基于塑性区扩展的煤层巷道变形破坏影响因素分析.pdf
《基于塑性区扩展的煤层巷道变形破坏影响因素分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于塑性区扩展的煤层巷道变形破坏影响因素分析.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、99移动扫码阅读expansi10nsatetvinCoalMines.2023,54(8):99-105HAN Sen.Influencing factors analysis of deformation and failure of coal seam roadway basedonplasticzone韩森.基于塑性区扩展的煤港道变形破环影响4(80:99-105.Safety inCoal MinesAug.20232023年8 月煤码发全Vol.54No.8第8 期第54卷D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.015基于塑性区扩展的煤层巷道变形破坏影响因素分析韩
2、森1,2(1.贵州大学矿业学院,贵州贵阳550 0 2 5;2.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭41 1 2 0 1)摘要:为了分析煤层巷道赋存条件对巷道围岩变形破坏的影响,选取煤层厚度、顶底板厚度、顶底板岩性、煤层瓦斯压力作为分析因素,利用FLAC3D数值模拟软件进行正交试验,得到不同赋存条件下煤层巷道围岩塑性区情况,分析了各因素对塑性区扩展的影响程度。研究表明:影响煤层巷道围岩变形破坏程度的因素从高到低依次为煤层厚度、煤层瓦斯压力、底板厚度、底板岩性、顶板厚度、顶板岩性,其中煤层厚度和煤层瓦斯压力对围岩变形破坏有显著影响并呈正相关;当顶板厚度30 m、煤层厚度1 5m、底板厚度
3、1 5m、顶板岩性为泥岩、底板岩性为粉砂岩、煤层瓦斯压力为0.7 MPa时,煤层巷道围岩塑性区最大半径最大,巷道最易发生变形破坏。关键词:煤层巷道;影响因素;塑性区;正交试验;围岩变形破坏中图分类号:TD322文献标志码:A文章编号:1 0 0 3-49 6 X(2023)08-0099-07Influencing factors analysis of deformation and failure of coal seam roadwaybased on plastic zone expansionHAN Sen2(1.College of Mining,Guizhou Universit
4、y,Guiyang 550025,China;2.School of Resource&Environment and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)Abstract:In order to analyze the influence of coal seam roadway occurrence conditions on the deformation and destruction ofroadway surrounding rock,the coal
5、 seam thickness,roof and floor thickness,roof and floor lithology,and coal seam gas pressureare selected as the analysis factors,and the orthogonal test is carried out using FLAC3D numerical simulation software to obtain theplastic zone of coal seam roadway surrounding rock under dfferent occurrence
6、 conditions,and the influence degree of each factoron the expansion of plastic zone is analyzed.The research shows that the factors affecting the deformation and damage degree ofsurrounding rock of coal seam roadway are in order of coal seam thickness,coal seam gas pressure,floor thickness,floor lit
7、hology,roof thickness and roof lithology from high to low.Among them,the thickness of coal seam and coal seam gas pressure have asignificant impact on the deformation and damage of surrounding rock and are positively correlated.When the roof thickness is 30m,the coal seam thickness is 15 m,the floor
8、 thickness is 15 m,the roof lithology is mudstone,the floor lithology is siltstone,andthe coal seam gas pressure is O.7 MPa,the maximum radius of the surrounding rock plastic zone of the coal seam roadway is thelargest,and the roadway is most prone to deformation and damage.Key words:coal seam roadw
