回采巷道非对称变形特征及控制研究.pdf
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1、冶金与材料第 44 卷回采巷道非对称变形特征及控制研究高腾云(神木市能源局,陕西 榆林719000)冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.44 No.1Jan.2024摘要:为了解决深部软岩巷道非对称变形的问题,文章基于数值模拟分析了不同水平应力角下围岩的受力特征,得出水平应力方向角越大,围岩受到水平应力越大的结论。以水平应力角 30为例,顶板、底板、两帮最大水平受力分别为 19.76MPa、21.56MPa、2.79MPa。结合数值模拟结论和实际工程经验,在支护原则指导下,确定了通过关键部位加强支护的一次支护和二
2、次支护方案,有效控制了围岩的水平受力,缓解了巷道非对称受力引起的非对称变形的问题,确保了巷道围岩的稳定性。关键词:深部软岩巷道;非对称变形;数值模拟;水平应力方向角作者简介:高腾云(1991),男,陕西榆林人,主要从事煤矿监管工作。煤炭是国民经济发展的重要支撑能源,随着煤层气、页岩气等新能源不断发展,煤炭资源的开采率逐渐下降,但是占比仍然超过一半。由于在火力发电以及化工产业中起到重要作用,致使煤炭资源有着不可替代的地位,对日后国民经济的发展仍然起着决定性的作用。随着浅部煤炭资源的逐年开采,深部煤炭资源的高效开采成为必然。浅部煤炭资源埋藏较浅,煤层以及围岩受上覆地层的压力较小,开采过程中扰动作用
3、小,因此支护方式简单。当煤层埋藏较深时,垂直应力和开采扰动作用在岩层上的力增大,围岩受力特征的复杂性导致巷道支护的难度加大,当围岩为软弱的泥岩层时,该现象更加突出咱1-3暂。深部软岩巷道往往呈现受力多样性、受力复杂、围岩变形量大、支护困难等特点,因此容易产生一系列威胁安全生产的工程问题。一般而言,深埋煤层垂直应力大于水平应力,当开采区域地质构造活动强烈时,煤层以及围岩受到的水平应力往往大于垂直应力,造成巷道两帮受力过大,发生片帮事故,变相增加了围岩支护的难度。此外,因为巷道围岩较为松软,抗压强度、抗拉强度以及弹性模量等力学性质较差,因此在不均衡受力的情况下,发生非线性变形,即巷道两侧的不对称变
4、形,因此采用传统的对称支护的方案,无法保证巷道围岩的稳定,且造成支护费用的提高,增加了支护成本,浪费了支护材料咱4-6暂。对于非线性变形的处理,神经网络有明显的优势,将回采巷道变形的相关参数作为输入层,将巷道变形量作为输出层,可通过大量数据文本,训练网络模型,进而预测特定回采巷道非变形的特征,具有一定的实用价值咱7-8暂。因此,了解回采巷道非对称变形机理对于合理制定支护方案有直接意义,有效降低支护成本,提高围岩的稳定性,为回采工作的顺利进行提供有力保障。1工程概况一般而言,浅埋藏煤层主要受上覆岩层重力影响,当垂直应力过大时,煤层顶板在拉应力和剪切应力的共同作用下,发生塌落;深埋藏煤层主要受水平
5、应力影响,煤层顶板容易出现离层现象,出现断裂滑移等现象,此时巷道两帮的变形加剧明显。矿井北部为复式向斜,矿井区域内有褶曲、断层等构造,其中,褶曲发育长度约 2.1km,呈南西走向,平均倾角为 7毅;根据三维地震监测结果,矿井内发育多条小断层,对围岩裂隙发育以及受力特征有直接影响。根据煤矿区域内地应力的监测结果,向斜翼部区域,围岩垂直应力大于水平应力,向斜轴部区域,围岩水平应力大于垂直应力。水平应力的增加,导致围岩最大水平应力明显大于最小水平应力,而垂向应力大于最小水平应力,此时,围岩极易产生应力集中现象,因此造成巷道的非线性变形。2回采巷道非对称变形特征2.1底臌非对称变形矿井底板主要以泥岩为
6、主,泥岩抗压强度往往低于 7MPa,巷道开挖后,受力不均,底板泥岩出现受力不均的现象,施工结束后,因为泥岩中高岭石遇水发生膨胀现象,再次非均匀受力,因此发生非对称变形。2.2两帮非对称变形实际煤层具有一定倾角,因为围岩巷道也有一定的倾角,在上覆垂直应力的作用下,变形也并非对称的,因此两帮变形量也呈现非对称变形的特点。2.3顶板非对称变形顶板非对称变形与两帮非对称变形相似,不同的是,顶板受到应力明显,因此变形量更大,且埋藏较深52第 1 期的一侧变形量更大,埋藏较浅的一侧变形量较小。为了更直观地了解顶板受力变形的特征,通过数值模拟软件 FLAC3D 分析最大水平主应力方向以及大小对岩层的影响。本
7、次数值模拟模型长 32m、宽 60m、高50m,其中巷道宽 4m、高 5m,顶底板均为泥岩,泥岩的密度 2450kg/m-3,体积模量 2.2GPa,剪切模量 1.5GPa,内聚力 2.0MPa,内摩擦角 30毅,抗拉强度 1.6MPa。根据矿井煤层实际埋深以及测试的应力数据,回采巷道最大主应力为 31.1MPa,垂直应力为 18.7MPa,最小主应力为16.4MPa。模拟中最大主应力和最小主应力夹角分别为10毅尧20毅和 30毅。采用 Mohr-coulomb 模型进行模拟。模拟过程中分别监测顶板、两帮以及底板水平应力变化,根据模拟数据,绘制得到图 1 所示的数值模拟水平应力变化曲线。图 1
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