論巷道支護數值模擬研究及應用

　　0　前言
　　
　　三維快速拉格朗日分析采用了顯示有限差分格式來(lái)求解場(chǎng)的控制微分方程，并應用了混合單元離散模型，可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過(guò)程等領(lǐng)域有其獨到的優(yōu)點(diǎn)。三維快速拉格朗日分析程序FLAC3D具有強大的后處理功能。很適用采礦設計中評估斷層的影響、地質(zhì)體的錨固分析等數值模擬。
　　
　　1　FLAC3D的計算原理
　　
　　快速拉格朗日分析程序有很強的分析功能，其基本思想是：通過(guò)對三維介質(zhì)的離散，使所有外力與內力集中于三維網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上，進(jìn)而將連續介質(zhì)運動(dòng)定律轉化為離散節點(diǎn)上的牛頓定律；時(shí)間與空間的導數采用沿有限空間與時(shí)間間隔線(xiàn)性變化的有限差分來(lái)近似；將靜力問(wèn)題當作動(dòng)力問(wèn)題來(lái)求解，運動(dòng)方程中慣性項用來(lái)作為達到所求靜力平衡的一種手段。
　　
　　2　南一采區回風(fēng)巷計算條件
　　
　　五溝煤礦南一采區回風(fēng)巷埋深-375m，兩幫為煤，底板為砂巖，并伴有泥巖，巖性f=4-6；斷面形式為梯形，高3.7m，上底3.8m，下底4m；支護方式采用錨網(wǎng)梁支護，錨桿18×2200，間距800×800，噴厚90ram。
　　數值模擬采用FLAC-3D計算程序完成。參考相關(guān)經(jīng)驗將圍巖定為不穩定圍巖。
　　
　　3　南一回風(fēng)巷的三維彈塑性分析
　　
　　為了進(jìn)行對比，計算中錨桿間距分別取800×800mm和900×900mm。
　　
　　3.1　計算模型及初始狀態(tài)
　　巷道支護計算網(wǎng)格圖中網(wǎng)格剖分采用FLAC-3D完成，采用單元形態(tài)為六面體單元。
　　然后分別繪制錨桿間距為800×800mm和錨桿間距為900×900mm的錨桿襯砌支護及錨桿的錨固形式計算圖，錨桿錨固形式為端部錨固。垂直巷遂軸線(xiàn)方向初始水平應力分布等色線(xiàn)圖，巷道軸線(xiàn)方向初始水平應力分布等色線(xiàn)圖和巷道初始豎向應力分布等色線(xiàn)圖。

　　3.2　巷道支護數值模擬
　　數值模擬沒(méi)有考慮施工工序，認為巷道是整體開(kāi)挖和及時(shí)支護的。分別繪制出以下錨桿間距為800×800mm和錨桿間距為900×900mm的計算結果圖；開(kāi)挖及支護后巷道位移矢量分布圖；開(kāi)挖及支護后巷道位移等值圖；開(kāi)挖及支護后垂直巷道軸線(xiàn)方向水平應力分布圖；開(kāi)挖及支護后巷道軸線(xiàn)方向水平應力分布圖；開(kāi)挖及支護后巷道豎向應力分布圖；開(kāi)挖及支護后巷道中形成的塑性屈服區域，支護位移矢量分布圖；錨桿軸向所受的拉力和壓力分布圖；錨桿軸向所受的應力分布圖。
　　計算結果圖顯示，對不穩定圍巖而言，巷道支護后仍有較大的收斂位移。
　　從巷道位移矢量分布圖中可以看出巷道底板的位移較小，頂板的位移居中，而兩幫的位移最大，當錨桿的間距為800×800mm時(shí)，巷道的位移最大值為245mm；當錨桿的間距為900×900時(shí)，巷道的位移最大值為267mm，位移量增加了9.0％。
　　從巷道位移等值線(xiàn)圖中可以看出，錨桿間距800×800mm時(shí)，兩幫最大位移值為245mm，頂板的位移最大值為225mm，錨桿間距900×900mm時(shí)，兩幫最大值位移值為267mm，頂板的位移最大值為225mm，表明錨桿間距對頂板位移量影響不明顯。
　　從巷道圍巖應力分布云圖中可以看出，當錨桿間距800X800mm時(shí)，巷道頂部在豎直方向出現拉應力區，最大值為1.50e5 N/m。當錨桿間距900×900mm時(shí)，巷道兩幫在垂直于巷道軸線(xiàn)方向出現拉應力區，最大值為1.39e54N/m。在巷道頂底部在豎直方向出現拉應力區，最大值為2.07e5N/m。錨桿間距增加后導致兩幫出現拉應力狀態(tài)，導致兩幫張拉破壞加劇。
　
　　從開(kāi)挖及支護后巷道中形成的塑性屈服區域，支護位移矢量分布示意圖中表明巷道兩幫及頂底板均出現塑性破壞，頂底板出現塑性屈服后，趨于穩定而兩幫則處于不穩定狀態(tài)，并且在兩幫出現了拉壞區。當錨桿間距從800mm增加到900mm時(shí)，頂底板圍巖塑性區有減小的趨勢，而兩幫破壞加劇，同時(shí)張拉破壞也加劇。
　　錨桿軸向所受的拉力和壓力分布圖表明支護結構最大位移出現在兩幫。當錨桿間距為800×800mm時(shí)，最大位移值為280mm。當錨桿間距為900×900mm時(shí)，最大位移值為302mm。兩幫支護結構(襯砌)的位移最大值大于圍巖兩幫位移最大值(g00×900mm時(shí)為302mm，800×800mm時(shí)為280mm)。說(shuō)明了襯砌局部出現脫離圍巖情況。
　　從錨桿軸向所受的應力分布圖中可看出錨桿均處于張拉狀態(tài)，最大拉力為59KN。兩幫錨桿處于屈服狀態(tài)，最大應力達到232MP。
　　
　　4　現場(chǎng)實(shí)測與數值模擬比較
　　
　　南一采區回風(fēng)巷巷道數值模擬和現場(chǎng)實(shí)測比較
　　
　　5　結語(yǔ)
　　
　　五溝煤礦利用數值分析后，確定了合理的支護參數，至今，南一采區回風(fēng)巷未有一次大修，節約了巷道修復成本，取得了良好的經(jīng)濟效益且安全得到了保障。

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