倾斜煤层巷道稳定性与锚杆支护数值模拟研究

发布于:2021-11-27 22:31:28

1   02

童瞧晨 技  舛l

2 9 第6   0 年 期 0

倾斜 煤层 巷 道 稳 定 性 与 锚 杆 支 护数 值 模 拟 研 究  
李玉梅 , 高继顺 , 天轮  郝
( 兖矿 集团邹城 华建设计研 究院有 限公 司, 山东 邹城 2 30 ) 75 0  摘 要 针对渌井倾斜煤层巷道 的特 殊性 , 采用有 限差分程序 F A 分析巷 道围岩应 力、 L C, 位移、 塑性 区分布 , 究深埋倾斜煤层巷 道围岩稳定  研 性和锚杆支护控制 囝岩变形效果。结果表 明, 深井倾斜煤层巷道*锴铱*煤层底板部位压 力与变形破坏 较大, 防止冲击地压 和进 行支护  是 的重点 区域 , 锚杆支护 中适 当加长*锩 是合理 的。本研 究成果 , 对深井倾斜煤层巷道 防止冲击地压 、 确定锚杆支护参数 。 有重要指 导意义。  
关 键 词  倾 斜 煤 层  巷 道 稳定 性  锚 杆 支 护  F A L C模 拟  中 图分 类 号 T 3 3 D 5  文献标识码 A  

Num e i a  i u a i n s u   n t e s a l y a   li g rc lsm l to   t dy o   h   t bi t   nd bo tn   i p r m e e s o   o dwa  n i c i d c a   a a t r  fr a y i  n l ne   o l
L  u i iY me ,Ga  ih n,Ha   inu   oJs u oTa ln

( o eegHuj nD s nIst eC . Ld f ak agG op Z uhn 2 30 ) Z u hn  a a  ei   tu   o , t.o  n un  ru , oe eg,7 50   i g n it Y
Ab t a t Ai n   tt e p riu a t   fr a wa  n d e  n ln d c a   龃m ,fn t  i e e c   r ga F s r c  mi g a  h   a t l r y o  o d y i  e p i c ie   o ls c i i i d f r n e p o r m  LAC i  d pe  o a ay e sr s ,d s l c me t e  s a o t t   n l z   t s ipa e n   d e a d p a t   o e d srb to   f l r c n   lsi z n   it u in o   l o k,a d su y t e sa ii   f l o k o   a wa  n d e  n l e   o  e r  n  h   f c     o toln   l rc   c i wa   n   t d  h   tb lt o   l c   fr d y i   e p ic i d c a s gn a d t ee e t c n r l g wal o k’ y wa r o n l f o i   s d f r t n u d rb l n .F o t e r s l ,t e sr s  n   eo mai n t a   t h   p r   i e a d i a"h   o m  ft e r a wa    a g   e oma i   n e   ot g r m h  e u t h   t sa d d f r t  h t   e u wad sd   n   e lt e b Ro o     o d yi lr e,S   s  e   o i s e o at l h s Ot eI— he g o s a e c i c lf rp e e tn  e k u s n   u p s n in   r   rt a o   r v n i g r b rta d s p o i g,a d i   e o a l    e g h n t e b l.T e su yh r e t so   g i d   u d c   a i gf r i n   i r a n b e t l n t e     o t h   t d   a v s    f ts s o h i ma n t eg i a e me n n     u n o p e e t g t e r c b  ̄ta d d tr n n  h   u p si g p r mee   fr a wa  n de p i c i e   o ls a   r v n i  h   o k u   n   e e mi ig t e s p o n   a a tr o  o d y i   e  n ln c a   e m. n d Ke   r s i c i e   o l sa ly o  o d a   b li g F y wo d   n l d c a  tbi t  f r a w y n i ot   n LAC smu a o     i lf n i

随着开采深度的增加 , 相对松 软 的煤 层 中开 挖  在 巷道时 , 围岩具 有移 动量大 、 移动速 度快 的特 点 , 导致  围岩的“ 、 、 ” 挤 压 鼓 现象 特别 严 重。 同时煤 层倾 角 对  巷 道 矿 压 显 现 也 有很 大 影 响 。   针对深埋倾斜 煤层巷 道 的特点 , 采用 F A 5 0研  L C. 究其支承压力分布 、 破坏 变形规律及其 锚杆支护 方案 ,   用于指导巷道设计 , 控制围岩变形。   1 模型 建立 及计 算过程   

