深部回采巷道矿压规律及控制优化技术研究.doc

摘要 I 摘摘 要要 随着矿井开采深度的增加以及煤层倾角的增大 回采巷道 特别是靠近采空 区一侧的巷道矿压显现特征与浅部的缓倾斜煤层呈现明显不同 同时区段巷道压 力较大 维护困难 巷道维护问题已成为制约生产的主要环节 为此 本文结合 平煤天安八矿实际情况 对深部回采巷道矿压特征进行研究 同时对沿空掘巷留 煤柱宽度及锚杆支护参数进行优化 并通过现场试验进行检验 采用 FLAC3D数值模拟软件模拟煤层倾角对侧向支承压力的影响 得出随着 煤层倾角的增大 侧向应力峰值及卸压区的范围均减小 且角度越大峰值下降幅 度越大 采用相似模拟实验研究复杂条件下煤层开采侧向支承压力分布 得出深 部开采条件下 支承压力的影响范围较浅部更大 应力集中系数更高 初次跨落 步距较大 根据工作面侧向顶板结构和顶板支撑结构的应力特点 将侧向分为 4 个区域 采用锚杆支护理论 相似模拟及数值模拟的实验的结果 结合八矿地质条件 对沿空掘巷留煤柱宽度及锚杆支护参数进行优化 认为煤柱留宽以 3 5 4 0m 为宜 对优化后支护质量进行检验 在己15 11150 回风巷布置测站 观测顶底板 两帮移近量及离层情况 实验结果表明位移量及离层情况较小 且过几天后稳定 说明优化后效果明显 针对沿空掘巷留小煤柱主要安全隐患是采空区瓦斯向采掘空间涌入和采空区 水对采掘的影响问题的实际 分别采取钻孔抽放瓦斯和工作面俯伪斜布置及探放 水技术 取得了很好的效果 关键词 关键词 深部 回采巷道 支承压力 锚杆支护优化 河南理工大学工程硕士论文 II Abstract III Abstract With the depth of mining and inclination increasing the advance stress behavior in mining gateway especially near goaf have obvious diversity compare to shallow slow coal seam meanwhile the underground pressure in gateway is great and difficulty supporting has become a major part of the production constraints This article study advance stress behavior in deep mining gaeway compare to real geology in Pingdingshan then optimize the width of pillow as driving roadway along goaf and parameter of bolting at last test the efferect through field trials Study coal seam inclination effect to side abutment pressure by FLAC3D numerical simulation software and find as the inclination increasing the peak of side abutment pressure and the dimension of the region of stress relief weaked the greater the angle the greater decrease in the peak To adopt a similar simulation study of side abutment pressure under complex geology and find the peak and dimension of butment pressure and initial trans falling length is greater than shollow mining and divided side direction into four regions according to roof structure and roof supporting structure in working face According to bolting theory similar simulation numerical simulation and real geology in No 8 pit of Pingdingshan optimized the width of pillow as driving roadway along goaf and parameter of bolting abtained the width is 3 5 4m is suitable In order to check the efferect to bolting after optimizing laying observation station in J15 11150 gateway to observe delamination and displacement of roof to floor and two ribs and obtain that the delamination and