论文部分内容阅读
【摘 要】 运用数值计算模拟方法对巷道开挖后围岩力学状态进行分析，结合巷道所处区域工程地质条件，对巷道进行支护参数的设计，并运用数值计算模拟方验证支护设计的合理性。本文以山西华宁焦煤集团崖坪煤矿15202回风巷道为工程背景，进行巷道开挖后的力学效应分析，并结合崖坪煤矿15202回风顺槽所处区域的工程地质特征和煤岩力学特性，进行了崖坪煤矿15202回采巷道支护参数的确定。对支护后的回采巷道进行数值计算模拟，分析了支护后巷道围岩的稳定性，验证了所采用的支护参数可以有效进行巷道围岩稳定性控制。
【关键词】 回采巷道;数值模拟;围岩;支护
【中图分类号】 TD322.4 【文献标识码】 A
【文章编号】 2096-4102（2019）06-0013-03
回采巷道围岩稳定性控制是煤矿安全高效开采的基础，使用数值计算模拟方法对巷道开挖后围岩力学状态进行分析，结合支护设计理论，对巷道进行支护参数的设计，并运用数值计算模拟方法对支护后的巷道围岩的稳定性进行分析，验证支护设计的合理性。目前国内外相关学者对回采巷道围岩稳定性进行了大量的研究，余伟健等对薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制进行了研究，推导了煤岩体层间滑移与巷道围岩失稳的本构方程，为薄煤层开采软弱煤岩体巷道支护提供了理论基础;何满潮等进行了无煤柱自成巷与常规巷道开采应力场分布特征对比分析的研究，揭示了回采巷道掘进引起的煤柱应力分布规律。
1煤岩力学特性
山西华宁焦煤崖坪煤矿目前主要开采 2 号煤层。15202工作面位于崖坪煤矿北部区域，煤层平均埋深为600m。15202工作面沿煤层倾向东西布置，南部区域为15201 工作面采空区，北部为未开采的15203工作面。15202回风巷道沿底板掘进，掘进尺寸4000mm×3000mm。
通过对崖坪煤矿2号煤层顶底进行岩石力学测试，得到其煤岩力学参数如表1所示。
2无支护下15202工作面回风巷道模拟分析
2.1 15202回风顺槽模型
通过分析崖坪煤矿2号煤层的地质资料，确定2号煤层平均埋深为550m，2号煤层平均厚度为4.2m。巷道顶板主要分布岩层为砂质泥岩和粗粒砂岩。本次数值计算取顶板厚度为30m，底板主要由粉砂质泥岩组成，底板模拟取8.5m，巷道两帮各25m。模型边界条件为水平移动边界，底部为固定边界。15202回风巷道模型如图1所示。
2.2无支护下150202回风巷道模拟分析
由于崖坪煤矿15202回风巷道的开挖，打破了原岩应力平衡状态，使其应力重新分布。
（1）围岩垂直应力分布
崖坪煤矿15202回风巷道围岩垂直应力分布云图如图2所示。
由图2可知：垂直应力在顶板中间2.0m内降低，两帮的垂直应力是对称分布的，应力减小区出现在1.0米范围内，应力平衡区在1.0-1.5米范围内。在1.5米外形成垂直应力上升区（应力芯区），垂直应力峰位于1.7米，为11.5MPa。
（2）围岩水平应力
崖坪煤矿15202回风巷道开挖后围岩水平应力分布云图如图3所示。
由图3可知：水平应力逐渐恢复到顶板上方8.0米的原始岩石应力状态。根据锚固原理和关键层理论，顶板上方6.9m以上的岩层为坚硬的砂质泥岩，如果巷道围岩设计锚索补强，其长度应在8.2m以上。巷道帮部水平应力区严重减少是塑料区，其范围小于1.5米。
3支护参数设计及围岩稳定性分析
3.1支护参数设计
由崖坪煤矿2号煤层地质资料可知，15202工作面回风巷道所处围岩是分层连续性的岩性特征，应结合梁理论和悬索理论进行顶板锚杆支护。即顶板通过锚杆锚固形成组合梁，并确保锚固结构能够使得拱形负载体悬挂在稳定的岩层中的顶板中。结合15202工作面回风巷无支护下巷道水平应力分布和垂直应力分布规律，确定如下支护参数：
锚杆的排距和间距为900mm;锚索行距1800mm，间距1400mm;帮锚杆排距和间距为900mm。网片规格：采用经纬金属网，锚杆材质均选用左旋无纵筋螺纹钢筋。
3.2支护后围岩稳定性分析
（1）围岩垂直应力
崖坪煤矿15202回风巷道围岩垂直应力分布云图如图5所示。
由图5可知：巷道围岩的垂直应力分布明显优于无支撑状态。0.6-1.1米区域内达到应力平衡，垂直应力增加较大的区域在1.1米区域以外。防止垂直应力高峰移动到巷道深处，可以提高巷道帮部围岩的强度。
（2）围岩水平应力
崖坪煤矿15202回风巷道围岩水平应力分布云图如下图4-3所示。
由图6可知：顶板2.0m随着围岩的水平应力逐渐上升到原始岩石应力状态。从水平应力分布的角度来看，巷道顶板的围岩处于稳定状态。
4结论
通过运用FLAC-3D软件，采取弹塑性材料模型，运用Mohr-Coulomb屈服准则对山西华宁焦煤集团崖坪煤矿15202回风巷道进行了数值模拟分析，确定了崖坪煤矿15202回风巷道围岩的垂直和水平应力分布，通过分析开挖后在无支护条件下巷道极易产生破坏。并根据崖坪煤矿15202回风巷道所处区域的工程地质特征和煤岩力学特性，确定了15202回风顺槽巷道支护参数。通过进行支护后的15202回风巷道模拟结果分析，验证了支护方案的合理性。
【参考文献】
[1]朱维申，李术才，陈卫忠.节理岩体破坏机理和锚固效应及工程应用[M].北京：科学出版社，2002.
