不同侧压力系数在Flac3D模拟中对巷道围岩塑性区及其位移变化的影响研究.

不同侧压力系数在Flac3D模拟中对巷道围岩塑性区及其位移变化的影响研究
摘要：水平应力是影响巷道围岩稳定性的重要因素之一。

本文以鹤壁二矿-347工作面上顺槽的实际围岩条件为基础，运用flac3d软件建立了水平方向及底部边界为固定边界，顶边界为应力边界，巷道水平布置在中间的数值模型。

在有U钢支护的状态时，不同侧压力系数对巷道围岩的塑性区分布及其总位移的变化。

研究表明：当侧压力系数从1增至2时，塑性区分布逐步向巷道深部发展，塑性区的单元格数从86增至170。

巷道的最大位移主要发生在巷道的顶板和底板，随着侧压力系数的变化，总位移的最大值从24mm增至55mm。

关键词：侧压力系数；总位移；塑性区；flac3d
Study on the influence of different side pressure coefficient for plastic zone and the displacement change in simulation of the surrounding rock of Flac3D
Abstract: Horizontal stress is one of the important factors affecting the stability of surrounding rock. In this paper, by the actual conditions of surrounding rock, basing on the plane -347 above the slot rock in hebi 2 coal mine, establishe by flac3d horizontal direction and bottom boundary for fixed boundary, the boundary for stress boundary, decorating in the middle of the level of numerical model. when U steel supporting, different side pressure coefficient of surrounding rock change the plastic area of the distribution and the total displacement. Research shows that: when the lateral pressure coefficient is from 1 to 2, the plastic area is gradually transfering to deep, and the cell number is increasing from 86 to 170. The maximum displacement mainly occurs in the roof and floor of roadway, and along with the change of the lateral pressure coefficient, the maximum displacement is from 24 mm to 55 mm.
Key words: Side pressure coefficient; Total displacement; The plastic area; flac3d
1 引言
构造应力是由于地壳运动在岩体中引起的应力．其主要特点是以水平应力为主，具有明显的区域性和方向性，它是影响巷道围岩稳定的重要因素之一［1～3］。

当水平应力较高时，巷道顶板冒落、底板底鼓以及两帮内挤等灾害均时有发生，有时会严重影响生产安全。

因此掌握在构造应力场中受采动影响巷道的矿压显现规律对研究和改善巷道的稳定性有着重要的意义［4～5］。

本文基于鹤煤公司二矿347煤柱工作面顺槽地质条件分析和围岩变形规律分析，运用flac3d，模拟在不同侧应力系数下U钢支护
状态时塑性区分布及其位移量变化的研究。

2 模型的建立及其参数的选取
-347煤柱工作面，所开采煤层为二叠系山西组下部的二1煤层，属于复杂结构煤层，产状变化不大，埋深约300米。

煤层走向：70°～80°，倾向：SE，倾角：10°～15°。

根据-347煤柱工作面煤层顶、底板岩性以三个地面勘探钻孔80－4、80－5、贾4以及周边巷道所揭露资料综合而得，顶、底板组合层序是明显接触关系。

老顶砂岩为浅灰色中～粗粒以石英、长石为主，次为暗色矿物，钙质胶结，层面含碳质及白云母片，厚度8.5m；直接顶为深灰色砂质泥岩，植物化石发育，厚度2 m；伪顶不发育，黑色碳质泥岩，厚度0.2 m。

煤层直接底为灰黑色砂质泥岩，植物根部化石发育，厚度1.5 m；老底为灰色砂岩，中～厚层状、中～粗粒、钙质胶结以石英、长石为主，含白云母具有碳质层面水平层理，厚度31.5 m，见综合柱状图1所示。

图一综合柱状图
Fig.1 Comprehensive bar chart
计算模型宽70m，高70m，巷道位于模型中央，模型左右边界设为水平位移约束，下边界设为固定约束，上边界自由。

