受复杂采动影响沿空掘巷煤柱变形破坏机理研究

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1、夯曩舛技2013年第5期168受复杂采动影响沿空掘巷煤柱变形破坏机理研究柳泉(兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿，山东邹城273500)摘要借助大型数值模拟软件，对沿空掘巷煤柱经受邻近工作面回采和自身工作面回采两次采动过程中的受力、变形时空演变规律进行数值仿真研究，着重分析了煤柱应力、位移变化、超前应力影响范围等规律。说明煤柱在采动中是从煤柱边缘向煤柱内部逐步过渡破坏。研究结果为工程应用提供了理论基础和技术指导。关键词沿空掘巷复杂采动破坏机理数值模拟中图分类号TD322文献标识码Adoi：10．3969／j．issn．1005—2801．2013．05．99本文基于ANSYS大型数值

2、模拟软件，按照一次采O／一材料参数；动、二次采动的顺序对煤柱的应力、变形时空演变规律G一煤岩体弹性剪切模量；进行数值仿真研究，分析了沿空掘巷煤柱应力、位移变一弹性体积变形模量。化、超前应力影响范围以及煤柱变形破坏规律，尤其是该模型服从广义的VonMises屈服条件，即厂=a／．搞清沿空掘巷煤柱的破坏演变机理，为今后合理留设+~／一C=0，因此D—P准则比较适合岩土类材料。煤柱，对工程应用提供了理论基础和技术指导。2模拟结果分析1数值分析模型2．1一次采动煤柱受力、位移动态演变特征分析本文假设回采煤柱宽度为15m，高3m，工作面埋2．1．1上顺槽掘进煤柱受力与位移特征分析深约40

3、0m，上赋等效压应力约为6MPa。采用通用有掘进过程中，煤体的应力、位移变化显著；上顺槽限元软件ANSYS建立三维数值分析模型，模型长、宽、拐角发生应力集中现象，最大压应力达10。7MPa，且位高分别为100m、120m和45m。模型分上下临近工作移变化较大，呈现以上顺槽起始位置为中心的半圆形面，边界侧面采用法向位移约束，底面竖直方向和水平轮廓。靠近已开挖上顺槽部分的煤柱应力、位移变化方向位移均约束；顶面为自由面。模型煤(岩)体的物显著，且有一段超前影响。为进一步探讨采动过程中理力学参数如表1所示。按照一次采动、二次采动的的沿空掘巷煤柱稳定性，在模拟中对上顺槽掘进24m、顺序对

4、煤柱的应力、变形动态演变过程进行了模拟。45m、63m段为研究对象，对煤柱内部应力、位移变化情表1煤(岩)体物理力学参数况进行了监测。监测线沿着顺槽掘进方向，取距开切层厚弹性模量E泊松比密度内聚力摩擦角眼45m处的煤柱上平面，该煤柱侧向支承压力和垂直岩层名称(m)(GPa)(kg／m3)fMPa)(。)位移曲线见图1。砂质泥岩4．7519．710．2572535416粗砂岩5．2519．78O．1824o0l545(1)随上顺槽不断掘进，煤柱支承压力变化主要中砂岩7．5235．260．162550l7．223集中在距上顺槽侧向距离为0～1．5m范围内，煤柱在细砂岩824．38O

5、．1724403．142煤50．940．30314471．526距上顺槽侧向距离1．5m处压应力最大，最大值约为粉砂岩14．483O．380．1527002．4457．8MPa，塑性区宽度小于1．5m。随着距上顺槽侧向距煤(岩)体材料采用Dracker—Prager弹塑性本构离的增加，煤柱内应力逐渐趋向于初始地应力模型，本构方程如式(1)所示。7．2MPa，且巷道开挖对煤柱产生的超前影响距离大约如=dSodI1为15～20m。十+(去+)c·，(2)位移曲线表明，上顺槽掘进对煤柱的变形影响较小，在掘进到45m、63m时，煤柱整体变形增大，最—de+3Koede大变形约为0．7c

6、m，与应力变化趋势相吻合，总体上此=(2)阶段对煤柱稳定性影响较小，可以不用采取支护措施。式中：，．一应力张量第一不变量；2．1．2上工作面开采煤柱应力与位移特征分析一应力偏张量第二不变量；上顺槽掘进完后，上工作面由切眼开始沿巷道推进，同时下顺槽亦由外向里掘进，工作面及顺槽每次掘}收稿13期：2013—09—16进3m，掘进过程中的应力、位移如图4所示。煤柱上作者简介：柳泉(1975一)，山东莱阳人，毕业于山东科技大学采矿最大应力出现在距上顺槽侧向距离1．5m处的平面一L，工程专业，现任兖矿集团鲍店煤矿计划科科长。而随着顺槽侧向距离的增加，垂直应力在煤柱分布上2013年第5期童

7、撼jil科技169十上工作面开采24m+上工作面开采45m—一上工作面开采63m翅堂蔓堕避45m_哩篓i■8000，7500～●牟～皇7000●长6500～一60005500024681O12l4165000■05l0l52O距巷道1侧向距离(m)煤柱距离上顺槽侧向距离(m)■一．1}一■～一一十上工作面开挖24mt上工作面开挖45m十上工作面开挖63m(a)支撑压力●2O+上顺槽掘进24m+E顺槽掘进45m__．r-L顺槽掘进63m■■■百15'}言0耋1030～s一恻0OO02468l0