深部松散全煤巷道围岩变形特征分析.pdf

第 2 1 卷 第 3期 2 0 1 3年 6月 安 徽 建筑工业 学院学报 自 然科学 版 J o u r n a l o f An h u i I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e I n d u s t r y Vo 1 ． 2 1 No ． 3 J u n ．2 0 1 3 深部松散全煤巷道 围岩变形特征分析 金燕燕 安徽建筑工业学 院土木工程学院 ， 安徽 合肥2 3 0 0 2 2 摘要 以新集矿区某具体巷道为例 ， 根据工程实测结合数值模拟分析了深部开采松散全煤巷道两帮及顶板 变形特点。结果表明 深部开采巷道两帮中部表现为显著的不稳定塑性变形； 顶煤与直接顶结构面中部产生 不稳定层间离层。分析结果可为深部开采全煤巷道合理支护选择提供依据。 关键词 深部开采； 全煤巷道 ； 塑形变形； 层间离层 中图分类号 T U3 1 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 5 4 0 2 0 1 3 0 3 0 9 1 0 3 De f o r m a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s o f s ur r o u n d i ng r o c k i n d e e p l o o s e c o a l r o a d wa y J I N Ya n - y a n S c h o o l o f Ci v i l En gi n e e r i n g， AnHui Uni v e r s it y o f Ar c hi t e c t u r e ， An h u i He f e i ， 2 3 0 0 2 2 Ab s t r a c t A c o n c r e t e r o a d wa y i n x i n j i mi n i n g a s a n e x a mp l e ， a c c o r d i n g t o t h e e n g i n e e r i n g me a s u r e me n t c o mb i n e d wi t h n u me r i c a l s i mu l a t i o n f o r a n a l y s i n g t h e t wo s i d e s o f l o o s e c o a l r o a d wa y a n d r o o f d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s i n d e e p mi n i n g ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c e n t r a l o f t wo s i d e s o f d e e p mi n i n g r o a d wa y c h a r a c t e r i z e d b y s i g n i f i c a n t p l a s t i c d e f o r ma t i o n i n s t a b i l i t y ；To p c o a l a n d t h e c e n t r a l o f i mme d i a t e r o o f s t r u c t u r e p r o d u c e d u n s t a b l e i d e n t i f i c a t i o n o f i n t e r l a y e r s e p a r a t i o n ．An a l y s i s r e s u l t s c a n b e r e a s o n a b l e c h o i c e f o r d e e p c o a l r o a d wa y s u p p o r t i n g ． Ke y w o r d s C o a l t u n n e l i n d e e p mi n i n g ； c o a l r o a d wa y ；p l a s t i c d e f o r ma t i o n ；i d e n t i f i c a t i o n o f i n t e r l a y e r s e p a r a t i o n 1 工程概况 安徽新集矿区 1 3煤 ， 厚度 为 6 ． 0 8 ． 0 m， 煤 层松散破碎 。直接顶为泥岩 ， 直接底为砂质泥岩 ， 平均厚度 3 ． 6 m， 水平层理较为发育 ， 老顶为砂岩 ， 裂隙发育， 泥岩块状， 平均厚度为 4 ． 4 m。由于煤 层较厚 ， 一般采用放顶煤开采 ， 为此 ， 采准巷道沿 底板布置， 巷道断面为梯形， 运输巷断面为上宽 下宽 高度 一4 0 0 0 mm4 8 0 0 mm2 8 0 0 mm， 回 风巷 断 面 为 上 宽 下 宽 高 度 一 3 2 0 0 mm 4 0 0 0 mmX 2 8 0 0 mm， 采用 1 2号矿用工字钢支护 ， 由于巷道两帮及顶部一定范围为松散破碎煤岩 ， 巷道及围岩分布如 图 1 。支护效 果不理想 ，围岩 两帮显著内移， 顶板下沉， 底板鼓起， 棚腿及棚梁严 重扭曲， 数次返修虽暂时保证了巷道的使用， 但未 从根本上解决问题Ⅲ。根据全煤巷道变形特征 ， 选 择合理支护有工程实用价值， 本文通过工程实测结 合数值模拟分析了深部开采破碎全煤巷道变形特 征， 结果可为全煤巷道合理支护选择提供依据。 2 全煤巷道围岩变形特征分析 2 ． 1 工程实测与分析 工程实测选择在 2 6 1 3 0 8回风巷 ，巷道每掘 进 3 0 m设点测量围岩帮部及顶板变形、 复合顶板 层间离层 。测点布置如图 1 ， 由于卧底较为频繁， 底板表面未布置测点 。