控制围岩变形以及预注浆加固的数值模拟
摘要：在煤矿生产过程中，煤矿事故在井下经常会出现，主要有突水、瓦斯、顶板、粉尘等事故，然而，这些事故中最为经常发生的是顶板事故，占到整个煤矿事故的百分之六七十左右，这类事故已经引起了煤矿企业的领导的高度重视和关注。在煤矿生产过程中，巷道围岩的变形和破坏是阻碍煤矿生产发展，降低煤矿效益的关键因素，所以，控制巷道围岩变形，防止巷道围岩破坏，本文引入了一种新的方法——预注浆加固，这是一种能够有效控制围岩变形的方法。本文主要借助于flac数值模拟软件对注浆预加固控制围岩变形进行了仿真模拟，并且得出了相关的结果，为进行选择和设计注浆预加固参数提供了依据。
关键词：flac数值模拟软件 围岩变形 注浆预加固
1 概述
在地下工程问题分析中，常用的数值方法有有限元、边界元、离散元等。然而，这些理论方法本身以及采用的算法，都有各自的局限性。例如，有限元和边界元都有介质连续和小变形的限制，且有限元要解大型矩阵，需要大量的内存。国内现有的离散元程序，一般都假定离散的块体为刚性体，这仅适合于处理低应力的情况；同时，这种离散元求解时所花的时间也相当可观。近年来发展起来的快速拉格朗日分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua，简称FLAC)，则是在较好地吸取了上述方法的优点和克服其缺点的基础上形成的一种新型的数值分析方法。
2 FLAC软件的主要特点
FLAC程序是一种显函数有限差分程序，由美国ITASCA咨询集团公司开发，首先由Cundall在80年代提出并将其程序化、实用化。FLAC基本原理类同于离散元法，但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解。在求解过程中，FLAC又采用了离散元的动态松驰法，不需求解大型聯立方程组(刚度矩阵)，便于微机上实现。另一方面，同以往的差分分析相比，FLAC在以下几方面作了较大改进和发展：它不但能处理一般的大变形问题，而且能模拟岩体沿某一软弱结构面产生的滑动变形。FLAC还能针对不同材料特性，使用相应的本构方程来比较真实地反映实际材料的动态行为。此外，该数值分析方法还可考虑锚杆、挡土墙等支护结构与围岩的相互作用。
3 计算模型的建立
3.1 几何模型
模型总宽度为102m，高度为72.4m，岩层倾角为7o，两条石门之间的距离为46m，石门底板岩层厚度为30m，顶板岩层厚度为38.4m；为了消除模型边界对模拟结果的影响，模型边界距离巷道为23m，见图1所示。对于上覆岩层没有在模型中显示的部分，采用载荷来代替。
根据石门所处的底层条件建立数值模型，首先计算循环至稳定，模型上边界施加的载荷和模拟地层应力达到平衡，即实现了石门开挖前的原始地应力条件。其次开挖石门安装支护结构，计算循环至稳定。最后对西一石门四联至五联扩刷架棚支护和注浆加固。
3.2 边界及初始条件
初始条件与知道的压力和饱和度相关。这两个值必须与FLAC3D公式一致：当饱和度小于1时孔隙水压力必须为零，反之亦然。（在FLAC3D中，默认初始孔隙水压力为零饱和度为1）
四种形式的边界条件被考虑了，分别对应于：①给出孔隙水压力；②给出边界法向的比流量矢量；③透水边界；④隔水边界。对石门的边界设定为隔水边界。
在FLAC3D中，默认边界为隔水，饱和度不能作为边界条件施加。（注意为了保持模型的满饱和，流体弹性模量可能需要设置成一个较大的负数。）
渗透边界有如下形式：qn=h（p-pe）
这里qn是垂直于边界的比流量矢量的外垂直线方向的部分，h 是渗透系数，单位[m3/N-sec]，p是在边界表面的孔隙压力，而pe是在渗透层的孔压。
3.3 力学参数
在建立的分析模型基础上，通过改变注浆加固圈的围岩参数来模拟注浆加固的效果，注浆加固圈的参数设置见表3.1所示。
3.4 数值模拟结果分析
图2－图3为注浆条件下的围岩垂直方向应力以及位移等的分布及特征。
4 模拟结果分析
下面就图2、图3做出相应的分析以及讨论。
从巷道围岩应力看，采用U型棚和注浆加固巷道围岩的应力相对其他方案要大，这说明在巷道采用加固措施前巷道围岩屈服深度已趋于相对稳定，采用注浆加固了巷道松动圈范围内的破碎岩体，防止破碎岩体的松动。
从石门围岩位移量看，采用扩刷架U29型棚支护＋壁后深浅孔注浆联合支护能有效降低塑性屈服范围，注浆加固了巷道2.5m范围内的破碎围岩，在巷道使用期间深部围岩对加固体的作用力相对其他方案大，这说明采用U型棚和注浆加固体承受深部围岩的载荷，同时支护结构受力大。两帮和顶板注浆加固作用明显，而底板塑性区增加。注浆加固有效的控制了围岩的变形，顶底板的位移量明显降低。注浆后的变形量主要是在石门底板，而顶板和两帮的变形量远小于没有注浆石门，这也说明加固两帮和顶板能有效的控制石门底鼓。以上为进行选择和设计注浆预加固参数提供了依据。
5 问题与讨论
综上所述，在巷道采用加固措施前巷道围岩屈服深度已趋于相对稳定，采用注浆加固了巷道松动圈范围内的破碎岩体，防止破碎岩体的松动。采用U型棚和注浆加固体承受深部围岩的载荷，同时支护结构受力大。两帮和顶板注浆加固作用明显，而底板塑性区增加。以上为进行选择和设计注浆预加固参数提供了依据。