張家灣煤礦巷道無支護(hù)條件下位移的數(shù)值模擬

孫傳麗+勾靖國(guó)

【摘 要】本文通過FLAC3D對(duì)張家灣煤礦6號(hào)煤層6106工作面，開切眼巷道的水平位移和垂直位移的計(jì)算模擬。通過計(jì)算得出如下結(jié)果：巷道在無支護(hù)條件下頂板圍巖最大變形位移為62.15mm，底板的最大變形位移為16.23mm，頂?shù)装遄畲笞冃挝灰屏康暮蜑?8.38mm；左右兩幫的位移基本對(duì)稱變形位移達(dá)到57.3mm，總的變形位移量為114.6mm。對(duì)我們支護(hù)有一定的工程指導(dǎo)意義，進(jìn)一步可以確定支護(hù)強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】圍巖位移；數(shù)值模擬；開切眼

支護(hù)和加固也可以歸類為主動(dòng)的或者被動(dòng)的。主動(dòng)支護(hù)的實(shí)施將在巖石表面施加一個(gè)事先確定好的荷載，對(duì)于長(zhǎng)壁開采面它可以采用預(yù)拉的錨桿和錨索、液壓支柱、膨脹、膨脹式分段混凝土襯砌或動(dòng)力支架的形式。在需要支護(hù)或單個(gè)巖塊或巖石松動(dòng)區(qū)產(chǎn)生的重力荷載作用時(shí)，通常要求主動(dòng)支護(hù)。被動(dòng)支護(hù)或加固在施工時(shí)不需要加荷載，相反，支護(hù)荷載是隨巖體變形逐漸加上去的。被動(dòng)支護(hù)可以用鋼拱、木架或復(fù)合式砌體設(shè)置，也可以用未預(yù)拉的巖石注漿錨桿、鋼筋或錨索來實(shí)現(xiàn)。未預(yù)拉的巖石注漿錨桿、鋼筋和錨索通常稱為錨栓。

支護(hù)最關(guān)鍵的問題就是合理控制圍巖的位移，尤其在變形地壓較大的礦井巷道中，允許圍巖發(fā)生合理的變形，這樣由于應(yīng)力重新分布產(chǎn)生的應(yīng)變能就會(huì)釋放，圍巖的自承能力就會(huì)提高。但是很多巷道的圍巖周邊達(dá)到某一位移值是，松動(dòng)圈的圍巖就會(huì)發(fā)生脫落，對(duì)支護(hù)的強(qiáng)度反而增大。所以一方面讓圍巖發(fā)生充分的變形，另一方面要不能讓圍巖的位移不能超過脫落點(diǎn)[1]。

錨桿和液壓支架就很好的兼顧了這兩方面，即讓圍巖發(fā)生一定的變形，又會(huì)控制圍巖發(fā)生太大的變形。是屬于柔性之護(hù)。錨桿可以用來懸吊層狀巖石中可能失穩(wěn)的頂板巖石。錨桿錨固裝置一定要錯(cuò)入到潛在破壞區(qū)以外。減跨作用：把頂板看成一個(gè)長(zhǎng)的巖梁，在巷道頂板巖層中打入錨桿，把錨桿簡(jiǎn)化為鉸支座的力學(xué)模型，通過分割巖梁的跨度就減小了，這樣彎曲正應(yīng)力就減小了。 組合作用：相當(dāng)于把幾個(gè)薄板通過錨桿錨固在一起，類似于一個(gè)層合巖梁變成疊合巖梁。由于上覆巖層對(duì)頂板的壓力一定則彎矩就一定，根據(jù)材料力學(xué)彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式得，梁的慣性矩/增大了，彎曲應(yīng)力就減小了。這樣就使得圍巖應(yīng)力降低，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。則圍巖的位移也會(huì)減少。本文對(duì)張家灣煤礦6#煤層6106工作面開切眼在無支護(hù)條件下進(jìn)行了模擬。在無支護(hù)條件下頂板和兩幫的位移數(shù)值模擬計(jì)算。對(duì)以后在現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)中確定錨桿的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)時(shí)間有一定的指導(dǎo)意義。

