杨庄煤矿煤层倾角变化带锚杆支护技术研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 杨庄煤矿煤层倾角变化带锚杆支护技术研究 姓名殷聪 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师高明中 20090601 摘要 摘要 本论文以淮北矿业集团杨庄煤矿I V 5 2 8 回采巷道为研究对象，针对其煤层倾角的变 化及巷道断面形状的不同，采用计算机数值模拟、理论分析和现场实测综合分析的研究 方法，对不同煤层倾角及巷道断面下的回采巷道变形规律和围岩控制对策进行了研究， 运用F L A C 2 D 确定了巷道的断面形状及锚杆支护的相关参数；建立了反映煤层倾角变化 带条件下煤巷基本特征的力学分析模型。研究不仅获得了不同煤层倾角及巷道断面下的 巷道围岩应力分布和塑性区分布等力学特征以及围岩位移变化的特征，还分析了锚杆的 位移矢量及轴力变化规律，并且得到一些有益的结论。这都为不同煤层倾角巷道的支护 提供了理论参考，奠定了理论基础，并指导了生产实践，取得了良好的技术经济效果。 图[ 4 7 1 表【9 】参【5 5 】 关键词煤层倾角；回采巷道；锚杆支护；矢跨比；围岩力学特征 分类号T D3 5 3 安徽理_ 丁大学硕士学位论文 A b s t r a c t T h et h e s i st a k e sm i n i n gr o a d w a yw h i c hi nY a n g z h u a n gc o a lm i n eH u a i b e im i n i n g g r o u p a so b j e c to fs t u d y ，B ea i m e da ta n g l eo fc o a ls e a mv a r i a t i o na n dr o a d w a ys e c t i o n ’S d i f f e r e n c e ，a d o p tc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 、t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s i sf i e l dm e a s u r e m e n tr e s e a r c hm e t h o d ，h a v ef u r t h e rs t u d yo na n g l eo fc o a l s c a l n v a r i a t i o na n dr o a d w a ys e c t i o n ’Sd i f f e r e n c e ，d e t e r m i n ec r o s s - s e c t i o ns h a p eo fr o a d w a ya n d b o l t i n gs u p p o r tp a r a m e t e r sw h i c ha p p l y i n gF L A C Z U ．T h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ’Sm e c h a n i c a l a n a l y s i sm o d e lw h i c hi na n g l eo fc o a ls e a mz o n eh a v ee s t a b l i s h e d ．T h er e s e a r c hn o to n l yg e t t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds u r r o u n d i n gr o c kd i s p l a c e m e n tw h i c hh a v es u r r o u n d i n g r o c kr o a d w a ys t r e s sd i s t r i b u t i o na n dp l a s t i cd i s t r i b u t i o ni na n g l eo fc o a ls e a mv a r i a t i o na n d r o a d w a ys e c t i o n ’Sd i f f e r e n c e ，b u ta l s oa n a l i z e dt h eb o l t ’Sd i s p l a c e m e n tv e c t o ra n da x i sf o r c e v a r i a t i o nl a w ．