回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析

1、第18卷第5期1999年10月岩石力学与工程学报ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering18(5):497502Oct.,1999回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析康红普(煤炭科学研究总院开采研究所北京100013)摘要介绍了目前国际上比较流行的有限差分程序FLAC3.3。以山东新汶矿区锚杆支护回采巷道为条件,运用该软件分析了地应力、层理、节理分布及其强度和刚度,并与井下实测数据进行了对比。结果表明,FLAC3.3软件在分析几何非线性和大变形问题方面性能优越。关键词有限差分法,FLAC,回采巷道,锚杆支护,分类号O242.11FLAC3.3FL

2、AC(FastLagrangianAnalysisofContinua)2数值模拟条件及力学模型2.1模拟对象是一种用于工程力学计算的显式有限差分程序1,2。该程序可模拟土、岩石等材料的力学行为35。FLAC3.3(1995年)是目前最新二维版本,它采用了显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术,使得该程序能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏。因为在计算过程中不形成矩阵,所以大型二维问题不需要过多的计算机内存。与有限元法相比,FLAC解线性问题较慢,而解非线性问题较快,特别是在大变形和几何非线性的情况下,具有明显优势。FLAC内部含有多个力学模型,如摩尔2库仑模型,应变硬化 软化模型,节理模型及双

3、屈服模型等,用以模拟高度非线性,不可逆等地质材料的变形特征。除此之外,FLAC还有多种特殊功能:FLAC中含有界面单元,可以模拟岩层中不连续面;含有4种结构单元,分别为梁、锚杆、桩及支柱单元,可模拟各种支护构件;FLAC内部还有一种编程语言FISH,运用该语言,用户可编制自己的函数、变量,数值模拟对象是新汶矿务局协庄煤矿1212东综采工作面运输巷。巷道开掘在2#煤层中,顶底板岩层分布和巷道支护断面如图2,3。开挖方式为炮掘,顶板采用W钢带加长锚固组合锚杆支护。倾斜锚杆#为20#2M1822400,顶板中部锚杆为182M1622000,排距0.6m。两帮采用<36mm×1600m

4、m木锚杆支护。2.2数值模型模型模拟范围为长×宽=60m×60m。采用应力边界条件,模型的上表面施加均匀的垂直压应力,模型两侧面施加随深度变化的水平压应力,模型下表面垂直和水平位移固定。采用两种力学模型模拟岩层:一种是应变软化模型,模拟巷道直接顶、直接底及距巷帮3m内的煤层。其他范围内的岩层采用甚至引入自定义力学模型,显著扩大了FLAC的应用范围和灵活性。FLAC的求解过程如图1。首先从已知的应力或力,据运动方程导出新的速度和位移,然后由速度导出应变速率,从而求出新的应力。1998年1月12日收到初稿,1998年6月22日收到修改稿。图1FLAC求解过程示意图Fig.1Sc

5、hematicdiagramofFLACcomputingprocess作者康红普简介:男,34岁,博士,1985年毕业于山西矿业学院采矿系采矿工程专业,现任研究室主任,主要从事巷道支护方面的工作。第18卷第5期康红普.回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析535表1数值模拟方案Table1Numericalmodelingschemes地应力模型层理与节理模型围岩强度模型模型1v=0=1模型2v=20=1模型9直接顶内无层理模型13直接顶厚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煤帮强度低模型8v=20=2模型

6、10层理强度刚度小模型11层理强度刚度大模型12既有层理又有节理模型18煤帮强度高模型14模型15直接顶厚3.5m直接顶为煤层模型16无直接顶注:表中0为垂直原岩应力,为侧压系数。31(模型1),巷道围岩位移和破坏。垂直应力与围岩位移关系如图4(水平应力均为20)。随着垂直应力增加,顶板下沉量和帮位移量都在不断增加,特别是帮位移量增加剧烈,两帮塑性区急剧扩大。可见,垂直应力对巷道两帮煤层的位移和破坏影响最为明显。水平应力与巷道位移的关系如图5(垂直应力均为20)。随着水平应力增大,巷道顶板下沉量、底臌图2巷道岩层柱状图Fig.2Stratacolumnarsection都明显增加,两帮位移也显

7、著增加,但幅度没有前两者大。拉断区和剪切破坏区迅速扩展至整个直接顶和直接底。两帮煤层的破坏深度没有明显增加,但出现破坏的单元数明显增加,拉断区深度和范围也显著扩大。可见,水平应力是决定巷道顶板岩层变形和破坏的关键因素。但大水平应力下两帮煤层的挤出变形也不可忽视。图3巷道支护断面图Fig.3Crosssectionofboltedmaingate1.顶板2.底板3.帮图4垂直应力与围岩位移关系Fig.4Verticalstressversusdisplacement摩尔2库仑模型。采用界面单元模拟岩层面和节理。巷道全断面一次开挖,模拟炮掘。2.3模拟方案模拟方案共18个(表1),分析不同条件下巷

