陷落柱內(nèi)“T”型交叉巷道受力特征數(shù)值模擬分析

王永生

(西山煤電集團有限公司 西銘礦，山西 太原 030024)

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陷落柱內(nèi)“T”型交叉巷道受力特征數(shù)值模擬分析

王永生

(西山煤電集團有限公司 西銘礦，山西 太原 030024)

以西山煤電集團西銘礦所采的8#煤層為研究對象，通過現(xiàn)場實際取樣，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行計算，結(jié)果得出：當(dāng)在陷落柱內(nèi)布置“T”型交叉巷道時，垂直應(yīng)力增高區(qū)面積增大，應(yīng)力增高區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，交叉中心向外2～5 m巷道兩幫和頂板破壞深度顯著增高，破壞深度達(dá)到正常水平的3～4倍。在陷落柱內(nèi)布置“T”型交叉巷道時，需對交叉點中心范圍內(nèi)2～5 m的圍巖進行加強支護，由于其破壞深度顯著增加，在采用錨固支護時，為避免錨桿支護失效，應(yīng)增加巷道支護設(shè)計中錨索的使用量。

“T”型交叉巷道；陷落柱；受力特征；數(shù)值模擬

陷落柱[1，2]作為一種特殊的地質(zhì)類型在西銘礦所采的8#煤層中廣泛分布，其分布無明顯規(guī)律，隨機性很大。礦井在日常生產(chǎn)過程中所遇到的陷落柱，其平面形狀絕大多數(shù)為似圓形和橢圓形。西銘礦目前主要開采的8#號煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平均傾角6°，煤層厚度3.30～4.20 m，平均厚度3.84 m，屬穩(wěn)定可采的厚煤層。由于生產(chǎn)需要，經(jīng)常遇到在陷落柱內(nèi)布置的“T”型交叉巷道，巷道交叉角度一般在60°～90°，布置在其中的交叉巷道支護難度大，嚴(yán)重的可導(dǎo)致支護所用錨桿失效，巷道嚴(yán)重變形，無法正常使用。本文擬采用FLAC3D數(shù)值模擬計算的方式，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對陷落柱內(nèi)的“T”型交叉巷道的受力及變形特征進行分析，為今后的巷道支護提供一定的理論參考。

1 陷落柱內(nèi)部物質(zhì)形態(tài)及其物理力學(xué)特性

西銘礦8#煤層內(nèi)的陷落柱，其內(nèi)部的充填物多為煤系地層陷落的巖石碎塊或松散沉積物，由于其內(nèi)部充填物松散，無法對其取樣并進行實驗室內(nèi)的力學(xué)特性測定。但是可以根據(jù)實際情況對其進行估算，根據(jù)文獻[3，4]中所取的陷落柱地質(zhì)力學(xué)特性和西銘礦8#煤層所揭露陷落柱的實際情況，其物理力學(xué)參數(shù)可以其所處位置周邊圍巖的物理力學(xué)特性加權(quán)平均后并按照合理的系數(shù)，對其原有圍巖參數(shù)進行一定程度的弱化，其物理力學(xué)參數(shù)具體數(shù)值見表1.

表1 西銘礦8#煤層內(nèi)陷落柱的物理力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬分析

2.1 所選數(shù)值分析方法

近年來發(fā)展起來的快速拉格朗日分析程序(Fast Lagrangian Anatysis of Continua)簡稱FLAC3D，是美國大型巖土工程計算軟件[4]，是一種專門用于求解巖土力學(xué)問題的拉格朗日元法程序，本文選取該數(shù)值模擬軟件進行模擬計算。計算時，選取摩爾—庫侖彈塑性模型，運用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，即：

(1)

ft=σ3-σt

(2)

式中：

σ1，σ3—分別為最大和最小主應(yīng)力，MPa；

C，φ—分別為材料的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角，MPa，(°)；

σε—抗拉強度，MPa.

Nφ=(1+sinφ)/(1-sinφ)

當(dāng)fs=0時，材料將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)ft=0時，材料將產(chǎn)生拉伸破壞。

2.2 模型的建立

所選巷道交叉形式為“T”型交叉巷道。為方便計算和準(zhǔn)確分析陷落柱對厚煤層條件下交叉巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，所選陷落柱位于巷道交叉中心部位，橫截面為矩形15m×15m，陷落柱底部位于煤層底板處，最高處位于煤層頂板上方10m位置處。每組方案均考慮存在有陷落柱和不存在陷落柱兩種情況，分別計算。

模擬巷道埋深H=100 m，側(cè)壓系數(shù)0.5，巷道交叉角度90°，巷道斷面尺寸是4.0 m×3.0 m，巷道在煤層中沿煤層底板布置，煤層厚度5.0 m.

