基于FLAC3D数值模拟确定合理封孔深度
基于FLAC（3D）的深部巷道围岩稳定性数值模拟研究
基于FLAC（3D）的深部巷道围岩稳定性数值模拟研究贾晓亮【摘要】针对由于巷道剧烈底鼓、巷道断面变形造成巷道运输及维护困难等问题,采用数值模拟计算软件FLAC~（3D）,数值计算得到宏发煤矿＋1 650 m集中运输大巷巷道开挖后围岩垂直应力、水平应力分布及塑性区分布,分析并得到了巷道底鼓机理：距离巷道底板临空面更近的倾斜C_（17）煤层的软弱顶板岩层随掘进扰动而首先破坏,造成左侧局部底鼓,继而巷道底板围岩应力因底鼓而持续动态重新分布,并逐渐向右侧及深部发展,致使底鼓逐渐恶化并表现出左右非对称特征。
综合考虑施工、经济、效果、瓦斯等因素,提出采用＂构筑反底拱＋底板注浆＋底板锚杆＂联合支护的底鼓控制措施。
【期刊名称】《能源与环保》【年(卷),期】2017(039)006【总页数】5页(P18-22)【关键词】FLAC3D 底鼓数值模拟围岩巷道支护【作者】贾晓亮【作者单位】中煤炭科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037【正文语种】中文【中图分类】TD862.1深部巷道围岩变形主要表现为围岩变形量大、变形速度快、巷道持续变形、流变、深部岩石扩容等特征[1-3]。
针对该情况，国内学者进行相关研究，张合超、房健、苏军等[4-6]采用FLAC3D模拟了不同支护参数条件下巷道支护效果，研究了地下开采对围岩的影响范围。
徐文彬、许梦国、余伟健等[7-9]分析了交叉型巷道群围岩由于不同的开挖顺序而产生不同的应力状态、位移变形以及塑性屈服变化特征，对比了不同布置形式的底部结构在开挖影响下的稳定性。
宁建国、刘泉声、何富连等[10-12]采用FLAC3D数值模拟软件分析空间交叉巷道的应力分布特点以及沿下方巷道轴向方向形成的应力增高和降低区。
牛学超、闫长斌、肖明等[13-15]提出了大型地下洞室施工开挖过程动态模拟的三维有限元数值分析方法，并通过工程实例分析爆破震动作用下地下硐室群的稳定性。
宏发煤矿地处云贵高原，地质构造极为复杂，巷道所处的煤层直接顶为粉砂质泥岩，顶板节理发育，表现出深部巷道围岩变形的特征，且其巷道原支护结构方式和参数不合理等原因使得巷道发生严重变形和破坏，其中深部高应力和围岩较低承载能力是该矿巷道变形破坏的主要原因。
基于FLAC3D数值模拟确定合理封孔深度
基于FLAC3D数值模拟确定合理封孔深度摘要：文章结合晋煤集团赵庄矿13074巷道的实际地质条件，采用数值模拟方法分析松动圈范围及最大应力区，以此确定该地点合理的封孔深度为7～9.5 m之间。
关键词：数值模拟；松动圈；封孔深度封孔深度在很大程度上决定瓦斯抽采效果，目前国内合理封孔深度大多依靠分析巷帮煤体内的应力分布情况确定合理的封孔深度。
这种方法确定合理封孔深度较为接近实际情况，为广大工程技术人员所认可。
《煤矿瓦斯抽采设计规范》对封孔深度的规定如下：孔口段围岩条件好、构造简单、孔口负压较低时，封孔长度不应低于3 m；孔口段围岩裂隙较发育、或孔口负压较高时，封孔长度不应低于5 m；在煤壁开孔的钻孔，封孔长度不应低于7 m。
合理封孔深度是指既保证封孔不漏气又可以做到封孔深度最短。
确定瓦斯抽采钻孔合理封孔深度的关键是确定巷道在开挖、钻进扰动下松动圈的范围及应力集中区的峰值点（如图所示）；在松动圈内，煤体被压酥，较松软破碎，裂隙充分发育，漏气通道增多；又由于煤体内应力的不断释放，煤体透气性和渗透率进一步增大，易造成钻孔漏气。
而在塑性区范围内煤体应力增加，煤体被压实，极不易漏气，需确定塑性区的应力峰值点。
所以合理封封孔深度就是要超过松动圈且在不超过峰值应力点的范围内。
1 煤岩体物理力学性能参数13074巷沿3#煤层顶底板掘进，巷道所处煤层平均厚度为4.7 m，为近水平赋存，巷道断面尺寸为5.6×4.7 m，掘进断面积为27.3 m2。
3#煤层顶底板岩层分布见表1。
2 数值模拟模型建立三维模型尺寸长×宽×高=1 m×65.6 m×14.2 m，边界条件取为：水平边界采用铰支，底部采用固支，上部为上覆岩层荷载如图1所示。
