深井巷道支护方法数值模拟及分析.pdf

高 新 技 术 Q 蛰 Sc i en ce and Tech nOI Ogy Cons ul t i ng He r al d 深井巷道支护方法数值模拟及分析 马强’ 郭占岐 田荣涛。 1 ． 黑龙江科技学院 1 5 0 0 2 7 ； 2 ． 北京吉北电力工程咨询有限公司 1 0 0 0 8 5 ； 3 ． 广源建设工程检测有限公司4 5 0 0 5 2 摘要 随着煤炭工业的发展， 矿井开采正经历着一个由浅到深、由简单到复杂的过程， 深部矿井逐渐增多。影响巷道稳定性的因素也 随着增加， 深部巷道支护问题越来越引起人们的重视。本文以数值模拟研究为基础， 通过 RF P A软件分析了在不同条件下巷道支护的特 点， 得出了深部巷道支护的有效方法， 提出了深井巷道矿压的控制应该着重考虑巷道的优化布置和改善巷道的支护形式 ， 充分发挥以锚杆 为主体的新型支护以及锚喷、锚索 、锚网等联合支护形式。 关键词 深部开采 数值模拟 支护技术 中图分类号 T D 8 2 4 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 0 5 3 4 2 o 0 7 0 8 b 一 o 0 l 7 - 0 2 1深井动压巷道破坏机理 随着开采深度的增加 ， 巷道围岩处于高地 应力的作用之下， 还要受到采动的影响， 在浅 部表现为硬岩的岩石会逐渐过渡到软岩范畴， 会呈现大地压、 难维护局面。 此种意义上的围 岩变形主要指在重力作用下巷道围岩的变形 破坏。而且， 这种破坏具有与深度有关而与方 向无关 构造应力作用时除外 的特点。即在开 挖浅部巷道时 ， 按常规的支护方式巷道变形不 明显， 随着深度的增 一 2 3 0 下山， 在开挖时选用 直墙半圆拱断面 ， 部分地段全断面架设槽钢 棚、 部分地段两帮浇注混凝土、 半圆拱砌破支 护。按理说支护强度已经很高， 但是从开采至 今破坏严重。虽然经过多次翻修， 仍不能满足 使用断面， 只能报废， 这充分说明刚性支护不 能适应围岩的无休止的流变变形。另一方面， 巷道在开挖后 ， 围岩应力状态发生了较大的改 变， 切向应力在巷道壁附近出现局部集中 ， 距 巷道壁愈远则愈接近原岩应力状态。这时巷 道围岩中任一点其应力状态可用二阶应力张 量表示， 而此二阶应力张量为{ ； } 可分解为两 部分， 球应力张量和偏应力张量即 『 『 Ⅱ ]『 一 ] f 0 0 ] f r I J 一 0 0 I I l 1 口 一 l l 0 0 j 喜 嚣 球应力张量不引起形变， 它是一种三向均 压状态。偏应力张量引起巷道围岩的变形破 坏， 因此工程开挖引起的偏应力局部集中是深 井巷道围岩变形破坏的另一主要原因。 巷道在掘进工程中， 不可避免的要遇到地 质构造， 如断层破碎带、背斜、向斜轴、褶皱 带 等。 由于煤 层群的开 采 ， 巷 道围岩还要 受到 重复采动的动压影响 ， 虽然有煤柱保护 ， 但实 践证明， 由于开采方法的不合理， 巷道多数遭 到破坏。研究表明， 深井动压巷道 ， 特别是 围 岩强度相对较弱的巷道 ， 围岩的主要破坏形式 和变形机理为挤压流动变形 ， 其特点是巷道的 围岩为己经遭受过变形破坏的软弱破碎岩体 ， 在受采动影响或随时间流变时 ， 这些软弱破碎 围岩的再变形破坏过程中的体积碎胀导致巷 道发生 大的变形 。 2深部巷道锚杆、 锚索和锚杆 锚索支护 数值计算 采用锚杆 或锚索 支护 ， 远离巷道开挖区 围岩的主应力分布与巷道开挖但不支护时主 应力分布情况基本相同， 但在靠近巷道开挖区 的围岩 四周主应力的分布则表现出不同的特 征。由于支护体的作用， 巷道四周围岩应力集 中程度高于无支护情况。在刚开始 ， 巷道的 变形得到了控制， 两帮的位移量大大减小 ， 在 开挖以后没有明显的破坏， 承受地压的能力有 墨 计算步 1 不同支护条件下顶板位移对比阁 一 一锚杆 锚索 全锚索 2间采巷道 3 种支护巷道顶板最小主应力对比陶 了进一步的提高。由于锚杆的作用， 巷道围 岩的应力集中程度虽然有了很大程度的提高， 但是高应力部分主要由锚杆来承受， 锚杆的强 度远远高于围岩的强度， 同时由于金属网属于 柔性体 ， 所以整体围岩的强度有了提高。 模拟结果显示全锚杆支护， 加载应力达到 2 5 MP a巷道破坏 ；全锚索支护加载应力达到 3 2 MP a巷道破坏 ；锚杆 锚索支护加载应力 达 到 3 0 M Pa巷道破 坏。 从不同支护方式的应力承载能力来看 ， 全 锚索支护强度最高 ， 锚杆 锚索与其相差不 大。 