考慮邊界效應(yīng)及巷道開挖的影響范圍，模型主巷道開挖方向為Y軸取50 m，主巷道平面方向為X軸，沿底板中心位置兩側(cè)各取25 m，總寬度50 m，垂直方向為Z軸，煤層呈水平狀態(tài)，煤層底板方向取10 m巖層，頂板方向取20 m巖層。為了能準(zhǔn)確地分析巷道在陷落柱內(nèi)的頂板、底板以及兩幫的運動和應(yīng)力分布規(guī)律，在開挖范圍內(nèi)，尤其是在巷道交叉范圍15 m×15 m的區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格劃分較密。具體模型尺寸和陷落柱位置見圖1.

圖1 模型尺寸和陷落柱位置圖

2.3 初始邊界條件和巖層力學(xué)參數(shù)

模型所采用應(yīng)力邊界條件，見圖2，模型的上表面按巷道上覆巖體的自重考慮，每100 m垂直壓應(yīng)力2.5 MPa，均勻施加在模型上表面，模型內(nèi)各層均考慮其自重的作用；水平應(yīng)力按照側(cè)壓系數(shù)的不同而均勻施加在模型兩邊；巷道軸向應(yīng)力取垂直應(yīng)力的1.2倍。模型的4個側(cè)面為位移邊界，約束水平位移，底部為固定邊界，約束水平位移和垂直位移。

圖2 模型邊界條件示意圖

數(shù)值模擬計算中所選巖石力學(xué)特性參數(shù)是以西銘礦8#煤層現(xiàn)場所取巖芯的實驗測定結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。計算所取巖層物理力學(xué)特性見表2. 表2中所列參數(shù)為實驗室對標(biāo)準(zhǔn)制件實驗室內(nèi)測定數(shù)據(jù)，未考慮煤巖體中的層理、節(jié)理、弱面和裂隙等對其參數(shù)的影響。為此，在模擬計算時，對煤和巖石的強度參數(shù)綜合考慮0.75的裂隙影響系數(shù)。

2.4 模擬計算過程

在計算過程中，掘進順序為：先開挖主巷道，當(dāng)主巷道開挖完成后，再開挖“T”型支巷。開挖步距：沿道掘進方向上每次開挖2 m，開挖高度為各方案巷道的高度，計算至平衡，再開挖2 m，計算至平衡。以此循環(huán)，直至整個模型內(nèi)巷道開挖結(jié)束。在計算過程中，不對巷道進行支護，研究其在無支護作用下的各項破壞指標(biāo)值，找出“T”型交叉巷道在無陷落柱和有陷落柱情況下的圍巖受力和破壞規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 交叉巷道圍巖垂直應(yīng)力特征

沿X軸、Y軸、Z軸垂直應(yīng)力分布特征圖見圖3，4，5.

從圖3，4，5可以看出，當(dāng)“T”型交叉巷道過陷落柱時，在陷落柱存在范圍內(nèi)，其垂直應(yīng)力分布于無陷落柱時存在有顯著差異。

表2 計算模型的煤巖層條件表

圖3 沿X軸方向垂直應(yīng)力分布特征圖

圖4 沿Y軸方向垂直應(yīng)力分布特征圖

圖5 沿Z軸方向垂直應(yīng)力分布特征圖

從變化特征而言，相比原始狀態(tài)下的垂直應(yīng)力，巷道圍巖垂直應(yīng)力增高區(qū)面積顯著增大，其中變化最顯著的區(qū)域為：巷道交叉部位的銳角區(qū)域，及其對面的巷幫區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)垂直應(yīng)力增高區(qū)面積顯著增大。該區(qū)域的范圍以“T”型交叉巷道中心起，向外2～5 m. 雖然垂直應(yīng)力增高區(qū)面積增大，但與無陷落柱存在時的受力值相比，存在有垂直應(yīng)力受力增高區(qū)向圍巖深部非陷落柱存在區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，有陷落柱時， “T”型交叉巷道中心區(qū)兩幫及頂?shù)装逅艽怪睉?yīng)力值大致相當(dāng)于無陷落柱時受力值的70%～80%.