displacement is little and stabilizing after sevenal days this indicae optization have evident result According to the main risk is gas and water to hold small pillar while driving roadway along goaf carry out drifting gas down diagonal slice layout and water prospection and dewatering techonology and it have evident result Key words deep mining gateway abutment pressure Optimizing of Bolt Support 河南理工大学工程硕士论文 IV 目录 V 目目 录录 摘要摘要 I ABSTRACT III 1 绪论绪论 1 1 1 研究的背景和意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 2 1 深部工程的发展趋势 1 1 2 2 沿空掘巷上覆岩层活动规律的研究综述 2 1 2 3 沿空掘巷护巷煤柱的研究综述 3 1 2 4 锚杆支护原理及技术的研究综述 4 1 3 本文研究的内容及技术研究路线 5 1 3 1 研究内容 5 1 3 2 研究方法及技术路线 6 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究 7 2 1 概述 7 2 2 FLAC3D软件简介 7 2 3 模型的建立及参数的选取 8 2 3 1 模型的建立 8 2 3 2 模拟地质条件 煤岩参数及单元划分 9 2 4 计算的结果及分析 11 2 4 1 不同倾角侧向支承压力的模拟结果 11 2 4 2 侧支承压力分布特征数据处理 15 2 5 小结 17 3 煤层开采相似模拟研究煤层开采相似模拟研究 19 3 1 概述 19 3 2 相似模拟实验理论 19 3 2 1 相似定理 19 3 2 2 相似准则 20 河南理工大学工程硕士论文 VI 3 3 相似材料模拟实验设计 21 3 3 1 实验目的 21 3 3 2 模拟实验的相似条件 21 3 3 3 相似材料的选取 21 3 3 4 模拟的地质条件 21 3 3 5 模型架及相似系数的确定 21 3 3 6 相似材料配比及用量 23 3 3 7 模型的制作 25 3 3 8 加载 25 3 4 模型的开采与观测 27 3 5 实验结果及分析 29 3 5 1 己15煤层开采侧向支承压力分布 29 3 5 2 己15煤层开采岩层几何特征 29 3 6 小结 30 4 区段煤柱参数及巷道支护方式优化区段煤柱参数及巷道支护方式优化 33 4 1 沿空掘巷护巷煤柱宽度的理论分析 33 4 1 1 沿空掘巷煤柱护巷巷道矿压显现 33 4 1 2 沿空掘巷煤柱力学环境的因素 34 4 2 现采用的区段煤柱参数 巷道支护方式的评价 38 4 2 1 区段煤柱参数分析 40 4 3 沿空掘巷的现场观测研究 40 4 3 1 测点布置及仪器的使用 40 4 3 2 实测结果与分析 41 4 4 回采巷道支护方式 支护参数的分析与优化 44 4 4 1 锚杆支护的设计思路 44 4 4 2 锚杆支护设计方法 45 4 4 3 锚杆支护初始设计 46 4 5 小结 52 5 设计方案应用效果现场试验研究设计方案应用效果现场试验研究 55 5 1 实验工作面的基本情况 55 目录 VII 5 1 1 工作面位置及地质概况 55 5 1 2 瓦斯赋存及水文地质情况 55 5 2 顶板离层检测点的设置及观测方法 55 5 2 1 综合监测 55 5 2 2 日常监测 57 5 3 巷道围岩位移监测 57 5 4 实验结果及分析 58 5 4 1 表面位移观测结果及分析 58 5 4 2 顶板离层观测结果及分析 63 5 4 3 两帮离层观测结果及分析 65 5 5 小结 67 6 沿空掘巷安全保障技术沿空掘巷安全保障技术 69 6 1 沿空掘巷防治采空区瓦斯技术 69 6 2 沿空掘巷防老空水技术 69 7 结论结论 73 参考文献参考文献 75 学位论文集学位论文集 79 1 绪论 1 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 平煤集团八矿锚杆支护在集团公司领导和科研院所 大专院校及生产制造厂 家的支持配合下 从无到有 逐步发展壮大 积累了八矿锚杆支护的一整套经验 方法 目前 平煤八矿煤巷锚杆支护率达 60 以上 锚杆支护技术应用在丁组煤 层 戊组煤层 支护效果都很好 但在大倾角 大断面 复合顶板的己15煤层 锚杆支护技术还没有全面推广应用 还处于研究攻关阶段 而且八矿采区巷道系 统复杂 随着矿井开采深度的增加以及煤层倾角的增大 回采巷道 特别是靠近 采空区一侧的巷道矿压显现特征与浅部的缓倾斜煤层呈现明显不同 导致区段巷 道位置确定缺乏科学依据 采用传统的加棚支护和普通锚杆支护及常规的施工方 法已不能满足安全生产的需要 区段巷道压力较大 维护困难 巷道维护问题已 成为制约生产的主要环节 为了合理布置巷道 尽可能减少相邻开采形成的侧支 承压力对下区段巷道的影响 