应用FLAC软件对煤柱稳定性影响因素.doc

应用FLAC软件对煤柱稳定性影响因素的模拟 摘 要：应用二维程序FLAC3.3模拟了不同煤柱宽度下巷道的位移场与应力场，以及破坏范围，得出了煤柱尺寸与巷道变形的关系曲线。采用三维程序FLAC3D建立了大型数值计算模型，分析了煤柱宽高比对煤柱稳定性的影响及在采动系数为2时，不同煤柱宽度对煤柱稳定性的影响。 关键词：FLAC3.3 FLAC3D 煤柱尺寸 煤柱稳定性1 概述 FLAC是国外近十几年兴起并发展起来的一种用于工程力学计算的显式有限差分程序。该程序可模拟土、岩石等材料的力学行为，适应于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续介质求解问题。在求解过程中，FLAC采用动力松弛法，不需要形成刚度矩阵，避免了直接求解大型联立方程组，便于在微机上求解较大规模的工程问题，与有限元法相比，FLAC在处理几何非线性和大变形问题上具有明显优势。FLAC程序中采用多种类型的力学本构模型，如摩尔一库仑弹塑性模型、应变硬化/ 软化模型、节理模型等，来模拟非线性、大变形及不可逆等地质材料的变形特征。FLAC还采用四种结构单元，包括梁、锚杆、桩及支柱单元，可以模拟支护结构。 FLAC程序采用的Lagrangian法是一种分析连 续体非线性大 变形问题的 数值方法。这种方法遵循连续介质的假设，利用差分格式，按时步积分求解，采用拖带坐标系，随着结构形状的变化不断更新坐标，允许连续介质有大的变形。 FLAC的求解过程是: 首先离散结构为若干单元(Zone)和若干网格点(Gr idpoint)相互连接的连续网格体系。在此体系中，对单元与网格点应满足下列平衡方程: 9R i j / 9 x i + Q g i = Q u ( 1 - 1 )为获得公式( 1- 1)的真实解，在尽可能少的虚拟时间里，划分多个时步，按照图1 步骤对网格中单元与网格点循环往复计算，直至不平衡力消失，各点的位移与应力分别趋向常数。 图1 FLAC计算过程2 模拟实验条件 为全面、系统了解不同尺寸煤柱的强度、变形和应力分布等影响煤柱稳定性的因素，采用FLAC3.3(二维)、FLAC3D(三维)进行了模拟，以便合理优化设计煤柱尺寸。本模拟实验选取具有代表性的山西潞安矿区常村矿S2-3工作面为具体实验对象，该工作面的技术条件如下：S2-3轨道顺槽沿3#煤层底板掘进，巷道埋深为345365m。3#煤层平均厚度6105m，抗压强度为1313MPa。煤层直接顶为黑灰色泥岩，厚度414m，抗压强度为5113MPa；老顶为细砂岩和中砂岩，厚度415m。3#煤层直接底板为中细砂岩，厚度平均为3.03m。 原岩应力测量结果表明：最大水平主应力为14101MPa，方向为北偏西3517b；最小水平主应力为6196MPa；垂直主应力为9100MPa。巷道一侧为S2-2工作面采空区，煤柱宽度为5m。 巷道断面为矩形，宽4m，高312m，掘进断面积为1218m2。巷道支护形式为锚、网、梁锚索联合支护。顶板锚杆为直径22mm、长2400mm的左旋无纵筋螺纹钢，树脂锚固剂加长锚固，间排距700800(mm)，每排6根锚杆；锚索直径15124mm，长8300mm，树脂锚固剂加长锚固。每排一根锚索，在距小煤柱侧113m处垂直顶板，排距116m。巷帮锚杆为直径22mm长2000mm的左旋无纵筋螺纹钢，树脂锚固剂加长锚固，靠工作面侧，锚杆间距800mm，每排4根锚杆；小煤柱侧锚杆间距为600mm，每排5根锚杆，锚杆排距为800mm。采用钢筋托梁与金属网护帮护顶。3 FLAC3.3二维数值模拟3.1 模拟方案设计 模拟该工作面巷道的顶板下沉量和两帮移近量分别在不受采动影响，煤柱宽度为30m，煤柱宽度为15m，煤柱宽度为10m，煤柱宽度为5m及煤柱宽度为3m时的变化情况。