采用 * 面应 变模 型。模 型 长、 分别 为 4 m 和  高 0 4 m 自上而 下 分 别 为 砂 岩 1 m、 1 m、 岩 1 m。 5 。 8 煤 7 砂 0   巷道为半 圆拱形巷 道 , 4 拱半径 2 巷道跨 度为  高 m, m, 4 为 全煤 巷 道 , 煤 厚 2 。 巷 道 埋 深 80 覆 岩 压  m, 底 m 5 m, 力 2 M a侧压系数为 1 即三 向等 压。煤层倾 角 1 。  0 P, , 3。

煤岩层采用摩 尔 ~库伦 准则 , 学参 数 如表 1 力 。计算  模型单元采用不等分划分 , 面限制水 *位移 , 侧 底部 限  制垂直位移 , 上部施加上覆岩层 的 自重应力 ( 图 1 。 见 )  计算从形成原始应力场开始 , 然后开挖 , 将巷道 部位 的  单元设置成空单元 , 分别计算无支护和有支护的状态 。  

作简  梅-一女 士究, 于东技  2模 结 分  者羿 玉(2,硕研生 业山科大   拟 果 析 介 -9 ), : 08 李 73   1 2 毕 。   …  
和。 奎 芝 邹 华 设 研 院 限 司 事 炭 井 计 2 无 护 拟 果 分   技 究作 :研 ! 团城建 计究 有 公 从 煤 矿 设   . 支 模 结 及 析   工 术 1
一 …   一   … …  

。 

是借助于 MC P网络 的透 传 功能统 一进 行传 输 , 是  T 不
真正的集成 。  
2 5 E ON 网 络 * 台  .  P

3 分 析 与 比较  

*煤十二 矿 首先 使 用 了 G P N系 统 , EO 双环 网结  构, 一路工作 , 一路检测备用。冗余设 备可 以实时监测  主要设备 O T工作端 I和备用设备 O T端 口的状态 , L = I L  

监测备用光纤 的通断状 态 , 实现 自动 或手 动的冗 余切 
换等 。每个分光 器上 接人对应 的光 网络 终端 ( N )  OT , 用来把井下各 种监测监控数据 、 视频 图像 、 I P语音 等汇  入 , 过无 源主干 网络 , 中、 通 集 高速地送 到 地面控 制 主  机。 目前 已经 接入矿 用安全监 测 系统 、 字视频 监 控  数 系统、 员监 测系统 、 人 电力监测系统 等。  

总 的看来 , 国外综 合 自动化与 我 国综合 自动化 系  统建设 思路是一致的 。但 国外几 个国家实现煤 矿综合  自动化 的网络* 台几乎 无一 例外 , 部使 用工业 以太  全 网作为统一传输 网络* 台。这是 由于工业 以太 网是 国   际工控界普 遍 认 可 的标 准。而 国 内 网络* 台形式 较  多, 除工业 以太 网和工业总线外 , 其他系统 并没有相应  的工控界 的标准 。   国外在具体 系统 的实 现及控制策 略方面是 比较超  前的, 考虑 内容也 比较全面 和细致 , 正实现 了系统 与  真 数据 的集成 。而我 国煤矿综合 自动化 系统还处 于发展  初期 , 系统 是否真 正的集 成 , 识还不足 。 对 认  

2 9 第6   0 年 期 0
表 1 煤岩力学参数 
晕度(
砂 岩 
煤 

娃晨 舛技 

1  0 3

m) k  I (; ? -) (G 8 ( P ) m3   P ) G a   
2 0  60
l 5  40

密度  阵积模量  蜉切模量  摩擦角 粘 结力  抗拉强度 
() 。 
3  2
2  5

( P) ( P) M a  M a 
19 . 
06 . 

1  8
1  7

3 .  O3
03 . 

10.  2 2
09 . 

2 1  .1
O. 8 5 

中, 部设 5根 锚 杆 , 帮 4根 , 2 0 锚 固 长度  顶 下 长 . m, 0 5 * 4根 , 2 5 锚杆预 紧力 3 K 。锚 杆参  . m; 长 . m; 0N 数见表 2 。锚杆布设位置见图 4和图 5  。 表 2 锚杆参数 
锚杆直径  锚杆弹性  锚杆屈服 锚固剂法向 锚 固剂切  摩擦角 ( )   。 

砂 岩 

1  0

20   60

3 3 O. 