很有必要对八矿特定复杂条件下的矿压显现规律进 行观测研究 并结合其它安全生产要求 提出科学合理的区段煤柱参数 区段巷道维护效果与支护方式 支护参数密切相关 在研究区段煤柱参数的 同时 研究复杂条件下大变形区段巷道支护特征 优化支护参数 改善支护状况 对平煤集团八矿当前乃至今后生产有重要影响 1 2 国内外研究现状 1 2 1 深部工程的发展趋势 至于 深部 的概念 世界各国的采矿界一致认为 深部开采是由于矿床埋 深较深 而使生产出现一些在浅部矿床开采时很少遇到的技术难题的矿山开采 而且世界上有深井开采历史的国家一般认为 当矿山开采深度超过 600m 既为深 井开采 另外 世界上主要采矿国家的专家学者针对本国的地下工程引起的岩石 力学问题 各自定义了其深部范围 比如日本把深井的 临界深度 界定为 600m 英国和波兰则将其界定为 750m 德国将埋深超过 800 1000m 的矿井成为 深井 将埋深超过 1200m 的矿井称为超深井开采 南非 加拿大等采矿业发达的 国家 矿井深度达到 800 1000m 才称为深井开采 1 5 我国深部开采的深度通常 被界定为 煤矿 800 1500m 金属矿山 1200 2000m 6 8 随着我国煤炭事业的发展 开采深度与开采强度日益增加 回采工作面机械 化程度迅速提高 巷道断面不断加大 带来一系列的问题 如采准巷道矿山压力 河南理工大学工程硕士论文 2 显现强烈 巷道维护状况恶化等 深井巷道矿山压力控制是深部开采面临的急待 解决的重大技术课题之一 随着人类对矿产需求量的日益增加 开采规模不断扩 大 浅部易采的矿产资源日趋枯竭 开采向深部发展是地下矿山的必然趋势 据统计 国外煤矿矿井开采深度增长速度为 8 12m a 平均递增速度 10m a 煤矿开采深度最大的德国 平均采深己超过 900m 超过 1000m 的工作面 占 20 最大开采深度已达 1443m 在俄罗斯 仅顿巴斯矿区就有 30 个矿井的 采深达到 1200m 1350m 波兰的煤矿开采深度己达 1200m 日本和英国的煤矿 开采深度己分别达 1125m 和 1100m 此外 比利时等国的开采深度也己达 1000m 以上 20 世纪 50 年代 我国的立井深度平均不到 200m 而 90 年代平均己达 600m 相当于平均每年以 l0m 的速度向深部延伸 生产矿井 1980 年平均深度为 288m 而 1995 年平均深度达 428m 平均每年以近 10m 的速度向下延伸 东部 矿井的向下延伸速度每年达 10 25m 早在 八五 期间 国内新建的 65 个矿 井的平均深度就己达 588m 其中深度在 1000m 以上的井筒就有 12 个 据统计 目前我国许多矿区的开采深度都己超过了 600m 800m 深度超过千米的矿井就 有数十个 最大开采深度己接近 1200m 如沈阳矿务局彩屯煤矿 1197m 开滦 赵各庄煤矿 1159m 徐州张小楼煤矿 1100m 北票冠山煤矿 1059m 开 滦林西煤矿 1040m 北京门头沟 1008m 长广矿区 1000m 此外 新汶 矿区的大部分矿山己转入深部开采 平均开采深度达 900m 以上 如孙村煤矿 1055m 华丰煤矿 1070m 可以预计 随着对煤炭需求量的不断增加 我 国将有更多的煤矿矿山进入到 l000m 以下深度开采 研究表明 随着井深的增加 深部岩层压力迅速增长 给深井建设和开采造 成了严重困难 其中支架折损 支护破坏 巷道失稳就是一个最直接的后果 较 早进入深部采煤的国家 如原西德 前苏联等对深部开采的巷道矿压问题进行了 大量研究 前苏联 80 年代统计资料表明 由于井深增加 支架所受力增加了 0 8 2MPa 我国在这方面的研究起步较晚 与我国煤矿深井开采的现状不适应 一些矿井进入深部开采后在巷道布置和开采部署上仍沿用浅部的方法和理论 在 巷道支护方面 我国发展了可缩性 U 型钢支架和锚喷类支护技术 但在 U 型钢 和连结件材质 壁后充填技术和配套设备 锚杆材质以及相应的配套设备方面与 生产实际需求仍有较大的差距 1 绪论 3 1 2 2 沿空掘巷上覆岩层活动规律的研究综述 国内外对采场上覆岩层破断特征和活动规律开展了大量的研究 9 11 提出了 采场上覆岩层的关键层理论 基本顶及关键层的断裂规律 S R 稳定性原理等 随着综采放顶煤技术的发展 文献 12 13 对综采放顶煤采场上覆岩层的活动规 律做了进一步的研究 明确提出了综采放顶煤采场上方存在 砌体梁 基本结构 针对沿空掘巷围岩力学环境和维护特点 对巷道上覆岩层稳定状况 沿工作 面倾斜方向上覆岩层的活动规律研究很少 文献 14 17 通过对工作面及顺槽矿 压观测分析和相似模拟试验研究认为 随工作面回采推进 采空区侧煤体及上覆 岩层依次垮落 形成砌体梁结构 侧向煤体支承压力峰值点与采放比有关 且随 采放比增大峰值点远移 有利于留设窄煤柱 分析了巷道上覆岩层结构特征 提 出煤柱宽度 d 与侧向支承压力峰值点深入煤体的距离 x 有关 一般认为 d 小于 x 的一半是比较合理的 此时对巷道稳定有利 文献 18 19 将基本顶沿倾斜方向 形成的结构作为沿空掘巷围岩的大结构 基本顶在工作面端头形成的弧三角形块 视为巷道上方的关键块 定性分析了关键块在巷道不同从阶段的稳定性 认为关 键块在不同阶段是稳定的 为沿空掘巷创造了良好的外部力学环境 1 2 3 沿空掘巷护巷煤柱的研究综述 在生产实践中 沿空掘巷包括沿采空区边缘掘巷 与采空区之间留窄煤柱的 沿空掘巷 