深部巷道底板锚杆支护数值模拟.pdf

第 2 0卷第 6期 2 0 1 0年 l 1 月 黑龙江科技学院学报 J o u r n a l o f H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e T e c h n o l o g y Vo 1 ． 2 0 No ． 6 NO V ．2 01 0 文章编号 1 6 7 1 0 1 1 8 2 0 1 0 0 6 0 4 2 4 0 3 深部巷道底板锚杆支护数值模 拟 兰永伟 ， 孙广义 黑龙江科技学院 资源与环境工程学院，哈尔滨 1 5 0 0 2 7 摘要 为研究深部巷道底板锚杆支护技 术， 采用 R F P A 数值模拟软件 ， 模拟有无底板锚杆支 护情况下的深部巷道破坏情 况。结果表明 有底板锚杆 支护的深部巷道与无底板支护的相 比， 巷道 周围应力分布均匀， 抗破坏能力强， 底鼓变形量小； 巷道底 角锚杆和底板锚杆对底鼓量的控制起重 要作用。该结果可为深部巷道底鼓防治技术研 究提供参考。 关 键词 深部 开 采 ；巷道底 板 ； 锚杆 支护 ；底鼓 中图分类号 T D 3 2 2 文献标志码 A Nu me r ic a l s i mu l a t i o n o f b o lt i n g t e c h n o l o g y of f l o o r i n d e e p mi n i n g LA N Y o n gwe i ．S UN Gu an g y i C o l l e g e o f R e s o u r c e＆E n v i r o n m e n t E n g i n e e ri n g ， H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e＆T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 2 7 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i s a n a t t e mp t t o i n v e s t i g a t e t h e flo o r bo l t i ng s up p o r t t e c h ni q u e o f d e e p r o a d wa y，u s i n g nu me ric a l s i mu l a t i o n RF PA s o ftwa r e f o r s i mu l a t i n g t h e d e s t r u c t i o n o f d e e p r o a d wa y flo o r d e pe n d i n g o n t h e p r e s e nc e o r a bs e n c e o f b o l t i ng s u p p o r t ．The i n v e s t i g a t i o n s ho ws t ha t t h e d e e p r o a d wa y s wi t h s u p p o r t s e x hi bi t mo r e u n i f o r m s t r e s s d i s t ribu t i o n，s t r o n g e r a n t i d e s t r uc t i o n c a p a b i l i t y，a n d s ma l l e r d e f o r ma t i o n q u a n t i t y i n t h e flo o r h e a v e t ha n d o t h e d e e p r o a d wa y s wi t h o u t s u p p o s；b a c k p l a n e a nc h o r p o i n t s a n d flo o r b o l t p l a y a n i mp o rta n t r o l e i n c o n t r o l l i n g t h e flo o r h e a v e q u a n t i t y o f t h e r o a d wa y ．T he r e s u hs c a n p r o v i d e r e f e r e n c e for p r e v e n t i o n a nd c o n t r o l t e c h n o l o gy i n t h e fl o o r h e a v e o f d e e p r o a d wa y ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g e x t r a c t i o n；r o a d wa y flo o r；b o l t i n g s up p o rt ；fl o o r h e a v e 0 引 言 随着社会对 煤炭 需求 量 的 日益增 加 ， 我 国煤 炭资源浅部储 量 已不 能满 足发展需 要 ， 大部分 矿 井逐步进入 深部开采 。深 部岩体所处地 质环 境 复杂 ， 地应力和孔隙压力高 ， 煤 和岩体的力学物 理性质不同于浅部岩层 ， 导致采准巷道顶 、 底板及 两帮变形增 大 ， 底鼓现 象频 发 。为解 决这些 问 题 ， 许多学 者对深部 开采 破坏机 理进行 了大量 研 究 ， 并提 出加强巷道顶板 和两帮 支护 ， 这对控制 巷道 围岩变形 起到 了一定作 用 ， 但相关 研究 均忽 略了底板支 护 问题 。