回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析.pdf

第18卷第5期岩石力学与工程学报18(5):497～502
1999年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.,1999

回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析

康红普
(煤炭科学研究总院开采研究所北京100013)

摘要介绍了目前国际上比较流行的有限差分程序FLAC3.3。以山东新汶矿区锚杆支护回采巷道为条件,运用该软
件分析了地应力、层理、节理分布及其强度和刚度、围岩强度等多种因素对巷道围岩变形和破坏的影响,并与井下
实测数据进行了对比。结果表明,岩层不连续面分布及力学性质对顶板岩层变形和锚杆受力影响最为明显,FLAC3.
3软件在分析几何非线性和大变形问题方面性能优越。
关键词有限差分法,FLAC,回采巷道,锚杆支护,影响因素
分类号O242.1

1FLAC3.3软件简介2数值模拟条件及力学模型

FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua)
2.1模拟对象
是一种用于工程力学计算的显式有限差分程序[1,2]。
数值模拟对象是新汶矿务局协庄煤矿1212东综
该程序可模拟土、岩石等材料的力学行为[3～5]。
采工作面运输巷。巷道开掘在2#煤层中,顶底板岩
FLAC3.3(1995年)是目前最新二维版本,它采用了
层分布和巷道支护断面如图2,3。开挖方式为炮掘,
显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术,使得
顶板采用W钢带加长锚固组合锚杆支护。倾斜锚杆
该程序能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏。因
为20#2M1822400,顶板中部锚杆为18#2M1622000,
为在计算过程中不形成矩阵,所以大型二维问题不
排距0.6m。两帮采用<36mm×1600mm木锚杆支
需要过多的计算机内存。与有限元法相比,FLAC解
护。
线性问题较慢,而解非线性问题较快,特别是在大变
2.2数值模型
形和几何非线性的情况下,具有明显优势。
模型模拟范围为长×宽=60m×60m。采用应
FLAC内部含有多个力学模型,如摩尔2库仑模
力边界条件,模型的上表面施加均匀的垂直压应力,
型,应变硬化ö软化模型,节理模型及双屈服模型等,
模型两侧面施加随深度变化的水平压应力,模型下
用以模拟高度非线性,不可逆等地质材料的变形特
表面垂直和水平位移固定。采用两种力学模型模拟
征。除此之外,FLAC还有多种特殊功能:FLAC中
岩层:一种是应变软化模型,模拟巷道直接顶、直接
含有界面单元,可以模拟岩层中不连续面;含有4种
底及距巷帮3m内的煤层。其他范围内的岩层采用
结构单元,分别为梁、锚杆、桩及支柱单元,可模拟
各种支护构件;FLAC内部还有一种编程语言
FISH,运用该语言,用户可编制自己的函数、变量,
甚至引入自定义力学模型,显著扩大了FLAC的应
用范围和灵活性。
FLAC的求解过程如图1。首先从已知的应力或
力,据运动方程导出新的速度和位移,然后由速度导
图1FLAC求解过程示意图
出应变速率,从而求出新的应力。
Fig.1SchematicdiagramofFLACcomputingprocess

1998年1月12日收到初稿,1998年6月22日收到修改稿。
作者康红普简介:男,34岁,博士,1985年毕业于山西矿业学院采矿系采矿工程专业,现任研究室主任,主要从事巷道支护方面的工作。
第18卷第5期康红普.回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析·535·

表1数值模拟方案
Table1Numericalmodelingschemes

模型1模型2模型3模型4模型5模型6模型7模型8
地应力

模型Rv=R0Rv=2R0Rv=2R0Rv=R0Rv=3R0Rv=4R0Rv=2R0Rv=2R0
K=1K=1K=0.5K=2K=0.67K=0.5K=1.5K=2

层理与模型9模型10模型11模型12

节理模型直接顶内无层理层理强度刚度小层理强度刚度大既有层理又有节理

围岩模型13模型14模型15模型16模型17模型18

强度模型
直接顶厚2.5m直接顶厚3.5m直接顶为煤层无直接顶煤帮强度低煤帮强度高

注:表中R0为垂直原岩应力,K为侧压系数。

3模拟结果及分析

3.1地应力对巷道变形的影响
原岩应力状态下(模型1),巷道围岩位移和破坏
范围都很小。垂直应力与围岩位移关系如图4(水平

应力均为2R0)。随着垂直应力增加,顶板下沉量和
帮位移量都在不断增加,特别是帮位移量增加剧烈,
两帮塑性区急剧扩大。可见,垂直应力对巷道两帮
煤层的位移和破坏影响最为明显。
水平应力与巷道位移的关系如图5(垂直应力均

为2R0)。随着水平应力增大,巷道顶板下沉量、底臌
都明显增加,两帮位移也显著增加,但幅度没有前
图2巷道岩层柱状图两者大。