护巷煤柱宽度对巷道稳定性的影响主要有两个方面 一是煤柱宽度影 响巷道围岩应力 二是煤柱宽度影响巷道围岩完整性 沿空掘巷从 20 世纪 50 年代开始研究和应用 取得了有益的结论 20 24 主 要有 留设窄煤柱沿空掘巷 巷道位置处于侧向残余支承压力附近 掘巷扰动 了侧向支承压力分布 因而 留设窄煤柱沿空掘巷不仅在掘进期间围岩强烈变形 而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度 比沿采空区边缘不留设窄煤柱沿空 掘巷变形剧烈 留设窄煤柱沿空掘巷 因窄煤柱破碎 煤柱支撑作用极小 增 加了巷道跨度和悬顶距 巷道压力增大 维护困难 窄煤柱裂隙发育 甚至破 碎 不同程度存在漏风现象 留窄煤柱改善巷道掘进条件 对加快掘进速度以 及隔离采空区是有利的 国内外许多学者对煤柱的宽度和稳定性做了大量的研究工作 25 27 但对煤 柱的合理宽度一直没有统一的认识 其结论差别较大 合理煤柱宽度从 1 5m 直 河南理工大学工程硕士论文 4 到 20 30m 不等 文献对煤柱宽度做了详细的评述 并提出用智能决策系统和人 工神经元网格选择煤柱宽度的方法 以上研究是建立在薄及中厚煤层 厚煤层倾斜分层开采 埋深浅 巷道基本 采用木支护或金属架棚支护基础之上的 但是随着巷道埋深增加 原岩应力增大 综采放顶煤一次采全高等大采高采煤方法的应用 沿空掘巷围岩变形剧烈 高强 度锚杆支护系统和预应力锚索的应用 支护对围岩稳定状况的影响显著增大 确 定护巷煤柱宽度 研究其稳定性 应考虑支护的作用 同时确定窄煤柱宽度应考 虑锚杆在窄煤柱中的锚固力 过窄的煤柱难以保证锚固力而影响支护效果 1 2 4 锚杆支护原理及技术的研究综述 支护技术的快速发展 失去了锚杆支护理论的工作 取得了许多重要的成果 如传统的悬吊理论 组合梁理念 压缩拱理论 围岩松动圈支护理论 最大水平 应力理论等 28 它们解释了特定条件下的锚杆支护机理 对锚杆支护的作用有了 不同程度的认识 至今对特定条件巷道的锚杆支护设计仍然具有指导意义 近几 年国内外开展了锚杆支护提高巷道围岩力学性能的研究 认为 系统布置锚杆可 以提高锚固体的极限强度 弹性模量 内聚力 内磨擦角等力学参数 锚杆支护 可以改变围岩应力状态及应力应变特性 锚固效果与锚杆长度 密度及锚杆材料 性质有关 锚固效果随岩体强度提高而减小 系统布置锚杆的围岩可看作力学参 数提高而均化的岩体等 王明恕 29 1983 认为在靠近岩石壁面部分 锚杆尾部 锚杆阻止围岩壁面变 形 剪力指向壁面 在围岩深处 锚头部分 围岩阻止锚杆向壁面方向移动 锚杆上的剪力指向相背的分界点 称为中性点 该点处剪应力为零 轴向拉应力 最大 由中性点想锚杆两端剪应力逐渐增大 轴向拉应力逐渐减小 全长锚固中 性点理论中的 中性点 观点被普片接受 董方庭等 30 1994 在对巷道围岩状态进行深入研究后提出了围岩松动圈巷道 支护理论 该理论发现围岩松动圈的存在是巷道固有的特性 它的范围大小 厚 度值 L 目前可以用声波仪或者多点位移计等手段进行测定 巷道支护的主要对 象是围岩的松动圈产生 发展过程中产生的碎胀变形力 锚杆承受拉力的来源在 于松动圈的发生与发展 根据松动圈厚度值的大小 将其分为小 中 大三类 侯朝炯 勾攀峰 31 结合煤巷埋藏深 受采动影响 地应力大 围岩松软破 1 绪论 5 碎的特点 通过相似材料模拟试验和理论分析 研究锚固体峰前 峰后 残余强 度阶段的力学行为 提出了锚杆支护围岩强度强化理论 前苏联的煤矿科学研究院提出了一套计算锚杆支护参数的能量原理 32 33 该 理论认为 巷道开挖后引起围岩应力重分布 位移和破裂 是一个能量释放的过 程 在有锚杆支护的情况下 岩体的弹塑性位移受到锚杆阻挡 其能量表现为阻 挡功能 阻止围岩应变能的继续释放 当围岩释放的能量与围岩的阻挡功达到平 衡时 围岩与锚杆便共同处于稳定状态 基于上述观点 该院推到了一些计算公 式 并将其简化为图表形式 在该方法中 决定锚杆参数的基本因素有锚杆形式 围岩的坚固性 巷道的跨度和埋深 蒋树萍 34 也从能量的角度讨论过锚杆的合理 布置问题 1 3 本文研究的内容及技术研究路线 1 3 1 研究内容 针对八矿深部开采技术条件及现有的锚杆支护技术水平 结合本论文的研究 开展以下几个方面的研究 1 深部开采条件下倾角对侧向支承压力的影响 采用 FLAC3D数值模拟软件 结合天安八矿地质实际情况 寻求特定地质条件 下倾角与采场侧支承压力分布规律的关系 探讨倾角对侧支承压力的分布特征的 影响 以平煤天安八矿己二采区地质条件为依据 以邻近矿井的实际观测资料为参 照 采用类比与相似材料模拟试验相结合的方法 研究八矿己组煤层开采时该条 件下侧支承压力的分布规律 为今后多煤层采区巷道布置提供参考 2 深部复杂开采技术条件下沿空掘巷护巷窄煤柱尺寸优化研究 采用相关仪器对煤柱破坏范围 位移量 应力状态进行测量 采用数值模拟 方法 对不同煤岩赋存条件 不同煤柱宽度情况下 煤柱及回采巷道的稳定性进 行分析 以确定八矿深部开采条件下合理的煤柱尺寸 3 平煤八矿深部沿空掘巷断面 支护方式及参数 以及施工工艺优化研究 平煤八矿浅部锚网支护得到了大面积的推广 并取得了良好的成效 也积累 的丰富的经验 但在深部复杂的开采技术条件下 不能照搬照抄 必须结合深部 实际的开采情况 从巷道断面设计 支护方式及参数 以及巷道施工工艺等方面 进行优化设计研究 河南理工大学工程硕士论文 6 