深部巷道支护中的数值计算.pdf

文章 编 号 1 0 0 3 5 9 2 3 2 0 0 5 0 3 0 0 2 6 0 2 深部巷道支护 中的数值计算 兰永 伟 ，高红梅 黑 龙 江 科 技 学 院 ， 黑 龙 江 哈 尔 滨 1 5 0 0 0 0 摘要 本文通过对红 阳三矿 深部 开采 支护的数值计 算， 查 明 了回采及 开拓巷道 的 变形、 破 坏规律 ， 并 对 支护设计 效果进行 了比较分析。分析在 深部巷道 中有支护和 无 支护时 ， 围岩巷 道 变形情 况以及巷 道顶 板 最 小 、 最 大 应 力 ， 顶 板 位 移 变 化 情 况 。 关 键 词 深 部 开 采 ； 巷 道 支 护 ； 数值 模 拟 中图分类 号 T D 3 2 2 文献标识码 A 1 引言 国 内外 大量 实 践 表 明 ， 随 着采 深 增 加 ， 破 碎 岩 体增 多 、 地 应 力增 大 、 涌水 量 加 大 、 地 温 升 高 ， 导 致 围岩 控 制 难 度 加 大 ， 顶 板 来 压 、 岩 爆 、 煤 与 瓦 斯 突 出、 底 板 突水 等 重大事 故 日益严 重 。 本 文 通过 对 红 阳三矿 深 部 开 采 支护 的数 值 计 算 ， 查 明了 回采及 开拓 巷道 的变 形 、 破坏 规律 ， 并 对 支护 设计 效果 进 行 比较 分 析 。分 析 在 深 部 巷 道 中 有支 护 和无支 护 时 ， 围岩巷 道变 形 过程 。并 分析 了 深部 开 采巷 道 支 护 和 无 支 护 时 顶 部 最 小 、 最 大 应 力 ， 顶部 位移 变化 情况 。因此 ， 本项 研究 对高 应力 、 多构 造 对巷道 底鼓 影 响的 机理 、 预测 方 法及 防治 措 施等 问题 ， 对 于保 证 我 国深 部 资 源 开 采 ， 提 高 人 员 安全 保证 ， 有 着重 大 的理论 意义 和 实际应 用 价值 。 2数值 模拟 2 ． 1 回采巷 道 计算模 型 回采 巷 道模 型分 为两 种 ， 第 一 种 为适 应 锚索 长 度 的需要 ， 模 型 为 1 2 0 1 6 0个 单元 ， 模 型高 2 4 IT I ， 宽 3 2 I T I ， 单元 尺 寸为 2 0 0 2 0 0 I T I I T I ， 巷道 断 面 为 4 3 I T I 的矩 形 ， 模 型与 实 体 的 比例 为 1 2 0 0 ， 此 模 型用 于模 拟有 锚 索支 护 的巷 道 断 面 ； 第 二种 为 1 5 0 2 0 0个 单元 ， 模 型高 1 5 I T I ， 宽 2 0 IT I ， 巷 道 断面 为 4 3 I T I 的矩形 ， 单 元 尺 寸 为 1 0 01 0 0 I T I I T I ， 模 型 与 实体 的 比例 为 11 0 0 ， 此 模 型 用 于 模 拟 无 锚 杆 支 护 的巷道 断 面 。 回采 巷道 的力 学模 型 如 图 1所 示 。 2 ． 2无 支护巷 道 变形过 程 收 稿 日期 2 0 0 5 0 5 2 6 作者简介 兰永伟 1 9 7 4 一 。 主要从事 矿山压力和顶 板支护研 究。 2 6 2 0 0 5 ． N Q 3矿 山压 力 与 顶 板 管 理 _ c ． 三 c I 二 _ 一 二二 二 二 二 二二 二 二 二j _ q 图 1巷道力学模型 图 2 无支护巷 道破 坏结果 无 支 护巷 道在 加载 的初 期 ， 拱 形 巷道 的顶 部 以 及两个 底 角应 力集 中 程度 加 高 ， 继续 加 载 ， 巷 道 的 底 角外 侧 出现 破坏 ， 随后 拱 顶上 方也 出现 较大 的 变 形乃 至破 坏 ， 最 后 ， 破坏 区不 断 向周 围扩 展 ， 加 载应 力 达 到 1 8 MP a时 ， 巷道 破坏 图 2 。 2 ． 3模 型锚 喷 支护后巷 道 变形 过程 锚 喷 支护 巷道 在开 始加 载 时 ， 最 初在 巷道 周 围 应 力集 中较均 匀 ， 随 着 加 载 的继 续 ， 应 力 集 中 向 巷 道 远处 扩 展 ， 但 其 扩 展 也 是 相 对 均 匀 的 。继 续 加 维普资讯 载 ， 巷道 的两 侧 以及 底 部 出现 破 坏 ， 此 时 顶 板 及底 角底锚杆应力集 中明显高于其 他位置 。