深型矿井巷道围岩变形特性的研究.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第7期 2020年7月 Vo l.43 No .7 Jul. 2020 采矿与井巷工程 深型矿井巷道围岩变形特性的研究 冶明清 同煤集团 同家梁煤矿，山西大同037025 摘要以同家梁煤矿12煤层为研究对象，针对深型矿井巷道易变形的难题，首先分析了巷 道围岩的流变性和影响围岩变形的因素，并通过在巷道钻取围岩试件，结合力学性能实验计 算得出了围岩的容重、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等参数，使用FLAC3D软件模拟分析了 巷道所受的应力、相对位移量及破会场变化情况，为巷道的安全支护提供了参考依据。 关键词流变性；FLAC3D；安全支护；抗拉强度 中图分类号TD353 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 07-0007-04 Study on deation characteristics of surrounding rock in deep mining roadway Ye Mingqing Tongjialiang Mine, Dat ong Mining Group, Dat ong 037025, China Abstract No . 12 co al seam o f To ngjialiang Mine was taken as the research o bject, aiming at the pro blem o f easy defo rmatio n in deep mine ro adways, firstly, the rheo lo gical pro perty o f the ro adway surro unding ro ck and the facto rs affecting the defo rmatio n o f the surro unding ro ck were analyzed, and the surro unding ro ck specimens were drilled in the ro adway, co mbined with the calculatio n o f the mechanical perfbnnance experiment, the surro unding ro ck mass density, tensile strength, co mpressive strength, shear strength and o ther parameters were o btained. FLAC3D so ftware was used to simulate and analyze the stress, relative displacement and the change o f the bro ken meeting site, with reference value. Key wo rds rheo lo gical pro perty; FLAC3D; safe suppo rt; tensile strength 0引 言 随着煤炭开采设备越来越机械化，开采煤层的 埋深也不断加深，而煤矿深井开采面临着岩壁压力 大、巷道易变形、支架易损坏、巷道难修复等难题 叫同家梁煤矿是特大型深型矿井，主采12煤层为 深部急倾斜煤层，随着开采埋深的加深，巷道的地 应力变大，围岩变形较大，稳定性越来越差，致使 冒顶、片帮和底膨的现象频发，存在严重的安全隐 患，且巷道的修复费用昂贵，降低了煤矿的经济收 益和开采效率，故研究深型矿井的巷道围岩的变形 具有重要的意义。 1深部巷道围岩变形分析 1.1围岩岩石的流变性 岩石的流变性主要取决于岩石本身特性和最大 主应力差，深部岩石在高地应力的情况下，体现出 显著的流变特性叫为了衡量岩石的流变性，定义 岩石的承载因子c 式中o■。为抗压强度，MP a; g加速度，m/s2; h h为 埋深，m; p为岩石的容重，N/m3o 矿井在未开采之前，内部岩石在地应力场中处 责任编辑郭媛媛 DOI 10.19286/ki.cci.2020.07.002 作者简介冶明清1982-,男，山西大同人，助理工程师。 