深部高应力矩形巷道围岩蠕变的数值模拟

曹日跃，吴德义

(安徽建筑大学　土木工程学院，合肥　230601)

深部高应力矩形巷道围岩蠕变的数值模拟

曹日跃*，吴德义

(安徽建筑大学土木工程学院，合肥230601)

摘要：利用FLAC3D软件对某深部煤巷开采进行数值模拟研究，计算中采用FLAC3D中的Burgers蠕变模块，分析巷道围岩在深部高应力条件下的围岩蠕变变形破坏特征，得到了该区域巷道围岩的应力应变分布规律。结论： 1)在巷道蠕变初期，整个巷道应力分布不均匀且波动很大，随着蠕变时间增加，应力变化基本处于稳定阶段； 2)在巷道蠕变初期，位移变化很大，且在巷道中部位移变化量最为集中和明显，而且水平位移变化量大于竖直位移变化量，说明帮部支护对围岩稳定性尤为重要。为巷道支护的设计以及巷道围岩蠕变的规律提供参考依据。

关键词：快速拉格朗日差分分析；深部煤巷；蠕变变形；巷道支护

目前，我国煤炭的浅部开采已接近尾声，大量煤矿资源的开采已经进入到深部开采区。而煤炭储量也以深部居多[1]，我国煤炭目前已探明的储量中约53%埋深超过1 km。随着开采规模增大，全国大部分矿区如淮南、淮北等开采深度均超过0.8 km，部分矿井开采深度已达到1.0～1.3 km[2]。而随着开采深度的增加，发生安全事故的概率也增大，矿难事故时有发生。我国煤炭行业不得不面对深部开采带来的地温高、瓦斯量大、矿压大、支护困难等问题。煤岩作为一种有机岩体，其自身岩性较弱，在深部条件下表现为强烈的流变变形特征。大量的现场测量和室内试验表明：煤岩的蠕变属性更为显著[3]。因此，采用科学的研究方法对深部软弱煤岩的蠕变特性及其变化规律开展研究，并解决实际工程中与蠕变相关的问题具有重大的理论和工程实际意义。国内学者对圆形巷道的研究已经非常充分和完善，研究成果大都运用到实际的工程中。在实际的煤矿开采中，开挖矩形巷道更为广泛，而这方面的理论研究比较少。本文结合工程实例与数值模拟的情况，分析某深部矩形巷道在高应力条件下开挖后的应力应变分布规律，总结其破坏蠕变破坏特征，以期为巷道支护的设计以及巷道围岩蠕变规律的研究提供参考依据。

1FLAC3D和蠕变理论

FLAC3D[4](Fast Lagrangian Analysis of Continuum，快速拉格朗日差分分析)是一种新的数值模拟方法，能很好地解决岩土类问题，常常用来解决深埋巷道大变形问题。FLAC3D有较强的内部前后处理能力，划分网格时，可以生成复杂的三维网格。其模拟结果既可以用分辨率较高的彩图表示，也可以生成需要的等值线图，简单明了；允许自行定义材料的属性和参数；用户可以自己定义实际的边界状况、受力状况，通过运算分析得到划分单元、节点的位移和应力结果。由于FLAC3D软件具有很强的解决复杂岩土工程问题的能力，所以在国际岩土工程学术界享有盛誉。

蠕变是在恒定荷载条件下，材料连续变形的性质。狭义的蠕变是指在恒定温度恒定拉伸荷载下，试件变形随时间缓慢增加的现象；广义的蠕变是指固体在受到恒定外力作用下，变形随时间增加的现象。在一定应力作用下，蠕变现象就会发生，蠕变的时间与应力有关，应力越大，蠕变总时间越短。典型的蠕变曲线分为3个阶段：减速蠕变阶段Ⅰ、等速蠕变阶段Ⅱ、加速蠕变阶段Ⅲ。