A l la b o v eo fi tp r o v i d e st h e o r yr e f e r e n c ef o rc o a lr o a d w a yw h i c hi nd e 印w e l l u n d e rc o m p l i c a t e dg e o l o g yc o n d i t i o n , l a y sat h e o r yf o u n d a t i o na n dg u i d a n c et h e p r a c t i c e ．G e t i n gg o o dr e s u l t sw h i c hi nt e c h n i c a la n de c o n o m i c ． F i g u r e [ 4 7 ] ；T a b l e 【9 1 ；R e f e r e n c e 【5 5 】 K e y w o r d s S e a ma n g l e ；M i n i n gr o a d w a y ；R i s e s p a nr a t i o ；M e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f s u r r o u n d i n gr o c k ；R o c kb o l t i n g C h i n e s eb o o k se a t a l o g T D 3 5 3 I I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀理至太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名降期哔年』月卫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡三太堂有保留、使用学位论文的 规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于j 邋 堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王太堂可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后 适用本授权书 学位论文作者签名砬秘 I I 导师签名易棚巧 签字日期≥哆年绷伊 签字日期p 川年6 月c 厂日 f 第一章绪论 1 、绪论 1 ．1 问题的提出和背景 煤炭是目前我国国民经济赖以生存和发展的最主要能源．2 0 0 8 年中国煤炭 产量2 7 ．1 6 亿多吨，创历史最高水平，即世界第一位．随着国民经济快速发展， 我国经济进入重工业化阶段，处于工业化中期和新一轮经济周期的上升期．据有 关部门测算，去年我国电力行业耗煤增加6 8 0 0 万吨，冶金行业耗煤增加3 5 0 0 万吨，建材行业耗煤增加3 0 0 0 万吨左右．随着国民经济将持续保持适度的发展 速度，主要耗煤行业的一些基建项目也将陆续投产，将增加对煤炭的需求．2 0 0 5 年仅电力行业就有5 0 0 0 万k W 的机组投产，煤炭需求量达6 ．5 亿吨，同比增加 9 3 0 0 万吨． 国际经济复苏，煤炭市场活跃．国际市场特别是亚洲地区对中国煤炭的依赖 程度提高，中国的煤炭出口对国际煤炭市场的影响越来越大，2 0 0 5 年我国煤炭 安排出口8 0 0 0 万吨．虽然近年来国家能源结构正处调整时期，但是，受资源条 件限制，我国以煤炭为主的能源格局较长时期以内不会有大的变化． 随着煤炭的不断开采，浅部、易开采的煤层已所剩无几，大部分地区均已 开采深部煤层或地质条件较复杂、地应力较大、较难以开采的煤层。这样就给 煤矿巷道的维护提出了更高的要求，传统的巷道支护如棚式支护、砌碹支护等 方式已不能满足煤炭安全生产的要求，因而需要有新的巷道支护理论与技术来 指导巷道维护，确保煤炭的安全生产⋯。 淮北杨庄矿I V 5 2 8 工作面为杨庄矿I V 水平首采工作面。I V 水平开采的5 煤及其顶底板与已经开采或现开采煤层地质条件存在明显差别。具体困难表现 为煤质软，f 1 ．5 ，工作面处于深部褶曲构造带，构造应力集中，煤层裂隙发 育；顶底板皆为软岩，行道维护困难。