3.2 模拟结果分析 煤柱宽度与巷道围岩变形的关系模拟结果如下表1所列，绘制折线图如图2所示。煤柱宽度（m）顶板下沉量（mm）两帮移近量（mm）30284536153416771034974253057783277753表1 煤柱宽度与巷道围岩变形的关系图2 煤柱宽度与巷道围岩变形的关系 由表和图2分析可得，当煤柱宽度为30m时，巷道受到明显的采动影响，导致顶板下沉量比不受采动影响增加67mm，两帮移近量增加129mm。随着煤柱尺寸减小，巷道变形逐渐增加。当煤柱宽度为15m时，顶板下沉又增加了57mm，两帮移近量增加了141mm。当回采工作面距巷道10m时，与煤柱宽度15m时相比，顶板下沉量增加了8mm，变化不大；两帮移近量增加64mm，其中煤柱侧帮位移增加52mm，而且煤柱的剪切破坏深度达6m。当煤柱宽度只有5m时，巷道顶板下沉量比煤柱宽度10m时反而降低44mm，两帮移近量增加了36mm，变化不大，煤柱全部发生剪切破坏。当煤柱宽度3m时，巷道顶板下沉量比煤柱宽度5m时降低28mm，两帮移近量也降低25mm，煤柱全部发生剪切破坏。表明巷道处于应力降低区，有利于巷道维护。4 FLAC3D三维数值模拟4.1 模拟方案设计 研究煤柱宽高比对煤柱稳定性影响。在静水压力条件下，取煤柱高312m，巷宽4m，建立8个模型，各模型的煤柱宽度分别为高度的2、3、4、5、6、7、8、9倍。研究采动对煤柱稳定性的影响。在采动影响系数2情况下，取煤柱高度为35m，煤柱宽度分别为15m、20m、25m时，分析煤柱变形、破坏及稳定性状况。4.2 模拟结果分析 (1)宽高比对煤柱稳定性的影响模拟结果如图3所示。数值模拟结果表明，煤柱强度随宽高比的变化趋势总体上是宽高比越大，煤柱极限强度越大。在煤柱宽高比由3到5时，煤柱强度增长较快，宽高比大于6时增长缓慢，当宽高比大于8时，煤柱强度基本不变。图3 煤柱强度与宽高比关系 (2)采动对煤柱稳定性的影响在采动影响系数为2.0时:当煤柱尺寸为1535(m)时，短轴一侧塑性区宽度为2159m、长轴一侧塑性区宽度为1173m。核区率为=62%65%，在采动影响下煤柱不能保持稳定。当煤柱尺寸为2035(m)时，短轴一侧塑性区宽度为2168m、长轴一侧塑性区宽度为2m。核区率为=64%65%，在采动影响下煤柱能保持稳定。所以，在考虑采动影响系数为2的情况下煤柱设计尺寸为2535(m)比较适宜。煤柱尺寸为2535(m)，采动影响系数为210时，煤柱位移等值线如图4所示。图4 煤柱位移等值线图 由图4可得，煤柱长轴一侧位移较大，短轴一侧位移较小；煤柱最大水平位移出现在煤柱中部；最大位移出现在煤柱与顶底板接触处附近的顶板上，且位移矢量方向与Z轴正方向约成1030b左右的角度。所以，在顶板靠煤柱一侧安装锚杆时应与Z轴正方向成一定的角度。随着采动影响系数的增大，煤柱变形明显增加。 煤柱尺寸为2535(m)，采动影响系数为210时，煤柱内部垂直应力分布如图5所示。图5 巷道掘进后煤柱内部垂直应力分布 由图5可得，在采动影响下煤柱垂直应力提高，煤柱边缘煤体逐渐破坏，形成应力降低区，垂直应力升高区向煤柱内部转移，煤柱中央垂直应力与原岩应力相近。5 总 结 由以上模拟试验结果可知，有限差分数值计算软件FLAC，功能非常强大，模拟切合实际。它可以模拟岩层的非线性和大变形，同时有界面单元模拟岩层层理，锚杆、梁、柱单元模拟支护体，是一种性能优越的数值计算软件。我们通过FLAC的数值模拟，可比较全面地了解到煤柱尺寸对巷道围岩变形和破坏的影响，及不同的煤柱宽高对煤柱稳定性的影响，为矿井的井下安全施工，安全生产和经济效益提高提供了可靠的理论指导。参考文献1杨昌斌、张胜云、徐江波.FLAC3D在隧道初期支护与原岩条件的耦合问题的应用J.煤田地质与勘探，2004(5).2何满潮.软岩巷道工程