深井回采巷道围岩力学特征的FLAC模拟.doc

深井回采巷道围岩破坏机理影响因素浅析及FLAC3D模拟张亮 (安徽理工大学 能源与安全学院 安徽 淮南 232001)摘要：对影响巷道围岩稳定性因素进行了分析，简要介绍了FLAC3D软件，并运用FLAC3D软件模拟具体的巷道围岩，揭示了深井回采巷道围岩应力变化特征。关键词：巷道围岩；FLAC3D软件；应力变化特征作者简介：张亮（1989-）,男，汉族，安徽庐江人，安徽理工大学能源与安全学院采矿工程在读研究生，研究方向为巷道支护技术，TelE-mail:Elementary analysis on influence factors about failure mechanism of surrounding rock in deep roadway and FLAC3D-based simulationZhangLiang(The anhui university of science and technology ，School of Energy and Safety engineering，anhui，huainan，232001)Abstract:The factors influencing the stability of surrounding rock of roadway has been analysised, Software of FLAC3D has been briefly introduced,and it has been used to simulate the specified roadway surrounding rock,the stress variation characteristics of surrounding rock in roadway has been revealed. Keywords: surrounding rock of roadway;software of FLAC3D;stress variation characteristics 前言在我国，井工开采是煤矿开采的主要形式，需要在井下开掘大量的巷道，因此如何保持煤矿巷道畅通与围岩稳定对煤矿安全生产建设具有重要现实意义1。要想对巷道围岩进行合理控制，首先就必须了解影响巷道围岩破坏机理因素及巷道围岩破坏规律。淮南矿业集团谢一矿5121(s)B9b煤层走向长502m，倾斜长为180m，面积为90360 m2，煤层总厚为1.52.0 m，平均值为1.8m；煤层结构为单一型； 煤层倾角22。煤层老顶为浅灰色厚层状中砂岩与灰色砂质泥岩互层，厚度约2.9m；直接顶为灰色砂质泥岩,致密,均一,砂泥质结构,见海豆芽，总厚度约1.5m；直接底为灰白浅灰细砂岩，含少量黑色矿物及微量云母片，厚度约2.3m，老底为灰色及暗灰色砂质泥岩,细腻,均一,含少量植化条带,含黄铁矿结核，厚度约1.1m。1 影响巷道围岩稳定性因素分析2影响巷道围岩稳定性因素很多，大体可以从四个方面进行分析。1.1 围岩自身的结构特点围岩岩体是经过长期地质作用形成的一种天然材料，岩体中存在大小、方向不同的构断面，且组成岩体岩性不同，导致工程岩体的变形机理不尽相同，是影响巷道围岩稳定性的内在因素。1.2 巷道围岩应力围岩岩体内所受的应力和煤层赋存环境是影响巷道围岩稳定的重要因素。煤层的赋存环境和工程活动决定了围岩的应力环境。环境因素包括原岩应力，巷道埋深，采掘应力等等。1.3 支护形式采用不同的支护方式势必会取得不同的支护效果，从而对巷道围岩稳定产生不同的影响。所以根据矿井自身条件设计出科学合理的支护方式是非常重要的。1.4 支护时间、巷道掘进和工作面回采速率巷道开挖后围岩应力重新分布，如果不掌握正确时机及时支护，可能会导致巷道围岩变形不断加剧，影响工程进展并存在安全隐患。巷道掘进和工作面回采推进速率对围岩变形和支护体受力状态有直接影响。 2 FLAC3D软件介绍FLAC3D软件全称Fast Lagrangian Analysis of continua in 3 Dimensions（三维快速拉格朗日差分分析），是由美国ITASCA国际咨询与软件开发公司开发的，面向土木工程、交通、水利、石油及采矿工程、环境工程等的通用软件系统。FLAC3D软件的求解方法主要有三种，即离散模型法，有限差分法和动态松弛法。较其他数值模拟软件，FLAC3D软件具有以下几方面的优点：（1） 求解过程采用迭代法进行，比有限元方法节省内存；（2） 采用显示差分求解比一般差分分析方法求解节约时间；（3） 对于材料的塑性破坏问题和塑性流动问题，采用“混合离散化”技术比有限元的数值积分更加精确高效；（4） 采用动力学方程可以很好的分析和计算物理非稳定过程；（5） 具有强大的后处理功能。3 数值计算模型和方案根据地质条件，建立长420m,高240m，沿巷道掘进方向长400m的长方体模型进行三维计算模拟，如图2.1所示。并对所研究巷道部分围岩网格进行加密，如图2.2所示。图2.1 三维模型示意图图2.2 巷道围岩部分模型图模型共有112094个单元。巷道断面的形状为梯形，宽5000mm，中高2800mm。4 巷道围岩力学特征分析4.1 巷道开挖前后围岩垂直应力变化特征图3.2为掘进面前方5m，掘进面处，掘进面后方5m的垂直应力场图。由图中可以很轻易看出，巷道前方掘进面处靠近巷道上帮底部位置应力集中明显。巷道开挖后，应力分布于巷道周边，主要集中于巷道右侧中部约一米处范围内，应力峰值升高约为34.6MPa.应力峰值从巷道掘进面前方到巷道掘进面后方是一个由低到高的变化过程，且在距离巷道掘进面一定距离的后方变化趋于平缓。 4.1 (a) 巷道掘进面前方5米 4.1 (b) 巷道掘进面处 4.1 (c) 巷道掘进面后方5米 4.1 (d) 巷道掘进面syy剖面图4.2 (e) 顶板观测线垂直应力分布4.2 工作面回采期间围岩垂直应力变化特征取工作面前方50米处巷道剖面Q作为参照，然后工作面分别向前推进10米，20米，在三种情况下得到不同的垂直应力分布。由图中可以看出随着回采工作面向前推进，Q剖面垂直应力峰值逐渐增大。巷道下帮应力集中程度明显。 4.2 (a) 回采工作面距离50米处 4.2 (b) 回采工作面推进10米后Q剖 Q剖面垂直应力分布图 面垂直应力分布图4.3 (c) 回采工作面推进20米后Q剖面垂直应力分布图5 结论（1） 巷道开挖期间，应力峰值从掘进面前方到掘进面后方是一个由低到高的变化过程，但在距离掘进面后方一