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        深井軟巖硐室群合理布置的數(shù)值模擬研究

        2018-03-22 02:45:54閆培顯周寶龍
        中國(guó)煤炭 2018年2期
        關(guān)鍵詞:壁龕煤柱間距

        閆培顯 劉 浩 周寶龍

        (1. 兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦,山東省濟(jì)寧市,272000;2. 山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266590)

        1 工程概況

        在新河煤礦-980 m二節(jié)軌道暗斜井底車場(chǎng)以里軌道大巷北側(cè)布置水平泵房、變電所及水倉(cāng)。泵房、變電所聯(lián)合布置在3號(hào)煤層頂板以下砂巖中。泵房長(zhǎng)度50 m,泵房?jī)?nèi)布置有5個(gè)吸水井壁龕。變電所長(zhǎng)度60 m,水倉(cāng)分內(nèi)、外兩倉(cāng)布置,設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為498 m。

        2 數(shù)值模擬

        受水泵房主體硐室長(zhǎng)度限制以及水泵、電機(jī)組合預(yù)留間距的影響,確定壁龕間距在4~6 m范圍內(nèi)。本次模擬分為2個(gè)方案:方案1模擬同尺寸壁龕,研究?jī)蓚€(gè)相同尺寸壁龕在不同間距(4 m、5 m、6 m)下應(yīng)力變化規(guī)律及相互影響;方案2模擬不同尺寸壁龕,研究?jī)蓚€(gè)不同尺寸壁龕在不同間距(4 m、5 m、6 m)下應(yīng)力變化規(guī)律及相互影響。

        2.1 計(jì)算模型

        依據(jù)新河煤礦-980 m水平水泵房所處圍巖環(huán)境建立模型,模型尺寸為50 m×20 m×30 m(長(zhǎng)×寬×高)。水泵房主體硐室設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱形,寬6 m,高4 m。方案1中壁龕為直墻半圓拱形巷道,寬5 m,高1.5 m。方案2中大壁龕與方案1的壁龕尺寸相同,小壁龕為直墻半圓拱形巷道,寬3 m,高1.2 m。方案1模型由123350個(gè)單元組成,方案2模型由209631個(gè)單元組成。開挖前,對(duì)模型進(jìn)行初始平衡計(jì)算,使巖層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。巖石力學(xué)參數(shù)見表1。水泵房平面布置如圖1所示。

        圖1 水泵房平面布置圖

        巖層名稱密度/kg·m-3彈性模量/GPa泊松比內(nèi)聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)泥巖24558.230.271.20.63730細(xì)砂巖2563250.2083.52.1339.2泥巖24558.230.271.20.63730

        2.2 模擬結(jié)果分析

        2.2.1 方案1模擬結(jié)果分析

        (1)垂直應(yīng)力分析。兩同等尺寸的壁龕在同一水平開挖,模擬獲得同等斷面巷道不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力變化YOX切片如圖2所示。由圖2可知,受水泵房主體硐室開挖的影響,垂直應(yīng)力沿主體硐室開挖方向集中分布。壁龕間距4 m時(shí),應(yīng)力集中區(qū)域分布在壁龕左右兩側(cè)以及壁龕煤柱之間,且與壁龕掌面平行,兩壁龕煤柱最大垂直應(yīng)力達(dá)到40 MPa,壁龕兩側(cè)垂直應(yīng)力最大達(dá)到38.5 MPa。壁龕相距5 m時(shí),應(yīng)力集中區(qū)域由外側(cè)開始往煤柱中間移動(dòng)且垂直應(yīng)力增加到44.1 MPa,壁龕左右兩側(cè)垂直應(yīng)力減小到36 MPa。對(duì)比5 m與6 m間距時(shí)模型垂直應(yīng)力分布可知,應(yīng)力變化量不大,說(shuō)明間距大于5 m時(shí)圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

        (2)圍巖位移分析。同等斷面巷道不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力變化XOZ切片如圖3所示,同等斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕圍巖位移量如圖4所示。由圖3和圖4可知,隨著保護(hù)寬度的增大,圍巖位移量逐漸減小,圍巖趨于穩(wěn)定。相距4 m時(shí),壁龕頂板下沉量達(dá)到1040 mm,底板底鼓量達(dá)334 mm,壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移為1303 mm。相距5 m時(shí),壁龕頂板下沉量減小到821 mm,底鼓量減小到308.2 mm,兩壁龕之間底板變形范圍縮小,壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移減小至1052 mm。相距6 m時(shí),壁龕頂板下沉量減小到422 mm,底鼓量減小到203.8 m,兩壁龕之間底板變形范圍進(jìn)一步縮小,壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移減小至838 mm。

        圖2 不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力演化云圖YOX切片

        圖3 不同保護(hù)寬度下覆巖垂直位移云圖XOZ切片

        圖4 同等斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕圍巖位移量

        結(jié)合不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力分析和垂直位移分析可知,水泵房主體硐室與壁龕連接處變形較大。隨著壁龕之間寬度的增加,兩壁龕之間應(yīng)力集中區(qū)域由外側(cè)開始往煤柱中間移動(dòng)且應(yīng)力值越來(lái)越大,兩壁龕左右兩側(cè)的應(yīng)力值逐漸減小。由分析可知,間距大于5 m時(shí)圍巖趨于穩(wěn)定。

