深部开采煤层及其围岩损伤过程数值研究.pdf

第 3 9卷 第 2 8期 2 0 1 3年 1 0月 山 西 建 筑 S HANXI ARC HI T EC T U RE V0 i ． 39 No． 28 Oc t ． 2 01 3 61- 文章编号 1 0 0 9 ． 6 8 2 5 2 0 1 3 2 8 0 0 6 1 ． 0 3 深部开采煤 层及其 围岩损伤过程 数值研究 王正一 河南广播 电视大学 ， 河南 郑州4 5 0 0 0 3 摘要 针对平顶山天安公司十矿己四采区己 l 5 1 6 2 4 1 1 0采面的开采技术条件和回采方案， 用有限元软件对深部煤炭开采时煤 层及其顶底板岩层应力一应变场和损伤破坏场进行了数值模拟 ， 结果表明， 岩层的损伤曲线均呈现短周期振荡上升 ， 其损伤程度 和损伤距离分布都具有一定的周期性。 关键词 深部开采， 应力场， 损伤破坏 ， 数值模拟 中图分类号． T U 4 5 2 文献标识码 A 0 引言 当今世界科学技术 日新月异 ， 社会发展突飞猛进 ， 人类对能 源的需求量也与 日俱增， 但是随着人们 的不断开采利用， 浅部资 源在 日益减少 ， 为了探求和获得更多的资源 ， 国内外很多矿山都相 继进入深部资源开采状态。我国煤矿开采深度以每年 8 m～1 2 m 的速度增加 ， 目前， 已经有多个矿井进入深部开采 阶段。随着煤 矿开采深度的不断增加， 深部的岩体将呈现高地应力、 高地温等 复杂现象， 深部的岩石应力与应变场的分布及其变形损伤破坏过 程都相当复杂 ， 深部开采引起 的岩层移动与地表沉陷同样不 同于浅部开采 j 。因此 ， 本文针对平顶山天安公司十矿己四采区 己 l 5 - 1 6 2 4 1 1 0采面的回采方案进行了数值模拟研究， 并对模拟 结果进行了分析 ， 得出 1 5煤层 、 直接顶和直接底岩层的损伤和破 坏规律 ， 这对于深部开采条件下工作面地压管理和岩石动力灾害 防治具有重要的参考价值。 1 数值模拟模型的选取与建立 采区己 1 5 - 1 6 2 4 1 1 0采面地质图、 2 3线勘探线地质剖面图和采面 布置施工图， 确定己 l 5 1 6 2 4 1 1 0采区的计算域形状为长方体 ， 该 长方体沿采面推进方 向的长度为 1 2 1 0 m， 垂直采面推进方向的 宽度为 4 4 0 m， 高度为 1 0 5 5 m。各巷道的空间布置已在图 1中给 出。沿回采方向的平面应变几何模型如图 2 所示。 风 一 --- Z 、 - - - - 一 轨道巷 停 采 ＼ 斯 黾 线 ＼ 『 _ 机巷 Y回 J采 推进方向 ‘ ‘ 2 切 眼 图 1 计算域几何模型及巷道布置图2 沿回采方向的平面应变几何模型 2 己 1 5 1 6 2 4 1 1 0采区煤层、 顶底板岩石的力学特性。依据 己 1 5 1 6 2 4 1 1 0采区煤层、 顶、 底板岩石的物理力学实验结果， 对 于有限元计算， 每一种岩石的材料特性取值为均值。材料 的计算 1 己 1 5 1 6 2 4 1 1 0采区的几何模型。根据天安公司十矿己四 常数取值见表 1 。 表 1 煤与岩石物理力学参数计算取值表 力学参 数 弹性模 量／ G P a 泊松 比 质量密度／ k g m一 抗拉强度／ M P a 抗压强度／ M P a 剪切 强度／ M P a 极限拉应变／ ％ 极限压应变／ ％ 直 接顶砂 质泥岩 2 4 ． 9 0 ． 3 8 2 6 2 1 5 ． o 2 8 6 ． 7 8 5 2 ． 4 9 O ． 0 2 O1 6 0 ． 3 4 8 5 1 己 l 5 ． 1 6煤 2 ． 9 7 0 ． 3 3 l 3 0 8 0． 24 1 1 ． 9 l 8 ． 1 3 O ． 0 0 8 0 8 O ． 加 1 0 1 直接底砂质泥岩 l 3 ． 2 8 O ． 3 2 2 6 O 8 5 ． 5 7 6 5 ． 8 2 3 9 ． 2 0 0 ． 0 4 1 9 4 0 ． 4 9 5 6 3 3 己 1 5 1 6 2 4 1 1 0采区沿采面推进方 向的有限元模型及边界 条件。