FLAC在井下开挖工程中的应用与分析 采矿工程专业毕业论文 毕业设计.doc

中国矿业大学毕业设计FLAC在井下开挖工程中的应用与分析摘要：论文在对FLAC数值模拟软件功能、使用关键点及其优劣性等方面进行归纳、总结与分析的基础上，使用FLAC软件进行了回采巷道锚网支护参数优化以及大断面交岔点开拓巷道围岩应力与塑性区分布状况等两个井下工程实例的数值模拟应用与分析。结果表明：数值模拟为实际工程提供了科学的理论依据，较好地指导了工程实践；数值模拟是一种科学有效的工程分析软件，特别是在多方案、多参数优化与比较中有突出的优势，在岩土工程中有广阔的应用前景。关键词：FLAC模拟，开挖工程，应用与分析数值模拟技术就是应用计算机软件进行数值分析的一种方法。它借助计算机、数学、力学等学科的知识，为工程分析、设计和科学研究服务。经典的数值分析方法主要有拉格朗日法和欧拉法。拉格朗日法着眼于运动质点，先追踪个别运动质点，研究其受力、位移、速度、加速度等随时间的变化然后将运动场中所有的质点运动情况综合起来就得到运动场的运动。欧拉法着眼于运动场中的空间点，研究质点结果这些空间点时，力学和运动参数随时间的变化，并用同一时刻所有点上的运动情况来描述运动场的运动。目前国内矿业领域常用的数值模拟软件主要有FLAC、FLAC3D、UDEC、3DEC和RFPA等。其中最为常用的是由美国明尼苏达大学和美国Itasca Consulting Group，Inc开发的商业软件FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua，即连续介质快速拉格朗日分析）。它是一种基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序。国内于20世纪90年代初才引进该软件，主要应用于工程地质和岩土力学分析，如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等。在地下开挖工程中主要用来模拟不同加载条件下的地应力场生成、边坡或地下硐室开挖、混凝土衬砌、锚杆或锚索设置、地下渗流等工程问题。本论文以FLAC软件为手段进行工程实例应用与分析。1 数值模拟软件FLAC简介1.1 FLAC软件算法FLAC软件是由有限差分法推导出来的，其基本算法是拉格朗日差分法，这是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，并利用差分格式按时步积分求解。对于某一个结点而言，在每一时刻它受到来自其周围区域的合力的影响。如果合力不等于零，结点就会失稳而产生运动，从而可以在一个时步中求得速度和位移的增量。对于每一个区域而言，可根据其周围结点的运动速度求得它的应变率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量。由应力增量求出t和t+t时刻各个结点的不平衡力和各个结点在t+t时的加速度。积分加速度，即可求出结点新的位移值，从而计算出各结点新的坐标值。同时，由于物质的变形，网格单元发生局部的平均整旋或整旋，只要计算出相应的应力改正值，通过应力叠加即可得到新的应力值。以此作为一个计算循环，按时步依次下一循环计算，直至问题收敛。FLAC程序采用最大不平衡力来刻划FLAC计算的收敛过程。如果单元的最大不平衡力随着时步增加而逐渐趋于极小值，则计算是稳定的；否则，计算就是不稳定的。FLAC软件是以命令驱动的程序，命令驱动程序使得FLAC在工程分析方面更加通用。其最大的优点在于在分析或运行过程中，可以随时查看运行过程中某个状态的矢量分布，或查看某个矢量的演变历程，同时亦可将该状态下的计算结果保存成SAV文件供后期处理。