[2]余伟健，吴根水，刘海，等.薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制[J].煤炭学报，2018，43（10）：2668-2678.
[3]何满潮，王亚军，杨军，等.切頂卸压无煤柱自成巷开采与常规开采应力场分布特征对比分析[J].煤炭学报，2018，43（3）：626-637.
[4]王烨.李家壕矿软岩回采巷道围岩稳定性分析与支护技术研究[J].煤炭工程，2017，49（S2）：69-73.
[5]文排科，左宇军，李进猛，等.基于Phase2有限元分析的巷道围岩稳定性研究[J].煤炭技术，2015，34（1）：35-37.
[6]孙明磊，李佳丽.永久煤柱下巷道围岩稳定性及控制技术分析[J].煤矿开采，2016，21（3）：59-62.
[7]靖洪文，李元海，许国安，等.深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究[J].岩土力学，2005，26（6）：877-880.
[8]和金生.综放回采巷道围岩稳定性分类及其支护对策的研究[J].系统工程理论与实践，1985（1）：35-40.
[9]尹联程，费小保.孤岛煤柱下巷道围岩稳定性分析及控制技术[J].现代矿业，2013，29（3）：110-112.
[10]杨逾，孙艺丹，张培兰.兰家沟钼矿巷道围岩稳定性分析[J].金属矿山，2016，45（8）：69-74.
【关键词】 回采巷道;数值模拟;围岩;支护
【中图分类号】 TD322.4 【文献标识码】 A
【文章编号】 2096-4102（2019）06-0013-03
回采巷道围岩稳定性控制是煤矿安全高效开采的基础，使用数值计算模拟方法对巷道开挖后围岩力学状态进行分析，结合支护设计理论，对巷道进行支护参数的设计，并运用数值计算模拟方法对支护后的巷道围岩的稳定性进行分析，验证支护设计的合理性。目前国内外相关学者对回采巷道围岩稳定性进行了大量的研究，余伟健等对薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制进行了研究，推导了煤岩体层间滑移与巷道围岩失稳的本构方程，为薄煤层开采软弱煤岩体巷道支护提供了理论基础;何满潮等进行了无煤柱自成巷与常规巷道开采应力场分布特征对比分析的研究，揭示了回采巷道掘进引起的煤柱应力分布规律。
1煤岩力学特性
山西华宁焦煤崖坪煤矿目前主要开采 2 号煤层。15202工作面位于崖坪煤矿北部区域，煤层平均埋深为600m。15202工作面沿煤层倾向东西布置，南部区域为15201 工作面采空区，北部为未开采的15203工作面。15202回风巷道沿底板掘进，掘进尺寸4000mm×3000mm。
通过对崖坪煤矿2号煤层顶底进行岩石力学测试，得到其煤岩力学参数如表1所示。
2无支护下15202工作面回风巷道模拟分析
2.1 15202回风顺槽模型
通过分析崖坪煤矿2号煤层的地质资料，确定2号煤层平均埋深为550m，2号煤层平均厚度为4.2m。巷道顶板主要分布岩层为砂质泥岩和粗粒砂岩。本次数值计算取顶板厚度为30m，底板主要由粉砂质泥岩组成，底板模拟取8.5m，巷道两帮各25m。模型边界条件为水平移动边界，底部为固定边界。15202回风巷道模型如图1所示。
2.2无支护下150202回风巷道模拟分析
由于崖坪煤矿15202回风巷道的开挖，打破了原岩应力平衡状态，使其应力重新分布。
（1）围岩垂直应力分布
崖坪煤矿15202回风巷道围岩垂直应力分布云图如图2所示。
由图2可知：垂直应力在顶板中间2.0m内降低，两帮的垂直应力是对称分布的，应力减小区出现在1.0米范围内，应力平衡区在1.0-1.5米范围内。在1.5米外形成垂直应力上升区（应力芯区），垂直应力峰位于1.7米，为11.5MPa。
