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[摘 要]以鹤煤八矿32采区的地质概况和开采条件,从围岩变形特征、应力分布特征以及围岩应力状态出发,选择合理的煤巷支护方式。采用FLAC3D数值模拟软件对不同支护的应力分布和位移进行分析对比,对巷道围岩塑性区分布进行比较,得到支护方式和巷道下沉的相互关系。结果表明,采用U型钢可缩性支架支护效果较好。
[关键词]煤巷支护 围岩变形 数值模拟
中图分类号:TD353+.6 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)32-0202-01
1 引言
鹤煤集团八矿井下地质条件复杂,存在瓦斯突出、压力大、淋水大、村庄多、构造多等诸多困难,掘进单进水平较低,掘进严重滞后,巷道掘进工程量大,采掘接替非常紧张,成为制约矿井均衡生产的突出矛盾。因此巷道施工中选择合理的支护形式和支护参数,对巷道围岩的稳定控制效果尤为重要[1-3]。
2 概述
2.1 地质概况
本文以鹤煤八矿32采区回采巷道的地质条件为根据,进行了巷道支护技术的应用与研究。鹤煤八矿煤层直接顶板主要为泥岩和中粒砂岩, 为稳定及较稳定类顶板。基本顶为中粒砂岩, 属坚硬类顶板。根据2008年煤尘爆炸性和自燃倾向性鉴定结果:二1煤有煤尘爆炸危险性,煤层自燃等级为Ⅲ级,自燃倾向为不易自燃煤层。3203南工作面作为3201工作面的接替工作面,工作面沿煤层走向布置,其上顺槽长528m,下顺槽长502m,工作面倾斜长150m,3203南工作面上顺槽及切眼沿煤层底板掘进,3203南工作面下顺槽沿煤层顶板掘进,巷道布置在煤层中,顺槽坡度-12°~15°。
2.2 引起巷道变形原因
巷道的稳定状况由地应力、围岩工程地质特性和支护技术3 个影响因素决定[8]。由于围岩条件不同,其影响因素亦不同。当巷道围岩的应力状态和工程地质条件发生变化时,必须采取与之对应的控制对策,并按动态支护设计进行修正优化,以达到最佳支护效果,否则,即使投入巨大的工程费用,也不会达到理想的支护效果。
3 三种支护条件下数值模拟分析
3.1 计算参数
根据地质力学评价分析岩体强度的各个参数与实验室测得岩块强度参数之间的转换关系,并计算出各层岩体的强度参数,在实测基础上进行了适当的修正如表1。
3.2 模型建立
以鹤煤八矿32采区地质条件为背景,运用有限差分软件FLAC建立三维数值模拟模型对无支护、可缩性U钢棚支架支护和锚喷支护进行对比分析。3203南下顺槽掘进工作面标高平均为-515m,工作面埋深为651.6m,基岩厚度为447m。表土层平均容重为1800kg/m3,基岩平均容重为2600kg/m3,经计算围岩应力13.2MPa。考虑模型边界效应对巷道的影响,确定模型尺寸:长(x)×高(y)×厚(z)=60 m×60 m×2 m,原点在巷道圆弧中心上。该数值模型采用的是平面应变模型,应力施加在模型上部边界,模型水平边界限制x,z方向的位移,y方向底边为固定约束, 在x,y,z三个方向上无位移。
3.3 不同支护条件下的塑性区分布
在无支护支护条件下的塑性区的范围来看,塑性区范围顶板上方9.2m,底板下方11.8m,两帮左侧8.3m,右侧9.2m,底板塑性区的范围更大一些,在U型刚支护存在时,巷道塑性区范围和巷道表面受拉单元的数量都大为减小,顶板圆弧上方受拉单元数目明显减少,底板受拉单元相对减少,但比例增大。左帮由于顶板U型钢的支护作用,且其梁腿方向与最大主应力方向,故塑性区仅出现在周边,右帮逆向最大主应力,塑性区较左帮多一些。说明支护结构使围岩的强度得到了提高,减少了巷道表面和深部围岩向开挖空间的运移。
3.4 不同支护方式下应力分析
巷道开挖以后,围岩应力在巷道周围重新分布,沿巷道径向形成应力三区分布,即应力降低区,应力升高区和原岩应力区。通过分析三区应力状态的分布范围,可以判断巷道不同位置围岩的破坏状态,从而为巷道支护方式及支护参数的合理选择提供准确的依据[7]。
3.5 不同支护条件下的应变分析
