护若干问题的探讨[J]. 哈尔滨铁道科技,2004,1:24-25.

[6] 冯联新,潘星. 隧道锚喷支护作用机理探讨[J]. 工程建设与档案,2005,5:405-407.

[7] 刘波，韩彦辉. FLAC 原理实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社,2005：2-12.

[8] 卢晓明,王钜,胡光云. 白石河2号隧道开挖与支护力学行为仿真分析[J]. 岩土工程界,2009,5:73-76.

[9] 胡敏军,王连国,朱双双,等. 近距离下煤层回采巷道帮部变形与破坏研究[J]. 煤炭工程,2013,7:76-78.

Analysis of FLAC3D to Simulation of Deep Soft Rock Roadway under the Bolt Concrete Support

CAO Ri-yue，WU De-yi

(School of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei,230601,China)

The simulation of excavation and support on the surrounding rock of full coal roadway was carried out using the software FLAC3D.During the simulation,the Mohr-Coulomb model was used and contract elements were applied on the interfaces between the structure and surrounding rock.This simulation offers full coal roadway vault subsidence,horizontal convergence in the boundary wall and plastic zone of surrounding rock.

FLAC3D ;coal roadway surrounding rock; coal roadway excavation and support；plastic zone

2016-02-01

国家自然科学基金(51374009)

曹日跃(1991-)，男，安徽合肥人，安徽建筑大学土木工程学院在读硕士研究生，研究方向：地下结构理论计算与运用研究。E-mail：1165399082@qq.com

TD353

A

1672-7169(2016)02-0040-05