松軟破碎圍巖大斷面跨層巷道層位確定及其穩(wěn)定性研究

田和平，牛 顯，王嘉樂

（1.山西壽陽潞陽長榆河煤業(yè)公司，山西 壽陽 045414；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

松軟破碎圍巖大斷面跨層巷道層位確定及其穩(wěn)定性研究

田和平1，牛 顯2，王嘉樂2

（1.山西壽陽潞陽長榆河煤業(yè)公司，山西 壽陽 045414；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

以國內(nèi)某大型礦井為工程背景，采用數(shù)值計(jì)算方法，分析了巷道處于煤層附近不同層位時(shí)的圍巖應(yīng)力及破壞區(qū)分布規(guī)律，并據(jù)此確定巷道的穩(wěn)定性及合理布置層位。研究結(jié)果表明：從壓酥帶范圍大小來看，砂質(zhì)泥巖壓酥帶范圍最小，但是出現(xiàn)跨層，對(duì)圍巖穩(wěn)定性不利，綜合選擇中細(xì)砂巖層作為巷道所處層位。從應(yīng)力云圖和位移云圖可知，巷道選擇在中細(xì)砂巖層，能較好地維護(hù)圍巖的穩(wěn)定性，可為巷道的長期服務(wù)作基礎(chǔ)。

巷道；穩(wěn)定型；數(shù)值計(jì)算

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)煤炭資源的需求量逐年增長，許多大型礦井建設(shè)項(xiàng)目已經(jīng)開始；然而需知，不同的地質(zhì)條件對(duì)應(yīng)不同的工程背景[1-3]，由于地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、工程背景等原因，巷道常要處于巖層交接面處，由于層面之間連接性較差，加之巖石材料在層面處物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生突變，巷道的穩(wěn)定性變得很難確定[4-5]。為了確定某大型礦井的大斷面巷道層位，本文運(yùn)用大型三維數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)該礦巷道處于煤層附近不同巖層位置時(shí)的巷道應(yīng)力場(chǎng)、破壞區(qū)域進(jìn)行了分析研究，并據(jù)此提出了巷道的合理層位位置。研究結(jié)果可給同類條件下礦井的支護(hù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型

分析目的：掌握不同層位下的大斷面巷道圍巖力學(xué)環(huán)境特征，包括應(yīng)力分布特征、變形分布特征，為大斷面巷道的層位選擇提供依據(jù)。分析模型：長度80m，高度54.46m。其中巷道長11.8m，高6.6m，巷道底板分別位于中細(xì)砂巖層底、砂質(zhì)泥巖層底、3號(hào)煤層層底。模型離散：模型共劃分18306個(gè)單元，設(shè)置18582個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件：模型底部鉛垂方向0位移約束，側(cè)邊界水平方向0位移約束；模型施加重力載荷，并在上邊界施加均布載荷。

巖層厚度及力學(xué)參數(shù)，如表1所示。計(jì)算過程中首先平衡重力場(chǎng)，隨后開挖順槽部分，最后開挖開切眼部分。

表1 數(shù)值計(jì)算巖層分布和物理力學(xué)參數(shù)表

2 巷道處于不同層位的穩(wěn)定性分析

2.1 巷道處在中細(xì)砂巖層時(shí)

圖1為巷道處在中細(xì)砂巖層時(shí)的模型及網(wǎng)格劃分圖。圖2為巷道處在中細(xì)砂巖層時(shí)的鉛垂應(yīng)力云圖。從圖看出，鉛垂應(yīng)力分布對(duì)稱，最大鉛垂應(yīng)力出現(xiàn)在巷道兩幫附近，巷道頂?shù)装邈U垂應(yīng)力最??；尤其是在巷道頂?shù)装灞砻?，鉛垂應(yīng)力值接近零。圖3為巷道處在中細(xì)砂巖層的沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線。由圖得知，幫部出現(xiàn)了壓酥帶，壓酥帶深度大約1.194m。

圖1 模型及網(wǎng)格劃分

圖2 鉛垂應(yīng)力云圖

圖3 沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線

2.2 巷道處在砂質(zhì)泥巖層時(shí)