9、ay;influencing factors;plastic zone;orthogonal test;deformation and failure of surrounding rock收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 5责任编辑:朱蕾基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 0 7 41 1 5)作者简介:韩森(1 9 8 6 一),陕西渭南人,实验师,博士研究生,从事岩石力学与巷道围岩控制等方面的教学及研究工作。E-mail:100.SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54第54卷煤矿发全第8 期我国煤矿以井工开采为主,每年煤炭生产均需
10、掘进大量煤层巷道,但由于煤巷围岩通常比较松软破碎,受采掘扰动影响围岩应力条件复杂,巷道冒顶、片帮事故时常发生,因此研究煤层巷道变形破坏机理及其影响因素对于巷道围岩控制乃至井下安全生产具有重大意义。对于煤层巷道的变形破坏机理与巷道围岩控制,众多学者进行了大量研究。潘俊峰等叫以古山煤矿大倾角煤层巷道为研究对象,分析了巷道围岩非对称变形破坏机理,提出了全断面锚索、网、喷联合支护方法;王恩等 2 分析了上煤层遗留煤柱集中应力、本煤层邻近工作面以及本工作面回采对煤层巷道围岩稳定性的影响,针对受多重剧烈采动影响的煤层巷道,提出了高预应力锚杆索与桁架锚索组合非对称支护技术;孙利辉等 3分析了强动压条件下松软
11、煤层巷帮强烈变形破坏特征,揭示了巷帮滑移变形机理,提出了锚注固帮技术;陈建强等 4 揭示了急倾斜特厚煤层巷道非对称变形破坏的发生机理,提出可缩性U型钢与非对称性预应力锚杆索联合支护技术;孔祥松等 5 通过煤层巷道相似模拟试验,提出煤层巷道破坏的根源在于帮部和角部率先破坏,并对煤巷强帮强角技术进行了论证和应用;何富连等针对大断面综放沿空煤巷掘进过程中冒顶、垮帮等强矿压问题,提出其变形破坏主要是由高支承压力、围岩裂隙发育、围岩强度低以及支护不合理等原因造成的。煤层巷道赋存条件对巷道围岩变形破坏具有直接影响,然而煤巷赋存条件各异,因此有必要分析煤巷赋存条件下各相关因素对巷道围岩变形破坏的影响程度,以
12、及何种赋存条件下巷道最容易发生变形破坏。大量研究成果表明,巷道发生变形破坏主要是由于巷道围岩塑性区的形成和发展导致的,塑性区的形态、范围决定了巷道破坏的模式和程度 7。为此,从巷道围岩塑性区的角度探讨煤层巷道变形破坏问题,分析煤巷所在煤层厚度、顶底板厚度、顶底板岩性、煤层瓦斯压力等因素对煤层巷道围岩塑性区的影响程度,分析不同煤层巷道赋存件下巷道围岩塑性区的扩展情况,对煤层巷道围岩控制具有一定的指导意义。1巷道围岩塑性区关于巷道围岩塑性区的研究,国内外众多学者做了大量工作。KASTNER8推导了双向等压条件下圆形孔洞塑性区边界方程,发现塑性区形态为圆形;LAGALIN探讨了两向不等压条件下圆形巷
13、道围岩塑性区边界方程近似表达式,得到椭圆形塑性区形态;于学馥等 9 基于非等压圆形巷道围岩塑性区边界的隐性方程式,绘制了不同侧压系数条件下的塑性区边界曲线;之后马念杰、赵志强等重新推导了非等压条件下圆形巷道围岩塑性区边界方程,并将计算得出的非均匀塑性区称为“蝶形塑性区”1 0 ,提出各种塑性区形态的判别准则,分析并总结了巷道围岩蝶形塑性区一系列基本特性,形成了巷道围岩蝶形破坏理论 7.1 2-1 6 ;王卫军等 1 7-2 0 分析了巷道围岩塑性区形成的力学机制,推导了考虑支护作用的非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程的近似解。根据双向不等压圆形巷道塑性区边界的隐性方程 1 0.1 7 ,巷道围岩
14、塑性区半径主要与侧压系数、黏聚力、内摩擦角、地应力大小、地应力方向以及巷道半径相关。其中侧压系数对塑性区的形态有直接影响,当侧压系数为1 时,巷道围岩塑性区呈圆形,当侧压系数小于1 时,随着偏离1 的程度,巷道先呈横向椭圆,再继续发展成横向蝶形(顶底板塑性区小,两帮大);而当侧压系数大于1 时,随着偏离1 的程度,巷道先呈竖向椭圆,再继续发展成竖向蝶形(顶底板塑性区大,两帮小)。黏聚力和内摩擦角代表巷道围岩强度,强度越大,塑性区范围越小。而地应力大小影响塑性区范围,地应力越大,塑性区越大;地应力方向则影响塑性区最大半径的分布方向,尤其是侧压系数不为1,巷道围岩塑性区呈椭圆形和蝶形时,地应力方向
15、作用尤为明显。巷道半径与塑性区范围呈正相关,半径越大,塑性区范围越大。前述非等压圆形巷道围岩塑性区隐性方程是基于假设和理想状态的理论公式,可以对塑性区影响因素及其影响程度进行分析。然而实际巷道围岩赋存条件复杂各异,通常需要采用数值模拟来获得具体巷道围岩塑性区发育情况2煤层巷道围岩塑性区正交试验由于煤层巷道围岩变形破坏主要受到煤层厚度、顶底板厚度、顶底板岩性、煤层瓦斯压力等多因素的影响,因此选取煤层厚度、顶板厚度、底板厚度、顶板岩性、底板岩性以及煤层瓦斯压力6 个因素作为正交试验的考查因素,各个因素分别设置4个水平,其中煤层厚度设置为3、5、8、1 5m,顶底板厚度分别设置为1 0、1 5、2
16、0、30 m,顶底板岩性按照不同岩石强度分别设置为泥岩、细砂岩、粉砂岩和砂岩,煤层瓦斯压力分别取0.1、0.3、0.5、0.7 MPa。如:101:SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月Vol.54No.8煤矿安全第8 期第54卷果对前述每个因素每个水平都相互搭配进行试验,试验次数以及试验统计计算分析的工作量十分繁重,而正交试验是利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法,通过正交试验方案可以大大减少试验次数。因此考虑采用正交试验,分析不同因素对巷道围岩塑性区扩展(巷道围岩变形破坏)的影响。本次正交试验按照6 因素4水平进行设计,然后按照试验设计方案建立FLAC3D