引用格式冶明清.深型矿井巷道围岩变形特性的研究[J].煤炭与化工，2020 , 437 7-10. 7 2020年第7期煤炭与化工第43卷 于三轴平衡状态，但随着煤层的开挖，打破了岩石 的平衡状态，内部岩石受力变成了二*状态。巷 道围岩的切线方向为最大主应力，巷道围岩的径向 方向为最小主应力，且向围岩内部延伸逐渐变大。 1.2深部巷道围岩稳定性分析 1.2.1围岩稳定性判断依据 巷道围岩的稳定性是一个动态变化的过程，主 要受围岩本身结构、地应力、支护结构、施工技术 等诸多因素的影响，查阅相关文献资料，判断围岩 的稳定性有位移变化速率和时间位移曲线等方法阻 （1）位移变化速率。以矿井某一断面为研究 对象，从巷道开挖到巷道稳定状态，时刻记录围岩 位移的相对变化量，绘制成围岩位移变化速率曲线 来判断围岩的稳定程度，如图］所示。 P/IUE/翹瑕 线 络 时间/d 图1围岩位移变化速率曲线 Fig. 1 Displacement change rate curve o f surro unding ro ck （2）速度时间曲线。根据实际记录巷道围岩 位移变化量绘制曲线，如图2所示。 2 当/牛＜0时，围岩位移相对变化量下降，围 dt 岩较为稳定；当四0时，围岩位移相对变化量 dt 不变，围岩处于临界变形点，应适当加强防护; 牛＞0时，围岩位移相对变化量上升，围岩处于 dt 危险状态，应立即停产，加强巷道支护强度，避免 事故的发生。 p / m u y 闔 失稳丁 /极限稳定 稳定 时间/a 1.2.2 影响围岩变形的因素 巷道变形的根本原因是围岩的破裂，主要取决 于围岩破裂区的厚度，而围岩破裂区的厚度是矿压 控制的重要参数，将有限长的巷道围岩理想化，忽 略围岩的本身的重量，假设其近似满足弹塑性理 论，分析围岩的弹塑性状态、应变软化状态和残余 强度状态的应力应变关系，如图3所示。 图3围岩应力应变对应关系 Fig. 3 Stress-strain co rrespo ndence o f surro unding ro cks 根据钻水孔等勘探资料和应力应变受力分析, 且结合实际巷道的支护情况，影响同家梁煤矿的围 岩变形的主要因素有大埋深、构造应力、岩石强度力 学特性、鯉软工m*、煤园赫等。 2围岩力学特性的实验研究 2.1围岩试件的加工 为了增加实验的可靠性，减少外部的影响因 素，分别在矿区5号底板、1号顶板、2号顶板上 钻取岩石样品后，并及时用石蜡封存，尽快将样品 加工成试件，试件尺寸见表1,加工后的试件需用 石蜡浸泡，保持试件的原始状态。 表1围岩试件尺寸 Table 1 Size o f surro unding ro ck specimens 用途 直径D/cm高度H/cm 试件数量 抗拉强度 5.0103 抗压强度 5.02.53 抗剪强度 5.05.05 2.2围岩力学特性 （1） 围岩容重的测定。围岩的容重「是指围 岩单位体积内围岩的重量，本文使用量积法，计算 公式如下 r鱼，N/M3 （2） V 式中 ”为试件的体积，m3o （2） 围岩的抗拉强度。使用精度为0.02mm、 量程为100 mm的游标卡尺测量围岩试件的直径和 长度，抗拉强度R的计算公式如下 图2速度时间变化曲线 Fig. 2 Velo city and time change curve ttDL X10, MP a （3） 8 冶明清深型矿井巷道围岩变形特性的研究 2020年第7期 式中p为围石的极限载荷，kN; D为试件的直 径，cm; Z为试件的长度，cm。 3围岩的抗压强度。本实验采用WE-10T 万能试验机，通过围岩试件的抗压实验，记录各试 件的实验数据，绘制出应力应变的变化曲线，如图 4所示。 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 6 5 3 2 0 9 7 6 4 3 1 6 5 3 2 0 9 7 6 4 3 1 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 轴向应变/mm 图4试件应力应变变化关系 Fig. 4 Stress-strain relatio nship o f specimens 查阅相关文献资料叫围岩试件抗压强度的 计算公式如下 R 10, MP a 5 F 式中F为试件的截面积，曲；卩为围岩的极限载 荷，kN。 