深井综放工作面回采巷道围岩控制数值模拟研究.pdf

第17卷第12期 2008年12月 中 国 矿 业 CHINA MININGMAGAZINE Vol117 , No112 December 2008 深井综放工作面回采巷道围岩控制数值模拟研究 尹德增1,朱学军1,梁赛江1,郭爱民2 1. 山东科技大学,山东 青岛266510 ; 2.山东岱庄生建煤矿湖西矿井,山东 鱼台272341 摘 要本文通过对湖西矿井深井条件下回采巷道围岩变形观测及数值模拟,研究了超前巷道变形 规律及锚杆预应力对围岩控制的效果,为现场围岩控制提供了依据,保证了安全生产,对于类似问题的 研究具有指导意义。 关键词深井;综放工作面;围岩控制;数值模拟 中图分类号 TD322 文献标识码 A 文章编号 1004 - 4051 2008 12 - 0057 - 03 Numerical simulation study on surrounding rock control of mining gateway in fully mechanized sub level caving working face of deep mine YIN De2zeng1, ZHU Xue2jun1, LIANG Sai2jiang1, GUO Ai2min2 1. Shandong University of Science and Technology , Qingdao 266510 , China ; 2. Huxi coal mine of Daizhuang Production and Construction coal mine , Yutai 272341 , China Abstract According to on2site observation and numerical simulation study on surrounding rock de2 ation of deep mine in HuXi Coalmine , the Deation Law of mining gateway and the effects of anchor pre2 stress on surrounding rock control are researched , the basis for on2site surrounding rock control is provid2 ed , safety production is to ensured , valuable experience is provided for mines with the similar conditions. Key words deep mine; fully mechanized sub level caving working face ; surrounding rock control ; nu2 merical simulation 收稿日期 2008 - 09 - 21 作者简介尹增德1963 - ,男,博士,副教授,主要从事矿山 压力及其控制教学与科研工作。 对于综放开采的研究,国内外学者做了很多工 作,有现场实测、相似材料模拟及数值模拟。数值 模拟具有周期短、成本低、结果可靠等优点,在解 决各类工程实际问题中,成为广泛采用的分析工 具。现场实测与数值模拟结合,研究工程问题,可 以为控制实践提供更科学的依据。 1 工作面概况 工作面位于- 750m水平,标高- 740～- 805m ,开采深度达800多m ,属于深井开采。工 作面走向长壁布置,走向长度1600m ,倾向长度 165m。煤层倾角7 ～25,煤层厚度318～615m , 平均418m左右。煤层顶底板岩性见表1。 2 模型的建立和计算参数 211 煤层开采模型及计算参数 采用平面应变模型进行计算,模型尺寸为 700m22918m ,其上覆地层采用施加外荷载,大 表1 煤层顶底板岩性 类别岩石名称厚度m 老 顶砂岩20m左右 直接顶泥岩0～310 伪 顶碳质泥岩0～013 直接底泥岩110～210 老 底砂岩25m左右 小根据煤层埋深确定PγH 26000540 14MPa。计算参数见表2和表3。 采用Drucker2prager模型,参数有6个,其中 第六 个 参 数 体积 膨 胀 角,一 般 取 为 零。采 用 PLANE42单元,该4节点单元,具有塑性、蠕 变、膨胀、应力强化、大变形和大应变条件。 工作面支架采用二维梁单元BEAM3进行模 拟。该单元可以承受拉伸、压缩和弯曲,所需输入 的数据包括截面面积、面积惯性矩、高度和材料 参数等;煤层开挖采用回填的方式来模拟。 212 回采巷道模型建立及其参数 针对回采巷道特点,选取一半的巷道进行分 析,则模型尺寸为 10m2018m。各岩层的材料 中 国 矿 业第17卷 表2 各岩层计算参数 岩层 厚度 m 密度 ρkg/ m3 弹性模量 EMPa 泊松比 μ 内聚力 CMPa 内摩擦角 1细砂岩40253278410128231911188 2中粗砂岩352653111130135261629174 3细砂岩40251571420131211571813 4中细砂岩3825408105013524141317 5细砂岩20252561490132117719128 6中砂岩2255310113014261327124 7煤层418135332330132617420182 8细砂岩1152535804101262317310184 9中砂岩25260877720132241728134 10细砂岩2315254587410124231891019 表3 支架参数 材料 容重 γkg/ m3 弹性模量 EMPa 泊松比 μ 面积 m2 惯性矩 m4 高度 m 钢材7800200000130110100785013 属性选取与煤层回采的相同,仅添加一个杆单元, 用来模拟锚杆,该单元的材料属性如表4所示。