flac实验报告

《FLAC 在采矿中的应用》

3D

实 验 报 告

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实验（一） FLAC3D 在采矿中的应用

1 实验目的

（1） 掌握圆形巷道周围的应力、位移分布情况 （2） 了解应力集中情况

2 实验步骤

(1) 模型的建立

为了使结果更加可靠同时具有可比性，采用不同梯度的支护阻力Ps做对比，Ps分别取0MPa、1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa。模型侧面及下部边界都固定住位移，开挖部分截面为圆形，半径为4m，同时为了消除边界位移和应力的影响，模型大小为80m60m60m，模拟埋深为600m，因此初始应力选择为gh15MPa，本次模拟测压系数选择为0.8。模型总共包含有177120个单元，182819个节点，为了使模拟效果更好同时也为了方便计算，模拟的圆形巷道及其附近的网格比模型边缘部分密集一些，模型如图1所示。由于本文只是研究支护阻力在地下围岩控制中所发挥的作用，因此整个模型选择同一岩石参数，材料参数如表1，材料破坏符合Mohr-Coulomb屈服准则。

表 1 力学参数

岩体 砂质泥岩

弹性模量/GPa 5.425

泊松比 0.147

内聚力/MPa 2.16

摩擦角/°

36

抗拉强度/MPa

0.75

圆形巷道圆心坐标为（40 0 30），四个测点的坐标分别为1号（44 0 30），2号（36 0 30），3号（40 0 34），4号（40 0 26），1号和2号测点分别位于两帮中间，3号、4号测点分别为顶底板中间点。三维计算过程为：建立模型→附加初始应力值→定测点→开挖巷道→计算平衡→结果输出→后续处理。

图1 FLAC3D模型及其局部放大图

(2) 数值模拟结果及分析

1号测点X方向位移 2号测点X方向位移

3号测点Z方向位移 4号测点Z方向位移

图2

由图2可知，两帮位移明显增长较快，尤其是顶板的位移速度几乎一直处于递增状态，顶板位移主要发生在顶部6m的范围内，底板的位移主要发生在5m范围内，两帮的位移比较接近，主要发生在2.1m范围内，如果巷道开挖以后不及时对其采取支护措施，那么顶板会持续下沉，同时底板的底鼓现象也会逐渐的变得严重起来，最终导致的结果是加速两帮的位移，可以预见巷道不久就会因为急剧变形而发生失稳破坏。而施加了最小支护阻力1MPa后，这种位移速度迅速得到了一定程度减缓，两帮的位移速度减小了34%左右，顶板的位移速度也减小了23%左右。同时随着支护阻力Ps的增加，X方向的位移速度继续下降，并达到一定的速度稳定不变。由于垂直应力大于水平应力，所以圆形巷道的顶板的位移量明显大于帮体的位移量，但是随着支护阻力Ps的增加，Z方向的位移速度也在减小并逐渐接近两帮位移速度。

a 0MPa b 1MPa

c 2MPa d 3MPa

e 4MPa f 5MPa

图3不同支护阻力下塑性区范围

为了直观反应塑性区范围的三维分布情况，借助fish语言生成图3a~e的塑性区三维分布图。由图3-a可知，在不加任何支护阻力的前提下，破坏范围最大处位于两帮中间的1.6m范围内的岩体。两帮正处于剪切破坏状态，而在顶底板的中间位置都已经发生过剪切破坏，顶底板的塑性区的范围达1.2m。所有塑性区连接在一起把巷道包围并形成一个塑性圈，有学者也称之为松动圈。随着支护阻力的增大，塑性区的范围逐渐的变小，在支护阻力达到5MPa的时候，围岩基本保持完整。图4是不同支护阻力下发生塑性变形的单元格数目，通过图中的柱状图和塑性区的对比，我们更加形象直观的观察到围岩破坏范围随着支护阻力的变化情况。

图4 塑性区柱状图

如果在开挖完巷道以后，立即在围岩壁施加一个垂直于围岩壁的支护阻力Ps，通过以上几组不同支护阻力的对比，不难看出，随着支护阻力的提高，围岩体附近的塑性区范围也在逐渐缩小，如图4在支护阻力由0MPa变为1MPa的时候，塑性区单元数目几乎减小一半，而支护阻力加载到3MPa的时候，如图3-d，这种塑性圈就不再闭合，此时的塑性区主要在两帮附近岩体的0.4m范围内。在支护阻力增加到4MPa的时候，顶底板几乎保持完好，没

有发生塑性变形，只是在两帮的部分区域有塑性区。而当支护阻力增加到5MPa的时候整个圆形巷道都保持完好，没有塑性区的产生。

如果在开挖后，不及时进行支护，让其成为一个裸巷而自由变形，结果造成巷道一直处于卸压状态，加之围岩体正在发生着剪切破坏，围岩体间的裂隙正在逐渐变大，如果此时巷道上方有渗流下来的水分子等渗入裂隙以后，导致岩石扩容膨胀，裂隙进一步扩大，最终会使岩体本身的强度变低，加速了塑性区的扩张，最终引起围岩体的解体破坏。

在巷道在开挖完成后，立即在开挖后的巷道内壁施加一定的支护阻力Ps，这时围岩体内部受到的围压提高，而且随着支护阻力的提高，塑性区内破碎岩石间的缝隙逐渐变小，岩体间接触面变大，进而围岩体间摩擦力变大，使得围岩体由原来的卸压状态变为三向受力状态，也就提高了岩石的残余强度，大大提高了岩体自身的承载能力，阻止了塑性区的进一步扩大，降低了围岩的位移速度，达到保证围岩体稳定性的目的。

3 实验的不足之处

1） 本构模型是在摩尔库伦破坏准则的基础上建立的，因此岩石力学参数的合理选取直接关

系到模拟结果的精度问题，而本实验采用的力学参数并没有做相关岩石力学参数测试的实验，只是根据别人的参数进行了遴选。

2） 本实验为了方便，只是在巷道的面上加了一个垂直力，因此支护阻力的施加跟实际的支

护情况不符。

3） 由于flac3d是基于连续介质的有限差软件，因此无论施加多大的力，巷道都不会垮落。 4） 支护阻力是在开挖后立即加上的，没法模拟真实的滞后支护。

5） 没有对本构模型的选取进行理论分析，因此没有得出一个合理的符合真实情况的力学模

型，进而利用vc++建立一个合理的本构模型。

6） 没有考虑到岩层的性质对结果的影响，而实际情况是软岩、中硬岩、硬岩的应力、位移

分布具有很大的差异性。

7） 只选取的一组侧压系数，忽略了侧压系数的因素。