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1、第18卷第5期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)18(5):497～5021999年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.,1999回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析康紅普(煤炭科學(xué)研究總院開采研究所北京100013)摘要介紹了目前國(guó)際上比較流行的有限差分程序FLAC3.3。以山東新汶礦區(qū)錨桿支護(hù)回采巷道為條件,運(yùn)用該軟件分析了地應(yīng)力、層理、節(jié)理分布及其強(qiáng)度和剛度、圍巖強(qiáng)度等多種因素對(duì)巷道圍巖變形和破壞的影響,并與井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,巖層不連續(xù)面分布及力學(xué)性質(zhì)對(duì)頂板巖層變形和錨桿受力影響最為明顯,FL
2、AC3.3軟件在分析幾何非線性和大變形問題方面性能優(yōu)越。關(guān)鍵詞有限差分法,FLAC,回采巷道,錨桿支護(hù),影響因素分類號(hào)O242.11FLAC3.3軟件簡(jiǎn)介2數(shù)值模擬條件及力學(xué)模型FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua)2.1模擬對(duì)象[1,2]是一種用于工程力學(xué)計(jì)算的顯式有限差分程序。數(shù)值模擬對(duì)象是新汶礦務(wù)局協(xié)莊煤礦1212東綜[3～5]該程序可模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為。#采工作面運(yùn)輸巷。巷道開掘在2煤層中,頂?shù)装鍘rFLAC3.3(1995年)是目前最新二維版本,它采用了層分布和巷道支護(hù)斷面如圖2,3。開挖方式為炮掘,顯式拉格
3、朗日算法及混合離散劃分單元技術(shù),使得頂板采用W鋼帶加長(zhǎng)錨固組合錨桿支護(hù)。傾斜錨桿該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動(dòng)和破壞。因##為202M1822400,頂板中部錨桿為182M1622000,為在計(jì)算過程中不形成矩陣,所以大型二維問題不排距0.6m。兩幫采用<36mm×1600mm木錨桿支需要過多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。與有限元法相比,FLAC解護(hù)。線性問題較慢,而解非線性問題較快,特別是在大變2.2數(shù)值模型形和幾何非線性的情況下,具有明顯優(yōu)勢(shì)。模型模擬范圍為長(zhǎng)×寬=60m×60m。采用應(yīng)FLAC內(nèi)部含有多個(gè)力學(xué)模型,如摩爾2庫侖模力邊界條件,模型的上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)
4、力,型,應(yīng)變硬化?軟化模型,節(jié)理模型及雙屈服模型等,模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力,模型下用以模擬高度非線性,不可逆等地質(zhì)材料的變形特表面垂直和水平位移固定。采用兩種力學(xué)模型模擬征。除此之外,FLAC還有多種特殊功能:FLAC中巖層:一種是應(yīng)變軟化模型,模擬巷道直接頂、直接含有界面單元,可以模擬巖層中不連續(xù)面;含有4種底及距巷幫3m內(nèi)的煤層。其他范圍內(nèi)的巖層采用結(jié)構(gòu)單元,分別為梁、錨桿、樁及支柱單元,可模擬各種支護(hù)構(gòu)件;FLAC內(nèi)部還有一種編程語言FISH,運(yùn)用該語言,用戶可編制自己的函數(shù)、變量,甚至引入自定義力學(xué)模型,顯著擴(kuò)大了FLAC的應(yīng)用范圍和靈活性。
5、FLAC的求解過程如圖1。首先從已知的應(yīng)力或力,據(jù)運(yùn)動(dòng)方程導(dǎo)出新的速度和位移,然后由速度導(dǎo)圖1FLAC求解過程示意圖出應(yīng)變速率,從而求出新的應(yīng)力。Fig.1SchematicdiagramofFLACcomputingprocess1998年1月12日收到初稿,1998年6月22日收到修改稿。作者康紅普簡(jiǎn)介:男,34歲,博士,1985年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院采礦系采礦工程專業(yè),現(xiàn)任研究室主任,主要從事巷道支護(hù)方面的工作。第18卷第5期康紅普.回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析·535·表1數(shù)值模擬方案Table1Numericalmodelingschemes模型
6、1模型2模型3模型4模型5模型6模型7模型8地應(yīng)力Rv=R0Rv=2R0Rv=2R0Rv=R0Rv=3R0Rv=4R0Rv=2R0Rv=2R0模型K=1K=1K=0.5K=2K=0.67K=0.5K=1.5K=2模型9模型10模型11模型12層理與節(jié)理模型直接頂內(nèi)無層理層理強(qiáng)度剛度小層理強(qiáng)度剛度大既有層理又有節(jié)理模型13模型14模型15模型16模型17模型18圍巖強(qiáng)度模型直接頂厚2.5m直接頂厚3.5m直接頂為煤層無直接頂煤幫強(qiáng)度低煤幫強(qiáng)度高注:表中R0為垂直原巖應(yīng)力,K為側(cè)壓系數(shù)。3模擬結(jié)果及分析3.1地應(yīng)力對(duì)巷道變形的影響原巖應(yīng)力狀態(tài)下(模型1),巷道圍巖位移
7、和破壞范圍都很小。垂直應(yīng)力與圍巖位移關(guān)系如圖4(水平應(yīng)力均為2R0)。隨著垂直應(yīng)力增加,頂板下沉量和幫位移量都在不斷增加,特別是幫位移量增加劇烈,兩幫塑性區(qū)急劇擴(kuò)大?？梢?垂直應(yīng)力對(duì)巷道兩幫煤層的位移和破壞影響最為明顯。水平應(yīng)力與巷道位移的關(guān)系如圖5(垂直應(yīng)力均為2R0)。隨著水平應(yīng)力增大,巷道頂板下沉量、底臌都明顯增加,兩幫位移也顯著增加,但幅度沒有前圖2巷道巖層柱狀圖兩者大。拉斷區(qū)和剪切破壞區(qū)迅速擴(kuò)展至整個(gè)直接Fig.2Stratacolumnarsection頂和直接底。兩幫煤層的破壞深度沒有明顯增加,但出現(xiàn)破壞的單元數(shù)明顯增加,拉斷區(qū)深度和范圍也顯著擴(kuò)大。
8、可見,水平
