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        基于FLAC3D的煤礦巖巷快速支護(hù)實踐

        2013-07-30 13:55:24馮云貴
        山西焦煤科技 2013年12期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        馮云貴

        (汾西礦業(yè)集團(tuán)新柳煤業(yè)公司,山西 呂梁 032000)

        巖巷施工過程中,“破、裝、運、支”是主要的四大環(huán)節(jié),它們相輔相成,缺一不可。其中,支護(hù)是以錨網(wǎng)噴技術(shù)為主,支護(hù)工作對巖巷施工速度影響較大,支護(hù)參數(shù)不合理或過于保守,會導(dǎo)致支護(hù)工作量加大,嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度;同時,支護(hù)工作關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的安全,是煤礦安全高效生產(chǎn)的前提保障[1,2]。所以,進(jìn)行巖巷支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化研究對提高巖巷掘進(jìn)速度和保證施工安全具有重要意義。

        1 工程概況和FLAC3D簡介

        1)斷面及圍巖情況。

        汾西礦業(yè)集團(tuán)新柳煤業(yè)公司交子里南翼軌道巷設(shè)計長度為1150 m,斷面設(shè)計為半圓拱型,凈斷面為11.08 m2,掘進(jìn)斷面為 11.96 m2。

        10#煤厚1.67 m左右,不含夾矸,瓦斯相對涌出量為 0.50 m3/t,煤塵最大爆炸指數(shù)為:10.217 MPa·m/s。10#煤頂板即 9#煤底板,厚 1.68 ~2.5 m,均厚2.1 m。10#煤底板即 11#煤頂板,厚 4.24 ~4.4 m,均厚4.3 m,均為黑灰色頁巖,性脆,易碎,抗壓強(qiáng)度為389 kg/cm2。

        2)FLAC3D簡介。

        FLAC3D是美國Itasca國際咨詢與軟件開發(fā)公司在FLAC二維計算的基礎(chǔ)上開發(fā)的三維有限差分程序[3,4],F(xiàn)LAC3D可以有效模擬非線性系統(tǒng)的大變形力學(xué)過程,其明顯適合解決煤礦巷道支護(hù)分析關(guān)系到巷道開挖、圍巖穩(wěn)定的非線性大變形問題[3-5]。隨著近幾年的推廣應(yīng)用,其在煤礦巷道工程方面得到了認(rèn)可,故本文應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行優(yōu)化分析。

        2 原支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化后設(shè)計方案的對比

        2.1 原支護(hù)設(shè)計

        軌道巷拱頂采用d20 mm×2200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿,矩形布置,間排距為0.8 m×1.0 m,貼頂鋪設(shè) 1.0 m ×1.2 m 的鋼筋網(wǎng)。

        軌道巷錨索采用d17.8 mm×6300 mm的鋼絞線,雙排布置,間距為1.8 m,排距為4.0 m,距巷中各0.9 m,打于拱頂。

        軌道巷兩幫采用d16 mm×1800 mm的樹脂錨桿,兩幫錨桿每排各打兩根,成矩形布置,間排距為0.8 m ×1.0 m,貼幫鋪設(shè) 1.0 m ×1.2 m 的鋼筋網(wǎng)。

        2.2 原支護(hù)設(shè)計的FLAC3D模型

        為了與現(xiàn)場地質(zhì)情況盡可能一致,同時考慮到建模的方便及合理,模型建立見圖1。

        在原支護(hù)狀態(tài)下,交子里南翼軌道巷圍巖豎直方向、水平方向變形云圖見圖2,其中不同的顏色代表了不同的變形。

        圖1 建立的模型圖

        圖2 原支護(hù)方案模型變形云圖

        由圖2(a)可以看出,在原始支護(hù)情況下,巷道在豎直方向上產(chǎn)生的變形有一定的減小。巷道頂板的下沉仍主要表現(xiàn)在中心線位置,其最大頂板下沉量達(dá)到4.909 cm。巷道底鼓效應(yīng)主要表現(xiàn)在巷道底板中心線位置,其最大底鼓量可達(dá)到10.000 cm。

        由圖2(b)可以看出,在原始支護(hù)情況下,巷道在水平方向上產(chǎn)生的變形也有一定的減小,要略小于豎直方向的巷道底板變形量。巷道左幫、右?guī)偷闹胁孔冃瘟孔顬槊黠@,最大變形量達(dá)到4.511 cm。

        圍巖變形矢量圖見圖3。由圖3可以看出,巷道圍巖的變形特點,其中,巷道底板底鼓現(xiàn)象比較明顯,最大位移量的矢量值達(dá)到100.0 mm,整個巷道頂板下沉量稍小。

        圖3 原始支護(hù)模型變形矢量圖

        原支護(hù)狀態(tài)下塑性區(qū)域分布圖見圖4。由圖4可以看出,軌道巷在原始支護(hù)狀態(tài)下,巷道基本未出現(xiàn)拉伸塑性區(qū),只出現(xiàn)剪切塑性區(qū),特別是巷道頂?shù)装鍏^(qū)域。

        圖4 原支護(hù)模型塑性區(qū)域分布圖

        軌道巷四周幾乎都是壓應(yīng)力區(qū),只有底板中央出現(xiàn)了很小的拉應(yīng)力區(qū)(如圖5),而巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,這就是交子里南翼軌道巷圍巖未出現(xiàn)破壞變形的原因。所以,在支護(hù)優(yōu)化方案設(shè)計中可以考慮適當(dāng)減弱支護(hù)強(qiáng)度。

