大断面回采巷道稳定性数值模拟研究.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 1 0 大断面回采巷道稳定性数值模拟研究 卫志强1 ，任智敏2 ，王树祥1 1 ．葛洲坝易普力股份有限公司，重庆4 0 0 0 2 3 ；2 ．山西煤炭职业技术学院采矿系，太原0 3 0 0 3 1 摘要应用F L A C3 D 进行数值模拟试验，研究巷道断面形状、巷道高宽比、围岩侧应力系数及巷道埋深 这4 个因素对大断面回采巷道稳定性的影响规律，结果显示六边形断面比矩形和类拱形断面更有利于巷道 的稳定；巷遭高宽比r 越大，围岩收敛量越大，当r l 时两帮移近量大于项底板移近量，r 1 ；w h e na s p e c tr a t i or 1 ．t h et w ow a l l s ’c o n v e r g e n c ei sl e s st h a nr o o f a n df l o o r ’S ．W i t hl a t e r a ls t r e s sc o e f f i c i e n ti n c r e a s e ，t w ow a l l s d e f o r m a t i o nb e c o m e sb i g g e r ，a n dr o o f - d e f o r m a t i o nb e c o m e ss m a l l e r ；T h r o u g hm u h i p l er e g r e s s i o na n a l y s i s ，i ts h o w st h a tt h ed e g r e e so fi n f l u e n c eo ff o u rf a c t o r so nt w ow a l l a n dr o o fa r ed i f f e r e n t ． K e yw o r d s l a r g es e c t i o nm i n i n gr o a d w a y ；s t a b i l i t y ；s e c t i o ns h a p e ；a s p e c tr a t i o ；l a t e r a ls t r e s sc o e f f i c i e n t 所谓的“大断面”，是相对于传统的煤矿巷道的 断面而言，以前的煤矿巷道出于采煤和成本等因素 的需要，基本上都是截面积在1 0m 2 左右的巷道，仅 仅满足工人进出和运输煤炭的需要’4J 。而现在的 “大断面”则将巷道的面积扩大至2 4I n 2 以上，不仅 令工人进出更为舒适、运送煤炭更为便捷，更为重要 的是解决了地质对煤矿“冲击地压”的危害怕j 。特 别是近几年，随着我国现代化综合机械化开采技术 收稿日期2 0 1 2 0 2 2 2 作者筒介卫志强 1 9 8 0 一 ，男，学士，工程师，从事爆破工程与技术 研究， E - m a i l g e n h u a z h u l 9 7 9 1 6 3 ．c o r n 。 的发展，厚煤层综采放顶煤开采、中厚煤层一次采全 高等高产高效开采方法得到了大范围推广应用，为 更好地适应大采高、大采高综放的回采需求，在回采 巷道断面积不断扩大的同时，巷道高跨比也在不断 增大，出现大断面高煤帮巷道∞’1 引。 大断面巷道稳定性问题是巷道设计、施工及使 用中最关切的问题。为了解大断面巷道变形破坏的 特点，以围岩变形量为判断巷道稳定性的判据，选取 2 个工程地质因素和2 个采矿技术因素作为巷道稳 定性的影响因素，用正交设计方法，构建了9 个不同 的研究大断面巷道稳定性的方案，模拟和分析巷道 万方数据 第2 9 卷第3 期 卫志强，任智敏，王树祥大断面回采巷道稳定性数值模拟研究 4 3 模型的稳定性差异。 1 高帮巷道数值模拟模型的建立 采用F L A C3 D 进行数值模拟。根据工作面的煤 层赋存特征，假定岩层为水平分布的，各层的岩性各向 同性的、连续的，岩体中的裂隙、断层暂不考虑。岩体 中的破断符合M o h r - C o u l o m 准则。用巷道埋深和围岩 侧应力系数来表征岩体的构造应力；以巷道断面形状 和巷道高宽比来表征巷道断面几何形状与尺寸。 数值模拟研究内容为不同开采深度H 下大断面 巷道在不同巷道断面形状K 、巷道高宽比r 和侧应力系 数A 的影响下的变形破坏规律及其稳定性差别。 1 ．