采动影响下全煤回采巷道围岩稳定性模拟研究.pdf
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1、第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期:;责任编辑:陈鑫源 :基金项目:年度“淮上英才计划”驻淮高校优秀博士项目;淮安市自然科学研究项目()作者简介:娄杰(),男,河南开封人,工程师,硕士,现主要从事围岩控制及煤矿生产管理工作。引用格式:娄杰,张迎春,温慧,等 采动影响下全煤回采巷道围岩稳定性模拟研究 能源与环保,():,():采动影响下全煤回采巷道围岩稳定性模拟研究娄杰,张迎春,温慧,杨玉顺,韦四江(国能蒙西煤化工股份有限公司 棋盘井煤矿,内蒙古 乌海 ;淮阴工学院 建筑工程学院,江苏 淮安 ;河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 )摘要:采用 数值模拟软件,研究了采动影响下全煤回采
2、巷道围岩稳定性,结果表明,回采巷道开挖后周边围岩体应力释放并向深部转移,在回采巷道周边出现应力集中现象。随着采动应力系数的增大,回采巷道周边围岩体垂直应力呈线性增加,且垂直应力集中位置距巷道中心呈线性增大;回采巷道开挖后顶板下沉、底板鼓起,随着采动应力系数的增大,回采巷道顶底板及两帮变形量均呈指数函数增大;回采巷道开挖后,周边围岩体表现出拉伸破坏和剪切破坏,回采巷道周边塑性区面积随采动应力系数的增加逐渐增大,且采动应力系数大于 时塑性区呈“蝶形”分布。关键词:全煤巷道;采动影响;数值模拟;围岩稳定性中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,;,):,:;回采巷道是指采煤工作中形成采煤工作
3、面及为其服务的巷道,主要为采煤工作面服务,多数布置于煤层内,沿煤层顶板或沿煤层底板布置。相对于岩体而言,煤体具有松散破碎、变形强烈、破坏范围大等特点,在工作面推移过程中常发生片帮、冒顶及底鼓等现象,往往经多次返修才能保障巷道安全 。尤其是采动影响导致回采巷道周边受力状态发生改变,严重影响回采巷道的稳定性 。目前诸多学者对回采巷道变形破坏开展了大量研究,袁永等 采用实验分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法,研究了肩角泥岩的吸水特性、片帮特征及其防控方法;程辉等 研究了近距离煤层回采巷道底鼓机理,提出单体锚索平行布置的非对称支护技术;何富连等 研究了燕子山矿近距离下部煤层回采巷道的合理位置布置
4、方式,明晰遗留区段煤柱主应力差在其底板的传递规律;高士岗 年第 期能源与环保第 卷等 通过现场巷道变形观测、物理相似模型试验及数值模拟计算的综合分析方法,分析了近距离煤层开采回采巷道布置方式及变形规律;邵卫华 利用理论分析、数值模拟手段,确定了山西某矿浅埋深薄煤层综采面回采巷道支护技术参数,并进行现场监测;贾毅超等 分析了造成巷道非对称、大面积变形的主要原因,针对巷道破坏特征,提出“锚杆 索 注浆 钢筋网 型钢”联合支护方案;冯国瑞等 基于巷道围岩的自稳隐形拱理论,综合工程地质分析、理论力学解析、数值模拟和现场试验相结合的方法,对非对称变形机理和控制对策进行了研究;赵光荣 综合运用理论分析、数
5、值试验研究和工程实践经验,确定了孟家窑煤矿 回风巷最佳护巷煤柱宽度,提出合理可行的围岩稳定性控制技术;王方田等 基于悬吊理论建立了巷道锚索支护力学结构模型,对比分析了单体支柱和补强锚索不同方案支护时的巷道损伤破坏特征;李宏彬 通过理论研究和数值模拟等方法,分析了马头门发生破坏失稳的原因,提出采用主、被动组合支护方式对巷道全断面围岩进行加固和支护;赵洪宝等 分析了近距离煤层回采巷道非对称性破坏机理与演化规律;曹耀华等 基于降低围岩应力、提升支护强度的原则,提出了以“卸让抗”为核心的动态立体支护对策;杨党委等 针对平煤股份十矿深部煤层底板瓦斯治理巷道围岩稳定性差的难题,研究了深部煤层底板抽采巷道空