4 沿空掘巷瓦斯及水的防治措施 从巷道布置 瓦斯抽采设计等几个方面入手 解决临近采空区瓦斯及水的 涌入 5 沿空掘巷支护质量监测 在回采巷道内布置测点 观测巷道顶底板相对变形 两帮相对移近量等参数 对巷道的支护质量进行监测 评价和分析煤柱尺寸 巷道支护方式及参数的适宜 性 并修改和优化设计方案 1 3 2 研究方法及技术路线 本文研究采用现场测试与分析 数值模拟实验 实验室试验 以及理论分析 等多种手段相结合的方法开展研究工作 首先采用数值模拟实验研究倾角对侧向 支承压力的影响 然后采用相似模拟实验 研究八矿特定条件下侧向支承压力的 分布规律 再次基础上 对深部回采巷道断面 煤柱尺寸 巷道支护方式及参数 进行优化设计 然后进行工业性实验 并对巷道的支护质量进行监测 根据巷道 的变形及破坏情况 对前面的研究结果进行改进 最后对沿空掘巷技术防治采空 区水和瓦斯进行探讨 技术路线如下图所示 现场实测调研及基础资料分析 数值计算物理模拟理论分析 措施方案的制定 现场试验 改进和完善 形成技术成果 图图 1 1 论文研究技术路线论文研究技术路线 Fig 1 1 Technology route of study 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究 7 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究 2 1 概述 随着采深的增加 平煤天安集团八矿工作面逐渐靠近李口向斜轴部 煤层倾 角变大 不同倾角煤层侧支承压力分布的基本规律与近水平煤层相同 但倾斜状 态下岩层受力十分复杂 侧支承压力分布有其独特的特点 由于缺乏倾角对侧支 承压力分布规律影响的理论 工作面区段煤柱留设缺乏依据 巷道变形破坏严重 因而本章结合天安八矿实际情况 寻求特定地质条件下倾角与采场侧支承压力分 布规律的关系 探讨倾角对侧支承压力的分布特征的影响 2 2 FLAC3D软件简介 FLAC3D Three Dimensional Fast LaGrange Analysis of Continua 是美国 Itasca Consulting Group lnc 开发的三维快速拉格朗日分析程序 该程序能较好地模拟地 质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为 特别适 用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形 它包含 10 种材料本构模型 有静力 动力 蠕变 渗流 温度五种计算模式 各种模式间可以互相藕合 可以模拟多 种结构形式 如岩体 土体或其他材料实体 梁 锚元 桩 壳以及人工结构如 支护 衬砌 锚索 岩栓 摩擦桩 板桩 界面单元等 可以模拟复杂的岩土工 程或力学问题 FLAC3D有以下几个优点 1 对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是 混合离散法 这种方法比有限 元法中通常采用的 离散集成法 更为准确 合理 2 即使模拟的系统是静态的 仍采用了动态运动方程 这使得FLAC3D在模 拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍 3 采用了一个 显式解 方案 因此 显式解方案对非线性的应力 应变关 系的求解所花费的时间 几乎与线性本构关系相同 而隐式求解方案将会花费较 长的时间求解非线性问题 而且 它没有必要存储刚度矩阵 这就意味着 采用 中等容量的内存可以求解多单元结构 模拟大变形问题几乎并不比小变形问题 多消耗更多的计算时间 因为没有任何刚度矩阵要被修改 在采矿工程中 许多学者利用FLAC软件对采矿工程中围岩活动规律 巷道围 岩稳定性问题涉及到的岩体力学特性 围岩压力 支护围岩相互作用关系 巷道 与工作面的时空关系等一系列复杂的力学问题进行了一系列的研究 并取得了显 河南理工大学工程硕士论文 8 著的效果 何满朝等采用FLAC对大断面软岩硐室开挖非线性力学特性进行了数值 模拟研究 35 朱建明等提出了变弹性模量方法模拟时间因素对巷道围岩稳定影响 的衰减曲线 并利用该曲线有效地模拟出巷道围岩塑性区随时间的扩展情况 36 康红普对回采巷道锚杆支护影响因素进行了FLAC分析 认为其在分析非线性和大 变形问题方面性能优越 37 谢文兵等分析了数值模拟在工程实践中的指导作用 38 2 3 模型的建立及参数的选取 2 3 1 模型的建立 为了选取平顶山锚杆支护合理的支护方式和支护参数而采用数值计算进行现 实模拟 根据现实的地质状况 结合模拟的目的 建立的数值分析模型如图 2 1 所示 图图 2 1 数值模拟模型数值模拟模型 Fig 2 1 Numerical simulation model 模拟巷道的尺寸是根据八矿实际生产的需要 主要考虑通风 运输 行人 安全等要求 确定巷道长宽为 3400 3200mm 的矩形巷道 巷道沿煤层顶板掘进 在八矿 600 水平地应力测量的基础上 确定巷道周围原岩的实际应力分布状态 最大主应力 1 15 26MPa 中间主应力 2 13 69MPa 最小主应力 3 7 80MPa 为寻求倾角对侧支承压力分布影响的规律 建立倾角为 10 15 20 25 30 35 六个模型 各个模型的特征参量如表 2 1 所示 底板岩层 老底 砂质泥岩 上覆岩层 直接顶 