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      動荷載下巷道壓力與支護(hù)數(shù)值模擬研究

      2009-09-04 03:58:50徐春常
      關(guān)鍵詞:平巷動壓采動

      徐 成 徐春常

      摘要:文章對工作條件下受動荷載影響巷道及護(hù)巷煤柱的應(yīng)力及變形規(guī)律進(jìn)行了研究。研究表明:動荷載下引起的側(cè)向支承壓力集中區(qū)位于煤柱附近上方的巖層中,變形受工作面開采影響很大,高強(qiáng)、全長樹脂錨固錨桿可以有效的控制此類巷道的圍巖變形。

      關(guān)鍵詞:地質(zhì)條件;工作面;巷道壓力;數(shù)值模擬

      中圖分類號:TD322 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

      文章編號:1674-1145(2009)12-0163-02

      對受動壓影響巷道來說,產(chǎn)生的附加變形與破壞的程度,取決于兩方面的因素:一是巷道所受采動附加壓力的大小、分布和作用時間的長短;二是巷道自身的穩(wěn)定狀況的好壞,即承受附加壓力能力的大小。

      一、地質(zhì)條件概述

      某煤礦42105綜采工作面回風(fēng)平巷II所在的4-1煤層厚度基本穩(wěn)定,平均煤厚3.5 m,埋深120 m左右,傾角1°左右。直接頂巖性為灰色泥巖水平層理,厚度6 m左右。老頂為灰色粉砂巖,水平—波狀層理,中部局部見斜交及變形層理,底部團(tuán)塊狀,厚度4 m左右。底板為深灰色泥巖,底板穩(wěn)定性較差,遇水軟化。直接底為深灰色泥巖,遇水軟化,厚度2.6 m左右。回風(fēng)平巷II與回風(fēng)平巷I間距25 m,兩條巷道之間每隔50 m有聯(lián)絡(luò)巷相聯(lián)。主要研究在44105工作面開采過程中,回風(fēng)平巷II在動壓影響下的支護(hù)狀況。數(shù)值模擬軟件運用三維有限差分計算機(jī)程序FLAC3D建立立體模型。

      二、數(shù)值模擬分析

      (一)數(shù)值模擬初值設(shè)定

      模型底邊界垂直位移固定,左右邊界水平方向位移固定。各巖層力學(xué)性質(zhì)根據(jù)實際情況而定,如表1所示。材料本構(gòu)模型為摩爾—庫侖模型。

      三維計算過程為:模型生成—原巖應(yīng)力計算—回風(fēng)平巷I與回風(fēng)平巷II開挖—計算穩(wěn)定—44102工作面分步開采—各步計算平衡—結(jié)果輸出。其中模型由180000個塊體,190568個節(jié)點組成,在xz平面內(nèi)劃分情況如圖3所示。

      計算采用莫爾—庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則:fs=σ1-σ3(1+sinφ)/(1-sinφ)+2c (1+sinφ)/(1-sinφ),式中,σ1,σ3分別是最大和最小主應(yīng)力;c和φ分別是材料的黏結(jié)力和摩擦角。

      (二)模擬結(jié)果分析

      采準(zhǔn)巷道的礦壓顯現(xiàn)比煤體內(nèi)不受開采影響的單一巷道要復(fù)雜得多,它的維護(hù)狀況除取決于影響單一巷道維護(hù)的諸因素外,主要取決于采動影響,即煤層開采過程中引起的采場周圍的巖層運動和應(yīng)力區(qū)更新分布、對采準(zhǔn)巷道的變形、破壞和維護(hù)的影響。

      工作面開采55m時,沿巷道工作面開采55m時頂板垂直應(yīng)力圖如圖1所示,10m~15m處是回風(fēng)平巷II的位置,15m~35m是保護(hù)煤柱的位置,35m~40m為回風(fēng)平巷I的位置,40m~100m是工作面開采的范圍(圖1主要為了說明煤柱上的垂直應(yīng)力情況,50m~100m的應(yīng)力圖中沒有標(biāo)出)的。

