某矿区深部巷道稳定性分析

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某矿区依据开采方案分盘区逐层开挖,在矿体中形成厚度不一的水平矿柱,在其开挖过程已形成了标高1150m水平矿柱和标高1000m水平矿柱。随着开挖的逐年进行,水平矿柱越来越薄,对临近巷道产生的应力集中现象会越来越明显。该矿区于2001年修建的标高1178m巷道在运营期内因相邻的标高1150m水平矿柱的影响,出现较为严重的破坏,且巷道在不同区段内破坏程度不同。标高1000m水平矿柱对其相邻并于2022年施工的标高1038m巷道也会存在应力集中作用(抵顶作用),研究标高1000m水平矿柱对标高1038m巷道的影响对实际工程有着指导意义。本文以“某矿区1000m中段水平矿柱回采前后应力场分布规律”课题为依托,在调研的基础上,通过数值模拟,首先建立包含矿体的整体模型,然后利用子模型技术,建立标高1178m巷道和标高1038m巷道四个区段的四个子模型,分析标高1178m巷道与相邻标高1150m水平矿柱间关系,得到标高1178m巷道中间破坏严重,两端破坏轻微,与工程实际进行对比验证了正确性。采用相同的方法模拟即将施工的标高1038m巷道,对其进行分析并给出相关建议。本文的主要工作和研究成果如下:(1)运用有限元分析软件ANSYS建立包含矿体的整体模型,然后建立包含标高1178m巷道和标高1038m巷道各个区段的四个子模型,再利用在整体模型中进行插值(简称子模型插值法)和路径法从包含矿体的整体模型中得到子模型每年的位移边界条件和力边界条件,对子模型采用混合边界条件。(2)通过分析标高1178m巷道开挖结束后各截面的拱顶竖向位移,确定对巷道进行具体分析时所采用的代表截面位置为离巷道初始开挖面10m处。通过对标高1178m巷道和标高1038m巷道的代表截面上的代表点第一主应力、第三主应力和位移进行分析,可知:当代表截面还未开挖时(掌子面还未到达代表截面),巷道的拱底拱顶和两侧拱墙受影响较小;当代表截面开挖后,巷道的拱底拱顶和两侧拱墙向巷道中心方向发生偏移,拱顶下沉,拱底隆起,两侧拱墙向内发生变形;随着掌子面与代表截面的距离逐渐增大,巷道的位移变化趋势逐渐变缓;当巷道开挖结束后,随着相邻矿体的逐年开挖,巷道整体向矿体方向发生偏移。(3)在整体模型中模拟矿体的开采,获得水平矿柱的塑性区发展趋势,同时在整体模型中采用路径法在标高1178m巷道位置处建立路径,获得巷道位置处的剪应力分布规律,进而分析巷道各个区段的破坏规律。通过将标高1178m巷道与相邻标高1150m水平矿柱进行对照,发现当水平矿柱某位置塑性区贯通前,相邻位置标高1178m巷道的等效塑性应变值保持增长,当塑性区贯通后,相邻巷道的等效塑性应变值基本维持不变。通过对巷道在各个子模型中的塑性应变值和位移进行分析,发现巷道中间破坏较重,两边破坏较轻,与工程实际相符。将该结果与巷道的实际走向图进行关联,发现巷道与水平矿柱的间距影响了巷道的破坏趋势,在一定距离范围内,距离越小,水平矿柱对巷道的影响越剧烈。(4)在标高1178m巷道分析的基础上对标高1038m巷道进行分析,得到标高1038m巷道的破坏趋势也是中间破坏较重,两端破坏较轻,同时标高1038m巷道发生较为明显的非对称变形。
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