        圖5 原始支護(hù)模型最大主應(yīng)力云圖

        2.3 巷道優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計

        巷道高3300 mm、寬4200 mm,巷道頂板錨桿選用d20 mm×2200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿,間距1000 mm,排距1200 mm;幫部錨桿選用d20 mm×2200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿,間距800 mm,排距1200 mm,最上排錨桿距底板1200 mm;錨索選用d17.6 mm×6300 mm的鋼絞線,間距2500 mm,排距3600 mm。FLAC3D布置效果圖見圖6。

        圖6 FLAC3D錨桿(索)布置效果圖

        2.4 優(yōu)化后支護(hù)設(shè)計的FLAC3D模型

        在優(yōu)化支護(hù)狀態(tài)下,交子里南翼軌道巷圍巖豎直方向、水平方向變形云圖見圖7,其中不同的顏色代表了不同的變形。

        圖7 優(yōu)化支護(hù)方案模型變形云圖

        由圖7(a)圖可以看出,在優(yōu)化支護(hù)的情況下,巷道在豎直方向上產(chǎn)生變形有一定的減小。巷道頂板的下沉仍主要表現(xiàn)在中心線位置,其最大頂板下層量達(dá)到6.089 cm。巷道底板的底鼓效應(yīng)主要表現(xiàn)在巷道底板中心線位置,其最大底鼓量可達(dá)到10.432 cm。

        由圖7(b)圖可以看出,在優(yōu)化支護(hù)的情況下,巷道在水平方向上產(chǎn)生的變形也有一定的減小,但要略小于豎直方向的巷道底板變形量。巷道左幫、右?guī)偷闹胁孔冃瘟孔顬槊黠@,最大變形量達(dá)到4.922 cm。

        模型優(yōu)化的圍巖變形矢量圖見圖8。其中,箭頭線的長短表示該點的位移矢量大小,剪頭方向表示該點位移的矢量方向。

        圖8 優(yōu)化支護(hù)模型變形矢量圖

        由圖8可以看出,巷道圍巖的變形特點,其中巷道底板底鼓現(xiàn)象比較明顯,最大位移量的矢量值為104.3 mm,整個巷道頂板下沉量稍小。

        模型在優(yōu)化支護(hù)狀態(tài)下塑性區(qū)域分布圖見圖9。

        圖9 優(yōu)化支護(hù)模型塑性區(qū)域分布圖

        由圖9可以看出,交子里南翼軌道巷在優(yōu)化支護(hù)狀態(tài)下,巷道基本未出現(xiàn)拉伸塑性區(qū),只出現(xiàn)剪切塑性區(qū),特別是巷道頂?shù)装鍏^(qū)域。

        模型在優(yōu)化支護(hù)狀態(tài)下最大主應(yīng)力云圖見圖10。其中,不同的顏色區(qū)域代表不同的應(yīng)力值,F(xiàn)LAC3D中壓應(yīng)力為負(fù)值,拉應(yīng)力為正值。

        圖10 優(yōu)化支護(hù)模型最大主應(yīng)力云圖

        由圖10可知,軌道巷四周幾乎都是壓應(yīng)力區(qū),只有底板中央出現(xiàn)了很小的拉應(yīng)力區(qū),該主應(yīng)力區(qū)的分布規(guī)律與其剪切拉伸塑性區(qū)的分布規(guī)律也極其吻合,而巖石的抗拉強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度有數(shù)量級的差別,這就是軌道巷圍巖未出現(xiàn)破壞變形的原因,這與圖5中表現(xiàn)出的圍巖變形特點相一致。

        3 結(jié)論

        由FLAC3D模擬可得:

        1)當(dāng)巷道采用原始支護(hù)方案時,巷道頂板下層量為4.909 cm,底板底鼓量為10.000 cm,左幫移近量為4.511 cm,右?guī)鸵平繛?.509 cm,變形矢量值為 100.0 mm。

        2)當(dāng)巷道采用優(yōu)化支護(hù)方案后,巷道頂板下層量為6.089 cm,底板底鼓量為10.432 cm,左幫移近量為4.917 cm,右?guī)鸵平繛?.922 cm,變形矢量值為104.3 mm。

        3)由兩種支護(hù)方式的數(shù)據(jù)對比結(jié)果可以看出,除了巷道頂板下層量(本來變形就很小),巷道底板底鼓量、兩幫位移、變形矢量值增加量都很小,這說明目前新柳煤礦交子里南翼軌道巷支護(hù)強(qiáng)度是足夠的、可行的。

        4)通過優(yōu)化設(shè)計之后,支護(hù)工作量較原方案減少了約10%,降低了巷道支護(hù)成本,有利于提高巖巷的安全掘進(jìn)生產(chǎn),同時能夠保證施工安全。

        [1]王金華.我國煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展[J].煤炭學(xué)報,2007(02):113-118.

        [2]龍百畫.錨桿支護(hù)作用的FLAC模擬[D].貴陽:貴州大學(xué),2006.

        [3]康紅普.回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1999(05):534-537.

        [4]郭 力,趙 靜,元永國.FLAC3D在巷道支護(hù)中的模擬分析[J].山西焦煤科技,2011(03):20-22.

        [5]郭子源,趙國彥,彭 康.深部高應(yīng)力軟巖巷道開挖與支護(hù)圍巖變形的FLAC3D模擬[J].礦冶工程,2012(02):18-22.

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