圖4為巷道處在砂質(zhì)泥巖層時(shí)的模型及網(wǎng)格劃分圖。圖5為巷道處在砂質(zhì)泥巖層時(shí)的鉛垂應(yīng)力云圖。從圖看出，鉛垂應(yīng)力分布對(duì)稱，最大鉛垂應(yīng)力出現(xiàn)在巷道兩幫附近，巷道頂?shù)装邈U垂應(yīng)力最?。挥绕涫窃谙锏理?shù)装灞砻?，鉛垂應(yīng)力值接近零。圖6為巷道處在砂質(zhì)泥巖層的沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線。由圖得知，幫部出現(xiàn)了壓酥帶，壓酥帶深度大約0.853m。

2.3 當(dāng)巷道處在煤層時(shí)

圖7為巷道處在煤層時(shí)的模型及網(wǎng)格劃分圖。圖8為巷道處在煤層時(shí)的鉛垂應(yīng)力云圖。從圖看出，鉛垂應(yīng)力分布對(duì)稱，最大鉛垂應(yīng)力出現(xiàn)在巷道兩幫附近，巷道頂?shù)装邈U垂應(yīng)力最??；尤其是在巷道頂?shù)装灞砻?，鉛垂應(yīng)力值接近零。圖9為巷道處在煤層時(shí)的沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線。由圖得知，幫部出現(xiàn)了壓酥帶，壓酥帶深度大約1.535m。

3 巷道層位選擇建議

圖4 模型及單元?jiǎng)澐?/p>

圖5 鉛垂應(yīng)力云圖

圖6 沿右?guī)椭芯€巖鉛垂應(yīng)力分布曲線

圖7 模型及單元?jiǎng)澐?/p>

圖8 鉛垂應(yīng)力云圖

圖9 沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線

經(jīng)對(duì)高河礦巷道群的層位選擇的理論分析、數(shù)值計(jì)算分析得出如下結(jié)論：(1)從壓酥帶范圍大小來看，砂質(zhì)泥巖壓酥帶范圍最小，但是出現(xiàn)跨層，對(duì)圍巖穩(wěn)定性不利，綜合來講還是選擇了中細(xì)砂巖層作為巷道所處層位。(2)從應(yīng)力云圖和位移云圖得知，巷道選擇在中細(xì)砂巖層能較好地維護(hù)圍巖的穩(wěn)定性，可為巷道的長期服務(wù)作基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文利用大型數(shù)值計(jì)算軟件，分析了某大型礦井的大斷面巷道處于煤層附近不同位置時(shí)的應(yīng)力及破壞區(qū)域，并據(jù)此判斷巷道的穩(wěn)定性狀況，給出了巷道布置的合理位置。

[1] 牛少卿，楊雙鎖，王志剛，寇永嘉.非均勻水平應(yīng)力場(chǎng)中井壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，26(3):60-63.

[2] 賴小彬，徐小敏，張伯虎，等.某礦山巷道交岔口的三維有限元模擬分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào).2007，3(4)：633-636.

[3]Shaoqing NIU，Shuangsuo YANG，Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softeningmodel after Peak Based onmorh-Cloumb Theory Criterion[J].Advancedmaterials Research，Vols.261-263(2011)：1439-1443.

[4] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[5] 錢銘高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

Layer Position Determination and Stability Study of Large Cross-section Cross-layer Roadways in Soft and Broken Surrounding Rocks

TIAN He-ping1,NIU Xian2,WANG Jia-le2
(1.Luyang Changyuhe Coal Co.,Shouyang Shanxi 045414;2.College ofmining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

On the basis of one large-scalemine,numerical calculation is used to study the surrounding rock stress and failure zones distribution at the different layers,and then the roadways stability and rational layout are determined.The results show that:in sandymudstone,pressure crisp belt is smallest in terms of its range,but cross layers appear which are harmful to the stability.Given all the conditions,middle-and-fine sandstone is selected as the layer for roadways.From stress nephogram and displacement nephogram,the selection can satisfy the bettermaintenance of surrounding rock stability and long service for the roadways.

roadways;stability;numerical calculation

TD322+4

A

1672-5050（2012）05-0050-03

2011-11-18

田和平（1968—），男，山西長治人，大專，助理工程師，從事煤炭開采技術(shù)及管理方面的工作。

徐樹文