铁生沟煤矿岩巷变形破坏数值模拟分析

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1、铁生沟煤矿岩巷变形破坏数值模拟分析摘要：铁生沟煤矿煤层倾向近北，虽然东翼15采区的3条下山巷道布置均布置在厚度大的L7灰岩中部，设计采用锚喷支护。但是，由于灰岩厚度分布不均以及巷道帮部存在软弱夹层等情况，使得在15采区已掘进的800多米的下山巷道里由浅往深，变形越来越明显，底鼓越来越严重，变形最严重处的巷道只有约1m宽。鉴于在现场实际中，矿区生产人员仅仅对巷道破坏的表象进行了分析，为了进一步分析围岩破坏及应力分布状况，重现巷道的变形与破坏特征，以便做出正确有效的支护对策。结合已有的工程地质条件和支护条件，本文利用FlAC3D软件建立数值分析模型，通过

2、对15采区巷道未支护和原方案支护的破坏状况进行应力分布、位移变形及塑性区进行对比分析，得出原支护方案不足的结论，并提出相应的改进措施。关键词：软弱夹层，底鼓，数值模拟，对比分析引言铁生沟煤矿所在的巩义市位于河南省中部、中岳嵩山北麓，隶属郑州市，目前年产原煤量超过100万吨。随着南部采区煤炭资源的枯竭，采区逐渐向东北部位部署。铁生沟煤矿煤层倾向近北，因此往北，一是煤层高程变低，另一是地面变为丘陵山坡，致使该部位采区巷道埋深迅速加大。东翼15采区的3条下山巷道布置均布置在厚度大的L7灰岩中部，设计采用锚喷支护。在东五平台及东三五大巷掘进时，巷道变形监测表

3、明，巷道收敛变形均未超过60mm，巷道稳定性良好。然而，在15采区轨道下山、回风下山和皮带下山等巷道掘进，巷道变形明显。在已掘的800m多的巷道里，由浅往深，变形越来越明显，底鼓越来越严重，变形最严重处的巷道只有约1m宽。本文通过数值模型软件FLAC3D，将巷道开挖支护前后进行变形、应力和塑性区方面的对比，进行定性和定量分析，以期说明巷道原支护措施不合理的结论和提出有助于巷道稳定性的建议。一、数值分析模型本文模拟巷道位置位于15采区的埋深位置在500m的下山巷道主岩巷段，研究巷道断面形状为直墙半圆拱形，巷道净宽4800mm，直墙高度1800mm，净高

4、高度4200mm。根据地下结构的计算原理，当埋深z等于或大于巷道半径或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围(3~5倍洞径)以内的岩体自重可以忽略不计，原岩水平应力可以认为均匀分布[1-2]，结合所研究巷道的结构形式及地质条件，在本次数值模拟实验中，数值模型在FLAC3D中的尺寸为，模型岩性分组及约束情况如图1-2所示。数值模型的网格划分如图1-1所示，考虑到若采用FLAC3D软件中自带的radcylinder命令来建立模型的半圆拱部分可能会在形成初始应力平衡时引起局部应力集中问题，故数值模型利用ANSYS软件建立并划分网格。其中，考虑到计算精度，

5、在巷道开挖过程中可能会影响较大的区域部分，网格划分加密，整个模型共有26175个节点和20384个单元。建立模型均为六面体，模型约束为：前、后、左、右和底部均采用法向约束，顶部施加边界应力约束，由公式（为上覆岩层的平均加权容重，为上覆岩层厚度）计算确定[3-4]，用以模拟上覆岩层重度。二、软弱夹层的模拟方法软弱夹层的模拟可以采用参数弱化法和接触面Interface命令来实现。参数弱化法的基本思想是通过对所需要模拟区域内的岩层进行单独参数赋值，从而显著区别其周围的岩体。而Interface命令法则通过对夹层分界面两侧的容重、内摩擦角、内凝聚力、体积模量

6、、剪切模量以及夹层分界面的法向刚度和切向刚度等系列参数的设置，从而实现对研究区域内软弱夹层的模拟。在计算过程中，由于软弱夹层部分网格容易发生变形，Interface命令法网格变形难以控制，并不适合夹层分界面的模拟；而参数弱化法通过对弱化单元的单独赋值可有效抑制网格变形，从而保持夹层两侧岩体的连续性[4-5]。因而本文采用参数弱化法模拟软弱夹层。三、数值模拟参数按照工程地质钻孔的柱状图以及现场调研分析，将模型从上到下划分为砂泥岩组、灰岩岩组和软层岩组。巷道几乎全部布置在灰岩岩组内，灰岩岩组取值6m，但是其中有软层岩组位于巷道帮部下方和底板下方一部分，厚

7、度为0.65m，砂泥岩组分别自灰岩岩组和软层岩组结束后直接取到模型边界处。图1-1数值模型网格划分情况图1-2数值模型约束及岩层划分巷道位于模型中部，底板中心距离上下和左右边界均为25m，结合原巷道的设计方案，模拟的锚杆采用FLAC3D里的cable构件单元模拟，其相应的物理参数如表1-1所示；喷砼利用改变相应分组单元的参数予以实现，其相应的物理参数如表1-2所示。分组考虑岩体结构、地下水、地质构造对巷道围岩的影响，并结合上一章节的参数计算和经过多次数值模拟后确定岩体的物理力学参数分别见表1-3。表1-1锚杆的物理力学参数表1-2喷砼参数参数长度/m

8、直径d/mm弹性模量/GPa抗拉强度/MPa预紧力/T参数厚度/m泊松比体积模量/GPa剪切模量/GPa密度