深部矿井巷道围岩蠕变规律的数值模拟

■原富珍 魏新栋

（中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116）

深部矿井巷道围岩蠕变规律的数值模拟

■原富珍 魏新栋

（中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116）

选用修正的时间强化模型并应用ANSYS有限元软件，对某埋深800m的矿井巷道围岩进行蠕变变形分析，并对无支护条件下、底板开放式锚杆组合支护和全断面锚杆支护条件下的变形规律进行了比较。结果表明，全断面锚杆支护方式的围岩变形控制效果最好，两帮和顶板是巷道变形最大部位。

蠕变 深部矿井 锚杆支护 ANSYS

浅部资源的逐渐枯竭，使得煤炭开采逐渐向深部延伸。开采深度增加的同时，地质条件恶化、破碎岩体增多、地应力增大、地温升高等均导致突发性工程地质灾害发生机率增大。受深部“三高一扰动”所带来的影响，使得深部巷道支护成为地下工程中一项重要而复杂的技术问题，是矿井向深部发展的关键技术之一。研究深部巷道破坏变形规律及支护技术，对分析深部岩石力学特性具有重要意义。

蠕变是指物体受力变形中存在与时间有关的变形性质，表现为应力松弛、流动、弹性后效与时间强度的特性。如巷道开挖引起的地表沉降、巷道和硐室开挖后的持续变形与收敛等。

1　ANSYS蠕变分析

ANSYS使用隐式和显式积分两种方法来进行蠕变分析，均可应用于静态和瞬态分析。隐式蠕变应用了Euler向后积分法求解蠕变应变，可以处理温度相关蠕变常数，同时模拟蠕变与等向强化塑性模型。本文选取隐式蠕变分析方法，应用?TB?命令(?Lab? =CREEP)，通过TBOPT值选择蠕变方程。

2　数值模型的建立

以某煤矿800m埋深条件下的巷道围岩为研究对象，上覆岩层力学参数见表1。计算模型为长宽均为30m的平面应变模型，巷道为半圆拱形，直墙高1.5m，拱高2.5m，拱半径为2m。ANSYS蠕变分析岩体单元选取plane182单元，锚杆单元为link180单元。

表1　上覆岩层材料参数

3　蠕变模型及参数选取

ANSYS中共提供了13个蠕变模型，分别用它们拟合单轴蠕变试验数据。根据相关文献表明，修正的时间强化模型的拟合精度最高，如式（1）所示。

其中：C1=5.2×10-12，C2=1.5，C3=-0.7，C4=0。

边界条件为：左右边界为水平位移约束，下边界为垂直位移约束，上边界为竖直向下的上覆岩层自重载荷。

4　巷道蠕变变形规律分析

4.1无支护条件下围岩变形规律分析

选取第1、8、16、24、40、60天的变形大小来表现成巷后变形速率的变化，60天时的位移云图如图1所示。

通过对顶板变形量，两帮移近量，底臌量的分析可知，在成巷60天内仍处于初始蠕变阶段。巷道两帮变形最大，变形量为173mm；顶板变形次之，为120mm；底板变形量最小，为83mm。图2是巷道帮部、顶板、底板的变形速率曲线图。两帮在60天内的平均变形速率为2.88mm/d，顶板为2.00mm/d，底板为1.38mm/d。巷道开挖初期变形速率较大，随着时间的延长速率会逐渐变小，符合蠕变第一阶段的变形特征，60天时变形速率趋于稳定。

图1　无支护条件下60天时水平、竖直位移云图

图2　无支护条件下巷道变形速率曲线

4.2锚杆支护条件下围岩变形规律分析

锚杆支护方式如图3所示，分别为：底板开放式锚杆支护和全断面锚杆支护。锚杆的参数为：长5m，横截面3.8cm2，弹性模量为200GPa，泊松比为0.2。

对于埋深800m的巷道，在成巷60天内仍处于初始蠕变阶段。经过计算，在此巷道开挖成60天内，两种支护方式下，巷道两帮变形最为严重，变形量分别为97mm和76mm，较无支护条件下优化了43.9%和61.1%；顶板变形次之，分别为72mm和64mm，较无支护条件下优化了40.0%和51.1%；底板变形量最小，分别为55mm和46mm，较无支护条件下优化了32.1%和48.5%。

图3　锚杆布置图

5　结论

通过对埋深800m矿井巷道在无支护条件下、底板开放式锚杆组合支护和全断面锚杆支护条件下的变形规律进行了比较，发现底板开放式锚杆组合支护较无支护情况下巷道蠕变变形的控制有较大提高，全断面锚杆支护则进一步控制了围岩蠕变变形。通过对比，可以得出两帮与顶板是巷道支护的重点部位。

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P62[文献码]B

1000-405X（2016）-7-152-2