13074巷道对应煤层埋深取最大值670.5 m，自重应力为初始垂直应力，岩石容重可以取为25 kN/m3，得出垂直应力为16.75 MPa，垂直应力施加在模型的上部边界，现在选取侧压系数为1，计算可得水平应力为16.75 MPa，即双向等值。
基于FLAC3D的深基坑支护三维数值模拟分析
Ｖｏ Ｉ ． ２ ９ Ｎｏ ． １，Ｆ ｅ ｂ ．２ ０ １ ７
ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ — ８ ７ ９ ８ ． ２ ０ １ ７ ． ０ １ ． ０ ０ ７
基于 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ 的 深 基 坑 支 护 三 维 数 值 模 拟 分 析
ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｉ ｔ ｓ ｕ ｐ ｐｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＦＬＡＣ３ Ｄ
Ｃ Ｈ ＥＮ Ｇ Ｚｅ ｈａ ｉ 。Ｙ Ｕ Ｚｈｅ ｎｓ ｈｕ ａ ｉ （ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃｉ ｖ ｉ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ａｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ，Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｈａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ ２ ３，Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ）
中图分类号 ： ＴＵ ４ ７ ６ ． ４ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ １ — ８ ７ ９ ８ （ ２ ０ １ ７ ） ０ １ — ０ ０ ３ ７ — ０ ６
Ｔｈｒ ｅ ｅ — ｄｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｄ ｅ ｅ ｐ
程 泽海 ， 于 振 帅
（ 浙 江科 技 学 院 土 木 与 建 筑 工 程 学 院 ， 杭州 ３ １ ０ ０ ２ ３ ）
摘 要 ： 为 研 究 基 坑 不 同 支 护 方 式 对 围 护 结 构 变 形 及 稳 定 性 的影 响 ， 利用 Ｆ Ｉ Ａ Ｃ ３ Ｄ 三 维 快 速 拉 格 朗 日差 分 方 法 对某地铁深基坑分步开挖与支护进行数值模 拟 ， 并 对 两 种 支 护 方 案 进 行 对 比 分 析 。研 究 结 果 表 明 ： 地 下 连 续 墙 最 大 水平 位 移 出 现 在 墙 顶 ， 且 位 于 地 下 连 续 墙 长 度 方 向 的 中部 ； 在分步开挖 时 ， 第 一 步 开 挖 时 地 下 连 续 墙 的 位 移
基于FLAC_3D_的深部巷道围岩变形数值模拟
名称
内聚力 / MPa
内摩 擦角 /（ °）
弹性 模量 / GPa
泊松 比
剪切 抗拉 抗压 模量 强度 强度 / GPa / MPa / MPa
细砂岩 3. 5 32. 5 2. 7 0. 17 1. 6 2. 4 57
粗砂岩 2. 2 22 2. 0 0. 17 1. 3 1. 8 48
垂直应力分布在巷道两边 7 m 左右出现拉应力 集中，大小为 31. 58 MPa，在巷道底边及顶板处压应 力为 5 MPa，并 且 随 着 远 离 巷 道，应 力 增 大 为 10 MPa，应力呈现对称分布，在巷 道 两 肩 部 应 力 值 稍 大，为 25 MPa。 3． 2． 3 水平方向位移