FLAC程序运行时，它输入的是命令，其输入方法为：键盘交互式输入和数据文件输入。在FLAC中有40多个主命令和近400个命令变量，但是常用的主命令和命令变量仅几十个。可以使用或产生的文件类型包括：初始化文件(flacini)、数据文件(*dat)、保存文件(*sav)、日志文件(flac1og)、历史文件(flachis)和动画文件(flacmov)。1.2 FLAC软件优缺点与其它常见的有限元的数值模拟方法相比，FLAC优缺点如下。FLAC优点：1) “混合离散化”方案 (Marti 和 Cundall 1982) 用来建立塑性破坏荷载和塑料流动的精确模型。这种方法比通常用的有限元进行的简化积分的方法更合适。2) 使用完整的动力学方程，即使模拟的系统实质上是静态的。这使FLAC可以模拟物理上不稳定的运行过程而不考虑数值的约束。3) 使用“显式”的解决方案（相比于常用的隐式的方法）。在大多数情况下，显式求解方案遵守应力/ 应变法则中的任意的非(直)线性(特性)的法则和线性法则使用的计算机时间几乎相同，而隐式的求解方案求解非线性问题时明显的要使用比较长的时间。此外，没有必要储存任何矩阵，这意味着：（a）大量的元素可以使用较小的内存来建立模型；而且（b）因为没有刚度矩阵式的不断更新，所以一个大应变模型并不比小应变模型的计算更耗时。4) FLAC内置有多个力学模型，从而可以进行众多类型材料变形的力学模拟。如摩尔一库仑模型、应变硬化软化模型(代表非线性，不可逆剪切破裂与压塑)、界面模拟(界面为平面，允许沿界面滑动或分开，用来模拟断层、节理和摩擦边界)、热力模型(模拟材料中的瞬态热流、热应力的发生以及进行热与力的耦合计算等)等，用以模拟非线性、不可拟等地质材料的变形特征。同时用户还可以使用FLAC自带的FISH编程语言来创建自己定制的模型。5) FLAC软件采用了宏语言FLACish(简称为FISH)，因此用户可以自定义变量、函数及本构模型，并可以直接在FLAC软件中试验其模型，也可以设计新的程序。从而增强了FLAC软件的灵活性，用户可以对FLAC软件进行有效扩展，建立一些特殊计算模型，以便解决一些复杂的实际问题。FLAC缺点：1) 虽然，FLAC软件自带有内嵌程序语言(FISH)，但其采用的是键人数据命令行的方式，同时，其独特的编程方式，但对于大多数工程人员来说，要掌握它是非常困难的。2) 线性模型运算时，FLAC 比相当的有限元方法模拟线性模型的速度较慢。3) FLAC的运行时间与在建模系统中的最短固有周期最长固有周期的比成比例，这使得对于某些问题的模拟效率很低。1.3 FLAC可解决的典型问题1) 材料的加载能力和形变特征如边坡稳定性和地基基础设计；2) 破坏和坍塌作用的发育与演化如矿井和隧道设计；3) 粘性材料的时间蠕变行为如盐类矿山的设计；4) 对构件(地质)材料的行为约束如隧道内岩层内衬、岩石螺钉；5) 饱和与不饱和流体流动、排水与不排水加载条件下孔隙压力的聚集与消散如岩土保持结构和土质滑坡体的固化和地下水渗流、储藏工程；6) 材料力学与内部流体渗流耦合如储藏衰竭；7) 倾向滑动地质体的动力加载性约束如地震工程和矿山岩石爆破；8) 建筑物的地震激发如大坝和地基的液诱发破坏；9) 材料的热软化形变与失稳如地下高辐射核废料的储藏。1.4 FLAC基本术语FLAC模型用户创建的用来模拟其数学一物理问题的应用模型；有限差分带（区带)是形变评估的最小几何范围；网格点网格点和有限差分区带的顶角有关，四个网格点定义一个有限差分区带；有限差分网格一个或多个有限差分区带的物理区域集合；模型边界数学-物理模型边界即有限差分网格的外部约束；边界条件指沿着模型边界规定的控制性约束条件；初始条件指负荷改变或破坏之前模型变量的起始状态；空区带有限差分网格中空的、无效的有限差分区带；分界面指能够被分隔的次网格之间的连接面，一个分界面可代表一个物理过程的不连续，如断层面；步一个步即一个计算步骤，对于静态解决方案，需要执行确定的步数才能达到平衡。