最大主应力方向对巷道围岩稳定性影响研究.pdf

工矿自动化 In dust r y a n d Min eAut oma t ion 第45卷第10期 2019年10月 Vol 45 No10 Oct 82019 文章编号1671-251X201910-0038-06 DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019040058 最大主应力方向对巷道围岩稳定性影响研究 李桂明12 周超王晓东4 收稿日期收稿日期2019-04-16；修回日期修回日期 2019-09-03；责任编辑责任编辑李明。 基金项目基金项目贵州省科学技术基金资助项目黔科合基础〔20196189号。 作者简介作者简介李桂明1990 ,男，广，广西桂林人，助理工程师，硕士，主要从事瓦斯灾害防治及矿山压力方方面的研究工作,E-ma il546997741qq com。通信作者周超1989 ，男，湖南湘潭人，助理工程师，硕士，主要从事矿山压力及巷道支护方面的研究工作,E-ma il 13116499520wo. cn。 引用格式引用格式李桂明，周超，王，王晓东最大主应力方向对巷道围岩稳定性影响研究,-工矿自动化2019,451038-42. LI Guimin gZHOU Cha oWANG Xia odon g 8Resea r ch on in f l uen ce of t he ma ximum pr in cipa l st r ess dir ect ion on st a bil it y of r oa dwa y sur r oun din g r ock [J In dust r y a n d Min e Aut oma t ion , 2019,45 10 38-42. “.贵州省矿山安全科学研究院，贵州 贵阳550025； 2.贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州贵阳550025； 扫码移动阅读 3.江西省煤矿设计院贵州分院，贵州 贵阳550003； 4.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳550025 摘要为了研究最大主应力方向对巷道围岩稳定性的影响，以贵州某矿1101工作面矩形运输巷为工程 背景，采用FLAC3D数值模拟软件，研究了最大主应力为水平或垂直应力时巷道围岩变形情况研究结果表 明当最大主应力为水平应力时，顶板受影响较大，易发生较严重的剪切破坏，且顶板位移较两帮大，应着重 加强顶板支护；当最大主应力为垂直应力时，两帮受影响较大，易发生剪切破坏，且顶板和两帮位移均随垂直 应力增大而明显增大，应着重加强两帮支护。根据数值模拟结果及该工作面水平应力大于垂直应力的情况， 近似将水平应力作为最大主应力，提出了以顶板支护为主的支护方案现场监测结果表明，采用该支护方案 后，巷道顶板及两帮位移均较小，验证了该方案能较好地维护巷道围岩稳定性 关键词工作面巷道；围岩稳定性；巷道支护；顶板支护；两帮支护；最大主应力；水平应力；垂直应力 中图分类号TD322 文献标志码A Resea r ch on in f l uen ce of t he ma ximumpr in cipa l st r ess dir ect ion on st a bil it y of r oa dwa y sur r oun din g r ock LIGuimin g1,2, ZHOU Cha o3, WANG Xia odon g4 1. Guizhou Pr ov in cia l Resea r ch In st it ut e of Min e Sa f et y a n d Scien ce, Guiy a n g 550025, Chin a; 2. Guizhou Coa l Min e Desig n Resea r ch In st it ut e Co. , Lt d. , Guiy a n g 550025, Chin a; 3. Guizhou Br a n ch of Jia n g xi Coa l Min e Desig n In st it ut e, Guiy a n g 550003, Chin a; 4.Min in g Coleg e,Guizhou Un iv er sit y ,Guiy a n g 550025,Chin a AbstractIn or der t o r esea r ch in f l uen ce of t he ma ximum pr in cipa l st r ess dir ect ion on st a bil it