U型钢棚支护和锚喷支护方式下巷道表面围岩移动变形特征。锚喷支护时围岩应力再次达到平衡时巷道最大底鼓量为140mm,位置出现在底板中心偏右侧0.5m,最大顶板下沉量为120 mm,位置出现在巷道顶板的右上角,巷道顶底移进量为260mm,超过了200mm,对于巷道维护不利。可以发现巷道两帮居有所下沉,锚喷支护左侧为75mm,右侧为63mm,U型钢支护为8mm和10mm,说明锚喷支护受围岩切应力作用下顺时针发生了轻微的扭转。加U型钢支护后如,巷道最大底鼓量为62mm,最大顶板下沉量为10 mm,巷道顶底移进量为72 mm,支护效果非常理想,在支架的预留变形量200mm以内,符合工程要求。
4 巷道支护数值模拟结论
从应力变化规律来看,U型钢支护结构改变了巷道表面围岩的单向受力状态,一定程度上提高了围岩进入塑性变形以后的剩余强度,降低了围岩深部集中应力,整体上改善了围岩的受力状况,使围岩能够抵抗较大的压力,仅有巷道局部出现应力集中,但仍在U型钢的许用安全承载能力之内。相对于锚喷支护应力集中程度有所降低, 应力降低区的范围相比锚喷支护减小1/2,而巷道周边出现一定程度的应力集中,在U型钢安全强度范围之内,但均小于应力升高区的应力。相比锚喷支护而言,U型钢支护减小了围岩整体的压应力,改善了围岩力学环境。
6 结语
(1)不同矿压条件和地质条件下,支护形式和支护参数是不同的,在本矿区地质相似的条件下,可以采用工程类比法为其他巷道选择合适的支护参数提供了依据。
(2)通过对试验巷道稳定性力学分析、数值模拟及现场观测结果表明:回采巷道两帮采用支护设计方案后,两帮收敛量/最大移近量控制在合理范围内,两帮围岩稳定,支护效果显著。
(3)锚杆支护和U型钢棚支护在不同条件下,可能产生不同的效果,在本矿区其他矿井采用锚杆支护要比U型钢棚支护效果显著,这就凸显了煤矿巷道支护的复杂性。
参考文献
[1] 康红普,王金华.煤巷錨杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社,2007.
[2] 勾攀峰,侯朝炯.回采巷道锚杆支护顶板稳定性分析[J].煤炭学报,1999,24(5):466-470.
作者简介:张杰(1988—),男,河南鹤壁人,助理工程师。现任河南能源化工集团鹤煤八矿地测科技术员,主要从事煤矿防治水及地质等方面的研究及科技管理工作。
[关键词]煤巷支护 围岩变形 数值模拟
中图分类号:TD353+.6 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)32-0202-01
1 引言
鹤煤集团八矿井下地质条件复杂,存在瓦斯突出、压力大、淋水大、村庄多、构造多等诸多困难,掘进单进水平较低,掘进严重滞后,巷道掘进工程量大,采掘接替非常紧张,成为制约矿井均衡生产的突出矛盾。因此巷道施工中选择合理的支护形式和支护参数,对巷道围岩的稳定控制效果尤为重要[1-3]。
2 概述
2.1 地质概况
本文以鹤煤八矿32采区回采巷道的地质条件为根据,进行了巷道支护技术的应用与研究。鹤煤八矿煤层直接顶板主要为泥岩和中粒砂岩, 为稳定及较稳定类顶板。基本顶为中粒砂岩, 属坚硬类顶板。根据2008年煤尘爆炸性和自燃倾向性鉴定结果:二1煤有煤尘爆炸危险性,煤层自燃等级为Ⅲ级,自燃倾向为不易自燃煤层。3203南工作面作为3201工作面的接替工作面,工作面沿煤层走向布置,其上顺槽长528m,下顺槽长502m,工作面倾斜长150m,3203南工作面上顺槽及切眼沿煤层底板掘进,3203南工作面下顺槽沿煤层顶板掘进,巷道布置在煤层中,顺槽坡度-12°~15°。
2.2 引起巷道变形原因
巷道的稳定状况由地应力、围岩工程地质特性和支护技术3 个影响因素决定[8]。由于围岩条件不同,其影响因素亦不同。当巷道围岩的应力状态和工程地质条件发生变化时,必须采取与之对应的控制对策,并按动态支护设计进行修正优化,以达到最佳支护效果,否则,即使投入巨大的工程费用,也不会达到理想的支护效果。
3 三种支护条件下数值模拟分析
3.1 计算参数
根据地质力学评价分析岩体强度的各个参数与实验室测得岩块强度参数之间的转换关系,并计算出各层岩体的强度参数,在实测基础上进行了适当的修正如表1。
