数值模拟Word文件下载.docx
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所以，FLAC3D是一个求解三维岩土问题的最理想工具之一。
FLAC3D有良好的前处理功能，计算时程序自动将模型剖分成六面体单元，每个单元都可以有自己的材料模型，材料可以在外力及应力场的作用下发生屈服流动，节点的位置也会随着模型的屈服流动而发生改变（大变形时），因此，FLAC3D在模拟大变形问题上有其独到之处。
针对不同的材料，FLAC3D软件提供多达10种材料模型，能更真实地模拟实际材料的力学行为。
另外，FLAC3D可以模拟多种岩土工程地质不连续面，包括断层、节理等以及常见的多种支护形式，例如梁（beam）、锚杆（索）（cable）、桩（pile）、壳（shell）等。
本文需要模拟的内容是下分层开切眼顶板在未注浆，注浆1m、2m、3m情况下的顶板离层量、两帮移进量、屈服破坏情况和垂直应力分布情况。
数值模拟中采用Mohr-Coulomb屈服准则：
（3-1）
式中：
-最大主应力；
-最小主应力；
-内聚力；
-内摩擦角。
该模型包含剪切和拉伸两个准则。
当时，材料将发生剪切破坏［57］。
针对永红煤矿3511工作面的生产地质条件，综合考虑各方面影响因素，将模型划分为9层，建立如图所示的FLAC3D模型（煤层倾角3～6°
），为研究开切眼失稳的一般规律对模型进行简化：
模型按0°
建模，开切眼为宽×
高=4m×
3m的模型，数值模拟计算模型见图3-1所示，模型尺寸（长×
宽×
高）确定为：
200m×
1m×
60m，网格单元12000个，模型节点数24522个。
模型顶边界为应力边界，底边界为垂直位移固定，左右边界水平位移固定。
煤层埋深300m，上边界施加应力7.5MPa，侧压系数为1。
模型中各岩层和煤层的岩体力学参数如表3-1所示。
图3-1数值计算模型
Figure3-1Numericalcalculationmodel
表3-1数值计算模型的岩体力学参数
Table3-1Rockmassmechanicsparametersofnumericalcalculationmodel
岩层
岩层厚度
h/m
密度
Kg/m3
体积模量
K/GPa
剪切模量
G/GPa
摩擦角
f/°
粘结力
C/MPa
抗拉强度
T/MPa
上覆
22
2500
3.9
1.2
26
20
4
粉砂岩
4.8
2.45
24
10
细砂岩
6
2550
5.8
3.0
29
砂质
泥岩
8
2450
4.2
2.0
16
3#煤
6.25
1420
2.4
1.0
2.8
1.4
碳质
1620
2.2
0.9
3.6
2300
2.6
23
4.5
1.8
下覆
3.1.3上分层巷道掘进时围岩应力和变形特征
按弹塑性理论，把煤岩体作为弹塑性体进行分析，巷道尺寸远小于均值煤岩体尺寸。
巷道围岩沿径向应力表达式[78]为：
（3-2）
—理论上的单轴抗压强度理论值，，；
—理论上的单轴抗压强度的斜率，；
—内聚力，；
—内摩擦角，°
；
—初始应力，；
—塑性区半径，。
从公式3-2可知：
初始应力，巷道半径为以及自身岩体强度对塑性圈半径有影响。
实例计算：
以永红煤矿初始应力为计算条件，为20°
，为7.99，为2.8，巷道塑性区半径为2.39m。
巷道开挖影响巷道围岩应力状态、围岩位移场及塑性区分布，巷道围岩变形矢量图、塑性区分布图、垂直应力分布图分别见图3-2。
从图3-2
（1）可以看出，掘进巷道引起周边及深部向巷道中央位移，使巷道周边围岩位移场重新分布，并且围岩位移是从浅部逐渐向深部位移的，表现为周边位移大，深部位移小。
即在围岩深部出现零位移点，从围岩表面到围岩深部（零位移点）表现为围岩的剪应力区域；
围岩深部、围岩浅部与围岩表面之间的变形为依次升高。
由巷道垂直应力分布（图3-2
（2））特征来看，巷道围岩应力发生变化，应力集中区域由巷道围岩表面向围岩深部转移，最终表现为围岩表面出现应力降低而在围岩深部出现对称的应力集中核，也就是弹性压缩核。