2FLAC3D模型建立及岩土参数

2.1计算模型建立

在某深部煤岩处开挖3 m×3 m矩形巷道，按照建立模型的原则建立模型，计算区域边界上的力为原岩应力，即认定边界条件(x轴与z轴)为刚性，计算模型为30 m×2 m×30 m(x,y,z), 划分单位尺寸由内到外逐渐变大，渐变比例为1.1，有3 329个单元及4 325个节点，如图1所示。计算时对模型进行简化，模型上部为地层压力荷载，根据侧压力系数确定侧面施加的力，底部为铰支座。计算时采用应变软化模型和FLAC3D中的Burgers蠕变模块。

图1　FLAC3D 计算模型

2.2岩体力学参数

根据实验室实测结果，开挖巷道的煤岩力学参数如表1所示。

表1　煤岩力学参数

3深部矩形巷道应力场变化分析

在深部软弱煤岩条件下，巷道围岩的蠕变特性会很突出，在高应力下，巷道围岩的应力场会随巷道蠕变而发生演变。当围岩的应力场达到煤岩强度极限时，围岩就会产生蠕变[5]，深部巷道大变形就是围岩蠕变引起的。

图2和图3分别是蠕变30 d的水平应力云图和蠕变200 d的水平应力云图。从图2可知，当巷道开挖完成不久时，围岩应力重分布，巷道顶竖直应力大于水平应力，且在蠕变初期巷道水平应力分布不均匀，巷道围岩处于初始蠕变阶段。从图3可知：当围岩蠕变经过200 d后，巷道的整体水平应力均匀分布在巷道周围，呈对称分布，水平应力场达到稳定状态。此时巷道进入稳定蠕变阶段[6]。由于蠕变的时间不同，围岩的水平应力场也表现出不同的变化规律。

图4和图5分别是蠕变30 d的竖直应力云图和蠕变200 d的竖直应力云图。从图3可知：在蠕变初期，巷道竖直方向的应力场分布不均匀，应力场呈不规律的状态分布于整个巷道周围，说明巷道开挖初期阶段，围岩蠕变应力波动很大大，此时应该注重巷道支护施工。当经过200 d后，如图5所示，巷道围岩的竖直应力场均匀分布在巷道周围，呈对称分布，说明此时围岩处于蠕变稳定期。

从图6可知：在蠕变30 d内，应力释放最快，应力差突然增大是巷道位移变化的主要因素。在巷道中部蠕变速度变化较快，随着距离巷道越来越远，巷道应力逐渐恢复原岩应力大小，基本处于稳定的状态，蠕变的速度也在减小。

图2　蠕变30 d的水平应力云图

图3　蠕变200 d的水平应力云图

图4　蠕变30 d的竖直应力云图

图5　蠕变200 d的竖直应力云图

图6　巷道蠕变应力图

4深部矩形巷道位移场变化分析

深部软岩巷道蠕变变形的主要原因是：巷道开挖后，应力重分布，在开挖初期导致主应力差突然变大，使得煤岩内部裂隙发展增大，形成裂隙带[7]，而裂隙带内的承载力很差，围岩长时间在高应力作用下就产生围岩大变形。

图7和图8分别是蠕变30 d的水平位移云图和蠕变200 d的水平位移云图。从图7可知：在巷道开挖初期，巷道水平蠕变位移最大值为0.49 m，围岩变形较大，围岩处于蠕变初期。巷道位移变化率波动很大，说明此时巷道围岩塑性区范围内部的煤岩承载力下降很快，失去承载能力，使围岩产生变形。对比巷道的竖直位移云图可以发现，在巷道蠕变初期阶段，巷道的水平位移变化大于竖直位移变化。从图7可知：当蠕变进行到200 d后，围岩蠕变位移最大值为0.53 m，只增加了0.04 m，说明随着蠕变时间的增加，后期的蠕变速率明显减小，此时处于稳定蠕变阶段。蠕变速率减小，说明围岩内部的裂隙发展基本处于稳定状态，此时破坏范围也基本稳定，不会再向外围扩展，只要采取有效的支护措施，提高围岩的承载力，就可以提高围岩的稳定性。