直接顶为深灰～灰色块状、破碎的松软 泥岩，平均3 ．2 m ；煤层直接底为灰～深灰色致密块状泥岩，平均6 ．5 m ；工作面 机风巷原设计支护形式为锚带网支护，由于在施工过程中地压大，巷道变形严 重，两巷支护不得不改为“U “ 型钢棚支护；回采巷道在掘进施工中，巷道倾角 和煤层倾角较大，掘进施工困难，严重制约支护工艺过程和掘进进度；煤层埋 藏深，该工作面为深部区域，工作面切眼标高为- 5 0 0 m ，最低标高为一7 3 0 m ，原 岩应力大，裂隙、断层发育，对掘进造成较为严重影响。因此，对I V 5 2 采区“三 安徽理- T 大学硕士学位论文 软“ 煤层的巷道支护技术进行综合研究，是确保回采工作面安全、高效生产的 配套技术，无论从技术、经济或社会效益上都具有及其重要的意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国外锚杆支护研究现状 自从1 9 世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，锚杆 支护方法逐渐被广泛应用于水利、交通、矿山等岩土工程领域，此后锚杆支护 技术得以改进和提高，锚杆支护理论也不断得到完善和发展。1 9 1 2 年，德国谢 列兹矿最先将锚杆支护技术应用于地下巷道的围岩控制。2 0 世纪4 0 年代以后， 锚杆支护技术发展迅速，现己成为世界主要产煤国家煤矿的主要支护形 弘[ 3 7 】[ 的] 氏． 美国、澳大利亚因煤层赋存条件好，巷道全部采用锚杆支护，处于世界领 先水平。欧洲一些主要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支架支护，随着巷 道维护R 益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚杆支护。 英国是锚杆支护发展最快的国家之一，在2 0 世纪八十年代以前，英国煤矿 9 0 ％以上都采用金属支架支护，由于回采工作面单产及效率低下，支护成本过高， 造成严重亏损。1 9 8 7 年英国从澳大利亚引进了锚杆支护技术以后，煤巷锚杆支 护得到了迅猛发展，1 9 9 4 年在巷道支护中的比重已达到8 0 ％以上。在广泛推广 使用锚杆支护技术后与1 9 8 4 年之前相比，英国煤矿的技术经济效益得以大幅度 提高，矿井吨煤成本和巷道支护费用显著降低，巷道掘进速度有了很大提高， 支护质量和安全条件得到了很大改善。 澳大利亚是世界主要产煤国之一，煤炭储量极为丰富，位居美国、中国之 后排世界第三位。其中使用最多的是树脂锚杆，占锚杆使用量的9 8 ％。 澳大利亚主要推广全长树脂锚杆，其锚杆强度较高，并且锚杆参数设计方 法有独到之处，将地质调研、设计、施工、监测、信息反馈等相互关联、相互 制约的各部分作为一个系统工程进行考察，使他们形成一个有机的整体，形成 了锚杆支护设计的系统设计方法。 德国是U 型钢支架使用最早的国家。自1 9 3 2 年发明以来，U 型钢支架发展 迅速，支护比重很快达到9 0 ％以上，但自从8 0 年代以来，随着矿井开采深度日 益增加，巷道断面的不断扩大，使得巷道围岩变型量增加，维护R 益困难。到 8 0 年代初期，锚杆支护在鲁尔矿区试验成功后获得迅速推广，并且已经应用到 2 第一章绪论 了千米的巷道中，取得了许多有益的经验M 儿⋯． 总结国外的锚杆发展经验，主要有以下几个特点 1 发展适合本国巷道围岩地质及生产条件的锚杆类型。美国主要以树脂 锚杆、机械及摩擦式锚杆作为主要的适用类型。澳大利亚及英国则以全长树脂 锚杆作为主要发展方向，德国除了发展树脂锚杆外，还大力发展可伸长锚杆。 俄罗斯则是多种类型兼用。 2 国外锚杆日益朝着高强度及超高强度的方向发展。其主要有两种发展 途径一是研制强度较高和具有较好延伸率的锚杆材料。二是继续加大锚杆直 径。 3 继续完善锚杆施工配套机具也是促进各国锚杆技术发展的重要原因。 掘锚一体机的发展为巷道掘进和锚杆施工创造了极为有利的条件。 4 建立一套适合自身条件的锚杆支护设计方法。目前，新奥法、收敛约 束法在国际上较为流行，澳大利亚、英国等国家在从分考虑水平地应力作用的 条件下，采用了“地质力学评估一计算机数值模拟进行初始设计一现场施工、监 测一信息反馈、修改完善设计“ 的设计方法。 5 完善锚杆支护监测系统。锚杆支护是一种隐蔽性很强的工具，只有完 善锚杆支护监测系统才能保证锚杆支护巷道的安全可靠性。 