鐵生溝煤礦巖巷變形破壞數值模擬分析

鐵生溝煤礦巖巷變形破壞數值模擬分析摘要鐵生溝煤礦煤層傾向近北，雖然東翼15采區(qū)的3條下山巷道布置均布置在厚度大的L7灰?guī)r中部，設計采用錨噴支護。但是，由于灰?guī)r厚度分布不均以及巷道幫部存在軟弱夾層等情況，使得在15采區(qū)已掘進的800多米的下山巷道里由淺往深，變形越來越明顯，底鼓越來越嚴重，變形最嚴重處的巷道只有約1M寬。鑒于在現(xiàn)場實際中，礦區(qū)生產人員僅僅對巷道破壞的表象進行了分析，為了進一步分析圍巖破壞及應力分布狀況，重現(xiàn)巷道的變形與破壞特征，以便做出正確有效的支護對策。結合已有的工程地質條件和支護條件，本文利用FLAC3D軟件建立數值分析模型，通過對15采區(qū)巷道未支護和原方案支護的破壞狀況進行應力分布、位移變形及塑性區(qū)進行對比分析，得出原支護方案不足的結論，并提出相應的改進措施。關鍵詞軟弱夾層，底鼓，數值模擬，對比分析引言鐵生溝煤礦所在的鞏義市位于河南省中部、中岳嵩山北麓，隸屬鄭州市，目前年產原煤量超過100萬噸。隨著南部采區(qū)煤炭資源的枯竭，采區(qū)逐漸向東北部位部署。鐵生溝煤礦煤層傾向近北，因此往北，一是煤層高程變低，另一是地面變?yōu)榍鹆晟狡?，致使該部位采區(qū)巷道埋深迅速加大。東翼15采區(qū)的3條下山巷道布置均布置在厚度大的L7灰?guī)r中部，設計采用錨噴支護。在東五平臺及東三五大巷掘進時，巷道變形監(jiān)測表明，巷道收斂變形均未超過60MM，巷道穩(wěn)定性良好。然而，在15采區(qū)軌道下山、回風下山和皮帶下山等巷道掘進，巷道變形明顯。在已掘的800M多的巷道里，由淺往深，變形越來越明顯，底鼓越來越嚴重，變形最嚴重處的巷道只有約1M寬。本文通過數值模型軟件FLAC3D，將巷道開挖支護前后進行變形、應力和塑性區(qū)方面的對比，進行定性和定量分析，以期說明巷道原支護措施不合理的結論和提出有助于巷道穩(wěn)定性的建議。一、數值分析模型本文模擬巷道位置位于15采區(qū)的埋深位置在500M的下山巷道主巖巷段，研究巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，巷道凈寬4800MM，直墻高度1800MM，凈高高度4200MM。根據地下結構的計算原理，當埋深Z等于或大于巷道半徑或其寬、高之半的20倍以上時，巷道影響范圍35倍洞徑以內的巖體自重可以忽略不計，原巖水平應力可以認為均勻分布12，結合所研究巷道的結構形式及地質條件，在本次數值模擬實驗中，數值模型在FLAC3D中的尺寸為，模型巖性分組及約束情況如圖12所MZYX501示。數值模型的網格劃分如圖11所示，考慮到若采用FLAC3D軟件中自帶的RADCYLINDER命令來建立模型的半圓拱部分可能會在形成初始應力平衡時引起局部應力集中問題，故數值模型利用ANSYS軟件建立并劃分網格。其中，考慮到計算精度，在巷道開挖過程中可能會影響較大的區(qū)域部分，網格劃分加密，整個模型共有26175個節(jié)點和20384個單元。建立模型均為六面體，模型約束為前、后、左、右和底部均采用法向約束，頂部施加邊界應力約束，由公式（為上覆巖層的平均加權容重，為上覆巖層厚度）計算HZH確定34，用以模擬上覆巖層重度。二、軟弱夾層的模擬方法軟弱夾層的模擬可以采用參數弱化法和接觸面INTERFACE命令來實現(xiàn)。參數弱化法的基本思想是通過對所需要模擬區(qū)域內的巖層進行單獨參數賦值，從而顯著區(qū)別其周圍的巖體。而INTERFACE命令法則通過對夾層分界面兩側的容重、內摩擦角、內凝聚力、體積模量、剪切模量以及夾層分界面的法向剛度和切向剛度等系列參數的設置，從而實現(xiàn)對研究區(qū)域內軟弱夾層的模擬。在計算過程中，由于軟弱夾層部分網格容易發(fā)生變形，INTERFACE命令法網格變形難以控制，并不適合夾層分界面的模擬；而參數弱化法通過對弱化單元的單獨賦值可有效抑制網格變形，從而保持夾層兩側巖體的連續(xù)性45。因而本文采用參數弱化法模擬軟弱夾層。三、數值模擬參數按照工程地質鉆孔的柱狀圖以及現(xiàn)場調研分析，將模型從上到下劃分為砂泥巖組、灰?guī)r巖組和軟層巖組。