Dongrong No． 2 mine by using FLAC3D with theory directive function at a certain degree，it could be observed from analysis result that spray anchor note support could control surrounding rock deformation effectively，improve laneway surrounding rock stress distribution，reduce displacement amount of laneway， enhance strength of surrounding rock and self-bearing ability，support structure long-time stable could solve deep crush roadway surrounding rock deformation controlling problem well．
FLAC3D在深基坑工程开挖中的数值模拟分析
随着基坑开挖深度 的增 加而加大 ， 基坑 壁 向坑 内的水平位 移变 化趋势仍 然是 中间部分最 大 ， 边角处 最 小， 而且基坑壁的长边 由于开挖 的范 围相对较大 ， 其变形量 相对 于短边也增 大 ， 这充分体 现 了基坑 开挖
过程 中的时空效应 ， 数值模拟计算结果可 以为工程设计提供指导 和参考 。 关键词 ： Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ ； 深 基坑 ； 位移 ； 数值模拟 中图分类 号 ： Ｔ Ｕ ４ ７ ０ ． ３ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ６ ７ ２ ＿ｌ １ ４ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ —０ ｏ １ ７ —０ ４
第 １ １ 卷第 ４期
２ ０ １ ３年 ８月
水 利与 建筑工 程学 报
ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｅ ｎ ｎ ｅ ｅ 血ｌ ｇ
Ｖｏ １ ． １ １ Ｎｏ． ４
Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＦＬＡＣ３ Ｄ ｉ ｎ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ Ｄｅ ｅ ｐ Ｆｏ ｕ ｎｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐｉ ｔ Ｅｘ ａｖ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
ｔ ｒ ａ ｌ ｂ ｓｅ ａ ｍｅ ｎ ｔ ，ｔ ｈｅ ｕ ｐ ｌ ｉ ｆ ｔ ｇ ｒ ｏ ｗ ｓ ｔ ｏ ｈｅ ｔ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｔ ｖ ｌ ａ ｕ ｅ ，ａ ｎ ｄ ｎ ｅ ｒ ａ ｈｅ ｔ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｉ ｔ ｗ ｌｌ ａ ，ｉ ｔ ｉ ｓ ｓ ｍａ ｌｌ ｅ ｒ ．Ａｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｅ ｔ ｉ ｍｅ ， ｔ ｈ ｅ Leabharlann Ａ ｕ ｇ．， ２０１ ３
基于FLAC3D的矿山开采沉陷数值模拟研究
基于FLAC3D的矿山开采沉陷数值模拟研究中国经济的快速发展,对能源的需求量越来越大,特别是煤矿资源。
煤矿被开挖出之后,矿区岩体的原有应力会发生很大的变化,当应力的改变超出一定范围,则地表产生移动和变形,这将给社会和环境带来巨大的问题。