y of r oa dwa y sur r oun din g r ock , t a k in g r ect a n g ul a r ha ul a g e r oa dwa y of 1101 wor k in g f a ce in a min e in Guizhou a sen g in eer in g ba ck g r oun d,def or ma t ion of r oa dwa y sur r oun din g r ock wa sr esea r ched when t he ma ximum pr in cipa l st r ess wa s hor izon t a l or v er t ica l st r ess by use of FLAC3D n umer ica l simul a t ion sof t wa r e.The r esea r chr esul t sshowt ha t when t hema ximumpr in cipa l st r essishor izon t a l st r ess,r oof isg r ea t l y afect ed a n dpr on et oser iousshea r f a il ur e,a n dr oof displ a cemen t isl a r g er t ha n t ha t of t wosides,sor oof suppor t shoul dbest r en g t hen ed. When t he ma ximum pr in cipa l st r essis v er t ica l st r ess, t wo sides a r e g r ea t l y afect eda n da r epr on et oshea r f a il ur e,a n ddispl a cemen t sof r oof a n dt wosidesin cr ea seobv iousl y wit ht he in cr ea seof v er t ica l st r ess,sot wosidessuppor t shoul dbest r en g t hen ed.Ba sedon n umer ica l simul a t ion r esul t s a n d t he sit ua t ion t ha t hor izon t a l st r ess is g r ea t er t ha n v er t ica l st r essof t he wor k in g f a ce,t he hor izon t a l st r essisa ppr oxima t el y r eg a r deda st hema ximumpr in cipa l st r ess,a n da suppor t in g schemewa s 2019年第10期李桂明等最大主应力方向对巷道围岩稳定性影响研究・39・ pr oposed which f ocused on r oof suppor t . The f iel d mon it or in g r esul t s show t ha t displ a cemen t s of r oa dwa y r oof a n d t wo sides a r e sma l l a f t er a ppl y in g t he suppor t scheme, which v er if ies t ha t t he suppor t scheme ca n ma in t a in st a bil it y of r oa dwa y sur r oun din g r ock wel l . Key words wor k in g f a ce r oa dwa y; sur r oun din g r ock st a bil it y; r oa dwa y suppor t; r oof suppor t; t wo sides suppor t; t he ma ximum pr in cipa l st r ess; hor izon t a l st r ess; v er t ica l st r ess 4引言引言1 地应力由岩层自重应力及地壳运动引起并残留 至今的构造应力组成。在地应力中，水平应力主要 平 力. 重 平应力、岩层之 间 力及黏聚力组成；垂直应力主 三上覆岩 重 力M。地应力是弓 形及破坏的主要外部 「4幻。探究最大主应力方 向 定 影响, 开挖和支护具 有重要意义「7切- 近年来，我国众多学者在地应力和巷道围岩稳 定 研究方 很多成果。