1 确定模拟岩体的力学参数 老顶体积模量1 1G P a ，剪切模量8G P a ，内聚力 6 ．5M P a ，内摩擦角3 6 。，抗拉强度6 ．5M P a ，密度 2 7 8 0k s ／m 3 。直接顶体积模量7G P a ，剪切模量 1 ．8G P a ，内聚力。3 5M P a ，内摩擦角3 2o ，抗拉强度 0 ．4M P a ，密度2 7 0 0k g ／m 3 。煤层体积模量O ．5G P a ， 剪切模量0 ．2G P a ，内聚力1 ．2M P a ，内摩擦角3 0 。， 抗拉强度0 ．6M P a ，密度1 3 8 0k g ／m 3 。直接底体积 模量6G P a ，剪切模量3G P a ，内聚力2 ．9M P a ，内摩 擦角3 4o ，抗拉强度0 ．8M P a ，密度2 3 0 0k g ／m 3 。 1 ．2 建立模型 模型x 方向按5 倍巷道宽度再加上巷宽共计 5 5I n ；由于可等效为平面问题，故y 方向为单位长 度；模型的高度 z 方向 ，取底板岩层3I n ，煤层厚 度9m ，顶板岩层取2 层，共厚1 4I l l ，开挖模型巷道 宽度5n l ，巷道高度随高宽比的不同而变化。模型 顶部和左右为应力边界条件，根据采深顶部施加均 布载荷，左右两侧根据侧应力系数的不同施加水平 应力。模型的前后边界设为水平位移固定条件，底 部设为垂直和水平位移固定条件。 1 ．3 模拟方案设计 模型主要研究不同加载时，巷道断面形状、巷道 高宽比和围岩侧应力系数这3 个因素对巷道稳定性 的影响规律。巷道稳定性可用巷道围岩收敛量或巷 道破坏垮落情况来进行综合评价。模型设计时，巷 道宽度为5 ．0i n 。模型加载按间隔2 0 0m 从2 0 0 8 0 0m 采深范围进行，相应换算为加载应力。围岩 侧应力系数A 选择3 种，1 ．5 、1 ．0 、0 ．5 ；巷道高宽比r 亦设计3 种，即1 ．2 、1 ．0 和0 ．8 ；巷道断面形状选择 矩形、六边形和类拱形。由选择的巷道稳定性影响 参数决定了该正交试验为3 因素3 水平，可组成9 种模拟方案，见表1 。 表1 数值模拟实验方案 T a b l e1 E x p e r i m e n t a ls c h e m eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 结果与讨论 2 ．1 巷道断面形状对巷道稳定的影响规律 巷道断面的增大显著增加了围岩的不稳定性， 以往对巷道稳定性研究主要集中在围岩应力和支护 方式的选择上，但一直没能有效地改变巷道变形量 大、支护困难的现状。因此，需要转变思路，从巷道 断面形状与围岩塑性区分布关系方面着手研究，找 到一种能符合特定围岩状态的巷道断面形态，如图 l 所示，是3 种不同断面形状的回采巷道在相同外 界条件下的塑性区分布图。 a 矩形 b 类拱形 c 六边形 图1围岩应力及塑性区分布 F i g ．1 D i s t r i b u t i o nl a wo fs u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sa n dp l a s t i cz o n e 从图l 可以看出 1 巷道顶底板浅部围岩首先出现拉破坏，之 后破坏范围向围岩深部发展，形成以剪切破坏为主 的塑性区，并向巷道肩角和底角扩展。矩形巷道的 万方数据 爆破 2 0 1 2 年9 月 顶底板和两帮上均有拉破坏分布，而类拱形巷道和 六边形巷道只在顶底板上出现拉破坏。由于岩石是 一种抗拉强度较低的材料，所以巷道周边拉破坏范 围越小越有利于巷道稳定，从这个角度看，类拱形断 面和六变形断面较矩形断面更有利于巷道稳定。 2 巷道断面形状对围岩塑性区分布影响显 著。六边形巷道围岩塑性区面积最小，矩形巷道围 岩的塑性区面积最大，是前者的1 ．7 倍。可见，在一 定条件下，相比其他2 种断面形状，六边形断面对围 岩的破坏范围最小，是最优的开挖形状。 g2 0 0 日 面1 5 0 器1 0 0 攫5 0 隧0 巷道高宽比r a 顶底板移近量 3 对于高煤帮巷道 即巷道高宽比r 1 ，两 帮塑性区面积明显比顶底板塑性区面积大。说明高 煤帮巷道的两帮比顶底板更容易出现失稳，是支护 的重点部位。 2 ．2 巷道高宽比，对巷道稳定的影响规律 除巷道断面形状外，断面尺寸也是重要的围岩 稳定性影响因素，用高宽比来控制巷道断面的竖向 尺寸，横向尺寸固定。