巷道 直接底 砂质泥岩及中砂岩 砂质泥岩 老顶 细砂岩 二2煤 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究 9 表表 2 12 1 不同倾角模型特征参量不同倾角模型特征参量 Table 2 1 Model parmeter of different angle 2 3 2 模拟地质条件 煤岩参数及单元划分 天安集团八矿位于平顶山矿区东部 是一座设计年产量300Mt的现代化矿井 井田内有丁5 6 戊9 10 己15 己16 17三组四层 可采煤同时开采 其中己15 己16 17煤层平均间 距为7m左右 井田范围内由浅部到深部 煤层 由倾斜逐渐过渡到缓斜 采区内煤层实行下行 式开采顺序 己15煤层概况 煤层厚度基本稳 定 结构简单 半光亮型焦煤 煤厚度一般在 3 0 3 6m之间 平均3 4m 煤层倾角一般在 9 15 之间 煤层东西走向起伏较大 由东向 西逐渐上坡 煤层顶底板情况 直接顶为砂质 泥岩 距煤层顶板0 8m左右有一层0 1 0 5m的 煤线 该层易随采随落 直接底为一薄层泥岩 遇水易膨胀 己16 17煤层概况 半光亮型焦煤 直接顶为己15底板 厚度7m左右 底板为细砂 岩呈条带状 顶部为深色泥岩 中部夹砂质泥 岩 地质柱状如图2 2 参考同矿区同地层得到该条件下煤岩体物理参数见表2 2 岩性描述层厚密度KGC Ten备注 倾角 模型尺寸 x y z m单元数工作面推进 m工作面长度 m 10345 250 300172560150150 15338 250 300146530150150 20328 250 300168960150150 25317 250 300181820150150 30303 250 300162760150150 35286 250 300175320150150 表表 2 22 2 煤岩体物理力学参数煤岩体物理力学参数 Tab 2 2 Physical parameter 图图 2 22 2 柱状图柱状图 Fig 2 2 Histogram 层厚 10m 2m 3m 3m 3m 3m 4m 2m 4m 9 15 倾角 河南理工大学工程硕士论文 10 mKg m3papaMpa Mpa 中粗粒砂1024009 81e92e95 1323 8 细砂岩1 8280033 9e925 4e928 44818 砂质泥岩2 825302 19e97 84e90 5402 细砂岩3 0267016 7e916e914 7396 7 砂质泥岩3 026004e92e95 75303 1 己15煤层3 417503 81e83 48e80 2310 15 砂质泥岩4 323008 8e93 5e98 1162 15 己16 17煤层215003 6e81 9e60 035250 05 砂质泥岩524008 3e94 2e97 5152 75 在选择模型尺寸时应考虑以下两点 1 对所研究的岩体范围边界加给的载荷条件具有必要的可靠程度 2 实现解决具体的技术问题 根据以上两点确定模型研究范围 走向300m 倾向350 高250m 各层岩性见 综合柱状图2 1 岩层物理参数见表2 1 为研究采场周围岩体范围的单元划分 将其进行分层 平行于层理面的分层 离散划分为四边形单元 过渡分层则用三角形单元 这就可以按所研究的范围得 到均匀的单元网格划分 即接近工作面处用小单元 随着远离工作面则单元越来 越大 岩体单元这样的离散划分尺寸 可以完全保证计算上的必要精度 模型采用c 开发的转换程序建立 首先由ANSYS建立模型并输出由 ANSYS NWRITE EWRITE命令导出的节点文件和单元文件 程序将其转换成 FLAC3D格式文件 然后在FLAC3D使用impgrid导入即可 二次开发软件支持4节 点四面体 Tetrahedron 5节点五面体 Pyramid 6节点五面体 Wedge 和6面体 单元 Brick 转换界面如图示2 3 图图 2 32 3 Ansys FLACAnsys FLAC 转化界面转化界面 Fig 2 3 Ansys FLAC interface 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究 11 转换后计算模型如图2 4 2 4 计算的结果及分析 2 4 1 不同倾角侧向支承压力的模拟结果 工作面推进 150m 选取工作面后方 100m 处切面进行研究 不同角度煤层模 拟侧支承压力分布等值线如图 2 5 2 10 图图 2 42 4 计算模型计算模型 Fig 2 4 Calculation model 0 1 2 3 4 0102030405060708090100 上侧数据 下侧数据 应 力 集 中 系 数 至煤壁距离 m 河南理工大学工程硕士论文 12 由图 2 5 可知 煤层倾角 10 时侧支承压力分布与近水平煤层相似 上下侧 峰值至煤壁距离在同一位置 峰值大小稍有差异 但不很明显 卸压区范围上侧 大于下侧 从煤层倾角为 15 的模拟结果来看 上下侧支承压力产生变化 与煤层倾角 为 10 时的结果相比 上下侧峰值至煤壁距离 卸压区范围都有明显减小 峰值 大小没有太大变化 图图 2 52 5 侧支承压力分布曲线 煤层倾角侧支承压力分布曲线 煤层倾角 10 10 Fig 2 5 Side abutment pressure distribution curve 10 图图 