当使用动力学分析参数时，STEP指的是动力学问题中实际的步数。1.5 FLAC工作流程图1-1 FLAC求解流程图FLAC显式静态分析求解流程见图1-1。FLAC工作的具体流程如下：1) 建立FLAC应变模型。包括产生网格，根据要求的形状变形，指定边界条件和初始条件，定义本构模型和材料特性等；2) 确定模型平衡状态。在给定的边界条件和初始条件作用下，模型应处于初始平衡状态，通过对最大不平衡力，节点速度以及位移的监测，用户需要确定模型在何种情况下达到平衡状态；3) 检查模型的反应。FLAC模型的反应是通过其显式动态代码进行监控的。当模型动能降到可以忽略值或允许范围之内时，可以认为模型处于力的平移状态或稳流状态。否则，就要返回步骤1)，对模型进行重新设置；4) 执行改造、改变设置条件。在求解过程中，FLAC允许改变模型的条件，包括对任何节点的载荷或应力的增加和删减，也允许节点的约束和解除约束，以及对任何材料特性的改变，从而实现对模型进行改善；5) 求解FLAC模型。FLAC是采用显式时间逼近法来求解代数方程组，求解过程的时步是由FLAC代码进行自动控制，因此，用户只需在认为结果到达满足时，即可结束求解过程；6) 实施附加改变。就是对模型做进一步的改善，确定是否需要对一些参数进行研究，若需要，则可返回到步骤1)或4)重新设置进行，否则，即可得到结果；7) 获得结果，并对结果进行解释。最好将结果直接以图形的形式展示，并且这个图形产物的格式能够同现场测量和观察直接进行对比，同时模型中的任何变量的参数值都能够很容易地通过模拟器获得更多的详细解释。2 工程实例应用2.1 里能集团新河煤矿FLAC在井下开挖工程中的应用之一就是模拟井下巷道的围岩变形情况，通过模拟不同的巷道支护条件，来选择与现场相适应的支护形式和支护参数。里能集团新河煤矿即是此方面的应用。下面以新河煤矿某回采巷道围岩地质条件为背景进行数值模拟计算，对锚网支护参数进行优化与分析，并说明建模及计算过程，分析FLAC在该领域的应用情况。2.1.1 基本参数所研究的回采巷道位于-400m水平。井口标高38.8m，埋深平均约440m。3#煤层倾角一般20，煤厚4.1510.00m，平均7.31m，全区可采，可采系数100，厚度变异系数28，属较稳定煤层。3#煤结构简单，无夹矸。直接顶为厚约2.42m的泥岩，再上为厚约34.0m的中砂岩，硬度较大。3#煤的f值在2.5左右，底板为粉砂岩，均厚1.60m。顶底板f值为45左右。煤质属半亮半暗型煤，黑色性脆。3#煤顶底板岩石力学性质见表2-1，煤层综合柱状图如图2-1所示。煤巷原支护断面示意图如图2-2所示。表2-1 3#煤层围岩力学性能序号层位岩性名称单轴抗压强度(MPa)最小最大平均值1顶板中砂岩46.3449.8648.10泥岩13.135.225.1523煤煤层6.6333.9824.743底板粉砂岩25.9037.9032.90细砂岩32.9851.3744.17粉砂岩31.9043.9040.90图2-1 煤岩层综合柱状图图2-2 煤巷原支护断面示意图2.1.2 模型建立图2-3是巷道置于实体煤时的模型。模型宽40.1m，高76.3m。图2-3 煤巷布置在实体煤中的模型2.1.3 计算结果分析（1）当锚杆长1800mm时，分析不同锚杆直径条件下的支护效果。当锚杆直径为18mm时，计算结果见图2-4至图2-5。