通过拉线法测量不同时段 A A 、 B B 。 长度来计算围岩帮部不同位置测点 变形值 ； 多点位移计测量巷道顶板不 同位置测点 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 1 作者 简介 金燕燕 1 9 8 8 一 ， 女 ，硕士研究 生， 研究 方向为地 下结构计算理论与应用 。 9 2 安徽建筑工业学院学报 自然科 学版 第 2 1 卷 C、 D处的表面变形及复合顶板层问离层 ， 多点位 移计孔 内测点分别位于复合顶板直接顶 Ⅱ层及顶 板 Ⅳ层 内。 I I I 层 图 1 帮部表面变形及复合顶板层 问离层实测示意 1 巷道帮部变形特征 典型的巷道帮部表面不 同位置 A 与 A 变 形量随时间变化如图 2 a ， B 与 B。 变形量随时 间变化如图 2 b 。 l 1 1 l 1 套 g 时 间， d a 测 点 A1 AD变形 随时间变化 时 I 哪， d b 测点 B1 B2 变形随时间变化 图 2 巷道 帮部表面不同位置测点变形 随时间变化 对应图2 a ， 围岩产生二次蠕变， 表面变形 随时间变化可示为 。 ] 一 3 0 0 1一 e ’ “ ￡ ≤ 2 0 d 1 U 3 0 0 2 2 0 1一 e 。 。 ∞ ￡ 2 0 d 2 对应图 2 b ， 围岩仅 产生一次蠕变 ， 表面变 形随时间变化可示为 1 6 0 1一 e _ 。 1 3 3 巷道 帮部表面测点 A A 变形 比测点 B B z 变形明显增大 ， 前者可达到 5 2 0 mm， 后者仅 为 1 6 0 mm， 说明帮部 围岩 中部变形显著。 2 巷道顶板变形特征 巷道顶板测点 C、 D处多点位移计实测结果 如图 3及图 4 。 0 2 0 4 O 6 0 8 0 l o o l 2 0 时间越 a 测点 C C1 离层 时问， d b 测点 C 1 C 2 离层 图 3 测点 c多点位移计 实测 时间， d a 测点 DD1间离层 时间， d b 测点 D1 D2间离层 图 4 测点 D多点位移计实测 多点位移计测得两点离层值 由两点间塑性变 形差和两点 间结构面层间离层两部分[ 3 - 4 ] ， 层间 第 3期 金燕燕 深部松散全煤巷道 围岩变形特征分析 9 3 离层呈跳式发展 ， 测点 C z 及 D 位 于原 岩之中， 位移很小 ， 几乎为零 ， 由图 3 b 及 图 4 b 可知 ， 多 点位移计测量 中 C C 2以及 D D 之间仅存 在较 小量的层问离层变化 ， 说 明 Ⅱ层与 Ⅲ层复合顶板 结构面层间离层量较小且 C 2 及 D。 点塑性变形 量很小 。图 3 a 多点位移计测量 中 C C 离层包 括两点之间塑性变形差及结构面 1的层 间离层 ， 根据塑性变形 和层 间离层不 同特点[ 3 ] ， 可以将两 点间总离层分离为图 5 a 测点 C表面塑性变形 和图 5 b 结构面 1 层间离层两部分 。 时间， d a 测点 C表 面变形随时 间变化 时 l H J ／ d b 测点 C处结构面 1的层间离层 图 5 测点 C表面变形与结构面 1层间离层 图 5 a 测点 C处表面变形随时 间变化可示 为 “ 一5 0 ． 0 1 一e _ 。 ∞ ， 巷道顶板表 面变形较小 且仅产生 了一次蠕变 ， 顶板 C处 塑性变形稳 定 ， 但由图 5 b ， 松散顶煤与直接顶结构面产生了约 3 0 m m的层间离层， 超过了规定的临界值并有继 续增长趋势 ， 层间离层不稳定。分离图 4 a 测点 D处 DD 间的总离层为层间离层和塑性变形 ， 塑 性变形随时间变化较好满足 U 3 5 1 一 加 趋 于稳定， 层间离层值较小仅约为 1 0 m m且趋于 稳定。 以上计算结果表明 与帮部比较， 全煤巷道顶 板塑形变形不显著， 但在复合顶板结构面中部产 生了显著层间离层 ， 并有不稳定发展趋势。 2 ． 2 深部开采松散全煤巷道变形数值模拟 使用 ANS YS程序 ， 考虑巷道两帮 围岩 的充 分碎胀 ， 选用接触单元模拟结构面 ， 可以较好模拟 深部开采 围岩塑性变形和复合顶板结构面层间离 层[ 4 ] 。以新集一矿 2 6 1 3 0 8巷道 围岩及结构 面性 质、 巷道断面为参照， 分析煤岩性质和巷道埋深即 原岩应力大小改变对帮部变形特征及顶煤与直接 顶结构面层 间离层分布影响。 计算结果表明 随原岩应力增加， 煤岩岩性减 弱， 巷道两帮及底板中部变形显著增加； 顶煤与直 接顶结构面中心层间离层值几乎不变， 但中部结 构面分离范围增加。深部软弱围岩两帮及底板 中 部呈现显著的塑性变形 ， 结构面 中部较大范围产 生层间离层 。 3 结 论 1 深部开采松散全煤 巷道 两帮及底板中部 呈现显著的塑性变形， 合理支护应加强两帮及底 板中部支护 ， 使塑性变形不超过容许变形 。 2 深部开采松散全煤 巷道顶煤塑性变形较 小， 但顶煤与直接顶结构面中部较大范围产生较 为显著层间离层 ， 结构面 中部较大范围产生分离。 合理支护应控制结构面中部不稳定层间离层。 参考文献 1 高喜才， 赵强．深井全煤巷道反底拱支护优化数值模 拟研究[ J J ． 煤矿开采， 2 0 1 2 ， 1 7 2 5 7 6 o ． 2 吴德义， 程桦． 软岩允许变形合理值现场估算I- J ] ． 岩土 工程学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 7 1 0 2 9 1 0 3 2 ． 3 王争鸣． 新集矿区锚杆支护复合顶板离层稳定性分析 口] ． 能源技术与管理． 2 0 0 9 ， 2 8 6 3 8 4 O ． 4 张百胜， 康力勋， 杨双锁． 大断面全煤巷道层状顶板离 层变形模拟研究[ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 0 6 ， 2 3 3 2 6 4 2 6 7 ． 责任编辑 王颖