采用 P l a n e 4 2单元， 映射划分网格， 在己 1 5 - 1 6煤层的附近 岩层加密网格。共划分单元数 3 0 5 8个， 节点总数 3 1 3 7个 ， 如图 3所示。为了精确地反映各个巷道近区应力分布， 必须控制巷道 周围的网格生成， 使之与巷道 的尺寸相适应 ， 因此巷道周边的网 格划分是比较密的。 模型两侧采用位移约束， 即令两侧的水平位移为零； 模型底 部为全位移约束， 即X， Y两个方向的位移等于零。 图 3 沿 回采推进方 向的有 限元网格及 边界条件 2 采区模拟方案和单元损伤模型的选取 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 7 1 7 作者简介 王正一 1 9 8 1 一 ， 男 ， 硕士 ， 助教 2 ． 1 己l 5 1 6 2 4 1 1 0采 区模拟方案 模拟的回采步距为 1 0 m， 其 中， 2 ． 5 m为支架距工作面煤壁 的间距， 2 ． 5 m为支架宽度 ， 5 m摆放 回采机械， 初始布置如图4 所示 。 图 4模拟回采步距的尺寸构成 2 ． 2单 元损 伤模 型 的选取 材料损伤表现为力学特性上变形刚度的降低。用唯象的方 法反映损伤及其演变， 损伤为弹性应变的函数， 基于岩石材料 的 细观开裂机理给出的弹脆性材料的单轴压缩情形下的损伤演化 规律， 形式简单 ， 符合实际， 具有很强的适应性。依据被模拟材料 的力学性质， 本文采用的是一维弹脆性损伤模型。根据材料破坏 第 3 9卷 第2 8期 6 2 2 0 1 3 年1 0 月 山 西 建 筑 能量耗散和内变量理论 J ， 可以判定弹脆性断裂损伤模型是典型 的纯粹损伤模型。由此周维垣 1 9 9 8 根据微裂隙扩展由张应 变引起的细观损伤机理， 定义轴向压力下的一维损伤变量为 D F ／ s “ 。 损伤演变 0 D 詈 一 。 d 占 、 占 。 ， 应力一应变关系为 【 一 其中， 为 Dl时， 即材料完全损伤时的应变量； n为表征 材料脆性的一个参数， 它反映了岩石细观构造对其宏观力学性能 影响的一个综合指标。 通 蟋 坦 蜷 j 骣 回采工作面 的推进距离 a 第 1步 回采工作面的推进距离 b 第 8 步 回采工作面 的推进距离 c 第 l 8步 回采 2 1-_ 作 面的推进距离 d 第 3 4步 图 5 1 5煤层直 接顶 的损伤 曲线 3 数值模拟结果及分析 由于埋藏较深 ， 所以在回采开挖之处， 便有煤层及其顶、 底板 的损伤和破坏。岩层材料损伤意味着剪切裂隙的出现， 是由开采 引起的次生应力引起。从单元损伤破坏的模拟结果中看出， 1 5煤 直接顶、 直接底板岩层的破坏一直伴随着回采推进过程。 3 ． 1 1 5煤层 直接 顶 的损 伤破 坏 直接顶的损伤破坏区远滞后于回采工作面的推进， 呈不连续 片状沿直接顶底部等周期间隔分布。随着回采推进区变大 ， 损伤 区从直接顶底部向高度深部蔓延， 小的孤立破坏区扩大直到连为 一 个大片破坏区。由以上分析及 1 5煤层直接顶的损伤曲线可知 如图5所示 ， 从工作面到切割眼， 各高度岩层的损伤曲线均呈 现短周期振荡上升。周期为 1 0 m左右， 这是本次开挖模拟 的推 进步距。 3 ． 2 1 5煤 层 直接底 的损 伤破 坏 l 5煤层底部岩层的破坏远远超过直接顶的破坏。由 l 5煤层 直接底的损伤曲线可看出损伤破坏的分布具有周期性 如图6所 示 ， 包括损伤分布距离和损伤程度都具有一定的周期性。 蚓 回采工作面的推进距离 a 第 1 步 回采工作面的推进距离 b 第 8 步 回采工作面的推进距离 c 第 l 8 步 回采工作面的推进距离 d l 第 3 4步 图 6 1 5煤层直接底 的损伤 曲线 3 ． 3 1 5煤 层 的损 伤破 坏 1 5煤的工作面前方是一个 7 m～ 8 m的压力带。在高压作用 下， 工作面煤层发生压剪破坏， 损伤 曲线反映， 煤层因损伤严重几 乎失去承载能力， 可能带来的不利后果是片帮或动力学灾害。 