图2-4 结构轴向受力情况 图2-5 巷道围岩位移情况从图2-4中可知，锚杆中受力最小值为8.92t，最大为9.20t，平均受力为9.06t，此情形下，锚杆已经屈服；从位移矢量图中可知，巷道煤岩体顶底位移较明显，右帮底部最明显。在围岩体的变形与移动过程中，支护结构体也发生位移。模拟结果表明，此情形下锚杆受力已超过锚杆本身的极限承载能力，大部分锚杆已处于破坏状态，说明该直径锚杆及其长度不能满足要求。当锚杆直径为20mm时，计算结果见图2-6至图2-7。图2-6 结构轴向受力情况 图2-7巷道煤岩位移矢量锚杆受力最小值为11.093t，最大达到了11.36t，锚杆平均受力为11.172t，受力在锚杆的允许承载值以内；与锚杆直径18mm相比，从位移量图可看出，位移有所减小，但不显著；从锚杆受力、巷道位移矢量等方面看，巷道支护状态有所好转。此情况锚杆受力在其极限承载能力以内，该直径锚杆可基本满足要求，但控制围岩效果依然不佳，锚杆长度不够合理。当锚杆直径为22mm时，计算结果见图2-8至图2-9。图2-8 结构轴向受力情况 图2-9 巷道煤岩位移矢量锚杆受力最小值为13.54t，最大为14.08t，锚杆受力在允许承载值以内；总体支护效果比锚杆直径20mm有好转。可见，在锚杆长度为1800mm的前提下，三种锚杆直径支护下的围岩变形随直径增大有减小，但不明显；特别是在锚杆直径为18mm时，锚杆强度已经不能满足要求。（2）当锚杆长2000mm时，分析不同锚杆直径条件下的支护效果。当锚杆直径为18mm时，计算结果见图2-10至图2-11。图2-10 结构轴向受力情况 图2-11 巷道煤岩位移矢量从图2-10中可知，锚杆受力最小值为8.87t，最大达到9.20t，锚杆受力平均为9.02t。此种情况下，部分锚杆已经屈服；从围岩位移矢量图可知，围岩位移趋于稳定。但模拟结果显示，此情形锚杆中受力已超过锚杆本身的极限承载能力，大部分锚杆杆体受力已经处于破坏状态，说明该直径锚杆不能满足要求。当锚杆直径为20mm时，计算结果见图2-12至图2-13。图2-12 结构轴向受力情况 图2-13 巷道煤岩位移矢量从图3-6(a)至图3-6(f)中可知，锚杆受力最小值为10.93t，最大为11.39t，平均受力为11.16t，在锚杆允许承载内；与锚杆直径18mm相比， X方向与Y方向位移量有减小。此情形锚杆受力在极限承载能力以内，该直径下锚杆可基本满足受力要求。当锚杆直径为22mm时，计算结果见图2-14至图2-15。图2-14 结构轴向受力情况 图2-15 巷道煤岩位移矢量从图2-14中可知，锚杆中受力最小值为13.56t，最大为14.09t，其值在允许承载内；选取20mm的锚杆支护效果比锚杆直径为20mm时好。可见，在锚杆长度为2000mm时，三种锚杆直径支护下的围岩变形比杆长为1800mm时支护效果有明显改善，但锚杆直径为18mm时，其强度仍不能满足要求。（3）当锚杆长2200mm时，分析不同锚杆直径条件下的支护效果。当锚杆直径为18mm时，计算结果见图2-16至图2-17。图2-16 结构轴向受力情况 图2-17 巷道煤岩位移矢量从图2-16中可知，锚杆受力最小值为8.837t，最大为9.20t，平均为9.054t。此种情况，锚杆已经屈服；从煤岩位移矢量图可看出，巷道煤岩体顶底位移明显，右帮底部最明显。模拟结果表明，此情形锚杆受力已超过锚杆本身极限承载能力，锚杆已处于破坏状态。因此，该直径锚杆不能满足要求。当锚杆直径为20mm时，计算结果见图2-18至图2-19。图2-18 结构轴向受力情况 图2-19 巷道煤岩位移矢量从图2-18中可知，锚杆受力最小为11.01t，最大达到11.38t，平均受力11.22t，受力在锚杆允许值内；与锚杆直径18mm相比，位移量有减小。此情况锚杆受力在其极限承载能力以内，说明该直径下锚杆可满足要求。