1 ．2 ．2 国内锚杆支护研究现状 我国的锚杆支护技术研究开始于1 9 5 6 年，至今已有5 0 多年的历史。6 0 年 代锚杆支护开始进入采区，由于煤层巷道围岩松软，受采动影响后围岩变形量 很大，对支护技术要求很高，加之锚杆支护理论及支护工具不够完善，因而发 展较慢。1 9 9 5 年国有重点煤矿当年新掘进巷道中锚杆支护所占比重为2 8 ．1 9 9 6 ， 其中岩巷占5 7 ．2 ％，半煤巷中占3 0 ．0 7 ％，煤巷中占1 5 ．1 5 ％。从以上数据看出， 锚杆支护已经成为岩巷支护的主要形式，煤巷、半煤巷中所占比重还很低而且 主要使用在条件比较简单的I 、I I 、Ⅲ类回采巷道。所以在煤巷及半煤岩巷中 发展锚杆支护还有很大的潜力。 我国的煤巷锚杆支护在发展工程中取得了以下宝贵的经验及成果 1 锚杆研制方面积累了丰富的经验。能采用多种材料制作各种形式的适 用于不同条件的锚杆。目前能够生产出木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、钢筋混凝 土锚杆以及螺纹钢树脂锚杆等，为扩大锚杆的应用范围提供了必要的基础。 3 安徽理’_ r 人学硕十学位论文 2 研究出了适用于不同围岩条件的锚固方式，如端头锚固、全长锚固等。 3 能够根据不同的巷道类型采用不同的锚杆支护形式。当围岩稳定性类 别为I 、I I 类时，可用单锚。Ⅲ、Ⅳ类时采用组合锚杆，包括锚网梁组合支护 和桁架锚杆组合支护等。V 类巷道可采用联合支护，也可试验高强、超高强锚 杆支护系统。 4 锚杆施工机具不断改进。机械化施工是提高锚杆支护效果和普及应用 程度的重要因素之一，是提高施工速度、保证工程质量、减轻劳动强度以及改 善劳动条件等有效途径，因此，锚杆机具的改进一直受到重视，高新科技不断 得到应用。近几年我国已从国外引进了掘进机和锚杆机两机一体的新式掘进设 备，使支护时间缩短而效率有了较大提高。 5 锚杆监测技术得到了完善，顶板离层指示仪能够测定锚杆锚固范围以 及离层情况，锚杆拉力计、托盘式压力盒、传感器以及空芯锚杆等可对锚杆锚 固力及轴向力进行测量，为巷道锚杆支护设计提供了直接的依据。 1 ．2 ．3 大倾角煤巷锚杆支护技术研究现状 近年来，我国不少煤矿遇到了大倾角煤巷难以维护的问题，大倾角煤巷锚 杆支护技术与普通煤巷锚杆支护有许多相似之处，但也存在一定的区别。大倾 角的煤巷，由于上帮的支护体受重力作用，原始应力的重新分布导致的水平侧 压力作用，引起巷道两帮的变形和底臌，尤其是上帮及靠近上帮底角附近变形 严重，使巷道发生非对称变形。而存在滑面和层理发育的巷道变形更快，从而 导致巷道失稳，进而引起片帮。由于一些煤矿采用普通的煤巷支护方式来支护 大倾角煤巷，造成了支护效果差及进行二次支护的问题，浪费了较多的入力物 力资源。我国的专家及学者近两年对大倾角煤巷支护做了部分的研究，取得了 一定的成果。 文献[ 5 2 ] 中中国矿业大学的俞家新对大倾角大断面巷道支护技术进行了研 究，在使用了叠加应力技术、非对称变形控制技术、耦合支护技术及二次支护 技术对大倾角巷道进行支护后，取得了较好的效果。 文献[ 1 4 ] 中安徽理工大学谈国文硕士以大倾角煤层回采巷道为研究对象，针 对其围岩的结构特征，采用实验室相似材料模拟、计算机数值模拟、理论分析和 现场实测综合分析的研究方法，对大倾角煤层回采巷道应力特征、变形规律和围 岩控制等方面进行了深入的研究，获得了大倾角沿空巷道和实体煤巷道的塑性区 4 第一章绪论 分布、围岩应力分布和变形移动等力学特征及煤 岩 层角度对锚杆支护煤巷应 力分布和变形的影响规律。提出了大倾角煤层回采巷道围岩力学特征具有各向异 性，即顶板发生下错式变形移动、两帮产生非对称变形、上帮易发生剪切变形的 特性，揭示了大倾角煤巷顶板和两帮的变形与破坏机理以及大倾角煤巷锚杆支护 的设计方法和关键控制部位等理论。 文献[ 5 3 ] 中冯俊伟等对四川广能绿水洞煤矿大倾角煤层回采巷道在不同参 数条件下的锚杆支护进行了数值模拟分析，指出随着锚杆长度的增加，巷道围 岩变形逐渐变小，还提出大倾角煤层回采巷道上帮高度较大，其围岩变形量也 较大，尤其是高帮上部较明显，因此要对其加强支护。 1 ．3 回采巷道锚杆支护理论 在锚杆支护和应用设计中，必须对锚杆支护机理有J 下确的认识，并以建立 完善的锚杆支护理论作为指导例。。 目前的锚杆支护理论有以下几种悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论， 近期又发展了最大水平应力理论。