将 回采过程中巷道周围的应力施加在模型的边界上进 行计算。 表4 锚杆参数 材料 容重 γkg/ m3 弹性模量 E MPa 泊松比 μ 面积 m2 初始应变 m4 钢材780020000013010003140 3 数值模拟结果分析 311 回采巷道随工作面推进的变形规律 选取距离工作面前方100m处的巷道断面进行 模拟。图1、图2分别为模型计算和实测距离工作 面100m处的巷道随工作面推进的两帮和顶底板累 积变形量的曲线图,可以看出,顶底板的累积变形 量数值计算和实测值比较接近,但两帮的移近量相 差较大。原因是模型的应力条件是二维状态,而实 测值是在三维应力条件下得出的,在其进行空间转 换时,水平应力的转化存在较大差异,但垂直应力 转换较好。因而,主要研究回采巷道顶底板移近量 的变化规律。 从图1看出,顶底板累积变形量随着工作面的 推进在逐渐增加。在距离80m左右的时候其变化 量较小,在距离30m左右的时候其变形量急剧增 加。说明煤层开采一般影响到煤壁前方80m左右, 在30m左右,采动影响加剧。这些数值与实测值 基本吻合,说明采用平面应变模型来研究回采巷道 随工作面推进顶底板变形的规律是可行的。 312 锚杆预应力对巷道变形的影响 研究在不同预应力锚杆支护情况下巷道的变形 85 第12期尹增德等深井综放工作面回采巷道围岩控制数值模拟研究 规律,目的是经济和合理地控制其变形。计算过程 中,通过设置锚杆的不同初始应变值,达到不同的 初始预应力。在计算过程中考虑了三种初始应变条 件① 初始应变为010 ;② 初始应变为0101 ;③ 初 始应变为011。 图3～图6是初始应变为0101和011条件下, 顶底板与两帮的累积变形量随距工作面距离的变化 曲线图,对比图1 ,可以看出,顶底板累积变形量 几乎为零,即提高锚杆的预应力对其巷道的累积变 形量控制没有多大的贡献,但这并不能说明提高锚 杆的预应力对巷道的变形量控制没有作用。为此, 对回采巷道的初始变形量进行研究,图5和图6为 三种初始应变情况下,巷道的初始变形和累积变 形,从中可以发现,提高锚杆的预应力对其初始变 形量的控制十分有效。 为进一步研究提高锚杆预应力,其周围岩体的 应力变化状况,列出了不同初始应变条件下,巷道 图6 不同初始应变条件下巷道的累积变形 距离工作面100m时Von Mises应力的分布规律, 如图7所示。 图7 不同初始应变条件下巷道的 Von Mises应力分布 Von Mises应力是一种当量应力,它是根据第 四强度理论得到的,其含义是当单元体的形状改变 比能达到一定程度时,材料开始屈服。Von Mises应 力的大小,说明材料达到屈服的程度。其表达式为 σe 1 2 [ σ1-σ2 2 σ2-σ3 2 σ3-σ1 2 ] 1/2 1 式中σ1、 σ2、 σ 3分别表示第一、第二、第三主应 力。 从图7可以看出,随着锚杆初始应变的增加, 巷道周边的应力集中现象越来越明显, Von Mises 应力也在逐渐增大。也就是说,并不是初始应变越 大越好,存在一个既能降低回采巷道的初始位移 量,又不会使得巷道周边的岩体达到屈服状态的最 优值问题。 对比数值模拟与巷道变形量的实测结果,在距 工作面79m以内,巷道围岩开始产生较明显变形; 在37m以内,变形速度明显加快;而在21m左右, 移近速度达到最大值,但总体变形量不大。 4 结论 针对深井综放工作面回采巷道,运用数值模拟 下转第70页 95 中 国 矿 业第17卷 动,为本区金成矿提供了地球化学热动力条件和成 矿介质。由于流体中成矿元素的浓度强烈依赖于压 力,致使脉岩组合与成矿作用相伴生。 参考文献 〔1〕 冉清昌.胶东西部地区脉状金矿床区域成矿模型及找矿博 士学位论文 [D].长春长春地质学院, 1994. 〔2〕 卢 冰,等.山东半岛的地体构造及金矿成矿的区域地质背 景[J ].地质评论, 1995 , 41 1 7 - 12. 〔3〕 王建国,等.谢家沟金矿的地质特征和成因类型[J ].黄 金, 2006 , 12 . 〔4〕 张群喜,等.山东谢家沟金矿控矿因素分析[J ].黄金科学 技术, 2005 , 13 4 17 - 22. 〔5〕 刘连登,陈国华,吴国学,张克尧.我国浅成热液金矿的分 类探讨[J ].长春科技大学学报, 1999 , 29 3 222 - 226. 〔6〕 罗镇宽,苗来成.胶东招莱地区花岗岩和金矿床[ M].北 京冶金工业出版社, 2002 133 - 143. 〔7〕 王登红,林文蔚.试论地幔柱对于我国两大金矿集中区的控 制意义[J ].地球学报, 1999 , 20 2 5. 〔8〕 翟明国,杨进辉,刘文军.胶东大型黄金矿集区及大规模成 矿作用SCIENCE IN CHINA Series D , 2001 , 31 7 7. 〔9〕 李兆龙,杨敏之,李治平,等.胶东金矿床地质地球化学 [M].天津天津科学技术出版社, 1993 26 - 29. 〔10〕 苗来成,罗镇宽,黄佳展,等.山东招掖金矿带内花岗岩 类侵入体锆石SHRIMP研究及其意义[J ].中国科学 D 辑 , 1997 , 27 3 207 - 213. 〔11〕 Lutz T M , Srogi L A. 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