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    缓倾斜煤层回采巷道断面形式研究。

    发布:genglizhonggong 浏览:699次

      摘 要:根据山西某地方煤矿实际开采条件,本文利用离散元数值模拟软件UDEC对缓倾斜中厚煤层回采巷道的断面形式进行研究,提出不规则梯形、矩形、直墙半圆拱等三种可行性断面形式。依据模拟结果显示的回采巷道的应力、应变分布及塑性区破坏特征,最终确定在此类开采条件下缓倾斜中厚煤层回采巷道的最优断面形式为不规则梯形,为工程设计和实际应用提供了科学依据。

      关键词:缓倾斜煤层;巷道断面形式;UDEC;数值模拟

      1.引言

      巷道支护是矿井生产中一项极其重要的工作,巷道支护效果的好环,直接关系到矿井的安生产和经济效益,而巷道支护效果与巷道断面形式是分不开的。煤质软而厚的缓倾斜煤层,其巷道断面形式的不同对巷道的变形量的影响就更大。研究这种条件下回采巷道的合理断面形式具有重要的实际意义。

      为此,我们针对山西省某煤矿的开采条件,借助UDEC离散元数值模拟软件对缓倾斜中厚煤层回采巷道不同断面断面形状对巷道围岩稳定性的影响进行二维数值模拟,探讨了三种巷道断面在同一围岩条件下的最大主应力、位移变化量及塑性破坏区分布规律,为合理确定该类巷道的断面形状提供了理论准备。

      2.地质概况

      401 工作面为4 煤层的首采面,直接顶为1m~2m 泥岩,层理节理发育,普式系数f = 2~3,岩体稳定性较差。其上为3 m 左右的中砂岩,顶板容易发生离层。往上为较厚层状的砂岩,赋水性好。煤层厚度3.0~3.5m,倾角20°,普式系数f =1.5,中间有薄层夹矸。直接底为粉砂岩,黑褐色。老底为细砂岩,深灰色,致密,上部见植物化石碎片。

      3.计算模型的建立

      考虑到现场的实际生产情况,选择了不规则梯形、矩形和直墙半圆拱三种断面形式,运用UDEC 离散元数值模拟软件对三种断面形式进行分析。在计算模型中选用莫尔一库伦力学模型,为了消除边界效应,各模型应具有足够大的尺寸,模型宽度取100m,厚度取80m,模拟巷道处于模型中心,力学边界采用底边固定,左右侧面 Y 方向固定,顶面施加力,计算模型见图1,各岩层的岩石力学参数见表14. 模拟结果分析本次模拟采用三种断面形式的断面面积和周长基本相等、断面不支护的方案来消除不同的断面面积和不同支护参数带来的影响。模拟结果显示,最大主应力的分布范围,矩形断面引起的应力集中范围比其他两种要大。矩形、直墙半圆拱塑性破坏区范围分别是为不规则梯形的1.08、1.01倍,垂直位移分别为1.32和1.12倍,水平位移分别为1.04和0.97倍,具体统计数据见表2。

      4.1 围岩应力特征分析

      通过计算得出三种形式巷道的塑性破坏区,模拟结果显示,三种巷道的下帮顶部和底部的塑性破坏区范围均比上帮要大,巷道呈现出明显的非对称性变形,这是由于倾斜岩层在原岩应力的影响下,沿岩层层面下滑挤压巷道下帮,导致巷道下帮围岩塑性破坏区范围较大。这是缓倾斜煤层中巷道破坏不同于近水平煤层的一个重要特征。模拟结果还显示,矩形断面的塑性破坏区范围要明显大于其他两种断面形式,说明矩形断面巷道的受力效果最差;不规则梯形断面和直墙半圆拱断面巷道的塑性破坏区范围相差不大,受力效果均相对较好。

      4.2 巷道变形特征分析

      从巷道断面的变形和位移等值线可知,三种巷道底鼓现象都不明显,且相差不大;从巷道顶板下沉量来看,不规则梯形巷道要明显小于其他两种形式的巷道,这是由于不规则梯形巷道沿顶板掘进,能最大程度保持顶板岩层的完整性,其他两种形式的巷道都不同程度的破坏了顶板的完整性。从巷道两帮变形量来看,巷道下帮的变形量要大于上帮,呈现非对称性变形,这是因为受岩层产状影响,巷道两侧岩体结构表现为非对称性,从而造成围岩应力分布产生非对称性,最终导致巷道变形的非对称性。

      综合分析可得,在该地质条件下巷道断面选用不规则梯形围岩受力效果较好,围岩变形量较小,施工容易,易于维护。

      5.结论

      (1)巷道支护设计应该首先从选择断面形状开始,选择适应现场实际生产的巷道断面形式至关重要。

      (2)缓倾斜煤层中回采巷道的破坏形态呈各向异性,破坏范围除与其自身力学特性有关外,还与煤岩层的产状稳定有密切关系。

      (3)对于缓倾斜煤层回采巷道的维护,主要是防止顶板的跨落。对于巷道两帮的控制,下帮的控制难度要大于上帮,因此下帮要适当的加强支护。

      (4)通过数值模拟反映的巷道变形规律以及应力应变变化状态,最终确定采用不规则梯形作缓倾斜煤层回采巷道设计的最佳断面形式。



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