岩体的弹塑性分析采用Mohr-Coulomb屈服准则。

U 型钢可缩性支架由二节点梁单元模拟，支架搭接部分采用等效材料方法处理。

模型水平边界限制x方向的位移；底边为固定约束，即x、y和z三个方向上圴无位移；模型沿
轴向即z 向没有位移。

图2 数值模拟模型
Fig.2 Numerical simulation model
岩体力学参数如表1所列
表1 二1煤及顶底板岩石力学性质
Table 1 2 1 roof and floor of coal and rock mechanics properties 层位 岩性 厚度（m ）
c σ（Mpa ） t σ（Mpa ）
E （Mpa ） μ
老顶 中粒砂岩 9.0 105
5.4
41500 0.22
直接顶 砂质泥岩 3.5 63.7 3.7 29300 0.2
伪顶 泥岩 0.5 43 3.2 16700 0.32
煤 8.26 5 6000 0.3
直接底 砂质泥岩 3 63.7 3.7 29300 0.2
老底 中粒砂岩 6.5 85.3 5.4 36000 0.25
U钢力学参数如表2所列
表2 国产型钢主要断面参数表
Table 2 domestic steel main section parameter table
3 塑性区分布
当垂直应力为8.375MPa，侧压力系数λ
为1～2时，-347工作面上顺槽围岩塑性区分
布特性如图3所示：
λ=1 λ=1.2
λ=1.4 λ
=1.6
λ=1.8 λ=2
图3 不同侧压力系数下-347工作面上顺槽塑性区分布
Fig 3 different side pressure coefficient-347 work the slot on the plastic zone distribution 从图三可以看出，当λ=1时，塑性区的
单元格数为86。

当λ=1.2时，塑性区的单元
格数为96，顶板，底板和两帮都有若干单元
格数增加。

当λ=1.4时，塑性区的单元格数
为110，相对于λ=1时来说，底板单元格数
增加较多。

当λ=1.6时，塑性区单元格数为
126，顶板和底板塑性区单元格数明显增加。

当λ=1.8时，塑性区单元格数为138，塑性
区两帮上顶板向上延伸明显。

当λ=2时，塑
性区单元格数为170，此时塑性区范围已明
显增加，尤其是顶板和底板，两帮相对较弱。

4 总位移变化
λ=1 λ=1.2
λ=1.4 λ
=1.6
λ=1.8 λ=2
图4 不同侧压力系数下-347工作面上顺槽总位移变化图
Fig 4 different side pressure coefficient down-347 work the slot on the total displacement variation
从图四可以看出，当λ=1时，顺槽的最大位移为24mm ；当λ=1.2时，顺槽的最大位移为28mm ；当λ=1.4时，顺槽的最大位移为36mm ；当λ=1.6时，顺槽的最大位移为40mm ；当λ=1.8时，顺槽的最大位移为50mm ；当λ=2时，顺槽的最大位移为55mm 。

从整体上来讲，位移的分布没有什么大的变化，但是可以清楚的看出，位移的最大分布分生在顶板和底板。

随着侧压力系数的增大，总位移在慢慢增大。

5 结论
（1）当侧压力系数λ=1时，此时巷道的塑性区分布相对较均匀，底板塑性区分布较深。

随着侧压力系数以0.2的级数往上增加，顶板和底板的塑性区分布较大，当侧压力系数增至2时，巷道的塑性区范围已从原来的
椭圆形发展成为无规则的发散形。

（2）随着侧压力系数的级数增加，巷道的总位移也在不断增加，尤其发生在巷道的顶板和底板。

（3）随着侧应力系数的增加，在U 钢支护的条件下，巷道的塑性区和位移被控制在相对较小的范围，这从侧面也说明了U 钢支护的良好作用。

参考文献
（1）钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M ］.徐州：中国矿业大学出版社，2003 （2）勾攀峰，张振普，韦四江.不同水平应力作用下巷道围岩破坏特征的物理模拟试验［J ］.煤炭学报，2009,34（10）：1328～1332.
（3）勾攀峰，韦四江，张盛.不同水平应力
对巷道稳定性的模拟研究［J］.采矿与工程学报，2010，27（2）：143～148
（4）在构造应力场中采动对底板运输巷道稳定性的影响［J］岩石力学与工程学报，2005,24（12）：2101～2106
（5）基于Flac3D的侧压系数对深井巷道围岩塑性区分布的影响研究［J］中国科技论文在线，2010。