4围岩的抗剪强度是围岩主要力学性能参 数之一，主要指围岩抵抗围岩剪切破坏的极限强度 气通过实验记录的各试件的应力应变数据，为便 于理论分析，将正应力和剪应力的强度曲线优化成 直线，绘制出了正应力丁和剪应力。的关系，如 图5所示。 图5试件应力曲线 Fig. 5 Stress curve o f specimen 综上所述，将各参数代入相应的计算公式，得出 围岩试件的力学性能，计算结果取平均值，见表2。 表2围岩试件力学性能 Table 2 Mechanical pro perties o f surro unding ro ck specimens 名称 密度 / kg-m-3 抗压强度 /MP a 弹性模量 /MP a 抗剪强度 /MP a 抗拉强度 /MP a 5号煤层1.2821.42 2004.120.49 底板2.14 10.93 8002.83040 1号顶板2.4225.67 2007.301.65 2号顶板3.1413.81 3004.572.67 3深井回采巷道的FLAC3D模拟分析 3.1回采巷道三维模型的创建 根据同家梁煤矿的实际地质构造、岩石力学特 性和支护条件，将无限的煤层实体简化成长宽高尺 寸为110 m X 65 m X 40 m的应变模型，模型共计有 91 878个节点，48 660个网格单元，如图6所示。 依据实际工况条件，模型左右两帮为固定约束，顶 部边界无约束，底部边界为垂直约束嘔 图6回采巷道FLAC3D三维模型 Fig. 6 FLAC3D 3D mo del o f mining ro adway 3.2回采巷道FLAC3D模拟分析 1水平巷道应力的模拟分析。水平巷道应 力分布如图7所示，在锚杆锚固范围外，顶板由较 大的应力降低区，表明顶板有离层的趋势；在锚杆 锚固范围内，顶板由于锚杆的锚固力基本抵消了拉 应力，但在巷道的角肩处仍有应力集中的现象，故 为了巷道的安全，应适当加强支护强度。 FLjt CJP 0.0000*004 to-l-0000M-003 1.000Dh403 to-2.00004004 .2,0000e04 to-3.XMtet004 _ 3.0000e004 to-5.Xt0et005 5.0000e005 to-6.0000et0l5 2 6.00000普.0000et0005 图7巷道应力模拟 Fig. 7 Simulatio n o f ro adway stress 9 2020年第7期煤炭与化工第43卷 （2）水平巷道围岩位移的模拟分析。巷道围 岩的位移模拟图如图8所示，在地应力的作用下, 围岩的相对位移量呈拱形向外延伸，但在顶板中部 附近位移量最大，向两侧及两帮逐渐减小，故应加 强顶板的支护强度。 图8巷道围岩的位移模拟 Fig. 8 Displacement simulatio n o f surro unding ro ck o f ro adway （3）水平巷道围岩的破会场分析。巷道围岩 的破会场模拟图如图9所示，由于巷道是层状岩体 结构，故随着煤层的开采深度的加深，围岩应力会 不断地重新分布，且呈不规律的变化叫对顶板增 加锚杆和锚索支护，如图10所示。围岩破会场的 范围和顶板范围内的塑形变形单元均变小了，顶板 稳定性大幅提高，但围岩破会场向巷道支护薄弱的 区域转移了，表明在巷道开采后，应及时加强支护 强度。 图9巷道围岩的破会场模拟 Fig. 9 Simulatio n o f surro unding ro ck failure site in ro adway 图10加固后的围岩的破会场模拟 Fig. 10 Simulatio n o f surro unding ro ck rupture after reinfo rcement 4结论 通过对深型巷道围岩的FLAC3D模拟分析，得 出以下结论。 （1） 巷道围岩所受应力、位移变化量、破会 场情况复杂，顶板和两帮主要受拉应力被破坏。 （2） 巷道围岩的破坏呈拱形向四周发散，且 肩角处应力集中，应加强肩角处的支护强度。 （3） 巷道加强锚索支护后，围岩相对位移量 显著减小了，但并未彻底地控制围岩的变形，围岩 的相对位移量还在缓慢增加。 参考文献 [1] 王红伟，王希良，彭苏萍，等.软岩巷道围岩流变特性试验 研究[J].地下空间，2001 （S1） 361 - 364. 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