      分析結(jié)果表明,當(dāng)44105工作面回采時,垂直應(yīng)力演化的特點:由于煤層開采引起上覆巖層跨落、彎曲形成巖梁結(jié)構(gòu),采動引起的側(cè)向支承壓力集中區(qū)位于煤柱附近上方的巖層中,應(yīng)力集中區(qū)靠近采空區(qū)一側(cè);應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力最大值為6.5MPa;煤柱上靠近采空區(qū)附近的巖層,其應(yīng)力水平很低,這與煤柱附近存在壓不實死三角區(qū)有關(guān);回風(fēng)平巷II處于44105工作面采動引起的支承壓力影響區(qū)內(nèi),其中靠近采空區(qū)的右?guī)褪艿降拇怪睉?yīng)力要大于左幫。圖2是工作面推進(jìn)過程中,回風(fēng)平巷II的頂板下沉量,交叉點是回風(fēng)平巷II與聯(lián)絡(luò)巷的交叉點。圖3是工作面推進(jìn)過程中,在沒有支護(hù)的情況下,回風(fēng)平巷II的兩幫移近量。由圖2、3可以看出,無論是利用錨桿支護(hù)還是不支護(hù)下,回風(fēng)平巷II在掘進(jìn)期間巷道的圍巖變形量以及從掘巷穩(wěn)定到受到工作面開采影響期間的巷道流變都不是很大。

      從圖2還可以看出,在受到采動影響以前,在錨桿支護(hù)的情況下,其圍巖變形量比不支護(hù)的情況下還是小一些;回風(fēng)平巷II受到了工作面回采期間強(qiáng)烈的動壓影響。其中,回風(fēng)平巷II與聯(lián)絡(luò)巷交叉點圍巖變形量要遠(yuǎn)大于非交叉點巷道圍巖變形量。

      從圖3還可以看出,巷道左幫先是產(chǎn)生向右的位移,在受到動壓影響后,巷道產(chǎn)生較大的向左的位移,并趨于穩(wěn)定。另外,巷道右?guī)偷淖冃我笥谧髱偷淖冃危@是由于巷道的右?guī)臀挥诿褐粋?cè),當(dāng)回風(fēng)平巷II受到采動影響時,巷道右?guī)透浇拇怪眽毫Υ笥谙锏雷髱?,因而產(chǎn)生了比左幫大的變形量。由模擬分析可知,在具有合適寬度的保護(hù)煤柱的前提下,受動壓影響煤巷中使用高強(qiáng)度、全長樹脂錨固錨桿支護(hù)是可以有效地控制巷道變形。

      三、結(jié)論與建議

      1.由于煤層開采引起上覆巖層跨落、彎曲形成巖梁結(jié)構(gòu),采動引起的側(cè)向支承壓力集中區(qū)位于煤柱附近上方的巖層中,并靠近采空區(qū)一側(cè)。應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力一般可達(dá)原巖應(yīng)力的2~3倍。

      2.受動壓影響的煤巷變形受工作面開采影響很大,當(dāng)工作面靠近巷道時,巷道變形急劇增長,并隨著工作面的遠(yuǎn)離,變形趨于穩(wěn)定。其中靠近煤柱一側(cè)的幫由于受到較大的支承壓力,其變形要大于另一幫。

      3.在護(hù)巷煤柱相對較寬的情況下,受動壓影響煤巷中使用高強(qiáng)度、全長樹脂錨固錨桿支護(hù)是可以有效的控制巷道變形的。

      4.在既受動壓影響而且巷道寬度又較大的巷道中,錨桿支護(hù)的同時應(yīng)采用鋼筋網(wǎng)護(hù)表,增大錨桿的承載面積,防止錨桿間小塊松石的冒落,大大改善錨桿系統(tǒng)的整體支護(hù)性能。

      5.在巷道交叉點等有可能出現(xiàn)較大變形的地方,可以用錨索支護(hù)作為加強(qiáng)支護(hù)措施,提高錨網(wǎng)基本支護(hù)形成組合梁或組合拱結(jié)構(gòu)的抗彎能力,從而提高淺部圍巖的穩(wěn)定性,控制巷道變形。

      參考文獻(xiàn)

      [1]鄭百生,謝文兵,陳曉祥.柴里煤礦跨采巷道圍巖加固機(jī)理分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004,32(5).

      [2]鄭百生,謝文兵,竇林名,等.近距離孤島工作面動壓影響巷道圍巖控制[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,35(4).

      [3]謝文兵,陳曉祥,鄭百生.采礦工程問題數(shù)值模擬研究與分析[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005.

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