2 7 侧支承压力分布曲线侧支承压力分布曲线 煤层倾角煤层倾角 20 Fig 2 7 Side abutment pressure distribution curve 20 0 1 2 3 4 020406080100120 上侧支承压力 下侧支承压力 图图 2 6 侧支承压力分布曲线 倾角侧支承压力分布曲线 倾角 15 Fig 2 6 Side abutment pressure distribution curve 15 应 力 集 中 系 数 至煤壁距离 m 0 1 2 3 4 020406080100 下侧等值线 上侧支承压力 应 力 集 中 系 数 至煤壁距离 m 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究 13 0 1 2 3 4 020406080100 上侧支承压力 下侧支承压力 应 力 集 中 系 数 0 1 2 3 4 020406080100 上侧支承压力 上侧支承压力 图图 2 82 8 侧支承压力分布曲线侧支承压力分布曲线 煤层倾角倾角煤层倾角倾角 25 25 Fig 2 8 Side abutment pressure distribution curve 25 应 力 集 中 系 数 至煤壁距离 m 0 1 2 3 4 020406080100 上侧支承压力 下侧支承压力 图图 2 92 9 侧支承压力分布曲线侧支承压力分布曲线 煤层倾角煤层倾角 30 Fig 2 9 Side abutment pressure distribution curve 30 应 力 集 中 系 数 至煤壁距离 m 河南理工大学工程硕士论文 14 同一位置不同角度侧支承压力分布曲线如图 2 11 2 12 从以上不同角度所得的侧支承压力分布曲线可以得出 随着角度的增大侧支 承压力的峰值距离工作面的距离越来越小 相对应的峰值和卸压区的范围随着角 度的增大也越来越小 将模拟不同倾角煤层上下侧支承压力分布特征列于表 2 3 由表 2 3 及图 2 11 2 12 可知 随着角度的增加侧支承压力主要产生以下变化 卸压区范围在 减小 煤层倾角为 10 时 上下侧卸压区范围在 4m 左右 倾角达到 35 时 上 下侧支承压力卸压范围仅为 1 2m 左右 减小的很明显 峰值在下降 且角度 图图 2 102 10 支承压力分布等值线 煤层倾角支承压力分布等值线 煤层倾角 35 35 Fig 2 10 Side abutment pressure distribution curve 35 0 1 2 3 4 020406080100120 倾角10 倾角15 倾角25 倾角30 倾角35 倾角20 图图 2 12 不同角度同一位置处下侧支承压力分布曲线不同角度同一位置处下侧支承压力分布曲线 Fig 2 12 Side abutment pressure distribution curve in identical displace 应 力 集 中 系 数 0 1 2 3 4 020406080100120 倾角10 倾角15 倾角20 倾角25 倾角30 倾角35 图图 2 11 不同角度同一位置处上侧支承压力分布曲线不同角度同一位置处上侧支承压力分布曲线 Fig 4 7 Side abutment pressure distribution curve in identical displace 应 力 集 中 系 数 至煤壁距离 m 至煤壁距离 m 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究 15 越大峰值下降幅度越大 当煤层倾角大于 20 时 上侧峰值明显小于下侧 峰 值至煤壁距离在减小 倾角 35 时峰值至煤壁距离仅是 10 时峰值至煤壁距离 的一半左右 表表 2 3 不同倾角煤层上下侧卸压范围结果不同倾角煤层上下侧卸压范围结果 Different angle side abutment pressure distribution 煤层卸压范围 m最大应力集中系数 m 峰值位置 煤层倾角 上侧下侧上侧下侧上侧下侧 104 33 83 13 48 78 5 153 63 633 48 28 1 203 23 233 46 68 4 253 02 62 93 36 18 1 302 33 22 73 26 47 8 351 21 42 534 24 1 2 4 2 侧支承压力分布特征数据处理 为探讨角度与下侧支承压力分布特征 卸压区范围 X0 最大支承压力大小及 位置 的关系 现采用最小二乘法对上述模拟结果进行处理 寻求角度与卸压区 范围 X0 最大侧支承压力集中系数 k 及最大侧支承压力集位置的函数关系 利用 DRS 软件对不同倾角煤层侧支承压力分布特征进行拟合曲线如图 图图 2 132 13 下侧卸压区拟合结果下侧卸压区拟合结果 Fig 2 13 Fitting result of pressure relief underside 图图 2 142 14 上侧最大应力集中系数拟合曲线上侧最大应力集中系数拟合曲线 Fig 2 14Fitting curve of maximum stress concentration factor upside 河南理工大学工程硕士论文 16 上侧卸压区拟合函数为 相关系数为 0 9887 平均相对误差 0 008 下侧卸压区拟合函数为 相关系数为 0 9663 