由于深 部煤岩 体受 多场 、 多 相耦合作用 ， 巷道支 护特别 是巷 道底板 支护非 常 困难 ] 。基于此 ， 笔者应用 R F P A 。 软件 模拟有 无底板锚杆支 护情况 下 的深部巷 道破坏 情况 ， 以 期研究深部巷道底板锚杆支护问题 。 1 深部巷道支护模型 采用 R F P A 。 数值模拟软件建立深部巷道底板 无支护模型和底板锚杆支护模型 ， 如图 1所示 。模 收稿 日期 2 0 1 01 10 1 基金 项目 黑龙江省教育 厅科学 技术研究项 目 1 1 5 5 3 0 8 9 作者简介 兰永伟 1 9 7 4一 ， 男 ， 山西省原平人 ， 讲师 ， 硕士 ， 研究方 向 矿山压力及控 制， E ma i l l a n b o b o y 1 6 3 ． C O B。 第6 期 兰永伟 ， 等 深部巷道底板锚杆支护数值模拟 4 2 5 型由 1 5 02 0 0个单元构成 ， 高 1 5 m， 宽 2 0 m， 巷道 断面为 4 m3 m。深部巷道力学模型及参数选取 如图 2 、 表 1 所示。模拟过程中， 以铅直应力方式对 巷道加载 。 a 底板无 支护 b 底板锚杆支护 图 1 深部巷道模型 Fi g ． 1 M ode l of de e p r oa dwa y 图 2深部 巷道 力学模型 Fi g ．2 M e c han i c a l mod e l o f de e p r oa dwa y 表 1 模型基本 参数 Ta bl e 1 Ba s i c par a me t e r o f m o de l 岩 体 层 位 压 拉 比 残 柰 曩 度 煤体 1 O 4 0 0 0 1 0 1 5 1 O 0 0 ． 3 0 1 0 0 ．3 顶板 1 O 0 6 0 0 0 1 O 0 8 0 1 O 0 0 ．4 0 1 0 0 ．5 底板 1 O 0 5 0 0 0 1 O 0 5 O 1 O 0 0 ． 3 5 1 0 0 ．4 2 数值分析 2 ． 1底板 无支 护巷道 变 形过 程 底板无支护巷道计算模型及巷道周 围应力分布 如图3 、 4所示 。由图 3 、 4可以看 出， 加载初期 ， 拱形 巷道的顶部以及两个底角的应力集 中程度增加 ； 加 载至 1 6 M P a时 ， 巷道底板 出现破坏 ， 随后拱顶上方 也出现较大变形乃至破坏 ， 破坏区不断向周 围扩展 ， 巷道帮底破坏 图 3 a ； 加载至 1 8 MP a时 ， 巷道帮底 破坏程度增加 图 3 b 。 a 加载至 1 6 MP a时 b 加载至 1 8MP a时 图 3底板无支护巷道计算模型 Fi g．3 Ro adwa y c a l c ul a t i o n mode l of no s uppo r t i ng i n flo or 5 0 4 0 3 0 皇 2 O b l O 0 1 0 6 O 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 一l 0 a 加载至 1 6 MP a时 h 加载至 1 8 MP a时 ， S h e a r Ma x ． P r i n c i p a l S t r e s s Mi n ． P r i n c i p a l S t r e s s Ma x ． Pr i n c i p a l S t r e s s Mi n． P r i n c i p a l S t r e s s 图4 底板无支护巷道周围应力分布 F i g ．4 Di s t r i b u tio n o f a r o u n d r o a d wa y s t r e s s o f n o s uppor t i ng i n floo r 4 2 6 黑龙江科技学院学报 第2 0卷 2 ． 2底板锚杆支护巷道变形过程 底板锚杆支护巷道计算模型及巷道周 围应力分 布如图 5 、 6所示 。 a 加载至 1 8 MP a时 b 加载至 2 2MP a时 图 5 底板锚杆支护 巷道计算模型 Fi g ．5 Roa dwa y c a l c u l a t i o n mod e l o f bo l t i ng s uppo r t i ng i n flo o r _ l ▲ l ～ 凿 寻 a 加载至 1 8MP a时 ‘一 J ． 单 元 Ma x ． P r i n c i p a l S t r e s s Mi n ． P r i n c i p a l S t r e s s ， S h e a r Ma x ． P r i n c i p a l S t r e s s Mi n ． P r i n c i o a l S t r e s s b 加载至 2 2MP a时 图 6 底板锚杆支护巷道周 围应 力分布 Fi g．6 Di s t r i but i o n o f a r ou nd r o adwa y s t r e s s o f bo l t s upp or t i ng i n floo r 由图 5 、 6可见 ， 加载初期 ， 巷道周 围应力集中比 较均匀 ， 随着加载的继续 ， 应力在巷道四个角处集 中 程度相对较大 ， 而后 两帮及底板开始破坏 ， 且底板、 顶板锚杆由于 自身力学特性 ， 应力集 中程度 明显高 于其他位置 。当加载至 1 8 MP a时 ， 顶板及底板开始 破坏 图 5 a ； 加载至 2 2 MP a时 ， 底板破坏范围进一 步增加 ，顶板和两帮也同时破坏 图 5 b 。 