从模拟数据可以看出不同支护条件下顶 板位移随加载过程的变化。无支护情况下顶 板的位移最大。全锚杆支护下顶板的位移量 较前者小。全锚杆支护和锚杆 锚索支护方 式下顶板的位移量相近， 并且远小于无支护情 况。两帮位移量锚索、 锚索 锚杆要比只用锚 杆 的要 小 。 从图2 可以看出， 几种支护方式所产生的 拉应力是不同的， 全锚索断面的拉应力最大 ， 锚杆 锚索较其稍小 ， 全锚杆断面则相对较 低 ， 说明对于顶板的变形及稳定性控制程度是 有 差 异 的 。 锚杆支护发挥了围岩的自身承载能力， 改 变 了巷道的承压状态， 能有效地控制巷道的变 形量。锚索具有锚固深度大、 承载能力高、 可 施加较大的预紧力等特点， 在锚杆支护的同时 配以少量的锚索 ， 就可以将锚固体悬吊于稳定 坚硬的老顶上 ， 避免其离层及出现巷道顶板整 体下沉或垮落。混凝土喷层是脆性材料 ， 在混 凝土内敷设一层金属网能提高喷层的抗拉、 抗剪强度， 增强其整体性和抗变形能力。在围 岩变形较大的条件下， 即使喷层局部开裂后脱 层， 金属网也能有效地控制锚杆间碎石不松动 或 冒落， 避免出现大的不均匀变形和围岩掉块 引起锚杆的失效而使支护失败。锚杆是锚喷 网支护的主体构件， 它使围岩形成组合拱进行 支护， 并且有可缩性。喷层主要是防止锚杆间 碎岩松弛掉落、防止围岩风化以及金属网的 锈蚀 。金属网用以加强锚杆 间的支护能力 ， 三者联合进行支护。 一 方面锚杆提高了煤体残余的强度 ， 锚索 控制了顶板的离层；另一方面， 金属网属于 柔性材料， 把破坏煤体的变形控制在一定范围 之 内。两帮下沉量减少 ， 也使得顶板的下沉 量减少 ， 特别有利于控 制锚固区外的离层。 另外， 加固帮角在工艺及施工技术上比直接处 理底板更易于实现 。这样既保证 了煤体发生 变形破坏， 又可以保持很高的残留强度。 科技咨询导报 S c ie n c e a n d Te c h n o l o g y Co n s u l t in g H e r a ld 1 7 维普资讯 2 0 0 7 NO． 2 3 百 d T e c h n o lo g y C o n s u lt in g H e r a ld 高 新 孜 术 用垂直单管顺流系统改造水平单管跨越系统易出现的问题 顾玉 刚 佳木斯市房产管理监察大队 摘要 我国的既有住宅系统大多为垂直单管顺流式系统己不适应市场经济的需要 ， 故而进行改造。本文以某一住宅楼供暖系统改造为 例， 来讨论既有建筑物垂直单管顺流式改造为水平单管跨越式系统所引起的室温失问题。水平单管跨越式系统如果原系统的附加率大于 2 0 ％。改造后不会出现室温低于 1 6 ℃的房间， 但要采取室温调节措施以防止房间过热。 关键词 建筑节能 水平单管跨越式采暖系统 既有住宅建筑系统改造 中图分类号 U4 1 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 0 5 3 4 2 o 0 7 0 8 b 一 0 0 1 8 0 1 建筑节能是节能工作的重要领域， 是缓解 我国能源紧缺矛盾 ， 改善人民生活工作条件减 轻环境污染， 促进经济可持续性发展的一项最 廉价的根本措施。 由于我 国产业 政策的调整 ， 导致 热力公司 采暖费牧缴 困难 。供热企业为能将采暖费牧 缴上来 ， 而对既有建筑系统而进而改造。目前 改造方式多为垂直单管顺流式改造成单户水 平单管式系统。目前采用水平跨越式和水平 顺流式系统及单户水平双管式系统。本文针 对垂直单管顺流式改造为水平单管跨越式系 统， 房间散热设备的散热面积不变而引起的室 温变化进行分析。 1分析的基本条件 本文以某一职工住宅楼的一个单元为例 进行分析。该住宅楼为七层建筑 ， 每层系统 为上供下回式垂直式单管顺流式系统。供回 式温度为8 0／6 0 “C， 该单元系统有 l l 根立管 ①、⑩ ，⑩承担用 户一的供热 。立管 ②， ③、④承担用 户二的供热 ，立 管⑤ 、⑥、 ⑦ ，⑧ ，⑨承 担用户三 的供热 。 现将原 系统改造为水平单管跨越式系 统。设改造前后房间的热负荷不变， 散热器 型号和片数不变， 分析改造前后房间的室温变 化规律 。散热器的散热量可表示为 Q A t n t n F 1 式中； Q为房间的热负荷w ；A、b为散 热器的特性系数 ； F为散热器的散热面积 m2 ； t 为散热器的表面平均温度℃； t 为房间室内 温度， ℃。 由于改造前后房间热负荷不变， 散热器的 散热面积不变， 则可得 A F t 。 - t A F t p 一 t n ’ 即t n 。 t 。 ’ 一 t p t n 2 式中 t n ’ 、t n为分别为改造后 ， 改造前的 室内温度℃ t ’ 、t 为分别为改造后， 改造前的室内 温度℃ 从②式中可以看出改造后室内温度与改 造前、后散器表面平均温度差及改造前室内 温度有关 。 2将原有系统改造为不平单管跨越式系统 后房间室温变化情况 对于改造前的上供下回垂直单管顺流式 系统某一层散热器进水温为 t i t il 一 t g t h Q i ／∑Q 3 t 7 t g 毒 式中 t 为第i 层散热器进水温度 i 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ℃ 表 1窜温超过允许范围的房间比例 ％ 项 f i 】 户 1 用 户 2 用 户 3 } l N 0 N I O N 2 0 N 3 0 N O l N I O N -- 2 0 I N 3 0 N 0 N I O N 2 0 N 3 0 跨 2 0 ℃ 1 9 2 9 5 2 6 7 9 b8 5 7 I 7 1 2 9 4 0 9 7 7 式 N一设计附加宰 t 。 、t 为分别为系统设计供水 ， 回水温 度， ℃} Q 为第i 层散热器的散热量， w； ∑Q为该 立利管连接散热器的散热总和， w 。 t 口 i t ￡ t 卜 。 ／2 式中 为第i 层散热器表面温度 i l ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ℃ 改为单户水平单管跨越系统后 ， 由于加设 跨越管 ， 在水平支路中水流量部分流入散热 器， 部分流跨越管， 进流系数大小直接决定散 器回水温度高低。 t { ’ t 一 t o - t J Q ／ 1 ， 1 6 30 ， 8 6a x ∑Q 4 t t j ， T j ／ 2 式中 t ； 为水平外路第 j 个散热器材进水温度 j 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 ， ℃{ T 。 、t 为分别为系 统设计供回水温度， ℃； Q _ 为水平环路的第 j 个 散热器的散热量， w ； ∑Q为该水平环路连接 的散热器散热量总和 ， w ； T ； 。 为水平环路第 j 个散热器回水温度， ℃； a 为该散热器的进流系 数 ； t 为水平环路第 j 个散热器表面平均温 ℃。温度实测见表 1 。 由以上分析可见，原有建筑物内采暖系 统垂直单管顺流式改造为水平单管跨越式时 ， 引起严重的室温失调问题。本文并非指正现 有改造方案是否正确． 仅对改造前， 后室温变 化进行理论分析。 随着附加率的增加 ， 高于2 0 ℃的房间在逐渐增加 ， 小于 1 6 X 2 的房间在逐渐 减少 。 3深部极不稳定松软围岩巷道支护分析 对于极不稳定围岩采取了锚杆U型钢 可缩性支架等联合支护模拟。 U型钢拱形可缩 性支架结构比较简单， 承载能力大， 可缩性好。 由于支架本身是一个闭合体 ， 其承载能力较拱 形 、梯形支架有较大的提高， 支架变形损坏 小 ；而且支架底部封闭， 对巷道底臌有 良好 的控制作用 ， 对巷道两帮也有较强的控制能 力。特别是在巷道围岩变形量和压力较大的 情况下 ， 使用拱形支架更有其优越性。 析和数值模拟等研究方法， 以深部巷道变形机 理及防治措施为主要研究内容 ， 对深部巷道支 护方法进行数值模拟 ， 得出以下结论 1 煤矿深井巷道的矿压控制应该着重考 虑巷道的优化布置和改善巷道的支护形式 ， 充 分发展以锚杆支护为主体的新型支护和锚 喷，锚网、锚索、锚喷网等联合支护形式 。 2 通过数值模拟得出对于深部巷道应采 取锚索、锚杆等的联合支护方式 ， 支护效果 好。 参考文献 4结论 [ 1 】左秀峰． 高产高效矿井与深井的开拓部署 深部巷道支护是一个复杂的过程 ， 一直是 及决策支持系统． 徐州 中国矿业大学出版 矿山防治研究的难点之一。本文采用理论分 社， 2 0 0 0 ． 1 8 科技咨询导报 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o n s u l t i n g H e r a l d [ 2 】杜计平等． 煤矿深井开采的矿压显现及控 制． 徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 0 ． 【 3 】徐永圻． 煤矿开采学 ． 徐州 中国矿业大学 出版社， 1 9 9 1 ． 维普资讯