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        松軟破碎圍巖大斷面跨層巷道層位確定及其穩(wěn)定性研究

        2012-11-10 08:01:42田和平王嘉樂
        山西煤炭 2012年5期
        關(guān)鍵詞:細砂層位巖層

        田和平,牛 顯,王嘉樂

        (1.山西壽陽潞陽長榆河煤業(yè)公司,山西 壽陽 045414;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024)

        松軟破碎圍巖大斷面跨層巷道層位確定及其穩(wěn)定性研究

        田和平1,牛 顯2,王嘉樂2

        (1.山西壽陽潞陽長榆河煤業(yè)公司,山西 壽陽 045414;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,山西 太原 030024)

        以國內(nèi)某大型礦井為工程背景,采用數(shù)值計算方法,分析了巷道處于煤層附近不同層位時的圍巖應(yīng)力及破壞區(qū)分布規(guī)律,并據(jù)此確定巷道的穩(wěn)定性及合理布置層位。研究結(jié)果表明:從壓酥帶范圍大小來看,砂質(zhì)泥巖壓酥帶范圍最小,但是出現(xiàn)跨層,對圍巖穩(wěn)定性不利,綜合選擇中細砂巖層作為巷道所處層位。從應(yīng)力云圖和位移云圖可知,巷道選擇在中細砂巖層,能較好地維護圍巖的穩(wěn)定性,可為巷道的長期服務(wù)作基礎(chǔ)。

        巷道;穩(wěn)定型;數(shù)值計算

        隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,對煤炭資源的需求量逐年增長,許多大型礦井建設(shè)項目已經(jīng)開始;然而需知,不同的地質(zhì)條件對應(yīng)不同的工程背景[1-3],由于地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、工程背景等原因,巷道常要處于巖層交接面處,由于層面之間連接性較差,加之巖石材料在層面處物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生突變,巷道的穩(wěn)定性變得很難確定[4-5]。為了確定某大型礦井的大斷面巷道層位,本文運用大型三維數(shù)值計算軟件,對該礦巷道處于煤層附近不同巖層位置時的巷道應(yīng)力場、破壞區(qū)域進行了分析研究,并據(jù)此提出了巷道的合理層位位置。研究結(jié)果可給同類條件下礦井的支護設(shè)計和生產(chǎn)提供參考。

        1 數(shù)值計算模型

        分析目的:掌握不同層位下的大斷面巷道圍巖力學(xué)環(huán)境特征,包括應(yīng)力分布特征、變形分布特征,為大斷面巷道的層位選擇提供依據(jù)。分析模型:長度80m,高度54.46m。其中巷道長11.8m,高6.6m,巷道底板分別位于中細砂巖層底、砂質(zhì)泥巖層底、3號煤層層底。模型離散:模型共劃分18306個單元,設(shè)置18582個節(jié)點。邊界條件:模型底部鉛垂方向0位移約束,側(cè)邊界水平方向0位移約束;模型施加重力載荷,并在上邊界施加均布載荷。

        巖層厚度及力學(xué)參數(shù),如表1所示。計算過程中首先平衡重力場,隨后開挖順槽部分,最后開挖開切眼部分。

        表1 數(shù)值計算巖層分布和物理力學(xué)參數(shù)表

        2 巷道處于不同層位的穩(wěn)定性分析

        2.1 巷道處在中細砂巖層時

        圖1為巷道處在中細砂巖層時的模型及網(wǎng)格劃分圖。圖2為巷道處在中細砂巖層時的鉛垂應(yīng)力云圖。從圖看出,鉛垂應(yīng)力分布對稱,最大鉛垂應(yīng)力出現(xiàn)在巷道兩幫附近,巷道頂?shù)装邈U垂應(yīng)力最??;尤其是在巷道頂?shù)装灞砻妫U垂應(yīng)力值接近零。圖3為巷道處在中細砂巖層的沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線。由圖得知,幫部出現(xiàn)了壓酥帶,壓酥帶深度大約1.194m。