因此开展开采沉陷的研究显得尤为重要,掌握地表沉陷规律就可以采取适当的措施避免地下开采的有害影响。
本文阐述了顾北矿某首采工作面的基本情况和地质资料,并以工作面的地质资料为基础,利用编写的程序导入到FLAC3D模拟软件中进行数值模拟试验,模拟矿山不同推进进度、不同煤层采厚、不同煤层倾角情况下地表移动变形规律,为矿山开采沉陷工程实践提供依据和方法,得出的规律如下：1.推进进度的影响：随着工作面的不断推进,地表最大下沉值和水平移动值不断增大,采空区也不断扩大,采空区上覆岩体塌落的高度和范围也将增大。
走向方向的最大下沉值点位于采空区中央上方且以最大下沉值为中心曲线两边对称,倾向方向的最大下沉值关于采空区中央呈现对称状态。
2.煤层采厚的影响：随着煤层采厚的不断增加,垂直方向的最大下沉值不断增大,水平位移值也不断增大,其下沉对地表的影响范围基本保持不变。
3.煤层倾角的影响：当煤层开采倾角的增大时,倾向方向最大下沉值不断减小,且最大下沉值点不位于采空区正中央,而是往煤层上山方向移动,下山方向的水平位移值不断减小,上山方向的水平位移值不断增大。
FLAC3D对基坑开挖数值模拟分析
第 27 卷 第 4 期 2013 年 8 月
资源环境与工程 Resources Environment ＆ Engineering
Vol. 27，No. 4 Aug．，2013
（ 3） 定义边界条件、初始条件，来定义模型的初始
状态。
2 基坑开挖模型的建立及结果分析
2． 1 工程概况 工程区位于辽宁省抚顺市，地上为 24 层住宅楼，
地下 为 2 层 停 车 场。基 坑 开 挖 范 围 为 长 40 m，宽 18 m，深 8 m。区内地形平坦，地貌单元属于浑河冲积 阶地。地下水类型为第四系孔隙潜水。稳定水位埋深 为 9． 3 ～ 11． 5 m。地下水位年变化幅度约为 2． 0 m，该 地下水主要以大气降水为补给来源。
根据现场钻探所揭露地层表明，构成工程区地层为： ① 填土： 由粘性土和少量砖块、碎石 等 组 成，松 散。该层分布不连续。层厚 0． 3 ～ 0． 6 m。对基坑稳 定影响较小。 ② 粉质 粘 土： 黄 褐 色、灰 黑 色，可 塑。摇 振 反 应 无，稍有光泽，干强度中等，韧性中等。该层分布连续。 地层的物理力学参数见表 1。
表 1 物理力学参数表
Table 1 Physical and mechanical parameters
天然重度 / 弹性模量 / 地层
（ kN·m － 3 ） GPa
粉质黏土 18． 6
0． 28
粘聚力 / MPa 0． 01
内摩擦角 /
（ °） 35
泊松比 0． 27
2． 2 基坑计算模型的建立及结果分析 模型根据具体实际地形建立，坐标系以基坑长边
基于FLAC3D的深基坑支护数值模拟应用
基于FLAC3D的深基坑支护数值模拟应用基于FLAC3D的深基坑支护数值模拟应用摘要：本研究利用有限元数值模拟软件FLAC3D对深基坑支护进行了数值模拟。
通过对建筑施工现场实际参数的调查和相关文献的研究，我们建立了一个三维数值模型，并进行了不同支护方案的比对分析。
结果表明，采用加强钢支撑和地下连续墙的支护方案，能够有效地减少土壤变形、保证建筑物的安全性。
关键词：深基坑、支护、FLAC3D、数值模拟、加强钢支撑、地下连续墙1. 引言近年来，城市建设和基础设施建设快速发展，深基坑建设越来越普遍。
但是，深基坑工程施工过程中的安全问题一直备受关注。
其中，深基坑支护是工程中的一个重要环节。
为了确保施工期间的安全性，提高深基坑工程的质量和效率，数值模拟成为了深基坑支护研究的重要方法。
本文利用FLAC3D有限元软件，对深基坑支护进行了数值模拟，探究了不同支护方案对支护效果的影响。
2. 建立数值模型本文选取了某施工现场所需建设的深基坑作为研究对象，通过现场实际参数的调查和相关文献的研究，建立了一个三维数值模型，包括土体、加强钢支撑和地下连续墙等要素。
我们选用FLAC3D软件，采用三维非线性、非弹性有限元法建立了深基坑支护数值模型。