（2）围岩水平应力
崖坪煤矿15202回风巷道开挖后围岩水平应力分布云图如图3所示。
由图3可知：水平应力逐渐恢复到顶板上方8.0米的原始岩石应力状态。根据锚固原理和关键层理论，顶板上方6.9m以上的岩层为坚硬的砂质泥岩，如果巷道围岩设计锚索补强，其长度应在8.2m以上。巷道帮部水平应力区严重减少是塑料区，其范围小于1.5米。
3支护参数设计及围岩稳定性分析
3.1支护参数设计
由崖坪煤矿2号煤层地质资料可知，15202工作面回风巷道所处围岩是分层连续性的岩性特征，应结合梁理论和悬索理论进行顶板锚杆支护。即顶板通过锚杆锚固形成组合梁，并确保锚固结构能够使得拱形负载体悬挂在稳定的岩层中的顶板中。结合15202工作面回风巷无支护下巷道水平应力分布和垂直应力分布规律，确定如下支护参数：
锚杆的排距和间距为900mm;锚索行距1800mm，间距1400mm;帮锚杆排距和间距为900mm。网片规格：采用经纬金属网，锚杆材质均选用左旋无纵筋螺纹钢筋。
3.2支护后围岩稳定性分析
（1）围岩垂直应力
崖坪煤矿15202回风巷道围岩垂直应力分布云图如图5所示。
由图5可知：巷道围岩的垂直应力分布明显优于无支撑状态。0.6-1.1米区域内达到应力平衡，垂直应力增加较大的区域在1.1米区域以外。防止垂直应力高峰移动到巷道深处，可以提高巷道帮部围岩的强度。
（2）围岩水平应力
崖坪煤矿15202回风巷道围岩水平应力分布云图如下图4-3所示。
由图6可知：顶板2.0m随着围岩的水平应力逐渐上升到原始岩石应力状态。从水平应力分布的角度来看，巷道顶板的围岩处于稳定状态。
4结论
通过运用FLAC-3D软件，采取弹塑性材料模型，运用Mohr-Coulomb屈服准则对山西华宁焦煤集团崖坪煤矿15202回风巷道进行了数值模拟分析，确定了崖坪煤矿15202回风巷道围岩的垂直和水平应力分布，通过分析开挖后在无支护条件下巷道极易产生破坏。并根据崖坪煤矿15202回风巷道所处区域的工程地质特征和煤岩力学特性，确定了15202回风顺槽巷道支护参数。通过进行支护后的15202回风巷道模拟结果分析，验证了支护方案的合理性。
【参考文献】
[1]朱维申，李术才，陈卫忠.节理岩体破坏机理和锚固效应及工程应用[M].北京：科学出版社，2002.
[2]余伟健，吴根水，刘海，等.薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制[J].煤炭学报，2018，43（10）：2668-2678.
[3]何满潮，王亚军，杨军，等.切頂卸压无煤柱自成巷开采与常规开采应力场分布特征对比分析[J].煤炭学报，2018，43（3）：626-637.
[4]王烨.李家壕矿软岩回采巷道围岩稳定性分析与支护技术研究[J].煤炭工程，2017，49（S2）：69-73.
[5]文排科，左宇军，李进猛，等.基于Phase2有限元分析的巷道围岩稳定性研究[J].煤炭技术，2015，34（1）：35-37.
[6]孙明磊，李佳丽.永久煤柱下巷道围岩稳定性及控制技术分析[J].煤矿开采，2016，21（3）：59-62.
[7]靖洪文，李元海，许国安，等.深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究[J].岩土力学，2005，26（6）：877-880.
[8]和金生.综放回采巷道围岩稳定性分类及其支护对策的研究[J].系统工程理论与实践，1985（1）：35-40.
[9]尹联程，费小保.孤岛煤柱下巷道围岩稳定性分析及控制技术[J].现代矿业，2013，29（3）：110-112.
[10]杨逾，孙艺丹，张培兰.兰家沟钼矿巷道围岩稳定性分析[J].金属矿山，2016，45（8）：69-74.