巷道幾乎全部布置在灰?guī)r巖組內，灰?guī)r巖組取值6M，但是其中有軟層巖組位于巷道幫部下方和底板下方一部分，厚度為065M，砂泥巖組分別自灰?guī)r巖組和軟層巖組結束后直接取到模型邊界處。圖11數值模型網格劃分情況圖12數值模型約束及巖層劃分巷道位于模型中部，底板中心距離上下和左右邊界均為25M，結合原巷道的設計方案，模擬的錨桿采用FLAC3D里的CABLE構件單元模擬，其相應的物理參數如表11所示；2噴砼利用改變相應分組單元的參數予以實現(xiàn)，其相應的物理參數如表12所示。分組考慮巖體結構、地下水、地質構造對巷道圍巖的影響，并結合上一章節(jié)的參數計算和經過多次數值模擬后確定巖體的物理力學參數分別見表13。表11錨桿的物理力學參數表12噴砼參數參數長度/M直徑D/MM彈性模量/GPA抗拉強度/MPA預緊力/T參數厚度/M泊松比體積模量/GPA剪切模量/GPA密度/KGM3錨砼010216671252400表13圍巖力學參數巖層名稱重度/KN/M3彈性模量/GPA抗拉強度/MPA摩擦角內聚力/MPA泊松比砂泥巖組250012043508025灰?guī)r巖組260021184012020軟層巖組2100042000530025031四、數值模擬結果分析（一）巷道變形分析巷道的表面及巷道圍巖內部變形情況是檢驗巷道支護效果以及支護是否合理的重要指標。在支護條件相同的條件下，巷道的變形情況在一定程度上能夠反映巷道圍巖的破碎狀況6。巷道圍巖在支護前后的位移變形云圖如圖13所示。從圖13（A）和（B）巷道支護前后的垂直方向位移云圖可以看出，巷道在支護前，明顯的位移變形主要集中在底板中部、底腳以及幫部下方，頂板出現(xiàn)相對較小的位移，體現(xiàn)了頂板的圍巖的剝離情況；巷道支護后，頂板的發(fā)生較大位移的區(qū)域變形明顯減小，相比來說兩幫下部和底腳的位移減小區(qū)域比較少，而且此時巷道幫部位移向底板轉移，使得支護后的底板位移增大。A未支護垂直位移云圖（B）支護后垂直位移云圖（C）未支護水平位移云圖（D）支護后水平位移云圖（E）未支護水平位移云圖（F）支護后水平位移云圖圖13巷道圍巖變形圖從圖13（C）和（D）可以看出，在支護前，巷道較大的水平位移主要集中在巷道起拱線附近、幫部下方、底腳處和底板上靠近底腳的地方；在支護后，頂部和起拱線在支護前出現(xiàn)的較大水平位移范圍減少比較明顯，兩幫中央位移也向底腳方向轉移，雖然支護后巷道底腳和底板上靠近底腳的區(qū)域的水平位移減小，但是在這些地方仍然出現(xiàn)明顯的位移變形集中現(xiàn)象。比較圖13（E）與（F）的總位移云圖的矢量圖可看出，在支護后，巷道頂板和兩幫上部的總位移的變形量和變形范圍都得到了較好的控制。但是在兩幫的下部、底腳及底板處的位移仍然很大。支護后巷道的變形依然主要表現(xiàn)為底板上垂直方向的位移，底鼓變化趨勢與垂直位移一樣，均有增大的趨勢。為了能夠將數值模擬中巷道開挖過程中位移變形與計算步數之間的關系顯示出來，因此分別對巷道頂、底板及幫部中點的變形量與時步的關系進行了記錄，然后將計算數據導出，利用繪圖軟件ORIGIN進行處理，結果如圖14所示。（A）支護前測點計算時步與位移關系（B）支護后測點計算時步與位移關系圖14測點計算時步與位移之間關系圖從圖14可以看出，在巷道支護前，底板變形量約為926MM，頂板為55MM，頂、底板總收斂量為981MM；兩幫變形量均為74MM，則兩幫收斂量為128MM。在支護后，巷道底板變形量約為958MM，頂板收斂量為39MM，則頂底收斂量為997MM；兩幫收斂量均為46MM，則兩幫收斂量為92MM。與實際監(jiān)測的位移對比，支護前后的數值模擬得到的數據與實際有一定差異，這是因為數值模擬存在一定理想假設情況，并不能完全做到與現(xiàn)場圍巖分布、巖性條件和應力等條件完全一致，而且還要考慮到巷道的實際監(jiān)測布點滯后、巷道兩幫壁后充填以及監(jiān)測時間較短巷道頂底板收斂為穩(wěn)定等情況。然而從數值模擬中的巷道頂、底板以及兩幫的收斂變形趨勢和實際情況基本一致。（二）應力分布特征分析圖15中的（A）、（B）圖為巷道圍巖支護前后最小主應力云圖。