3. 数值模拟分析本文通过数值模拟的方法，分别对三种支护方案进行了分析和比较。
根据实际工程情境和可行性，将基坑侧壁加强钢支撑和地下连续墙结合起来，分别分析了它们分别对基坑支护的影响。
3.1 仅加强钢支撑采用钢支撑作为支护方案，计算结果表明，在基坑侧壁进行局部加强支撑的情况下，土体变形量和基坑下沉量都可控制在较小的范围内。
但是，当钢支撑的纵向间距较大时，局部土体变形较大。
3.2 仅连续墙支护采用地下连续墙作为支护方案，计算结果表明，连续墙的设置是很有必要的。
连续墙的加固作用可以有效地控制土体侧向位移和基坑下沉量。
但是，如果连续墙质量不好，可能会导致工程安全事故发生。
3.3 加强钢支撑和连续墙结合支护我们采用加强钢支撑和地下连续墙结合的支护方案，计算结果表明，在相同的施工条件下，结合支护方案的基坑下沉量更小，变形量也更小。
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基于FLAC3D数值模拟确定合理封孔深度
摘要：文章结合晋煤集团赵庄矿13074巷道的实际地质条件，采用数值模拟方法分析松动圈范围及最大应力区，以此确定该地点合理的封孔深度为7～9.5 m之间。
关键词：数值模拟；松动圈；封孔深度
封孔深度在很大程度上决定瓦斯抽采效果，目前国内合理封孔深度大多依靠分析巷帮煤体内的应力分布情况确定合理的封孔深度。
这种方法确定合理封孔深度较为接近实际情况，为广大工程技术人员所认可。
《煤矿瓦斯抽采设计规范》对封孔深度的规定如下：孔口段围岩条件好、构造简单、孔口负压较低时，封孔长度不应低于3 m；孔口段围岩裂隙较发育、或孔口负压较高时，封孔长度不应低于5 m；在煤壁开孔的钻孔，封孔长度不应低于7 m。
合理封孔深度是指既保证封孔不漏气又可以做到封孔深度最短。
确定瓦斯抽采钻孔合理封孔深度的关键是确定巷道在开挖、钻进扰动下松动圈的范围及应力集中区的峰值点（如图所示）；在松动圈内，煤体被压酥，较松软破碎，裂隙充分发育，漏气通道增多；又由于煤体内应力的不断释放，煤体透气性和渗透率进一步增大，易造成钻孔漏气。
而在塑性区范围内煤体应力增加，煤体被压实，极不易漏气，需确定塑性区的应力峰值点。
所以合理封封孔深度就是要超过松动圈且在不超过峰值应力点的范围内。
1 煤岩体物理力学性能参数
13074巷沿3#煤层顶底板掘进，巷道所处煤层平均厚度为4.7 m，为近水平赋存，巷道断面尺寸为5.6×4.7 m，掘进断面积为27.3 m2。
3#煤层顶底板岩层分布见表1。
2 数值模拟模型建立
三维模型尺寸长×宽×高=1 m×65.6 m×14.2 m，边界条件取为：水平边界采用铰支，底部采用固支，上部为上覆岩层荷载如图1所示。
13074巷道对应煤层埋深取最大值670.5 m，自重应力为初始垂直应力，岩石容重可以取为25 kN/m3，得出垂直应力为16.75 MPa，垂直应力施加在模型的上部边界，现在选取侧压系数为1，计算可得水平应力为16.75 MPa，即双向等值。
3 数值模拟结果分析
本文通过模拟赵庄煤矿13074巷道开挖，得出巷道两帮围岩塑性区分布。
后期使用Tecplot软件得出围岩水平应力分布、围岩垂直应力分布图，从而得出巷道两帮应力分布曲线
由上图数据可以得出以下几点：
①巷道两帮和顶、底板塑性区域分布规律，巷道掘进以后巷帮塑性区域为0～6.75 m。
②巷道在开挖以后破坏了原有的应力状态，围岩应力进行了重新分布。
水平应力和垂直应力在巷道两帮、顶板和底板都出现了应力降低区域。
③从巷帮水平应力和垂直应力拟合以后的应力分布曲线可以精确得出0～7 m为应力降低区，7～22.45 m为应力升高区，在9.48 m处达到应力峰值。
4 结语
由数值模拟和巷道开挖后的应力重新分布理论可以得出合理的封孔深度应在7～9.5 m之间。
参考文献：
[1] 贾良伦.瓦斯抽放钻孔封孔长度的确定与实践[J].煤炭工程师，1998，（1）.
[2] 孙培源.顺煤层钻孔抽放瓦斯数值模拟与应用[J].西安矿业学院学报，1989，（1）.。