它们都是以一定的假说为基础的，各自从不 同的角度、不同的条件阐述锚杆支护的作用机理，而且力学模型简单，计算方 法简明易懂，适用于不同的围岩条件，得到了国内外的承认和应用。 近年来，锚杆支护理论研究有了进一步的发展，提出了巷道锚杆支护围岩 强度强化理论，进一步揭示了锚杆支护的实质，扩大了锚杆支护技术的应用范 围，特别是为煤巷和软岩巷道的锚杆支护提供了理论指导。 1 ．3 ．1 悬吊理论 1 9 5 2 ．1 9 6 2 年，L o u i sAP a n e k 经过理论分析、实验室试验及现场测试，提出了锚 杆的悬吊理论，认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较为软弱的岩层悬吊在上部稳 定的岩层上，以增强软弱岩层的稳定性。悬吊理论只适用于巷道项板，不适用于巷 道帮、底。锚杆悬吊作用如图1 ．1 所示。 5 安徽理工大学硕士学位论文 图1 ．1 锚杆的悬吊作用 F i 9 1 ．1T h es u s p e n s i o nf u n c t i o no fb o l t i n g 巷道浅部围岩松软破碎，或者开掘巷道后应力重新分布，项板出现松动破 裂区，这时锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。 这是悬吊理论的进一步发展，如图1 ．2 所示。 图1 ．2 顶板锚杆悬吊松动破裂岩层 F i g 1 ．2T h el o o s e n i n gc a t a c l a s i t el a y e ro fr o o f b o l t i n gs u s p e n s i o n 1 ．3 ．2 组合梁理论 1 9 5 2 年，德l 垂l J a c o b i 发表了锚杆的组合梁作用理论，该理论认为在层状岩体中 开挖巷道，当顶板在一定范围内不存在坚硬稳定岩层时，锚杆的悬吊作用处于次要 地位。该理论适用于顶板由多层厚度小的连续性岩层组成的巷道支护。组合梁理论 只适合于层状顶板锚杆支护的设计，对于巷道的帮、底不适用。锚杆组合梁作用如 图1 ．3 所示。 6 第一章绪论 1 ．3 ．3 组合拱理论 图1 ．3 顶板锚杆的组合粱作用 F i 9 1 ．3T h ec o m p o s i t eb e a m sf u n c t i o no f r o o fb o l t i n g 组合拱理论认为在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在杆体两端将 形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置间距足够小锚杆群，各个锚杆形成 的压应力圆锥体将相互交错，在岩体中形成一个均匀的压缩带，即承压拱。组合拱 理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作用机理，缺乏对被加固岩体本身力学行为的 进一步分析探讨，计算也与实际情况存在一定差距，可作为设计和施工的重要参考。 锚杆组合拱作用如图1 ．4 所示。 图1 ．4 锚杆的组合拱棘理 F i g1 ．4T h ec o m b i n e da r c hp r i n c i p l eo fr o o fb o l t i n g 1 ．3 ．4 最大水平应力理论 最大水平应力理论由澳大利亚学者盖尔提出。该理论认为矿井岩层的水平应 力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平 应力的1 ．5 - 2 ．5 倍。巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响。应力场效应见图1 ．5 。 7 安徽理’I 人学硕士学位论文 a b c 图1 ．5 应力场效应 F i 9 1 ．5T h es t r e s sf i e l de f f e c to f r o o f b o l t i n g a 巷道甲行于主虑力 最佳方向 b 巷道与主应力呈4 5 。夹角 c 巷道I j 主应力呈9 0 。夹角 1 ．3 ．5 围岩强度强化理论 围岩强度强化理论认为 1 巷道锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域的岩 体相互作用而形成锚固体，形成统一的承载结构。 