在巷道支護后，靠近硐室的頂部和兩幫的壓應力區(qū)域減少，壓應力的數值從支護前的226MPA增大至支護后231MPA；巷道的最小主應力向兩幫下部和底腳處集中；支護前后，底板出現(xiàn)的拉應力由233MPA增大至238MPA，且拉應力的區(qū)域也在底板下出現(xiàn)增大現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是（A）支護前最小主應力云圖（B）支護后最小主應力云圖（C）支護前最大主應力云圖（D）支護后最大主應力云圖圖15支護前后巷道圍巖主應力云圖頂部、幫部支護后，拉應力向未支護的底板轉移。圖15中的（C）、（D）為巷道支護前后圍巖的最大主應力云圖。從圖中可以看出，巷道的最大主應力主要分布在硐室的兩幫下部、底腳和底板下出現(xiàn)軟弱夾層的位置，在支護前后最大主應力分布區(qū)域向洞壁方向有明顯的減小現(xiàn)象，但是數值沒有發(fā)生變化。支護前后巷道底板出現(xiàn)的拉應力從032MPA減少至031MPA，拉應力的分布區(qū)域沒有明顯變化。（三）塑性區(qū)分析塑性區(qū)是因為巷道開挖后，圍巖進行二次應力重新分布形成的最終結果，是判斷巷道破壞的主要因素。因此，在數值模擬中，其面積大小以及分布的范圍可以作為判斷巷道圍巖穩(wěn)定重要依據之一。圖16中（A）和（B）分別反映了在支護前后巷道的塑性區(qū)破壞情況。（A）支護前塑性區(qū)分布（B）支護后塑性區(qū)分布圖16支護前后巷道圍巖塑性區(qū)破壞圖從圖16（A）中可以看出，巷道在沒有支護時候，主要的塑性破壞區(qū)域是巷道的底板和兩幫及起拱線附近。這是因為在兩幫下部及底板下部有軟層巖組的存在，造成這些區(qū)域圍巖的承載能力很低，明顯低于頂部灰?guī)r巖組和底板的砂泥巖組。所以在巷道開挖之后，應力的二次分布會在這些地方形成很大的塑性破壞區(qū)，在底腳和底板，巷道圍巖幾乎全部出現(xiàn)不可逆轉的塑性破壞；在起拱線附近出現(xiàn)的破壞主要是因為兩幫下部的軟層巖組的承載能力不夠，造成頂部圍巖傳下的應力不能很好的傳遞到底板，所以在起拱線附近承受很大的應力，形成較大的破壞區(qū)。從圖16（B）中可以看出，巷道在頂部和幫部打入錨桿支護及硐室噴砼后，巷道主要的塑性破壞區(qū)域主要出現(xiàn)在兩幫下部和底板，頂部、起拱線附近及兩幫上部圍巖的塑性區(qū)明顯減小。這是因為在支護后，尤其是頂、幫錨桿支護后，提高了頂部和幫部圍巖的承載力，使得這部分圍巖發(fā)生的變形區(qū)域減小。但是在兩幫下部、底腳及底板仍然出現(xiàn)很大的拉伸和剪切破壞，分布區(qū)域也沒有出現(xiàn)變化，這主要是在頂、幫部錨桿支護后，在巷道兩幫及頂部產生應力增加，使得底板出現(xiàn)剪切滑動破壞。從巷道支護前后的破壞區(qū)域分布總體情況看來，錨桿和噴砼支護后，巷道圍巖的塑性破壞區(qū)域仍然很大，這種支護措施并不能很好地解決巷道的底鼓問題。五、結論通過對巷道開挖后的支護前后兩種情況的數值模擬分析，將兩種情況下巷道的垂直位移場、水平位移場，計算時步與位移的關系，最大主應力、最小主應力分布特征以及塑性區(qū)分析，可以得出如下結論（1）巷道原來的支護措施是在頂部和幫部施加錨桿，然后在巷道壁內噴砼作為永久支護，從巷道現(xiàn)有的情況監(jiān)測以及數值模擬結果來看，原有的支護措施顯然是不足以保證巷道安全的。而且在頂幫支護后，造成圍巖位移向巷道底板轉移，增加了底鼓量，造成底板的進一步破壞。（2）巷道設計在灰?guī)r中，但是巷道幫部下方及靠近底板處存在的軟弱圍巖是威脅巷道穩(wěn)定性的重要因素，因此需要變更原有的支護方案，對巷道的幫部下方及底板進行治理。（3）針對巷道目前出現(xiàn)的嚴重底鼓問題，分析應該考慮到“治底是關鍵”。同時考慮巷道的穩(wěn)定性應從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，不能僅僅考慮單一方面的治理，應該將幫部、頂板和底板的治理綜合起來作為一個整體考慮的問題。參考文獻1唐良琴,劉東燕,聶德新向