3.2 受力特征分析

造成這種分布的主要原因是陷落柱本身的力學(xué)特性較周邊圍巖而言，遠(yuǎn)低于周邊圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，在較高的垂直應(yīng)力作用下，已基本發(fā)生塑性破壞，不能起到良好的支撐作用。而陷落柱周邊正常圍巖由于其物理力學(xué)參數(shù)優(yōu)于陷落柱，其支撐作用顯著。

3.3 交叉巷道圍巖變形特征

無陷落柱和有陷落柱情況下，對巷道交叉部位頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量及頂板、底板和兩幫的最大破壞深度進行統(tǒng)計，具體結(jié)果見表3.

從表3可以看出，在有陷落柱存在的情況下，除巷道底板破壞深度沒有變化以外，巷道的頂板和兩幫的破壞深度均有不同程度的增加。但是在巷道頂板下沉量和兩幫移近量上，有陷落比沒有陷落柱時數(shù)值要小，這是因為，在陷落柱范圍內(nèi)的交叉巷道圍巖受到的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的數(shù)值較小，對陷落柱本身造成的破壞較小，周邊深部圍巖起到了良好的支撐作用。陷落柱本身的破壞沒有達(dá)到散落的程度，只是在破壞深度上有所加深。

表3 最小破壞方案各項指標(biāo)統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

從數(shù)值模擬結(jié)果可得出如下結(jié)論：

1) 當(dāng)在陷落柱內(nèi)布置“T”型交叉巷道時，巷道應(yīng)力分布明顯不同于正常布置的“T”型巷道，該區(qū)域的范圍大致為交叉中心向外2～5 m. 該區(qū)域內(nèi)有陷落柱時圍巖垂直應(yīng)力值明顯小于無陷落柱時的垂直應(yīng)力值，大致相當(dāng)于其受力值的70%～80%.

2) 當(dāng)在陷落柱內(nèi)布置“T”型交叉巷道時，中心點區(qū)域內(nèi)的巷道兩幫和頂板破壞深度顯著增高，破壞深度達(dá)到正常水平的3～4倍。

通過上述結(jié)論可知，在陷落柱內(nèi)布置“T”型交叉巷道時，需對交叉點中心范圍內(nèi)2～5 m的圍巖進行加強支護，由于其破壞深度顯著增加，在采用錨固支護時，為避免錨桿支護失效，應(yīng)增加巷道支護設(shè)計中錨索的使用量。

[1] 楊孟達(dá).煤礦地質(zhì)學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000：189-195.

[2] 煤炭科學(xué)研究總院西安分院，峰峰礦務(wù)局，鶴壁礦務(wù)局，等.華北型煤礦奧灰水防治[M].西安：陜西人民出版社，1990：267-275.

[3] 尹尚先.陷落柱影響采場圍巖破壞和底板突水的數(shù)值模擬分析[J].煤炭學(xué)報，2003(6)：264-269.

[4] 張均鋒.采動影響下強充水型隱伏巖溶陷落柱圍巖變形與滲流場數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009(5)：2824-2829.

Numerical Simulation Analysis of Stress Characteristics in T Shape Crossing Roadway with Collapsed Column

WANG Yongsheng

Based on the actual sampling in No.8 coal seam in Ximing coalMine, Xishan Coal and Electricity Group, the numerical simulation software of FLAC3D is used to calculate the "T" Shape crossing tunnel in the collapsed column. The results show that the area of vertical stress increased, and more the stress is moving toward the deeper side of the surrounding rock, the stress in the two rib-side of the roadway and roof which rounding the cross center within 3～5 meters significantly increased, the damage depth reached 3 to 4 times compared with normal. Due to the significant increase in the depth of damage, it is necessary to strengthen the support of the surrounding rock in the range of 2～5 m around crossing point. In order to avoid the failure of the bolting support, it is also necessary to increase the anchor cable.

T shape cross roadway; Collapsed column; Stress characteristics; Numerical simulation

2017-02-28

王永生(1982—)，男，山西嵐縣人，2012年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，助理工程師，主要從事采礦技術(shù)工作

(E-mail)190776596@qq.com

TD322

A

1672-0652(2017)04-0023-05