何 i 等皿采 、 方法研究了深部高水 平 力 定 影响，并阐述了支 护机理。罗超文等[11].于 压致 力进 行 , 深部 力 分布的区别。阚忠辉,12-、、 强采 方法分析了最大水平主应力方向 向 对 定 影响。金志远等「⑷过 力，采 方 支护方案。孙 玉福「15-、 辉等皿通过 点的 三维应力状态，采 方法分析了最大主应 力方向 向 破坏情 。本文以贵 某矿1101工作面为工程背景，采用FLAC33数值 件 最大主应力分别为水平、 力 定 情 ， 果 采 支护措施，以期为类似 供 和 某矿含煤 为上二 ，出露于 矿区西部边缘及东北部边缘外，为 矿井。该 矿1101工作面标高为1 240〜1 253 m,走向长度为 350 m,倾向长度为85 m,多为 。目前开采 10号煤层，煤 度稳定，平均厚度为1. 32 m,平 均 为9,煤质为气煤，煤 简单，煤层密度 为1. 41 t /m3。采 向长 退式采煤方 高 采工艺，全部 管 板。顶板为粉砂岩, 板为细 、泥岩。 2巷道围岩稳定性数值模拟巷道围岩稳定性数值模拟 2. 1 计算模型 该 矿 1101 工 作 运 ， 采 FLAUD 件 计 ，分析最大主应 力分别为水平、 力 区及剪切 应变增量。计算模型尺寸为300 m X 250 mX 90 m （长X宽X高），含9层煤 ，如图1所示，各煤岩 力学 1- 断面呈 ，宽5 m,高 4 m。煤层近似为近水平煤层。 图1计 】型 Fig .1 Ca l cul a ion model 表1计算模型各煤岩层力学参数 Ta b l e1Mecha n ica l pa r a me,er sof ea chcoa l a n dr ock sea min ca l cul a ,ion model 煤 序号煤 类密度/k g・m-◎积/GPa 切 /GPa 聚力/MPa抗拉强度/MPa 1中粒砂岩 27002.671.60402.03.17 2泥岩 23002.171.18311.51.79 3中粒砂岩2700 2.671.60402.03.17 4泥岩 23002.171.18311.51.79 5粉砂岩 28863.601.36341.40.85 6煤 13003.600.90351.10.80 7细粒砂岩2900 1.050.75322.82.05 8泥岩 23002.171.18311.51.79 9粉砂岩 28863.601.36341.40.85 ・40・ 工矿自动化 45 2. 2 巷道围岩变形数值模拟 2. 2. 1最大主应力为水平应力 固定垂直应力巧10 MPa ,分析水平应力. 分别为12,15,18 MPa时巷道围岩塑性区及剪切应 增量分布，并记录顶板与两帮位移，结果如图2. 图3所示。 a 10 MPa 12 MPa b f fy 10 MPa ,/ 15 MPa c f fy 10 MPa , 18 MPa 图2最大主应力为水平应力时巷道围岩塑性区及 剪切应变增量分布 Fig .2 Pl a st iczon ea n dshea r st r a in in cr emen t dist r ib ut ion of r oa dwa y sur r oun din g r ock when t he ma ximum p-in cipa l st -essisho-izon t a l st -ess Fig .3 Displ a cemen t of -oa dwa y su--oun din g -ock when t he ma ximum pr in cipa l st r ess is hor izon t a l st r ess 从图2可看出，在最大主应力为水平应力且固 定垂直应力条件下，顶板及两帮塑性区面积随水平 力增大而增大，且顶板塑性区面积变化较两帮大; 顶板剪切应变增量总体上较两帮大，顶板上方两角 切 增量最大， 为 开 力重 新分布，顶板上方两 产生应力集中，导致剪切应 大，彳 发生 ；两 切 最大处为 底角。 从图 3 看 ， 最 大 主 力 为 平 力 固 定 力条件下，顶板及两帮位移 平应力增 大而增大，且顶板位移大于两帮位移；水平应力由 12 MPa增大到18 MPa时，顶板位移增幅为 138 mm,而两帮位移增幅为59 mm,变化较平缓。 当最大主应力为水平应力时，顶板受水平应力 的影响较两帮大，顶板剪切破坏严重，上 平应 力增大，顶板位移急剧增大。在该条件下，应着重加 强顶板支护。 2.2.2 最大主 力 为 力 固定水平应力.10 MPa ,分析垂直应力 分别为12,15,18 MPa时巷道围岩塑性区及剪切应 增量分布，并记录顶板与两帮位移，结果如图4、 图5所示。 