如图2 所示在不同埋深下巷 道高宽比r 和顶底板移近量 图2 a 所示 和两帮 移近量 图2 b 所示 的关系曲线。， 2 0 0 面1 5 0 蚓1 0 0 葵5 0 窿 O 0．20 ．40 ．60 ．81 ．O1 ．21 ．4 巷道高宽比， b 两帮移近量 图2 高宽比与围岩收敛量关系 F i g ．2 R e l a t i o nb e t w e e na s p e c tr a t i oa n ds u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n 由图2 可以看出 1 图2 a 表明巷道埋深较浅 2 0 0m 、4 0 0m 时，高宽比r 对顶底板移近量影响不显著；埋深较深 6 0 0m 、8 0 0m 时，随高宽比增大，当r 1 时，移近量明显增大，可 见r 1 是深埋巷道顶底板稳定性开始恶化的高宽 比的临界点。 2 图2 b 显示在不同埋深下，巷道高宽比r 与两帮移近量成正向线性关系。当巷道埋深逐渐增 加，随着r 的增大，两帮移近量的变化率也在增大， 即巷道开挖越深，高宽比越大，两帮移近量越大。 3 随巷道高宽比r 增大，当r 1 时两帮移近 量大于顶底板移近量，r 1 后，曲线斜率明显变大，可见A 1 是深埋巷道顶底 板稳定性开始好转而两帮稳定性陡然恶化的侧应力 系数的临界点。需要说明的是现场实测的巷道围岩 收敛量通常比数值模拟的值还要大些。 目 昌 棚 姆 稔 辩 睦 5 0 0 0 5 0 0 0 5 0 00 ．20 ．40 ．51 ．01 ．52 ．0 侧应力系数 ’ b 两帮移近量 图3 侧应力系数与围岩移近量关系 F 遮．3 R e l a t i o nb e t w e e nl a t e r a ls t r e s sc o e f f i c i e n ta n ds u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n 2 ．4 高帮回采巷道稳定性的总体影响规律 综合分析前述诸因素对巷道稳定性的影响程度 和主次排序，将巷道收敛量s 和变量影响因素r 、A 、 K 以及日做多元回归分析，有 下转第7 7 页 万方数据 第2 9 卷。第3 期魏兴，池恩安，陈斌，等茅台酒厂朱旺沱宾馆1 2 层大楼爆破拆除 7 7 上接第4 4 页 、S 顶底板 一1 3 9 ．5 1 1 8 7 ．0 0 H 3 0 ．0 0 r 一 9 2 ．8 3 A 5 2 ．3 5 K S 两帮 一4 5 8 ．2 7 1 4 6 ．1 4 H 1 5 4 ．6 4 r 1 1 9 ．8 8 A 7 9 ．8 7 K 通过分析，日、r 、A 、K 对巷道两帮围岩稳定性影 响的显著性主次顺序为高宽比r 埋深H 侧应力 系数A 巷道断面形K ；而日、r 、A 、K 对巷道顶底板 稳定性影响的显著性主次顺序为埋深H 侧应力 系数A 巷道断面形状K 高宽比r 。 由此可见，在4 个影响因素中，当巷道埋深和围 岩侧应力系数作为客观的工程地质因素不变时，巷 道断面形状和尺寸对巷道围岩稳定性的影响程度是 不同的高宽比对两帮的稳定性影响最显著，特别是 高帮巷道，这种影响更为明显；但其对顶底板稳定性 的影响程度要低于断面形状对顶底板的影响，说明 合理的巷道断面形状更有利于顶底板的稳定。 3 结论 采用数值模型试验方法，对大断面巷道稳定性 做了模拟研究，有如下简要结论 1 与矩形巷道和类拱形巷道相比，六变形巷 道围岩的破坏范围最小，是最有利于巷道稳定的断 面形状。 2 巷道埋深较浅时，高宽比r 对顶底板移近量 影响不显著，深埋深下，r 1 时，顶底板移近量陡然 增加；而两帮移近量始终随r 的增大而增大。 3 围岩侧应力系数A 越大，顶底板移近量越 小，两帮移近量愈大；埋深越大，围岩收敛量的变化 率越大。 4 通过多元回归分析得知j 巷道埋深、巷道断 面形状、巷道高宽比和围岩侧应力系数对巷道顶底 板和两帮的稳定性有着不同的影响程度。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]吕爱钟，张路青．地下遂洞力学分析的复变函数方法 [ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 7 1 0 9 - 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