2 .  12

3  2

19 . 

2. l 1 

  m) } (  
00    2

模量 ( P ) G a 强度( N  剐度( P ) K) G a 刚度( P ) G a 
15 0 6 .  9 o0 o .  l.  5O 14  .8 2  5

图 4 图 5分别是巷道 围岩在锚杆支护后 的应 力 、 、   位移等值色谱和塑性 区的分 图。由图 5可 见 , 经过 锚  杆加 固后 , 巷道松 动范 围的挤 压力 明显提高 , 围岩应力  状态得到明显改善 , 提高了围岩的 自承能力 , 从而使 围  岩移动量变小 , 围岩破坏得到有效控 制。锚杆加 固后 ,  
围 岩 的塑 性 区范 围明 显 减小 , 帮 基本 消 除 。 两  
“. #《  

图 1 计 算模 型 图    

ll i  t

由图 2看 出, 巷道垂 直压力集 中于巷道的两 帮, 水 

*压力集 中于巷道的顶板和底板 。顶板水*应 力集 中  区偏向上 帮一侧 , 底板水*应力 集中区偏 向下帮一侧 ;   两帮垂直应力峰值 距巷道 壁 7~8 但 * 距巷道 壁  m, 帮稍*一些且压力峰值 的范围较大 , 并靠*煤 层底板。   巷帮垂直压力峰值 大于 3 M a 压 力 峰值 的应力集 中 0 P,   系数大于 15 巷道顶部水* 压力 峰值是 3 M a 压 力  .; 0 P, 峰值 的应力 集 中系 数 为 1 5 由于开挖 引起 应 力 释  .。 放, 巷道周 围形成应 力 降低 区, 垂直 应力 降 低 区范 围  为: 底板 4 4 顶板 5 2 m, .m, .9 两帮 17 水* 应力降低  .m; 区范 围为 : 底板 35 m, .3 顶板 10 m, .5 两帮 4 5 m。在此  .8
范 围 内 , 道 围岩 垂 直 和 水 *应 力 均 为 0— MP 。 巷 5 a 

冒    一 霸
翼  
? 簟 
0   q

- 



,  

0  

订 尊  

K W  

垂直应力图  

水*应力图  

图 4 支 护 后 围 岩应 力 模 拟 结 果 
0 譬 

■  ■ 
e   、 :     *

铅f岿 ∞    

垂直位移图  

水*位移图  

图 5 支 护 后 围 岩位 移模 拟 结 果 

在巷道 围岩松动范围内, 很大 区域应 力值 由支护  前的 0~ M a 5 P 升高到 5— 0 P ; 1 M a巷道顶板处最大垂直 
位移由原来 的 4 c 0 m降到 2 c 且范 围变小 , 5 m, 巷帮 的最  大水*位移 由原来 的 4 e 减小 到 2 c 范围减 小 明  0r a 0m,

显。这说明实行 的加 固支护措施 是有效 的 , 达到控 制  围岩变形 的 目的。  
3 结 论   

深井倾斜煤层 巷道上 帮压力较 下帮大 , 靠*煤  且 层底板 , 因此倾斜 煤层巷道 *锸 预防冲击地 压和进  行锚杆支护 的重点 区域 , 应适 当加 长*锩 杆 。预应  力锚杆支护 能提高 围岩挤 压力 , 围岩应力状态 得到  使 明显 改善 , 可提高松动围岩 的摩擦力 , 从而提升围岩的  自承能力 , 围岩变形得到有效控制。 使   参考 文献 :  
图 3 围岩位移模拟结果   
[] 1 钱鸣高 , 石*五. 矿山压力与岩层控制 [ . M] 中国矿业大 学出版 
社 ,0 3,1 20 1.  

2 2 支护 后模拟结 果及 分析  . 深井倾斜煤层巷道 *镅 力范 围、 位移 均较 下帮 

[ ]I s   osl g r p I . M n a o F A ( a  ̄g ni   2 t c C nu i   o , n , aul f L C Fs aa t G u n e   t r gn a a A 由 幽 o o t u ) 0 5 n f ni a .20 . C n   [ ]徐永圻。 3 煤矿开采学[ . M] 中国矿业大学 出版社 , 9 ,. 1 98 9  

大, 且靠*底板 , 是支护 的重点 区域 因此巷道支护设 计 


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