2 巷道锚杆支护可以提高 锚固体的力学参数 E 、C 、① ，改善被锚固区域岩体的力学性能。 3 巷道围 岩存在破碎区、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、 残余强度都得到强化； 4 巷道锚杆支护可以改变围岩的应力状态、增加围压， 从而提高围岩的承载力、改善巷道的支护状况； 5 巷道围岩锚固体强度提高 以后，可减少周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，控制围岩破碎区、 塑性区的发展，从而有利于保持围岩的稳定f 4 】。 文献[ 3 8 ] 一[ 4 8 ] 对煤矿巷道锚杆支护的数值模拟模型和方法进行了介绍和 阐述。 文献[ 1 1 ] 中对如何进行大断面快速掘进支护进行了分析，文献[ 1 ] 中对大倾 角煤层的围岩力学特征及锚杆支护进行了研究。文献[ 4 ] 对三软煤巷中的锚杆支 护参数设计进行了详细的研究。 文献[ 7 ] 中陈炎光、钱鸣高对煤矿采场的围岩控制进行了系统的阐述，提出 一整套解决的方法。 文献[ 2 9 ] 中，何满潮等对巷道锚杆支护进行了详细的分析，提出了如极限 平衡区等新的锚杆设计方法。 8 第一章绪论 文献[ 5 ] 中刘波、韩彦辉提出了运用F L A C 模拟软件进行二维及三维模拟， 并首次提出运用到煤矿支护等方面。 文献[ 2 0 ] 中董方庭等提出了巷道围岩松动圈理论，并对围岩松动圈的产生 及如何控制阐明了自己的看法。 文献[ 3 4 ] 中钱鸣高等提出了上覆岩层关键层的运动规律，并对如何控制与 支护岩层做了较详细的阐述。 文献[ 3 ] 中侯朝炯提出了煤巷锚杆支护的具体理论，结合具体的工程实践成 果，对煤巷锚杆支护的设计、施工、监测等进行详细的阐述。为煤巷锚杆支护 的发展奠定了良好的理论基础。 1 ．4 存在的问题 由于偏重于对大倾角煤巷锚杆支护的研究，而忽略了构造应力及冲击地压 等对工作面回采巷道的影响等问题，因此可能造成部分理论及模拟试验与现场 不同。并且在数值模拟过程中会存在一定的误差，可能会造成结果与实际现场 情况不符．因此，在进行研究时要将构造应力等因素考虑到研究范围内，最大可 能的减少由此带来的误差。 1 ．5 研究内容及方法 在开采矿井中存在着诸多的问题，如冲击地压问题、大倾角煤巷支护问题 等，都造成了目前开采在极为困难的情况下进行，经济效益也随之降低．本课题 结合了杨庄矿I V 5 2 采区首采工作面的开采情况，在充分调研了国内外深部开采 技术的基础上，通过理论分析、F L A C 模拟、现场实测等多种综合性的研究方法， 对该工作面的围岩地质特征、围岩控制技术进行了研究，通过实验室试验，为 确定支护技术和改善支架的适应性奠定略实的试验基础．采用工程力学和数值 模拟等方法，对复杂条件下煤层开采的围岩控制技术等关键技术进行综合比较 分析确定出优化方案．最后通过现场实践验证所确定的优化方案，为杨庄矿的大 倾角煤层开采提供参考． 1 通过现场实测资料收集，测试工作面和巷道围岩的物理力学性质，为 课题的研究提供基础参数。 2 采用工程力学和数值模拟等方法，对大倾角等复杂条件下煤层开采的 围岩控制技术等关键技术进行综合比较分析，一方面对不同煤层倾角情况下煤 巷围岩的控制及变形规律进行分析，另一方面通过对不同断面形状下即不同矢 9 安徽理j r 人学硕士学位论文 跨比下的围岩变形规律进行研究，以及通过实际经验及数值模拟分析对锚杆的 支护参数进行研究。 1 ．6 技术路线 拟采用的技术路线如图所示 1 0 第二章不同煤层倾角下的巷道变形与破坏规律研究 2 ．不同煤层倾角下的巷道变形与破坏规律研究 不同煤层倾角条件下巷道变形规律是各不相同的，特别在大倾角情况下，巷道 变形破坏与缓倾斜及水平煤层的破坏情况有较大的差别⋯。本章运用F L A C 2 D 数 值模拟软件对不同煤层倾角下的巷道进行数值模拟，得出巷道断面形状对巷道围 岩应力场、位移场、塑性区等的影响，从而选取合适的支护方式u “。 2 ．1 数值模拟的方法及特点 2 ．1 ．1 数值模拟的方法及特点 近几十年来，随着计算机应用的发展，数值计算方法在岩土工程问题分析中 迅速得到了广泛应用，大大推动了岩土力学的发展。在岩土力学中所用的数值方 法主要有有限差分法、有限元法、边界元法等方法。其中以有限差分法应用较为 广泛“。该方法通过对结构系统构造数学模型，利用计算机求解大规模的代数联 立方程组来模拟结构系统的反映过程。