比较图 3和图 5可知 ， 在底板无支护情况下 ， 铅 直应力达到 1 6 MP a 时 ， 巷道顶板 、 底板 、 两帮开始变 形并出现裂隙 ， 当应力增加到 1 8 MP a时， 两帮、 底板 变形加剧 ， 巷道支护失效。在底板有锚杆支护后 ， 铅 直应力达到 1 8 MP a 时 ， 底板才开始破坏 ， 当应力增 加到 2 2 MP a时 ， 底板变形增大 ， 同时两帮变形加剧 ， 巷道支护失效 。对 比结果显示 ， 巷道底板采用锚杆 支护后 ， 抗破坏能力增强， 这说 明底板锚杆支护对底 板控制起到了一定作用 。 2 ． 3 底板变形情况 有无支护条件下的巷道底板应力分布和变形量 如 图 7 、 8 所 示 。 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 O 1 O 0 1 O 1 _ 3 3 ．7 6 ． 1 8 ．5 1 0 ． 9 1 3 _ 3 1 5．7 l 8 ． 1 2 O．5 Z ／ r i1 图7 不同支护条f 牛 下巷道底板的应力分布 Fi g．7 Di s t r i but i o n o f floo r s t r e e i n d i ffe r e nt s up por t i n g c o ndi t i o n 3 0 菩 2 O 1 0 0 蓬 一- 1 - 3 0 图 8 不同支护条件下巷道底板的变形置 Fi g．8 Am o un t o f de f o r ma t i o n of flo or i n di ffe r e nt s uppo r t i ng c o ndi t i on 从图7可以看出， 无论底板有无支护 ， 巷道两个 底角位置均出现应力集中， 底板中部应力相对较小。 在底板无支护情况下 ， 巷道顶部破坏后 ， 最大主应力 下转第 4 3 1页 O O O O 0 O O O 0 8 6 4 2 4 ∞ 一 ∞ ∞ 加 O 加 ∞ ∞ 舳 ∞ 一 一 一 一 B d 、 b 第6 期 侯智超 ， 等 采动区门式刚架空间结构抗变形性能 4 3 l 因素对刚架结构抗变形的影响规律 以及空间刚架与 平面刚架在弹塑性阶段 的抗变形规律研究甚少 ， 尚 需大量 的研究工作 ， 这也是今后的研究重点 。 参考 文献 [ 1 ] 周圈铨 ， 崔继宪 ，刘文容 ，等．建筑物下 采煤 [ M] ．北京 煤 炭T业出版社，1 9 8 3 ． [ 2 ] 吕恒林 ， 周 淑春 ，胡敬礼．轻钢 门式刚架结构抗地表变形措施 的研究[ J ] ．工业建筑 ， 2 0 0 6 ， 3 6 增刊 6 1 56 1 9 ． [ 3 ] 胡敬礼 ， 刘宏伟 ，张伟 ， 等．采动区轻钢结构建筑 物抗 变形 作用的研 究『 J ] ．矿I 【 0 量 ， 2 0 0 2 0 4 5 25 3 ． 上接第 4 2 6页 迅速降低 ， 模型底板破坏后马上失去承载能力 ； 而底 板有锚杆支护情况下 ， 巷道顶部虽然破坏 ， 但 由于支 护作用 ， 模型底板受压破坏后 ， 应力不是突然下 降， 而是逐步变小 ， 底板仍然具有很高的承载 能力 。这 充分说明， 巷道周围岩体受压破坏后 ， 锚杆对岩体仍 能提供很大的支护力。 图 8显示 ， 在无支护条件下 ， 底板铅直应力达到 1 6 M P a时， 巷道顶板 、 底板、 两帮开始变形并 出现裂 隙 ， 巷道中部围岩变形最大 ， 底鼓变形显著。在有锚 杆支护条件下 ， 铅直应力达到 1 8 MP a时 ， 底板才开 始破坏 ， 底鼓量相对较小 。 3 结束语 煤矿深部采准巷道顶 、 底板及两帮变形严重 ， 底 鼓现象频发 ， 需加强支护尤其是巷道底 板支护。笔 者利用 R F P A 数值模拟软件研究 深部巷道底板锚 杆支护技术。数值模拟结果显示 ， 有底板锚杆支护 的深部巷道周 同应力分布均匀 ， 抗破坏能力强 ， 底鼓 变形量小。巷道底角锚杆和底板锚杆对底鼓量的控 胡敬礼．结构 门式 刚架抗地 表变形研究 [ D] ．徐州 巾国矿业 大学 ， 2 0 0 3 ． h令全 ， 夏军武 ，侯智超．门式 刚架结 构抗地表变形性能分析 [ J ] ．黑龙江科技学院学报 ， 2 0 1 0 ， 2 0 5 3 5 33 5 9 ． 王宽如．采动 区结构厂房抗变形保护研究 [ D] ．徐州 中围矿 业大学 ， 2 0 0 1 ． 夏军武 ，王守祥 ， 工宽知， 等．位于老采空 区上O “J l“ J 式刚架结构 抗变形性能分析研究 [ J ] ．建筑结构 ， 2 0 0 4 ， 3 4 5 3 O一 3 5 ． 邹友 峰，邓喀 巾，马伟民．矿山开采沉 陷T程 [ M] ．徐州 巾 国矿业 大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 编辑王冬 制起到重要作用 。这一结果为研究深部巷道底鼓 防 治技术提供参考 。 参 考文 献 [ 1 ] 李德 忠，夏 新川 ，韩家根 ，等．深部 矿井 开采 技术 [ M] ．徐 州 巾国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 付 国彬 ，姜志方．深井巷道矿山 力控制 [ M] ．徐州 中围矿 业大学 出版社 ，1 9 9 6 ． [ 3 ] 高 明中．巷道压曲性底鼓的机理与控制[ J ] ．安徽理T大学学 报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 2 02 4 [ 4 ] 姚建 国．2 l 世纪 前期我 国煤炭科技重 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