17、数值计算模型,进行数值试验,得到不同试验方案条件下巷道围岩塑性区形态和范围。2.1正交试验设计方案煤层巷道正交试验因素与水平如表1,6 因素4水平正交试验Ls(4)数据见表2,其中A代表煤层厚度,B代表顶板厚度,C代表底板厚度,D代表顶板岩性,E代表底板岩性,F代表煤层瓦斯压力。表1 烧煤层巷道正交数值试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal numerical testfor coal seam roadway正交设计水平序号因素代号水平1水平2水平3水平41顶板厚度/mA101520302煤层厚度/mB358153底板厚度/mC1015
18、20304顶板岩性D泥岩细砂岩粉砂岩砂岩5底板岩性E泥岩细砂岩粉砂岩砂岩6瓦斯压力/MPaF0.10.30.50.72.2正交试验数值模拟根据各正交试验方案建立FLAC3D数值模型,模型尺寸8 0 mx80mx5m,岩层水平尺寸均为8 0 m,在模型竖向中部布置煤层,上下依次布置顶底板,煤层巷道布置在模型中央位置,巷道断面为矩形,宽4.6 m,高2.6 m,数值计算模型如图1(以方案1模型为例),各煤岩层物理力学参数见表3。根据正交试验方案,共建立2 5个数值模型。对各数值模型施加相同的应力,表示巷道处于相同的地应力条件下,对模型进行平衡计算后,开挖巷道并进行数值模拟计算,得到各模型的煤层巷道
19、围岩塑性区分布如图2。3煤层巷道影响因素分析正交试验完成后,对2 5个试验方案煤层巷道围岩塑性区最大半径进行统计,煤层巷道围岩塑性区最大半径汇总见表4。再对表4汇总数据结果进行表2正交试验表L2s(4)Table2Orthogonal test table Lzs(40)试验因素代号方案ABCDEF144213423311433133431431441451111116132311711412182312249421441102111311134321112411211131213141414142215322121162124131724434118311332191122422043411
20、22111314422141113231242332441332325223112图1数值计算模型Fig.1Numerical calculation model表3煤岩层物理力学参数Table3Physical-mechanical parameters ofcoal and strata岩石密度/体积模剪切模黏聚力/内摩擦抗拉强名称(kg:m)量/GPa量/CPaMPa角)度/MPa煤13804.912.011.25320.15泥岩2.4839.977.351.20320.58细砂岩2.83721.0113.523.20421.29粉砂岩2.46010.838.133.75381.84砂岩
21、2.58012.2210.792.50423.60102Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8煤砺发全Vol.54第54卷第8 期(a)方案1(b)方案2(c)方案3(d)方案4(e)方案5(f)方案6(g)方案7(h)方案8(i)方案9(j)方案1 0(k)方案1 1(1)方案1 2(m)方案1 3(n)方案1 4(。)方案1 5(p)方案1 6(q)方案1 7(r)方案1 8(s)方案1 9(t)方案2 0(u)方案2 1(v)方案2 2(w)方案2 3(x)方案2 4(y)方案2 5无破坏单元;过去、现在均发生剪切屈服单元;过去发生剪切、拉伸破坏
22、,现在正发生剪切屈服单元;过去发生过剪切屈服单元;过去、现在均发生剪切屈服单元;过去发生剪切、拉伸破坏,现在正发生拉伸屈服单元;过去、现在均发生拉伸屈服单元;过去发生过拉伸屈服单元图2 火煤层巷道围岩塑性区Fig.2Plastic zone of surrounding rock of coal seam roadway方差分析,主体间效应检验见表5。需要说明的是,在本次正交试验过程中,煤层强度相对最小,因此在煤层厚度较小(比如3m)时,塑性区由于围岩选择性而出现蝶叶缺失,塑性区主要向巷道两帮扩展,通过表5,可以得出影响煤层巷道围岩塑性区最大半径的因素从高到低依次为煤层厚度、煤层瓦斯压力、底板
23、厚度、底板岩性、顶板厚度、顶板岩性,其中煤层厚度和煤层瓦斯压力的显著性均小于0.01,表明这2 个因素对煤层巷道围岩塑性区最大半径影响极其显著。而由于巷道围岩变形破坏与塑性区的发育程度密切相关,因此各因素对煤层巷道变形破坏的影响程度与对塑性区影响一致。为了找到巷道围岩塑性区尺寸最大的方案组合,即在哪种赋存条件下巷道围岩最容易发生变形破坏,必须找到每个影响因素的最优水平参数,绘制的各因素水平对结果的直观图如图3。.103SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤防发全No.8Vol.54第8 期第54卷表4烧煤层巷道围岩塑性区最大半径汇总Table 4 Summary
24、 of maximum radius of plastic zone ofsurrounding rock of coal seam roadway塑性区塑性区塑性区塑性区方案方案方案方案最大半最大半最大半最大半序号序号序号序号径/m径/m径/m径/m18.9185.14152.52225.3823.6192.48162.51232.9932.97102.32173.32242.5343.44112.93182.52252.6552.36122.30192.54192.5463.31133.66203.48203.4872.19144.20212.84212.84表5主体间效应检验Table
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 塑性 扩展 煤层 巷道 变形 破坏 影响 因素 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。