图9和图10分别是蠕变30 d的竖直位移云图和蠕变200 d的竖直位移云图。从图9可知：在蠕变初期，巷道的最大竖直位移为0.44 m。相比于同时间的蠕变阶段，水平位移变化大于竖直位移变化，说明在巷道开挖时，帮部是支护的关键部位。在经历过200 d后的蠕变基本处于稳定状态，巷道竖直最大位移为0.48 m，只增加0.04 m，巷道变形基本处于稳定状态。

图11和图12分别是巷道蠕变位移矢量图和巷道蠕变位移变化图。在蠕变阶段，巷道表面的位移变化是最大的，而巷道帮部位移变化最为集中，是最容易产生破坏的位置，所以在进行支护时，帮部是最为关键的支护部位[8]。在蠕变30 d内，巷道位移变化最快，随着蠕变时间的增加，其位移变化逐渐趋于稳定。

图7　蠕变30 d的水平位移云图

图8　蠕变200 d的水平位移云图

图9　蠕变30 d的竖直位移云图

图10　蠕变200 d的竖直位移云图

图11　巷道蠕变位移矢量图

图12　巷道蠕变位移图

5结语

本文利用FLAC3D有限差分软件对某深部矩形巷道的蠕变规律做了分析研究，分析巷道应力场、位移场的分布规律，得到以下结论：1)从应力场分析，在巷道蠕变初期，整个巷道应力分布不均匀且波动很大，但在200 d后，应力变化基本处于稳定阶段，在巷道的中部应力较小，随着距离巷道边界越来越远，其应力值越来越大，直至到接近巷道原岩应力。2)从位移场分析，在巷道蠕变初期，位移变化很大，且在巷道中部位移变化量最为集中和明显。水平位移变化量大于竖直位移变化量，说明帮部支护对围岩稳定性尤为重要。随着蠕变时间的增加，巷道位移变化基本处于稳定阶段。

参考文献：

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[3] 陈绍杰,郭惟嘉,杨永杰.煤岩蠕变模型与破坏特征试验研究[J].岩土力学,2009(9):2595-2598,2622.

[4] 陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2013(6):2-5.

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Simulation of the Creep of Surrounding Rock in Different Deep Rectangular Tunnels

CAORiyue*，WUDeyi

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601,China)

Abstract:Numerical simulation study on a deep mining coal roadway was conducted by using software FLAC3D.In the calculation, Burgers creep module of FLAC3D was used to analyze the reep of roadway surrounding rock deformation and failure characteristics under conditions of high stress in the deep part. As a result, the stress and strain distribution in the region around the tunnel rock was obtained. And the following conclusions were attained: 1) at the beginning of the roadway creep, the entire roadway was under the uneven distribution of stress and volatile, with the increase in creep time stress was in a stable phase; 2) at the beginning of the roadway creep, the displacement was large, and the most concentrated and visible change was in the amount of displacement of the central roadway while the horizontal displacement and vertical displacement were greater than the amount of change which indicated that the section for supporting the support on surrounding rock stability was particularly important. The study provided a reference for the design and creep law of roadway tunnel support.

Key words:FLAC3D；deep coal roadway；creep deformation; roadway support

DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.02.001

收稿日期：2016-04-13

基金项目：国家自然科学基金“深部煤岩稳定性量化判别研究”(51374009)

作者简介：曹日跃(1991— )，男(汉族)，安徽合肥人，在读硕士研究生，研究方向：地下结构计算理论与应用，通信作者邮箱：1165399082@qq.com。

中图分类号：TD313

文献标志码：A

文章编号：2095-5383(2016)02-0001-04

吴德义(1966— )男(汉族)，安徽贵池人，教授，博士，研究方向：岩石力学。