4结语 1 由 l 5煤层直接顶的损伤破坏过程推 出损伤曲线的规律 是， 从工作面到切割眼， 各高度岩层的损伤曲线均呈现短周期振 荡上升。周期为 1 0 m左右， 等于本次开挖模拟的推进步距。 2 从 1 5煤层直接底的损伤过程看， 损伤程度和损伤距离分 布都具一定的周期性， 靠近回采切割起始部位附近的损伤程度 重， 在工作面附近损伤程度小。在深度方向， 靠近底板临空层位的 ／ i I1卜 ～ 第3 9卷 第2 8期 2 0 1 3年 1 0月 山 西 建 筑 S HANXI ARCHI I EC T URE Vo 1 ． 3 9 No ． 2 8 Oc t ． 2 0 1 3 6 3 文章编号 1 0 0 9 - 6 8 2 5 2 0 1 3 2 8 0 0 6 3 - 0 3 江 西萍 乡芦溪末 站 边坡治 理方案 的选择 率勇 飞 0⋯ 江西省交通设计研究院有限责任公 司， 江西 南 昌3 3 0 0 0 2 摘要 通过对江西省天然气管网二期工程萍乡芦溪末站的边坡治理实例进行分析 ， 指出在进行边坡治理方案的选择中， 不仅要 考虑方案的可行性和稳定性 ， 还应综合考虑与周围环境的符合性， 施工难易程度， 施工周期以及工程造价等外部因素 ， 只有这样才 能使最终确定的处治方案既科学、 合理又经济实用。 关键词 边坡治理 ， 方案选择 ， 施工周期 中图分类号 P 6 4 2 ． 2 文献标识码 A 0 引言 方案的选择和确定是边坡治理中至关重要 ， 直接关系到边坡 治理的成败与否的重要因素。在进行边坡治理方案选择中， 除需 详细的工程地质勘察资料， 并对边坡的稳定性和发展趋势作出准 确的分析评价 ， 对周围环境的危害性作出预测和评估， 以及工程 设计人员具有丰富的经验和知识之外 ； 还应综合考虑对象的周围 环境， 施工的难易程度， 施工工期， 气候条件以及工程造价等外部 环境因素。 但我们在进行边坡治理工程的实践中， 往往由于过分强调边 坡的稳定性 ， 而忽视外部环境因素 ， 以至于常出现受周 围环境限 制， 设计方案难于施工； 施工工期过长 ， 满足不了初期要求， 或受 制于气候的影响， 使施工延期 ， 而使得边坡的破坏加剧； 由于过分 强调安全性 ， 人为选择安全系数大的治理方案， 而使得工程造价 虚高， 造成不必要的浪费等问题。 本文通对芦溪末站的边坡治理的案例， 探讨如何 因地制宜， 科学合理的选择边坡治理方案。 1 概述 芦溪末站是江西省天然气管网二期工程萍乡市芦溪县的一 个供气 场站。其拟 建场地 为 山丘， 地 形起伏 大， 地 面标 高 为 1 6 4 ． 7 8 m～1 9 5 ． 1 2 m， 场站建设区设计标高为 1 7 9 m， 因此， 由于建 设需要， 在场地所长的山丘南面， 沿山坡堆积了高度在0 m～1 0 m 不等的填土。根据设计， 场站设备区距用地红线约 8 m， 同时在拟 建围墙和设备区之间需要预 留一宽度不小于 5 m的设备检修通 道； 红线以南 ， 为港华 门站 的工艺设 备区， 其设 计地面标高 为 1 6 9 m； 因此， 在芦溪末站和港华门站之间， 形成了一长约 7 5 m， 高 约 1 0 m的填方边坡， 其填土方量 1 5 0 0 0多立方米。 为了保证芦溪末站和港华门站两天然气场站的安全， 就必需 对该人工边坡进行治理。而根据现场实际情况 ， 该边坡具有如下 几个特点 1 该边坡为一人工填筑的土质边坡 ， 且填土较松散 ， 基本上 没有压实。2 边坡高度大， 根据设计标高， 约为 1 0 m。3 边坡坡 顶的芦溪末站的房屋建筑和设备基本建设完毕 ， 紧邻 的港华门站 的设备区也在建设初期， 因此 ， 对该边坡进行治理的施工场地有 限。4 受用地红线的限制和场地设计要求 ， 治理该边坡的支挡构 筑物的设计尺寸和形状将受到严格的限制。5 时值冬季， 需要在 来年春雨到来之前把该边坡治理完成 ， 因此， 时间短， 施工周期不 超过 3个月。 2 地质情况 据勘察资料揭示， 场地边坡的地层岩性主要由表覆的填土和 第四系坡残积粉质黏土， 及下伏的白垩系 K 砂砾岩组成。 岩石损伤严重。 