巷道围岩浅部到深部围岩应力变化的过程即巷道变形破坏的过程，终态显现为两帮的围岩深部出现弹性压缩核，应力集中系数为1.33。
与围岩表面位移相反，表现为巷道浅部应力小，距离巷道两帮2m处，应力最大，为10MPa。
从图3-2（3），沿巷道水平或竖直中心线方向，围岩塑性区呈对称分布；
塑性区范围表现为底板塑性区大于顶板塑性区，两帮范围一致。
向底板深处影响为3.5m，而对两帮的影响为3.6m。
（1）位移矢量图
（2）垂直应力图（3）塑性区分布图
图3-2上分层巷道开挖对围岩变化的影响
理论分析和数值模拟计算表明：
塑性圈半径不仅与岩体自身的强度有关，而且还受到初始应力，巷道半径为的影响（巷道宽度为3.5m，即理论计算影响范围为2.39m）。
而数值计算表明，对两帮的影响为3.6m，对底板影响为3.5m。
巷道开挖对围岩周围影响范围较小。
围岩深部变形与围岩浅部、围岩表面变形之间具有明显的相关性，围岩深部、围岩浅部与围岩表面之间的变形为依次升高。
而通过数值计算和理论分析，巷道开挖影响巷道围岩应力状态、围岩位移场及塑性区分布，并且两者在计算误差范围内相吻合；
巷道围岩位移表现为浅部位移大，深部位移小；
应力由浅部向围岩深部转移，垂直应力最终表现为浅部应力小，深部应力大；
塑性区的破坏也是从表面、浅部到围岩深部依次发生变化，塑性区范围沿巷道水平或垂直方向对称分布，并且顶底板塑性区小于两帮塑性区。
3.1.4上分层工作面回采时底板应力分布特征
图3-3煤体与采空区交界处垂直应力等值线分布图
Figure3-5Coalmined-outareaatthejunctionoftheverticalstresscontourmaps
上分层30103工作面回采后，沿煤层倾向方向底板垂直应力场如3-3所示。
由图3-3可知，煤体与采空区交界处的采空区下出现应力降低区，应力值为2MPa，远低于原岩应力；
而在交界处的煤体下出现应力集中区，并且应力曲线呈现U型分布，距离采空区与煤体交界10m位置处，垂直应力高达20MPa，应力集中系数为2.67，明显高于只掘进巷道的应力集中系数。
结合上分层工作面底板应力分布情况，应将下分层开切眼布置在应力降低区域的的采空区下方，开切眼布置方向上即与上分层开切眼的内侧平行布置。
3.2布置不同位置时下分层巷道围岩应力分布特征（TheLowerSliceRoadwayLayoutDifferentPositionSurroundingRockStability）
影响下分层巷道稳定性的因素有：
围岩地质条件，巷道工程赋存环境，巷道施工因素以及布置位置等，本节着重研究巷道的布置位置对巷道稳定性的影响。
3.2.1下分层开切眼布置不同位置时围岩应力特性
（1）平行上分层采空区内侧0m
（2）平行上分层采空区内侧3m
（3）平行上分层采空区内侧6m（4）平行上分层采空区内侧9m
（5）平行上分层采空区内侧12m（6）平行上分层采空区内侧15m
（7）平行上分层采空区内侧20m（8）平行上分层采空区内侧25m
图3-4下分层开切眼内错0~25m垂直应力分布图
上分层煤体回采结束后，底板煤体垂直应力分布如图3-4所示。
图中显示煤柱中央呈现应力集中，为“弹性压缩核”，垂直应力值均为36MPa，应力集中系数为4.8。
在煤柱中央位置，应力以“椭圆”形式向底板深部逐渐降低传递；
在采空区位置应力降低，应力以“椭圆”形式向底板深部逐渐升高传递，但在煤柱左侧应力变化区域梯度较小，应力释放范围较小，；
从巷道变化形状来看，随着远离上分层煤柱布置巷道，开切眼形状变化越小，说明随着内错距离的增大有利于维护开切眼的稳定。
图3-5下分层开切眼内错0~25m水平应力分布图
根据上分层回采后下分层内错距离0~25m水平应力图可知，煤柱中央应力产生应力集中核，随着下分层巷道内错距离的增大，煤柱中央应力值先减小后增大，煤柱附近两侧的应力值呈倾斜层状分布，而在采空区下方呈现水平分布，向煤层底板深部应力值逐渐增大，根据最大水平应力理论，煤柱附近布置巷道，易引起顶底板变形剧烈；
沿煤柱纵向方向，应力值逐渐降低。
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