平均相对误差 0 007 上侧最大应力集中系数拟合函数为 相关系数为 0 9893 平均相对误差 0 008 下侧最大应力集中系数拟合函数为 相关系数为 0 9960 平均相对误差 0 003 上侧峰值位置拟合函数为 图图 2 152 15 下侧峰值位置拟合曲线下侧峰值位置拟合曲线 Fig 2 15 Fitting curve of peak point underside 图图 2 162 16 上侧峰值位置拟合曲线上侧峰值位置拟合曲线 Fig 2 16 Fitting curve of peak point upside 2 5999 0 4 0387 16 3118x 下 2 03 0 4 36 18 944x 上 4 03 k3 417 11 678 下 1 251 23 k2 868 830 6749 上 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究 17 相关系数为 0 9727 平均相对误差 0 04 下侧卸压区拟合函数为 相关系数为 0 9922 平均相对误差 0 02 2 5 小结 本章主要采用数值模拟的方法分析倾角对支承压力分布的影响 结果表明 1 随着角度的增加 侧支承压力峰值呈下降趋势 且角度越大峰值下降幅 度越大 当煤层角度达到 35 时 最大应力集中系数减小了 20 左右 当煤层 倾角大于 20 时 上侧最大支承压力集中系数明显小于下侧 2 随着角度的增加 应力降低区范围减小很明显 当倾角达到 35 时 上 下侧支承压力应力降低范围仅为 3 2m 左右 3 峰值位置呈减小趋势 煤层倾角 35 时峰值位置仅是 10 时峰值位置的 一半左右 4 采用最小二乘法 分析侧支承压力分布特征与煤层倾角的关系 根据数 值模拟的结果得出了支承压力分布特征与煤层倾角的函数关系 9 99 L8 3870 225 0 08 L38 8322 1532 96 上 3 煤层开采相似模拟研究 19 3 煤层开采相似模拟研究 3 1 概述 相似材料模型实验是一种以相似理论为基础 通过用一定的相似材料构造物 理参数与工程相似的模型 来研究实际工程问题的实验方法 通过模型实验 能 够在短时间内从一定程度上较为全面地反映岩土工程力学过程和变形形态 具有 灵活性和直观性 是研究人员经常采用的研究手段 是一种重要的 行之有效的 方法 它被许多生产 科研单位所广泛采用 有些问题在计算中不能很好地解决 但通过模型试验就可很好地解决 用模型方法可以研究各种不同因素的影响 可 以得到一些现象的可信定性图像和一些主要所求的参数值 在计算非连续介质的 复杂问题时 模型方法是得到置信解的唯一手段 国外一些国家对相似材料模型试验在生产 科研中的应用十分重视 前苏联 德国 澳大利亚 波兰等国家在矿山压力的研究中大量采用了相似材料模型方法 对发展此法起了很大的作用 并对此法的可行性给予充分的肯定 岩体模型试验 在国内外已经获得了较为广泛的应用和发展 在国外 意大利 葡萄牙 法国 日本和前苏联都做过较多的试验 取得了良好的效果 模拟实验可人为控制和改变试验条件 从而可确定单因素或多因素对矿山压 力影响的规律 试验效应清楚直观 试验周期短 见效快 相似材料模型试验广 泛应用于水利 采矿 地质 铁道等部门 当然相似模型也存在一些局限性 很 难对一些现象进行定量分析 它受到模型台 实验人员 实验温度 相似岩层配 比 测验仪器等影响 同时也很难完全模拟现场现象 因此具有一定的随机性 由于影响回采巷道矿压规律影响因素多 物理力学过程复杂 目前尚未有满 足实际工程需要的理论分析方法 实际观测是研究矿压规律的主要方法 但由于 受生产布局等客观条件的限制 平煤集团八矿不具备实际观测的条件 因此 本 项研究以平煤天安八矿己二采区地质条件为依据 以邻近矿井的实际观测资料为 参照 采用类比与相似材料模拟试验相结合的方法 研究八矿己组煤层开采时该 条件下侧支承压力的分布规律 为今后多煤层采区巷道布置提供参考 3 2 相似模拟实验理论 3 2 1 相似定理 相似材料模拟的理论基础是相似三定理 39 1 相似第一定理 河南理工大学工程硕士论文 20 此定理由牛顿 J Newton 于 1686 年首先提出 此后由法国科学家贝尔特兰 J Bertrand 于 1848 年给予了严格的证明 相似第一定理可表述为 过程相似则相似准数不变 相似指标为 1 2 相似第二定理是在 1911 年由俄国学者费捷尔曼导出的 1914 年美国学 者白金汉 E Buchingham 也得到同样的结果 相似第二定理可以表达为 描述相似现象的物理方程均可变成相似准数组 成的综合方程 现象相似 其综合方程必须相同 3 相似第三定理 这个定理是由基尔皮契夫及古赫尔于 1930 年解决的 第三定理可表述为 在几何相似系统中 具有相同文字的关系方程式 单值条件相似 且由单值条件组成的相似准数相等 则此两现象也是相似的 3 2 2 相似准则 煤矿开采是一个复杂的系统工程 涉及到诸多因素 要使所有因素都保持相 似 很难做到 在工程实际中也没有这个必要 实践经验表明 要进行煤矿开采 相似模拟试验主要考虑以下参数 煤层厚度 M 岩层厚度 H 抗压强度 抗拉 c 强度 容重 弹模 E 时间 t 泊松比等八个参数 令其方程为 t 0t EMHF tc 3 1 根据 定理 应用量纲分析法 可得出以下 5 个相似准则 HM H E tH c tc c 5 4 3 2 1 3 2 故要使