能够较好地考虑诸如介质的各向异性、非 均质特性及其随时间的变化、复杂边界条件和介质不连续等复杂地质条件u 副。 2 ．1 ．2 数值模拟软件的选取 连续介质快速拉格朗日分析程序F L A C 是一种适用于工程力学计算的二维显 式有限差分程序。该程序用于模拟土层、岩石及其他材料的力学行为，F L A C 中 运用的显式拉格朗日算法和混合离散划分技术，可以保证非常精确地模拟塑性破 坏和流变。 F L A C 主要应用于土木和采矿工程中，用于分析地质材料的力学响应。F L A C 内置了1 1 种内置的材料模型，F L A C 网格中每一个单元都可以有不同的材料模型 或属性，可以对任何属性指定变化的梯度或某种统计分布。界面单元代表非连续 体中的界面，界面允许滑移和分开，用来模拟断层、节理和摩擦边界。F L A C 基 本公式是平面应变模型的，而且含有模拟地下水流动、孔隙压力消散、可变形多 孔介质与孔隙内粘性流体完全耦合的模型。F L A C 可以用结构单元模拟诸如隧道 衬砌、锚索、岩锚、钢带或可缩支架等结构与围岩或土的相互作用。F L A C 软件 具有很强的后处理功能，可以绘制多种应力、应变曲线。F L A C 还包含功能强大的 内置语言F I S H ，能够使用户能够自己定义新的变量和函数来扩展F L A C 的用途 [ 3 8 ] [ 4 1 ] 安徽理。】人学硕士学位论文 为此本论文选用F L A C 程序对不同煤层倾角下的巷道变形与破坏规律进行研 究。 2 ．2 数值模拟计算模型的建立 2 ．2 ．1 计算模型的建立原则及基本依据 计算机模拟数值计算的可靠性基于模型建立的合理程度。合理的模型应以一 定的原则为基础，作为巷道支护问题，该数值分析模型的建立原则如下n 5 1 ‘1 8 1 ‘3 5 1 1 巷道支护问题符合平面应变问题，因此可以选用二维软件进行二维模拟。 2 模拟边界初始条件应尽量符合实际。 3 要尽量考虑外部条件的影响，如构造应力等。 F L A C 有限差分程序共设计有6 种材料的本构模型，各向同性弹性材料模型、 横观各向同性弹性材料模型、莫尔一库伦弹塑材料模型、应变软化、硬化模型、 双屈服塑性材料模型、节理材料模型。 面对众多的模型，如何选取适合研究材料和研究问题最恰当的模型以及如何 确定材料的不同参数，就成了数值计算中的一个难题。在一般情况下，岩石呈脆 性破坏，对于脆性材料的破坏问题，莫尔强度理论提供了比较适用的破坏条件。 其强度依据岩石的内聚力c 和内摩擦角够而定，当外载达到岩石强度后发生断裂 破坏时有下式成立，即莫尔一库伦屈服准则 f C 吒t a n q ， 2 - 1 其中吒为J 下应力，r 为剪应力。莫尔一库伦屈服准则所揭示的岩石力学特性 已被众多的岩石力学试验所证实，由于其参数较少且较容易获得，在工程中得到 了广泛的应用。本次数值模拟选取莫尔一库伦塑性模型。 2 ．2 ．2 计算模型的特点 本模型模拟了煤层倾角为O 。、1 0 。、2 0 。、3 0 。、4 0 。时巷道的情况，各个 模型有以下共同特点㈨㈨一㈣ 1 本模型模拟将深部巷道作为空间问题来考虑，物理模型采用弹塑性模 型，破坏准则采用莫尔一库伦模型。 2 模型岩层划分按巷道所处实际层位一致。视各岩层为均质、各向同性， 且不考虑裂隙和软弱夹层对强度的影响。 3 为了消除边界效应，各模型具有足够大的尺寸，其中水平宽度8 0 m ，垂 1 2 第二章不同煤层倾角下的巷道变形与破坏规律研究 直高度8 0 m ，巷道处于模型中心。 4 根据实际经验与采矿理论，将模型上边界自由加载，载荷大小为覆岩的 自重，水平设为水平位移约束，下边界设为垂直位移约束。 5 首先模拟巷道围岩在自重应力下的静力稳定性，使其达到原始应力平 衡，然后在此条件下开挖巷道。 6 岩石参数根据实测岩块的力学参数乘以一定的系数换算为岩体的参数。 2 ．2 , 3 模型的模拟方案 本次数值模拟以淮北杨庄煤矿4 5 2 8 工作面的风巷和机巷为工程背景，该工作 面标高为一5 0 0 m - - , - 7 3 0 m ，煤层平均倾角1 5 。。 本模拟主要分析了不同煤层倾角下的巷道变形及破坏机理，在相同地质条件 下，不同煤层倾角情况下，分别建立倾角为0 。、1 0 。、2 0 。、3 0 。和4 0 。的两 侧实体煤巷道模型，从而得出大倾角煤巷的受力变形破坏规律。 1 ．计算模型边界的确定 根据地质柱状图及资料，建立二维数值计算模型n 9 1 。