8、道围岩变形和破坏的规律。3.2层理和节理对巷道变形的影响3.2.1层理直接顶内层理数目对顶板下沉和破坏有显著的影响。如直接顶内无层理的模型9,比直接顶内有两条层理的模型7,顶板下沉量减少30%。536岩石力学与工程学报1999年1.顶板2.底板3.帮图5水平应力与围岩位移关系Fig.5Horizontalstressversusdisplacement层理面的强度和刚度也严重影响着巷道围岩的变形和破坏。模型10和11层理间的强度和刚度分别为很小和很大。模型10顶板下沉量高达620mm,帮位移量914mm,已属于严重的几何非线性问题了显著的离层,11顶板下沉量仅90mm,312mm。3.2.2节

9、理模型12模拟了顶板既有层理又有倾斜节理的情况。顶板下沉量为286mm,顶板岩层在层理和节理面处出现了明显的离层和滑动。相反,对于无节理的模型2,其顶板下沉量仅为模型12的21%,顶板无明显破坏。表明顶板岩层中节理的存在严重影响岩层的变形和破坏状态。3.3围岩强度对巷道变形的影响模型15的直接顶为煤层,强度小,属全煤巷道(图6)。模型16直接顶强度等于老顶强度(图7)。前者顶板下沉量高达590mm,而后者顶板下沉量仅为62mm。随着顶板强度降低,下沉量急剧增加。顶板发生剪切和拉断破坏的范围也明显扩大。此外,直图()F7amof(noimmediateroof)接顶厚度(模型13,14),两帮煤

10、层强度(模型17,18)对巷道变形和破坏都有影响。随着直接顶厚度增加,两帮煤层强度降低,巷道围岩变形和破坏范围都有不同程度的增加。4井下试验在新汶矿务局协庄煤矿1212东运输巷,试验了锚杆支护,支护参数与数值模型相同。从井下施工开始到巷道报废,进行了长期矿压观测。累计的顶底板移近量为371mm,两帮移近量为423mm。巷道维护状况满足了生产需要。井下实测地应力的结果表明,垂直应力和最大水平应力相差不大。模型12考虑了采动影响,岩层层理和节理分布,计算结果与实测值相差不大,表明FLAC3.3可以比较合理地模拟巷道围岩的大变形和破坏,计算结果有一定的可靠性。5结论(1)FLAC3.3是一种性能比较

11、优越的数值计算软件。在解决几何非线性、大变形问题上尤为突出,为煤矿巷道支护设计提供了一个有力工具。(2)在倾斜或缓倾斜煤层中开掘的矩形或倒梯形巷道中,垂直应力对巷道两帮煤层的位移和破坏影响最为明显,而水平应力是决定巷道顶底板变形和破坏的关键因素。大水平应力下,出现大面积拉、剪破坏,岩层间发生错动和离层是顶板破坏的显著特点。(3)层理和节理密度、强度、刚度以及分布,严图6巷道破坏状态(全煤)Fig.6Damagestateofmaingate(coalroof)第18卷第5期康红普.回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析537重影响着岩层的变形和破坏方式。其影响程度在很多情况下超过任何其他因素。

12、(4)顶板软弱岩层厚度和强度对顶板下沉和破坏的影响也比较明显。此外,煤层强度是决定煤帮位移和破坏的关键因素,也明显影响顶板下沉,完整稳定的两帮有利于提高顶板的稳定性。参考文献2FLAC3.3UsersManual.ItascaConsultingGroupInc.,19953梁海波,李仲奎,谷兆祺.FLAC程序及其在我国水电工程中的应用.岩石力学与工程学报,1996,15(3):2252304黄润秋,许强.显式拉格朗日差分分析在岩石边坡工程中的应用.岩石力学与工程学报,1995,14(4):3453535谢和平,周宏伟,王金安.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析.岩石力学与工程学报,

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岩石力学与工程学报编务新规定岩石力学与工程学报编辑部自1994年由北京移至武汉后,基本上延用原北京编辑部的编务程序,这对学报的正常运作起了不小的作用。近年来,随着生活和工作节奏的加快,以及邮费的逐年增加,越来越多的作者对目前编务程序中要求作者预先邮寄审稿费、保密证明和版面费支付承诺书的做法表示不满;希望适当提高版面费,去繁就简,既方便作者,也减少编务工作量。岩石力学与工程学报编辑部衷心感谢广大作者的批