6、间位置关系及围岩稳定性;魏东等 分析了近距离特厚煤层开采条件下工作面采空区覆岩运动及顶板应力变化规律,并提出 工作面巷道布置优化方案。综上所述,国内外学者已对回采巷道破坏特性及控制技术进行深入研究,然而不同地区煤层赋存环境不同,致使所处应力状态分布不同。本文结合秦发一矿 煤层回采巷道工程概况,采用数值模拟方法开展全煤回采巷道的变形破坏特性研究,研究成果对煤炭资源的安全开采具有重要意义。工程概况秦发一矿主采 煤层,煤层位于第三系始新统丹郡组 煤层下部,上距 煤层 ,平均 ,下距 煤层 ,平均 。煤层顶、底板岩性为泥岩及粉砂岩互层,泥岩占比大,顶板厚 ,平均厚 ,底板厚 ,平均厚 。煤层厚 ,平均
7、厚 ,煤层全区发育稳定,全区可采。煤层顶底板柱状如图 所示。图 煤层顶底板柱状 年第 期娄杰,等:采动影响下全煤回采巷道围岩稳定性模拟研究第 卷该煤矿 煤层埋深 ,回采巷道标高 ,表土层厚度为 ,基岩最大深度为 ,表土层平均容重按 、基岩平均容重按 计算,则围岩应力约为 。根据现场监测,水平应力约 ,相当于垂直应力的 倍。模型采用 强度准则:()()()()式中,、分别为最大、最小主应力;、分别为岩体的黏聚力和内摩擦角;为岩石抗拉强度。当煤岩体内某一点应力满足 时,煤岩体将发生剪切破坏;当煤岩体内某一点应力满足 时,岩体将发生拉伸破坏。煤岩体力学参数见表。表 煤岩体力学参数 岩性密度()抗拉强
8、度 黏聚力 内摩擦角()体积模量 剪切模量 粉砂砂质泥岩黏土岩 粉砂砂质泥岩 煤层 泥岩粉砂岩互层 煤层 泥岩 煤层 砂岩泥岩互层 煤层 砂岩泥岩互层 黏土岩 煤层 黏土岩砂岩互层 模型建立及边界条件依据秦发一矿 煤层回采巷道布置方式,采用 软件绘制二维图形,将其导入 软件建立三维模型,模型尺寸 ,模型共划分 个节点、个单元,回采巷道断面为矩形,长 宽 ,如图 所示。模型左右、前后及顶部施加应力边界条件,模型底部固定约束,模型顶部边界自由并承受覆岩作用于该边界的均布载荷。图 模型示意 数值模拟方案及监测方案设计 数值模拟方案设计回采巷道支护方式为锚杆锚索支护,锚杆间排距为 ,锚索间排距为 。布
9、置方式如图 所示。图 全煤回采巷道断面支护方式 年第 期能源与环保第 卷地下煤炭资源的回采导致回采巷道前方煤体应力场发生改变,为了研究采动对回采巷道稳定性影响,基于该巷道支护方式,设置不同采动应力系数,并给出相应采动应力值,见表 。表 采动应力施加方案 水平应力 垂直应力 采动应力系数 监测线方案设计将计算结果导入 进行处理,并在垂直和水平方向布置测线,具体布置方式如图 所示。结果分析 垂直应力不同采动应力系数下回采巷道周围垂直应力分图 测线布置方案 布云图如图 所示。由图 可知,回采巷道开挖后,周边围岩体应力释放并向深部转移,垂直应力在水平方向上出现集中现象。采动应力系数 时,铅直应力值最大
10、约 ,采动应力系数 时最大值约 ,采动应力系数 时最大值约 ,采动应力系数 时最大值约 ,采动应力系数 时最大值约 ,采动应力系数 时最大值约 。可以看出,随着采动应力系数的增大,回采巷道周边垂直应力逐渐增大,满足线性增大,拟合曲线如图 所示。图 不同采动应力系数下回采巷道围岩垂直应力变化云图 图 垂直应力随采动应力系数变化曲线 测线 各点垂直应力变化曲线如图 所示。由图 可以看出,回采巷道开挖后,周边围岩体应力释放并向深部转移,垂直应力在水平方向上出现集中现象,且随着采动应力系数的增大,垂直应力值逐渐增大。采动应力系数 时垂直应力最大值在距巷道 处,采动应力系数 时垂直应力最大值在距巷道 处
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