3 1 5煤层的损伤尤为严重 ， 一直处于高度损伤状态 ， 影响了 煤层的承载能力 ， 对后续煤层的开采造成不利影响。在高压作用 下， 工作面煤层发生压剪破坏， 损伤曲线反映， 煤层因损伤严重几 乎失去承载能力。 参考文献 [ 1 ] 何满潮 ， 谢和平， 彭苏萍， 等． 深部开采岩体力学研究[ J ] ． 岩 石力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 4 - 2 8 1 3 ． [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 周宏伟， 谢和平， 左建平． 深部高地应力下岩石力学行为研 究进展[ J ] ． 力学进展 ， 2 0 0 5 ， 3 5 1 9 1 - 9 8 ． 钱呜高， 茅献彪 ， 缪协兴． 采场覆岩 中关键层上栽荷的变化 规律[ J ] ． 煤炭学报 ， 1 9 9 8 ， 2 3 2 1 3 5 1 3 9 ． 周维垣， 杨强． 岩石力学数值计算方法[ M] ． 北京 中国电 力 出 版 社 ． 2 0 0 5 ． 周维垣， 刻公瑞， 杨若琼． 岩体弹脆性损伤本构模型及工程 应用[ J ] ． 岩土工程学报 ， 1 9 9 8 ， 2 0 5 5 4 - 5 7 ． Nu m e r i c s t ud y o n d a m a g e p r o c e s s o f c o a l b e d a n d wa l l r o c k i n d e e p mi n i n g W ANG Zh e n g - y i H e n a n R a d i o a n d T e l e v i o n U n i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e mi n i n g t e c h n o l o g y a n d mi n i n g p r o g r a m o f 1 5 - 1 6 2 41 1 0 mi n i n g a r e a o f t h e t e n t h mi n e f o r P i n g d i n g s h a n T i a n’ a n t o m。 p a n y ．Wi t h l a r g e s c a l e fi n i t e e l e me n t s o f t ware ，t h e fi e l d o f s t r e s s s t r a i n，d a ma g e a n d f a i l u r e i n t h e d e e p c o a l mi n i n g p r o c e s s C a l l b e s i mu l a t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c u r v e s o f s t r a t a d a ma g e ri s e i n t h e l i g h t o f s h o r t - p e rio d o s c i l l a t i o n， a l s o t h e e x t e n t o f d a ma g e a n d t h e d i s t a n c e d i s t rib u t i o n o f d a ma g e h a v e p e ri o d i c i t y ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ，s t r e s s fi e l d，d a ma g e a n d f a i l u r e ，n u me ri c al s i mu l a t i o n 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 7 - 2 5 作者简介 李勇飞 1 9 7 2 ． ， 男， 工程硕士， 高级工程师， 注册岩土工程师