巷道围岩蠕变特性及支护效果数值模拟研究.pdf

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1、第9卷第4期矿业工程2011年8月MiningEngineering61·计算机应用·巷道围岩蠕变特性及支护效果数值模拟研究韩猛王连国(1．中国矿业大学；2．深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008)摘要：在地下工程尤其是高地应力分布区围岩稳定性分析中，必须考虑岩石的流变特性。为了更好的控制巷道围岩变形，本文从蠕变的角度，对高地应力下巷道围岩进行分析研究，利用FLAC3D数值模拟软件进行模拟分析，提出不同的支护方案，并提出对工程实践有指导意义的支护建议。关键词：巷道围岩；蠕变；支护；数值模

2、拟中图分类号：TD352文献标识码：A文章编号：1671—8550(2011)04—0061—040引言1数值计算模型随着经济发展以及对煤炭资源需求的增加，我国矿井1．1数值计算模型的建立开采深度也不断加大。随着开采深度的增加，巷道围岩蠕本次计算模型尺寸为：60rn(z)X5Om(v)X70m变现象更加明显，尤其在深部软岩巷道中，由于巷道蠕变()，建立了8种不同岩层，置巷道于单一岩层(砂质泥引起的巷道破坏案例也逐渐增多，给矿井巷道的支护带来岩，第6层)。模型走向、倾向方向均施加水平约束，底边了新的问题。界施

3、加垂直约束。巷道半圆部分半径为2m，侧帮高2En。为了控制巷道围岩稳定性，各种减小巷道变形的支护在模型上边界施加16MPa应力，以模拟模型处于措施已广泛应用于工程实践，如刚性支撑、衬砌、锚固、800m埋深应力状态。喷锚支护等以及将上述诸方法组合而成的联合支护。1．2数值计算模型参数选取在长期荷载作用下的巷道支护设计必须考虑岩石的流——数值计算本构模型。FLAC3D有限差分计算软件变特性。侯朝炯等l1通过巷道变形的观测和实验研究，认提供了能用于模拟材料蠕变特性的计算模式，本文选用软为岩石的峰后蠕变是巷道大变形

4、的主要原因。刘高[提出件中内嵌的伯格斯(Burgers)蠕变模型和摩尔一库伦模型了结构性流变的观点。彭苏萍【。等针对“三软”煤层巷道合成的伯格蠕变粘弹塑性组合流变模型。围岩大变形、难支护的具体情况，以显德汪矿主输送大巷——材料参数选取。为研究对象，进行了三轴压缩流变试验，获取泥岩的流变·岩层参数选取：根据相关资料，各岩层岩石力学参参数，进而为下一步巷道支护设计提供科学的依据。刘夕数选取如表1。才l4依据轴对称巷道的基本方程和马克斯威尔流变模型稳·流变参数选取：根据相关资料，组合模型的各参数态蠕变阶段的体积不

5、变与弹性应变率不变条件，分别推导选择见表2。了巷道的线性与非线性粘弹性理论解。万志军等基于大1．3计算方案量的岩块流变试验，从岩石长期强度的衰减特征和岩石的本文建立多种模型，主要有以下计算方案：1)无支护应变能守恒原则出发，建立了非弹塑黏性元件组合模型的表1各岩层参数软岩(煤)非线性流变数学力学模型。⋯称k褪一本文应用FIAC3D数值模拟软件，分析深部巷道在无N．m一。E／GP／／~／MPh／ma支护情形，以及不同支护情形下的围岩蠕变情况，通过分析巷道顶底板移近量、巷道两帮移近量随时间的变化关系，以及不同支

6、护下围岩变形大小情况，提出了适合深部巷道蠕变情形的支护方案。收稿日期：2011—01—28修回日期：2011—02—13作者简介：韩猛(1987一)，男，山东兖州人，中国矿业大学力学与建筑工程学院硕士研究生，主要从事采动岩体力学与工程方面的研究。62矿业工程第9卷第4期表2流变参数岩层称El／(IaE2／C；t’l／GPad／GPa‘d页岩54．97110．891O3．45砂页岩54．97110．89103．452煤54．97110．891O3．45细砂岩54．9711O．89103．45泥岩5他4．9鸺7

7、他110．891O3．45砂质泥岩54．9711O．891O3．45(a)顶、底板(96d)砂质泥岩54．97110．891O3．45砂岩54．97110．891O3．45fZC口i一。搿=：：砂睫卷54．97110．891O3．45嚣一呲·嚣篇，·巷道在不受采动影响下，围岩蠕变特性的模拟分析；2)在铺杆支护作用下，巷道闱岩蠕变的稳定性模拟分析。其中锚杆的布置方式为问排距均为0．7m；3)在锚杆和混凝土喷层联合支护下，巷道围岩蠕变的稳定性模拟分析。图1一一为巷道中锚杆及喷层的_布置效果图。(b)两帮(96d

8、)图2无支护巷道围岩变形时程曲线2．1．2无支护巷道蠕变力学特性分析无支护巷道围岩随着时间的延长，其力学特性也会发生变化，尤其围岩应力、位移、塑性区的分布将发生变化。见图3、4。由图3可知：1)无支护巷道围岩周边卸荷区范围比开挖范围有所扩大，主要是由于围岩蠕变过程中，在原岩应图1巷道围岩锚杆、喷层分布图力作用下巷道围岩出现塑性流动，承载区逐渐向内部偏移。巷道围岩从周边向内部仍具有先增后减的变化趋势，应力2不同支护