当锚杆直径为22mm时，计算结果见图2-20至图2-21。图2-20 结构轴向受力情况 图2-21 巷道煤岩位移矢量从图3-10(a)至图3-10(f)中可知，锚杆受力最小值为13.65t，最大为14.10t，受力在允许承载值以内；护效果比锚杆直径为20mm时好。可见，在锚杆长度为2200mm时，三种锚杆直径支护下围岩变形都有明显改善，但在锚杆直径为18mm时，其强度仍不能满足要求。2.1.4 小结通过对新河矿煤巷锚网支护的数值计算与模拟，得出了一些有参考意义的结论：（1）锚杆长度相同时，在一定范围内改变锚杆直径有助于控制巷道围岩变形；（2）锚杆直径18mm时不能满足巷道支护所需强度要求；（3）锚杆直径为20mm与22mm时都能满足支护强度要求；其中22mm的锚杆较20mm的锚杆控制围岩位移效果好；（4）锚杆长度增加，控制巷道围岩变形效果不明显；2.2 永煤某基建矿井底车场交叉点巷道数值模拟永煤集团某基建矿井底车场交叉点围岩应力集中现象明显，区域应力复杂。此现象引起围岩变形十分严重。为了准确弄清该区域围岩应力集中与塑性区分布状况，应用FLAC数值模拟软件进行了分析，为该矿日后对该区域进行整治提供科学理论依据。交叉点模拟受临近巷道或硐室影响，模拟有一定难度。应用FLAC对交叉点围岩中应力及巷道变形进行模拟时，主要采取截取不同断面的方法进行模拟，以获取不同位置或断面中应力与塑性区分布程度，具体模拟情况如下所述。2.2.1 基本情况与模型建立（1）围岩地质情况交岔点位于K4铝土岩中，底板为粉砂岩，灰色，泥质胶结，具不明显的水平层理。巷道上部为泥岩，极破碎，受断层破碎带影响，节理裂隙发育，下部泥岩灰色极破碎，无层理相互侵入（或为紫红斑铝质泥岩），中部铝质泥岩灰色含鲕粒。实地考察发现，巷道顶板存在淋水，水中含有强烈刺激性化学物质。从现场巷道维护情况看：一方面，交岔点尖端区域岩墙变形严重；另一方面，交岔点两侧巷道后来补打的横向锚索因受力过大而被拉断，围岩应力较大，交叉点区域掘出不到三个月，底板一些区域已经出现底鼓现象。针对以上问题，使用FLAC进行围岩应力和塑性区的模拟，可以对该交叉点的现存问题做出理论解释。（2）交岔点巷道交岔点及邻近巷道采用锚喷支护，锚索补强。在交岔点区部域还架设了U型棚支架。交岔点巷道断面与支护形式见图2-22。图2-22 交岔点断面示意图交岔点区域柱状图见图2-23。图2-23 交叉点巷道围岩柱状图（3）数值模拟与分析为弄清了交岔点围岩应力集中程度与塑性区分布范围，进行了数值模拟与计算，为交岔点治理提供了理论依据。为了考察在现支护条件下，建立了4种模型，主要考察三角区域不同地段围岩中应力与塑性区分布情况。交叉点未分叉时大断面模拟计算该断面宽8.726m，高5.783m。主要模拟了巷道周边塑性区的范围，以及垂直应力的分布。结果见图2-24和图2-25。图2-24 SYY应力分布图图2-25 围岩塑性区分布图由图2-24可以看出，围岩应力最大处达到20.7MPa，塑性区范围在3到5米左右。此处围岩已经破坏。底板塑性区范围最大，破坏最为严重。分叉巷道距离1m时模拟计算左侧巷道断面宽3.5m，高3.55m。右侧巷道断面宽5.5m，高4.35m。计算结果见图2-26和图2-27。图2-26 SYY应力分布图图2-27 围岩塑性区分布图由图2-26和图2-27可以看出，围岩应力最大处达到35.1MPa，塑性区范围在7到12米左右。此处围岩已经破坏。底板塑性区范围最大，巷道顶板在计算过程中已经破坏。分叉巷道距离5m时模拟计算计算结果见图2-28和图2-29。 图2-28 SYY应力分布图图2-29 围岩塑性区分布图由图2-28和图2-29可以看出，围岩应力最大减小到21.6M