3.2 模型建立
以鹤煤八矿32采区地质条件为背景,运用有限差分软件FLAC建立三维数值模拟模型对无支护、可缩性U钢棚支架支护和锚喷支护进行对比分析。3203南下顺槽掘进工作面标高平均为-515m,工作面埋深为651.6m,基岩厚度为447m。表土层平均容重为1800kg/m3,基岩平均容重为2600kg/m3,经计算围岩应力13.2MPa。考虑模型边界效应对巷道的影响,确定模型尺寸:长(x)×高(y)×厚(z)=60 m×60 m×2 m,原点在巷道圆弧中心上。该数值模型采用的是平面应变模型,应力施加在模型上部边界,模型水平边界限制x,z方向的位移,y方向底边为固定约束, 在x,y,z三个方向上无位移。
3.3 不同支护条件下的塑性区分布
在无支护支护条件下的塑性区的范围来看,塑性区范围顶板上方9.2m,底板下方11.8m,两帮左侧8.3m,右侧9.2m,底板塑性区的范围更大一些,在U型刚支护存在时,巷道塑性区范围和巷道表面受拉单元的数量都大为减小,顶板圆弧上方受拉单元数目明显减少,底板受拉单元相对减少,但比例增大。左帮由于顶板U型钢的支护作用,且其梁腿方向与最大主应力方向,故塑性区仅出现在周边,右帮逆向最大主应力,塑性区较左帮多一些。说明支护结构使围岩的强度得到了提高,减少了巷道表面和深部围岩向开挖空间的运移。
3.4 不同支护方式下应力分析
巷道开挖以后,围岩应力在巷道周围重新分布,沿巷道径向形成应力三区分布,即应力降低区,应力升高区和原岩应力区。通过分析三区应力状态的分布范围,可以判断巷道不同位置围岩的破坏状态,从而为巷道支护方式及支护参数的合理选择提供准确的依据[7]。
3.5 不同支护条件下的应变分析
U型钢棚支护和锚喷支护方式下巷道表面围岩移动变形特征。锚喷支护时围岩应力再次达到平衡时巷道最大底鼓量为140mm,位置出现在底板中心偏右侧0.5m,最大顶板下沉量为120 mm,位置出现在巷道顶板的右上角,巷道顶底移进量为260mm,超过了200mm,对于巷道维护不利。可以发现巷道两帮居有所下沉,锚喷支护左侧为75mm,右侧为63mm,U型钢支护为8mm和10mm,说明锚喷支护受围岩切应力作用下顺时针发生了轻微的扭转。加U型钢支护后如,巷道最大底鼓量为62mm,最大顶板下沉量为10 mm,巷道顶底移进量为72 mm,支护效果非常理想,在支架的预留变形量200mm以内,符合工程要求。
4 巷道支护数值模拟结论
从应力变化规律来看,U型钢支护结构改变了巷道表面围岩的单向受力状态,一定程度上提高了围岩进入塑性变形以后的剩余强度,降低了围岩深部集中应力,整体上改善了围岩的受力状况,使围岩能够抵抗较大的压力,仅有巷道局部出现应力集中,但仍在U型钢的许用安全承载能力之内。相对于锚喷支护应力集中程度有所降低, 应力降低区的范围相比锚喷支护减小1/2,而巷道周边出现一定程度的应力集中,在U型钢安全强度范围之内,但均小于应力升高区的应力。相比锚喷支护而言,U型钢支护减小了围岩整体的压应力,改善了围岩力学环境。
6 结语
(1)不同矿压条件和地质条件下,支护形式和支护参数是不同的,在本矿区地质相似的条件下,可以采用工程类比法为其他巷道选择合适的支护参数提供了依据。
(2)通过对试验巷道稳定性力学分析、数值模拟及现场观测结果表明:回采巷道两帮采用支护设计方案后,两帮收敛量/最大移近量控制在合理范围内,两帮围岩稳定,支护效果显著。
(3)锚杆支护和U型钢棚支护在不同条件下,可能产生不同的效果,在本矿区其他矿井采用锚杆支护要比U型钢棚支护效果显著,这就凸显了煤矿巷道支护的复杂性。
参考文献
[1] 康红普,王金华.煤巷錨杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社,2007.
[2] 勾攀峰,侯朝炯.回采巷道锚杆支护顶板稳定性分析[J].煤炭学报,1999,24(5):466-470.
作者简介:张杰(1988—),男,河南鹤壁人,助理工程师。现任河南能源化工集团鹤煤八矿地测科技术员,主要从事煤矿防治水及地质等方面的研究及科技管理工作。