        2.2.2 方案2模擬結(jié)果分析

        (1)垂直應(yīng)力分析。兩同等尺寸的壁龕在同一水平開挖,模擬獲得不等斷面巷道不同保護(hù)寬度下垂直應(yīng)力變化如圖5所示。由圖5可知,受主體硐室開挖的影響,垂直應(yīng)力沿主體硐室開挖方向集中分布。壁龕間距4 m時(shí),應(yīng)力集中區(qū)域分布在大壁龕左側(cè)以及兩壁龕之間,兩壁龕煤柱最大垂直應(yīng)力達(dá)到39.8 MPa,大壁龕左側(cè)垂直應(yīng)力達(dá)到36.5 MPa。壁龕相距5 m時(shí),應(yīng)力集中區(qū)域位置不變且垂直應(yīng)力增加到43.2 MPa,大壁龕左側(cè)垂直應(yīng)力減小到36 MPa。相距6 m時(shí),應(yīng)力集中區(qū)域位置不變且垂直應(yīng)力增加到43.9 MPa,壁龕左右兩側(cè)垂直應(yīng)力減小至35.6 MPa。與同斷面壁龕模擬相比,應(yīng)力集中偏向于小壁龕一側(cè)。5 m與6 m間距時(shí)垂直應(yīng)力變化量不大,與同斷面壁龕模型相同,間距大于5 m時(shí),圍巖趨于穩(wěn)定。

        圖5 不等斷面巷道不同保護(hù)寬度下垂直應(yīng)力云圖YOX切片

        (2)圍巖位移分析。不同斷面巷道不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力變化如圖6所示,不同斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕圍巖位移量如圖7所示。由圖6和圖7可知,隨著保護(hù)寬度的增大,其圍巖位移量逐漸減小,圍巖逐漸趨于穩(wěn)定,大斷面硐室圍巖位移量比小斷面硐室要大。相距4 m時(shí),大斷面硐室頂板下沉量達(dá)1541 mm,底鼓量達(dá)531 mm,小斷面硐室頂板下沉量達(dá)到924 mm,底鼓量達(dá)361 mm,壁龕之間煤柱垂直于主硐室軸線方向的水平位移為1432 mm。相距5 m時(shí),大斷面硐室頂板下沉量達(dá)到1023 mm,底鼓量達(dá)332.5 mm,小斷面硐室頂板下沉量達(dá)到756 mm,底鼓量達(dá)302.5 mm,兩硐室之間底板變形范圍縮小,壁龕之間水平位移減小至1257 mm。相距6 m時(shí),大斷面硐室頂板下沉量達(dá)到836 mm,底鼓量達(dá)273 mm,小斷面硐室頂板下沉量達(dá)到410 mm,底鼓量達(dá)219.9 mm,兩硐室之間底板變形范圍進(jìn)一步縮小,壁龕之間水平位移減小至936 mm。

        圖6 不同斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕垂直位移云圖

        結(jié)合不同保護(hù)寬度下覆巖垂直應(yīng)力分析和垂直位移分析可知,主體硐室與壁龕連接處變形較大,且大壁龕連接處比小壁龕連接處變形要大。與同斷面壁龕模型相同,對(duì)于壁龕之間,間距越小,壁龕之間圍巖體應(yīng)力較小,隨著間距的增大,硐室圍巖變形逐漸減小。

        間距大于5 m時(shí)圍巖亦趨于穩(wěn)定。

        圖7 不同斷面巷道不同保護(hù)寬度下壁龕圍巖位移量

        4 結(jié)論

        (1)等斷面壁龕開挖過(guò)程中,兩壁龕之間圍巖體中應(yīng)力分布均勻,隨著煤柱距離的增加,兩壁龕之間應(yīng)力集中區(qū)由煤柱外側(cè)向煤柱中間移動(dòng)并逐漸增大,圍巖變形逐漸減小,則在進(jìn)行壁龕布置時(shí),將壁龕間距控制在5~6 m范圍內(nèi)。

        (2)不等斷面壁龕開挖過(guò)程中,隨著煤柱距離的增加,兩壁龕之間煤柱中應(yīng)力集中區(qū)移動(dòng)不明顯,但應(yīng)力值逐漸增加,圍巖位移量逐漸減小,與等斷面壁龕開挖相同,大壁龕受小壁龕的擾動(dòng)影響較大,在進(jìn)行壁龕布置時(shí),將壁龕間距控制在5~6 m范圍內(nèi)。

        [1] 萬(wàn)世文. 深部大跨度巷道失穩(wěn)機(jī)理與圍巖控制技術(shù)研究 [D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2011

        [2] 劉泉聲,張華,林濤. 煤礦深部巖巷圍巖穩(wěn)定與支護(hù)對(duì)策 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(21)

        [3] 王漢鵬. 高地應(yīng)力非均質(zhì)軟巖洞室群穩(wěn)定性分析與控制研究 [D]. 山東科技大學(xué),2004

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        [6] 王連國(guó),繆協(xié)興,董健濤等. 深部軟巖巷道錨注支護(hù)數(shù)值模擬研究 [J]. 巖土力學(xué),2005(6)

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