巷道开挖后，包括顶底 板在内的围岩 煤 原始应力要发生变化，产生变形、移动乃至破坏，其波及范 围往往很大。但是，依照圣维南原理，其影响范围有一定的限度。为了使数值模 拟计算方便，依照实践经验，选取计算模型的高和宽分别为巷道高、宽的2 0 倍 和2 5 倍，即高为8 0 m ，宽为8 0 m ，巷道位于模型中部。 2 ．边界约束条件的确定 模型采用类似的约束边界条件，在模型的边界和左、右边界，采用零位移边 界条件，具体条件如下 1 左右边界取材 0 ， ，≠0 U 为X 方向位移，1 ，为Y 方向位移 ，即单约 束边界； 2 下部边界取甜 ， 0 ，为全约束边界； 3 上部边界不约束，为自由边界。上部边界以上的岩层作为外载荷施加 在模型的上边界上。 3 ．模型的加载 模型的载荷根据杨庄煤矿4 5 2 8 工作面机巷和风巷的埋深h 和平均岩体容重， 决定，其中t r , r h ，． 2 5 0 0 k g ／m 3 ，而水平构造应力一般为垂直应力的 1 ．2 5 2 ．5 倍，取平均值1 ．8 倍，可得口。 盯。 1 ．8 吒。 1 3 宣徽理『大学顿f ‘学何论文 4 岩石力学参数的确定 本模型中所在煤层为第四水平在层煤，其顶底板的岩体物理力学参数见表 3 ．1 。 袁2 ．1 榛型名岩层力学参煎 T a b l e 2 lR o c k l a y e r s m e c h a n i c sp a r a m e t e r o f n u m e r i c a l m o d e l 黼。称 。箍，，勰泊“。篇鬻裟 中砂岩2 6 9 03 ．6 0 1 矿0 4 08 ．6 4 6 9 0 城泥岩 2 5 3 0I8 0 t O “ 0 1 83 ．22 92 0 板砂质扼岩2 5 5 0L 9 0 x I 矿0 1 93 ．83 6 6 ．0 泥岩 2 5 3 0I8 0 l 旷0 1 827 52 920 煤5 煤1 3 0 005 7 I 矿0 1 0l2 5 1 8I2 底说岩2 5 3 0l8 0 1 0 ’0 1 82 7 52 92 ．0 扳细砂岩 2 4 6 032 0 x 1 0 403 72 ．7 54 69 ．0 图2I5 鼎I 层顶底扳岩性综合柱状瑶 F i g2 1L i t h o l o g ys y n t h e s i s h i s l o g r a m o f 5o 阻Ir o o f e d f l o o r 图2 ．2 为0 6 、2 0 。、4 0 。的巷道断面图，其余角度类同。 a 0 度倾角断面 b 2 0 度倾角断面 第二章不同煤层倾角F 的巷道变形，破坏规律研究 一 、⋯㈣⋯I 图2 ．20 、2 0 、4 0 度檀角巷道断面敦值计算模型 F i g2 ．2M o d e l o f 0 、2 0 、4 0 蚰g ks e c t i o n o f m i n i n g ．r o a d w a y 隆L L 豳 c 2 0 度倾角巷道开挖后水平麻力分靠圈 d 3 0 度倾角巷道开挖后水平应力分布幽 安徽理』‘人学硕} 。学位论文 r ■] |i_ 一 卜二二．。 e 4 0 度倾角巷道开挖后水平戍力分布 圈2 ．3 o 度恒角巷道开挖后水平应力分布 F i 9 2 ．3 T h e l e v e ls l r e s s d i s 们b u l i o n o f 04 0 卸剖e i ne x c a v a t i o nr o a d w a y a 0 度倾角巷道开挖肝垂直应力分布凹 b 1 0 度倾角巷道开挖历垂直应力分布蚓 b 乩 c 2 0 度倾角巷逝开挖后垂直麻力分布圈 d 3 0 度倾角巷道开挖后垂直应力分布幽 第一章不同煤层倾角F 的巷道变形与破坏规律研究 e 4 0 度倾角巷道开挖后垂直戍力分布图 目2 ．40 4 0 度倾角巷道开挖后垂直应力分布图 F i g2 ．4I “ n e v e r t i c a lS h ．- d s d i s t r i b u t i o no f 0 4 0 a n g l e i ne x c a v a t i o nr o a d w a y 1 ‘J t ／1 0 ‘p a l D 、’’、’’氲十 目m 抽 圈2 ．5 顶教5 m 娃水平应力分布圈 F i g2 ．5 T h e l e v e ls t r e s s d i s m b u t i o n o n5 mr 0 0 f ⋯ ，】n ‘p “ 圈2 ．6 项扳