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1、第18卷第5期巖石力學與工程學報18(5):497～5021999年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.,1999回采巷道錨桿支護影響因素的FLAC分析康紅普(煤炭科學研究總院開采研究所北京100013)摘要介紹了目前國際上比較流行的有限差分程序FLAC3.3。以山東新汶礦區(qū)錨桿支護回采巷道為條件,運用該軟件分析了地應力、層理、節(jié)理分布及其強度和剛度、圍巖強度等多種因素對巷道圍巖變形和破壞的影響,并與井下實測數(shù)據(jù)進行了對比。結果表明,巖層不連續(xù)面分布及力學性質對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。關鍵詞有限差分法,FLAC,回采巷道,錨桿支護,影響因素分類號O242.11FLAC3.3軟件簡介2數(shù)值模擬條件及力學模型FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua)2.1模擬對象[1,2]是一種用于工程力學計算的顯式有限差分程序。數(shù)值模擬對象是新汶礦務局協(xié)莊煤礦1212東綜[3～5]該程序可模擬土、巖石等材料的力學行為。#采工作面運輸巷。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,使得頂板采用W鋼帶加長錨固組合錨桿支護。傾斜錨桿該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動和破壞。因##為202M1822400,頂板中部錨桿為182M1622000,為在計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算機內存。與有限元法相比,FLAC解護。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。模型模擬范圍為長×寬=60m×60m。采用應FLAC內部含有多個力學模型,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
4、力,型,應變硬化?軟化模型,節(jié)理模型及雙屈服模型等,模型兩側面施加隨深度變化的水平壓應力,模型下用以模擬高度非線性,不可逆等地質材料的變形特表面垂直和水平位移固定。采用兩種力學模型模擬征。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內的煤層。其他范圍內的巖層采用結構單元,分別為梁、錨桿、樁及支柱單元,可模擬各種支護構件;FLAC內部還有一種編程語言FISH,運用該語言,用戶可編制自己的函數(shù)、變量,甚至引入自定義力學模型,顯著擴大了FLAC的應用范圍和靈活性。
5、FLAC的求解過程如圖1。首先從已知的應力或力,據(jù)運動方程導出新的速度和位移,然后由速度導圖1FLAC求解過程示意圖出應變速率,從而求出新的應力。Fig.1SchematicdiagramofFLACcomputingprocess1998年1月12日收到初稿,1998年6月22日收到修改稿。作者康紅普簡介:男,34歲,博士,1985年畢業(yè)于山西礦業(yè)學院采礦系采礦工程專業(yè),現(xiàn)任研究室主任,主要從事巷道支護方面的工作。第18卷第5期康紅普.回采巷道錨桿支護影響因素的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)理模型直接頂內無層理層理強度剛度小層理強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度低煤幫強度高注:表中R0為垂直原巖應力,K為側壓系數(shù)。3模擬結果及分析3.1地應力對巷道變形的影響原巖應力狀態(tài)下(模型1),巷道圍巖位移
7、和破壞范圍都很小。垂直應力與圍巖位移關系如圖4(水平應力均為2R0)。隨著垂直應力增加,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)急劇擴大?？梢?垂直應力對巷道兩幫煤層的位移和破壞影響最為明顯。水平應力與巷道位移的關系如圖5(垂直應力均為2R0)。隨著水平應力增大,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)迅速擴展至整個直接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大。
8、可見,水平
