缓倾煤层地应力方向对巷道围岩变形特征的影响.pdf
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1、142023 年第 9 期缓倾煤层地应力方向对巷道围岩变形特征的影响罗 刚(贵州文家坝矿业有限公司,贵州 毕节 552100)摘 要 以文家坝一矿 6 号煤层为背景,通过理论分析、数值模拟分析地应力最大主应力水平时地应力方向对缓倾斜煤岩层中巷道围岩的变形特征的影响规律和机制。结果表明,地应力最大主应力水平且垂直巷道时,倾斜煤岩层内沿倾斜层面的应力诱导效应被增强,地应力分布对巷道变形控制不利,即增大巷道水平收敛变形,加剧底、顶板内水平应力集中。关键词 缓倾斜;地应力;巷道;变形中图分类号 TD322 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.005
2、The Influence of Ground Stress Direction on the Deformation Characteristics of Roadway Surrounding Rock in Gently Inclined Coal SeamsLuo Gang(Guizhou Wenjiaba Mining Industry Co.,Ltd.,Guizhou Bijie 552100)Abstract:Taking the 6th coal seam of Wenjiaba No.1 Mine as the background,through theoretical a
3、nalysis and numerical simulation,the influence and mechanism of the direction of geostress on the deformation characteristics of roadway surrounding rock in gently inclined coal layers at the maximum principal stress level are analyzed.The results show that when the maximum principal stress of geost
4、ress is horizontal and vertical to the roadway,the stress inductive effect along the inclined plane in the inclined coal rock layer is enhanced,and the distribution of geostress is unfavorable to the deformation control of the roadway,that is,increasing the horizontal convergence deformation of the
5、roadway and exacerbating the horizontal stress concentration in the floor and roof.Key words:gently inclined;geostress;roadway;deformation收稿日期 2023-01-13作者简介 罗刚(1987),男,贵州织金人,2011 年毕业于西安科技大学地质与环境学院地质工程专业,本科,工程师,现在贵州文家坝矿业有限公司从事技术工作。罗 刚:缓倾煤层地应力方向对巷道围岩变形特征的影响倾斜煤岩层巷道由于围岩结构非对称和倾斜顶板岩层应力场分布不均匀问题1,导致其围岩受力特点
6、与水平煤岩层受力特点存在显著差异2。此外,随着矿山开采深度增加,地应力水平提高,深入分析煤矿开采受岩层分布特征、地应力主应力方向特征和构造运动影响的研究显得越来越重要3。贵州文家坝一矿地处强烈构造区,构造应力场影响显著,其中该矿 6 号煤层为缓倾斜煤层,煤层回风巷施工中出现了大面积变形破坏情况。以 6 号煤层为工程背景,通过理论分析、数值模拟分析地应力最大主应力水平时(构造应力场)地应力方向对缓倾斜煤岩层中巷道围岩的变形特征的影响规律和机制,以期为构造强烈区深埋倾斜煤岩层中巷道的变形与稳定性控制提供参考。1 数值模型及方案贵州文家坝一矿地处强烈构造区,矿区整体构造应力较大,地应力呈现水平向构造
7、应力大于竖向自重应力的分布特征,在南北方向和东西方向的地应力侧压力系数分别为 0.82 和 1.54。6 号煤层平均埋深约 900 m,平均厚度为 2.58 m,属中厚稳定煤层,煤层平均倾角 15。煤岩顶底板各岩层强度参数见表 1。矿井开拓方式采用平硐+斜井联合开拓,巷道总体呈现“井”字形布置,开采中巷道处地应力最大主应力方向水平且与巷道垂直和平行的情况均会出现。考虑边界效应,建立煤岩层倾角为15的倾斜煤岩层巷道模型,如图 1。采用 FLAC3D建立数值模型,数值模型长 宽 高为 50 m40 m50 m,分析采用 Mohr-Coulomb 本构模型,模型左、右及底部边界施加法向位移约束,上边
8、界为152023 年第 9 期罗 刚:缓倾煤层地应力方向对巷道围岩变形特征的影响应力边界(取岩层平均密度为 2250 kg/m3,巷道平均埋深 900 m),地应力侧压力系数分别取值为 0.8和 1.5,设置地应力最大主应力水平且与巷道轴线垂直(以下简称垂直工况)和地应力最大主应力水平且与隧道轴线平行(以下简称平行工况)两种工况,两种工况下水平应力布置如图 1。(a)倾角 15煤岩层巷道模型 (b)垂直工况水平应力布置图 (c)平行工况水平应力布置图图 1 数值模型及应力布置示意图表 1 顶底板岩层物理力学参数岩层名称密度/(kg/m3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/()内聚力/M
9、Pa顶板粉砂岩25507.83.5356.0顶板中砂岩25504.72.4335.2煤层 1614000.560.4281.0底板细砂岩25505.02.5355.4底板黏土岩23002.81.7304.82 数值模拟结果分析2.1 巷道围岩变形特征从巷道围岩变形分布上看,垂直工况下巷道围岩变形的最大水平收敛较平行工况大 27 mm,说明垂直工况下地应力分布对巷道收敛变形控制不利。巷道围岩变形最大的位置均在煤层内,即当巷道断面截断或部分处于煤层范围内时,巷道围岩中煤层出露部位变形较大,从变形控制角度看是变形控制的关键部位。结合图 2 可看出,在两种地应力分布工况下,缓倾斜岩层中巷道围岩总变形均
10、呈现出两帮水平收敛顶板下沉底板隆起的分布特征,且总体上变形分布呈现非对称特征,随岩层倾斜发生一定量偏移;在垂直工况下,围岩最大变形出现在左帮下部和右帮上部,最大变形量 134 mm,对比而言平行工况下围岩变形相对较小。(a)垂直工况 (b)平行工况图 2 巷道围岩总位移分布特征2.2 巷道围岩破坏特征两种工况下围岩内塑性区深度与总变形量分布特征,塑性区深度最大位置和围岩变形量最大位置均在左帮下部和右帮上部,且始终处于煤层范围内。此外,垂直工况下顶板及顶板塑性区、围岩变形量均较大。因此,在倾斜煤岩层巷道掘进时,煤层出露部位和巷道两帮是围岩出现破坏的重点区域,支护设计需充分考虑地应力分布对围岩变形
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