1 煤及頂板巖石力學(xué)參數(shù)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

6號(hào)煤層頂板為粘土巖，或?yàn)榇稚皫r頂部為硬質(zhì)粘土巖，底板為軟質(zhì)粘土巖，遇水分解成泥狀可塑性強(qiáng)。

2 用FLAC3D有限差分軟件對(duì)6106工作面的仿真模擬

根據(jù)張家灣煤礦的地質(zhì)柱狀圖和6#煤層6106的地質(zhì)條件。建立數(shù)學(xué)力學(xué)分析模型來確定錨桿的支護(hù)參數(shù)。用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。該軟件是為巖土工程應(yīng)用而開發(fā)的，采用了拉格朗日顯式算法可以跟蹤材料的漸進(jìn)破壞和垮落，這對(duì)采礦工程是很重要的[2]。

6#煤層的平均厚度為11m，在該煤層的地質(zhì)條件下開切眼，巷道總高度為3m。6106開切眼尺寸長(zhǎng)7.5m，寬3.0m。巷道頂板層由頂煤、軟巖及硬巖層組成， 上覆巖層的模擬厚度為一直到地面其深度為87m。底板模擬邊界為10m，兩幫的模擬厚度為25m。上部邊界簡(jiǎn)化為應(yīng)力條件，下部為固定邊界條件，也就是下部的位移近視的看做零。模型共劃分23000個(gè)六面體體單元，共有25533個(gè)節(jié)點(diǎn)。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)以上述表格1的實(shí)測(cè)參數(shù)。

模擬中主要考慮圍巖。

2.1 在無錨桿支護(hù)下張家灣礦6106工作面開挖圍巖位移的仿真模擬

巷道開挖后，允許圍巖發(fā)生一定的變形，這樣由于應(yīng)力重新分布產(chǎn)生的應(yīng)變能就會(huì)釋放，圍巖的自承能力就會(huì)提高[3]。圍巖的位移與頂板的巖性、巖體的完整性及原巖應(yīng)力的大小有關(guān)系。而且與支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛性、支護(hù)時(shí)間及巷道斷面的面積有關(guān)系。本文主要考慮在無支護(hù)條件下，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)圍巖的位移。

2.2 圍巖位移分布

在無支護(hù)條件巷道圍巖垂直位移分布圖如圖2和圖3所示。說明圍巖是存在松動(dòng)圈，而且松動(dòng)圈的位移是對(duì)圍巖的總位移貢獻(xiàn)最大。由于松動(dòng)圈的巖體破碎，摩擦角Φ和內(nèi)聚力C幾乎等于零，已經(jīng)不符合彈塑性力學(xué)的假設(shè)[3]。通過模擬可得巷道在無支護(hù)條件下頂板圍巖最大為62.15mm，底板的最大位移為16.23mm，頂?shù)装遄畲笪灰屏康暮蜑?8.38mm；左右兩幫的位移基本對(duì)稱達(dá)到57.3mm，總的位移量為114.6mm。

在模擬過程中由于節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面的存在，在模擬中沒有考慮這些因素的影響。實(shí)際情況圍巖的位移量會(huì)更大些。

3 結(jié)論

巷道在無支護(hù)條件下頂板圍巖變形位移最大為62.15mm，底板的最大變形位移為16.23mm，頂?shù)装遄畲笞冃挝灰屏康暮蜑?8.38mm；左右兩幫的位移基本對(duì)稱達(dá)到57.3mm，總的位移量為114.6mm。通過對(duì)我們支護(hù)有一定的工程指導(dǎo)意義，進(jìn)一步可以確定支護(hù)強(qiáng)度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]賈喜榮.巖石力學(xué)[M].重慶徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011.

[2]肖猛，丁德馨，莫勇剛.軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2007（01）.

[3]靖洪文，李元海.深埋巷道破裂圍巖位移分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（05）.

[責(zé)任編輯：王偉平]