当加载应 力 达 到 2 3 MP a时 ， 顶 板 及 两 侧 同 时发 生严 重 破 坏 图 3 。 2 0 一 2 略 图 3 锚 喷网支护破坏结果 1 6 1 1 1 6 2 1 2 6 3 1 3 6 4 1 4 6 单 元号 图 4不稳定松软围岩巷道顶板最小 主应力对 比图 2 ． 4计 算结 果分析 从 图 4 加 载 应力 为 1 0 MP a 可 看 出 ， 在 采 取 支 护锚 杆支 护后 ， 顶 板最 小 主应力 在锚 杆 位置 出现 了负值 ， 这说 明了锚 杆 处 于受 拉 状 态 ， 顶 板 围岩 变 形 由于锚杆 的作 用 而受 到 了限制 ， 即是 理 论 中所 讲 的锚杆 的悬 吊作用 。且 锚 杆 之 间 的应 力 集 中约 为 无 支护 时 的 2倍 左右 ， 说 明锚 杆与 围岩 成 为承 载共 同体 ， 提 高 了围 岩的 整体强 度 。 采 取锚 杆支 护 后 ， 巷 道 的 承 载 能 力 大 大提 高 ， 围 岩变形 量 受到 了 限制 ， 满足 了软 弱岩 层做 为开 拓 和 准备巷 道 的变形 量 小 、 服 务 年 限长 的要求 。 从 图 5可看 出在无 支护 比有 支 护 时巷 道 顶 部 位移 大 得 多 。从 图 6可 看 到 ， 在无 支 护 的情 况下 ， 巷 道顶部 破 坏 以后 ， 最 大 主应 力 迅 速 降 低 ， 而 在 支 护后 ， 顶部 虽 破坏 ， 由于支护 的作用 ， 仍 具有 很高 的 承载 能力 。 1 7 ．5 1 6 ．5 1 5 ．5 1 5 ． 0 图 5不稳定松软 围岩巷 道顶 板位移对 比 图 7为两 种 情 况 下 整个 模 型 加 载 的 应力 一应 变 曲线 ， 从 图 中看到 ， 在无 支护 的情况 下 ， 模 型 破坏 后马上就失去承载能力。但加上锚杆和 u 型钢支 护后 ， 模型受压破坏后 ， 应力不是突然下降， 而是逐 步 变小 ， 这 充分 说 明 ， 巷 道 围岩受 压破 坏后 ， 锚 杆 和 U 型 钢支 架对 岩体 还 能提 供很 大 的支护 抗力 。 ＼ 斗 略 21 6 1 1 O 1 1 4 1 1 8 1 单元号 图 6不稳定松 软围岩巷道顶板最大主应力对 比 2 g g 1 图 7不稳定松软 围岩巷道模 型加 载应力一应变 曲线对 比 3结 果分析 本文 通过 深 部开 采巷 道在 有 、 无支 护时 巷道 破 坏情 况进 行数 值模 拟 ， 得 出如下 结 论 。 1 支护 和无 支 护 巷 道 在 加 载 的 初 期 ， 拱 形 巷 道 的顶部 以及 两 个底 角应 力集 中 ， 但有 支护 巷道 应 力集 中较 均匀 ； 且 采 取 锚 杆 支 护 后 ， 巷 道 的承 载 能 力 大 大提 高 。 2 在 无 支护 的情 况下 比有 支护 巷道 时 巷顶 位 移大 得 多 。在 无 支 护 的情 况 下 ， 巷 道 顶 部 破 坏后 ， 最 大 主应 力迅 速 降低 ， 而在 支护 后 ， 顶部 虽 破坏 ， 由 于支 护 的作用 ， 仍具 有 很高 的承 载 能力 。 3 在 无 支护 的情 况 下 ， 模 型 破 坏 后 马 上 就 失 去 承 载能力 。但 加 上 锚 杆 和 U 型 钢 支 护 后 ， 模 型 受 压破 坏后 ， 应 力 不是 突然 下降 ， 而是逐步 变小 的 ， 这 充 分说 明 ， 巷 道 围岩 受压 破 坏后 ， 锚 杆 和 U 型 钢 支 架对 岩体 还 能提 供很 大 的支护 抗力 。 参 考文献 [ 1 ] 兰永伟 ， 张永吉 ， 段克信．东滩煤矿 4 2轨 3 提冲击地压事故 原 因分析及防治对策[ J ] ．辽宁工程技术大学学报 ， 2 0 0 5 ， 增 刊 4 7 5 0 ． E 2 3 兰永伟 ， 张永吉 ， 高红梅．深部 开采条件 下 ， 巷道底 鼓机理 研 究[ J ] ．矿业研究与开发 ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 3 4 3 6 ． [ 3 ] 梁冰 ， 李 凤仪．深部 开采 条 件下 煤 和瓦 斯突 出机 理 的研 究 [ J ] ．中国科 学技术大学学报 ， 2 0 0 4 ， 增刊 7 3 7 6 ． 矿 山压 力与 顶 板 管 理2 0 0 5 ． N o 3 2 7 维普资讯