        圖1 模型及網(wǎng)格劃分

        圖2 鉛垂應(yīng)力云圖

        圖3 沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線

        2.2 巷道處在砂質(zhì)泥巖層時

        圖4為巷道處在砂質(zhì)泥巖層時的模型及網(wǎng)格劃分圖。圖5為巷道處在砂質(zhì)泥巖層時的鉛垂應(yīng)力云圖。從圖看出,鉛垂應(yīng)力分布對稱,最大鉛垂應(yīng)力出現(xiàn)在巷道兩幫附近,巷道頂?shù)装邈U垂應(yīng)力最??;尤其是在巷道頂?shù)装灞砻?,鉛垂應(yīng)力值接近零。圖6為巷道處在砂質(zhì)泥巖層的沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線。由圖得知,幫部出現(xiàn)了壓酥帶,壓酥帶深度大約0.853m。

        2.3 當(dāng)巷道處在煤層時

        圖7為巷道處在煤層時的模型及網(wǎng)格劃分圖。圖8為巷道處在煤層時的鉛垂應(yīng)力云圖。從圖看出,鉛垂應(yīng)力分布對稱,最大鉛垂應(yīng)力出現(xiàn)在巷道兩幫附近,巷道頂?shù)装邈U垂應(yīng)力最??;尤其是在巷道頂?shù)装灞砻?,鉛垂應(yīng)力值接近零。圖9為巷道處在煤層時的沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線。由圖得知,幫部出現(xiàn)了壓酥帶,壓酥帶深度大約1.535m。

        3 巷道層位選擇建議

        圖4 模型及單元劃分

        圖5 鉛垂應(yīng)力云圖

        圖6 沿右?guī)椭芯€巖鉛垂應(yīng)力分布曲線

        圖7 模型及單元劃分

        圖8 鉛垂應(yīng)力云圖

        圖9 沿右?guī)椭芯€鉛垂應(yīng)力分布曲線

        經(jīng)對高河礦巷道群的層位選擇的理論分析、數(shù)值計算分析得出如下結(jié)論:(1)從壓酥帶范圍大小來看,砂質(zhì)泥巖壓酥帶范圍最小,但是出現(xiàn)跨層,對圍巖穩(wěn)定性不利,綜合來講還是選擇了中細砂巖層作為巷道所處層位。(2)從應(yīng)力云圖和位移云圖得知,巷道選擇在中細砂巖層能較好地維護圍巖的穩(wěn)定性,可為巷道的長期服務(wù)作基礎(chǔ)。

        4 結(jié)束語

        本文利用大型數(shù)值計算軟件,分析了某大型礦井的大斷面巷道處于煤層附近不同位置時的應(yīng)力及破壞區(qū)域,并據(jù)此判斷巷道的穩(wěn)定性狀況,給出了巷道布置的合理位置。

        [1] 牛少卿,楊雙鎖,王志剛,寇永嘉.非均勻水平應(yīng)力場中井壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,26(3):60-63.

        [2] 賴小彬,徐小敏,張伯虎,等.某礦山巷道交岔口的三維有限元模擬分析[J].地下空間與工程學(xué)報.2007,3(4):633-636.

        [3]Shaoqing NIU,Shuangsuo YANG,Lei CUI.Research on the Characteristics of Strain-softeningmodel after Peak Based onmorh-Cloumb Theory Criterion[J].Advancedmaterials Research,Vols.261-263(2011):1439-1443.

        [4] 蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

        [5] 錢銘高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

        Layer Position Determination and Stability Study of Large Cross-section Cross-layer Roadways in Soft and Broken Surrounding Rocks

        TIAN He-ping1,NIU Xian2,WANG Jia-le2
        (1.Luyang Changyuhe Coal Co.,Shouyang Shanxi 045414;2.College ofmining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

        On the basis of one large-scalemine,numerical calculation is used to study the surrounding rock stress and failure zones distribution at the different layers,and then the roadways stability and rational layout are determined.The results show that:in sandymudstone,pressure crisp belt is smallest in terms of its range,but cross layers appear which are harmful to the stability.Given all the conditions,middle-and-fine sandstone is selected as the layer for roadways.From stress nephogram and displacement nephogram,the selection can satisfy the bettermaintenance of surrounding rock stability and long service for the roadways.

        roadways;stability;numerical calculation

        TD322+4

        A

        1672-5050(2012)05-0050-03

        2011-11-18

        田和平(1968—),男,山西長治人,大專,助理工程師,從事煤炭開采技術(shù)及管理方面的工作。

        徐樹文

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