从图4可看出，在最大主应力为垂直应力且固 定水平应力条件下，两 区面积 力增 大而 增 大， 板 区 积 ； 当 力 为 18 MPa ， 板 区 度2倍以上位置，这对两帮承载能力极其不利；两帮 切 增量明显大于顶板剪切 增量，因此两 发生 切 破 ； 力增 大， 板 切 增量分布基本不变,主要原 平 受垂直应力影响不大。 从图5可看出，在最大主应力为垂直应力且固 定水平应力条件下，顶板和两帮位移 力增 大而明显增大，且增 本相等；与最大主 力为水 2019年第10期李桂明等最大主应力方向对巷道围岩稳定性影响研究・41・ a . 10 MPa y 12 MPa St a t e [Non e shea r -n shea r -p shea r -n shea r -p t en sion -pl shea r -p | shea r -p t en sion -p 图5最大主应力为垂直应力时巷道围岩位移 Fig .5 Displ a cemen t sof -oa dwa y su--oun din g -ock when t he ma ximum p-in cipa l st -essisv e-t ica l st -ess 平应力条件下相比，两帮位移变化较大，这主要是由 力挤压造成的。 当最大主应力为垂直应力时，随着垂直应力增 大，巷道两帮易发生较严重 切破坏，顶板随两帮 而 。在该条件下，应着重加强两帮支护，共 维护顶板与两帮， 整 定性。 It a sca Con sul t in g Gioiq,hc. Miime 邨l is, USA | b . 10 MPa,jy 15 MPa c . 10 MPay 18 MPa 图4最大主应力为 力时巷道围岩塑性区及 切 增量分布 Fig .4 Pl a t iczon ea n dhea r t r a in in cr emen t dit r ib ut ion of r oa dwa y sur r oun din g r ock when t he ma ximum 3巷道支护方案及现场监测巷道支护方案及现场监测 对巷道顶板及两帮位移进行监测是检验巷道围 岩稳定 重 段。该矿工作面1101运 和 回风巷大多属于煤巷，部分 板位移已较大，采 用锚杆锚 进行加固。 采用空心包体应力 3个测点的地应 力，得水平应力分别为10. 4,11. 3,12. 5 MPa ,垂直 应力分别为6. 8,7. 2,7. 4 MPa。3个测点处水平应 力均大于垂直应力，因此最大主应力近似为水平应 力，应着重加强 板支护。 3. 1 巷道支护方案 1101工作面运输巷支护方案如图6所示。采 用全锚网支护；两 采用4根规格为/22 mmX 2 000 mm的玻璃钢锚杆，间排距为800 mm X 800 mm；顶板采用6根规格为/22 mmX 2 000 mm 的高强度螺纹钢锚杆，间排距为700 mmX800 mm； 顶板布置2根规格为/18. 9 mmX 10 300 mm的预 力锚 。 p-in cipa l st -essisv e-t ica l st -ess 图6巷道支护方案 Fig .6 Roa dwa y suppor t scheme ・42・ 工矿自动化 45 3. 2 现场监测结果 基于上述支护方案，监测巷道顶板及两帮位移, 结果如图7所示。 Fig .7 Displ a cemen ,sof r oof a n d,wosides 从图7可看出，顶板位移最大值为50 mm,两 帮位移最大值为20 mm,顶板位移比两帮稍大，但 巷道变形在可控范围内。 由以上分析可知，该巷道最大主应力为水平应 力，其对顶板的影响较两帮大。采用本文支护方案 后，巷道顶板及两帮实际位移均在可控范围内，围岩 稳定性较高，满足工程需求。 4结论结论 1 当最大主应力为水平应力时，顶板受影响 较两帮大，易发生较严重的剪切破坏，且顶板位移较 两帮大。在该条件下应着重加强顶板支护。 2 当 最 大 主 力 为 力 ， 两 受 影 响 较顶板大，易发生剪切破坏，且顶板和两帮位移均随 垂直应力增大而明显增大。在该条件下应着重加强 两帮支护。 3 针对贵州某矿1101工作面水平应力大于 垂直应力的情况，近似将水平应力作为最大主应力， 提出了以巷道顶板支护为主的支护方案。现场监测 结果表明顶板及两帮位移均较小，验证了该支护方 案能较好地维护巷道围岩稳定性。 参考文献References [1 -康红普，伊丙鼎，高富强，等.中国煤矿井下地应力数 据库及地应力分布规律[J-.煤炭学报，2019,441 23-33. 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