平煤一矿深井高地应力软岩巷道失稳机理及支护技术.pdf

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1、26煤矿支护2012年第2期石家庄中煤杯参评论文平煤一矿深井高地应力软岩巷道失稳机理及支护技术孙利民[平顶山天安煤业股份有限公司一矿，河南平项山市，467000]摘要针对高地应力、软岩特征显著条件，结合平煤一矿深部软岩巷道发生非线性大变形破坏的主要影响因素，采用离散元计算分析软件UDEC分析研究该类巷道非线性大变形破坏机理，针对破坏机理提出了深井巷道分步联合支护技术，有效控制了围岩稳定性问题，显著改善了巷道生产安全状况，大大减少了巷道返修，实现了深井巷道支护方案的系统化，保证了煤矿稳产高产。关键词高地应力软岩失稳机理分步联合支护和底鼓量均较大，巷道两帮位移至少前言200mm、顶

2、底板移近至少1000mm，变形后的巷道断面仅剩7～1lm。平煤一矿的三个水平中，一水平为残采水平，二、三水平为生产水平，部分巷道已2巷道失稳机理研究进入千米以下。在这样大的深部进行巷道开拓，是对传统巷道工程支护设计、施工技术近十余年来，数值方法在求解复杂工程的巨大挑战。对深部巷道而言，由于存在着问题中得到广泛应用，已逐渐成为研究岩土高赋存地应力和围岩体低强度之间的突出矛力学与地下工程问题的重要手段之一。数值盾，巷道开挖后造成的应力集中和应力重分方法的突出优点是，能够较好地考虑诸如介布，将导致很大范围内的围岩在进入峰后呈质的各向异性、非均质特性及随时间的变现破裂、碎胀状态。巷道在

3、支护后经常出现化、复杂边界条件和介质不连续等复杂地质底鼓和断面严重缩小等现象，维修工作量条件。大，支护成本大幅增加，现用支护技术已不三水平丁二回风下山围岩裂隙发育，在能满足高地应力软弱围岩巷道支护需要。因掘进过程中，巷道锚、网、喷支护段顶部、此，根据深井高地应力软弱围岩巷道失稳机两帮收敛量均较大，且出现不同程度离层，理，提出合理支护方案，从根本上解决深部巷道底鼓严重，呈现典型的大变形失稳破坏巷道围岩稳定控制问题。特征。综合考虑影响深部软岩巷道围岩变形破坏的主要因素，采用UDEC对三水平丁1工程地质概况二回风下山非线性大变形破坏机理进行系统的研究。平煤一矿三水平丁二回风下山原设计

4、净2．1UDEC数值模拟软件简介断面宽5．31m、高3．56m，巷道围岩以泥UDEC(UniversalDistinctElement岩，砂质泥岩和粗砂岩为主。巷道采用锚、Code)是ITASCA公司开发的针对非连续网、喷支护。已掘进巷道区段显现的围岩变介质的平面离散元程序，在数学求解方式上形特点表明，锚、网、喷支护段的两帮位移采用了与FLAC一致的有限差分方法，力2012年第2期煤矿支护27学上则增加了对接触面的非连续力学行为模表2节理面物理力学参数拟。参数数值2．2计算模型法向刚度12GPa通过岩体结构面现场地质调查，可确定切向刚度1．2GPa巷道横断面上主要存在两组节理，

5、其中一组内摩擦角10。节理倾角120。，间距为0．8m；另一组倾角节理粘聚力0MPa约5O。，间距为0．5m。地应力测试结果显节理抗拉强度0MPa示，计算分析时取该处垂直主应力为23．09MPa，最大水平主应力为26．73MPa，模型边界条件为：左右两侧面水平方向侧压力系数平均为1．16，整体属高地应力固定，底部边界垂直向上固定，上边界为应场区。根据上述工程地质概况建立以下数值力边界，施加的荷载为23．09MPa(巷道所计算模型：处埋深的地应力水平)，水平向侧压力系数巷道断面形式为直墙半圆拱，其中直墙为1．16，荷载大小为26．73MPa。高1．6m，拱高3．0m，净宽为6．0

6、m。计算模拟计算过程为：首先，模型在原岩应模型几何尺寸为66×45(m)，共有7266个力状态下达到平衡状态，然后开挖巷道。块体，41558个单元以及49400个节点。2．3巷道非线性大变形失稳机理分析岩体视为被结构面切割并处于相互镶嵌以下是在开挖无支护条件下的洞室围岩状态的可变形碎裂块体，其材料满足Mohr稳定性分析，目的是为了深入研究深部软岩—Coulomb弹塑性准则。计算时，可变形巷道的非线性大变形机理。图1为破裂块体块体划分为三角形常应变有限差分网格，通的跨落与滑移示意图；图2～图4分别为计过运动微分方程的数值积分可获得三角有限算时步500、1000、1500下巷道围岩

7、塑性区变形区上各个节点的位移增量，然后依据块分布图；表3给出了不同计算时步下巷道各体材料模型，就可得到块体内的应力值。特征点位移值。节理面的接触行为则是以弹簧一滑块来模拟，在每个计算步中，依据上面两式得到的应力增量来更新计算得到新的接触力。而其本构模型则采用适合模拟地下工程开挖问题的面接触Coulomb滑动模型。试验段巷道岩层主要为节理发育的弱胶结粉砂岩，根据围岩赋存条件研究报告，岩体参数按V类围岩强度参数取值如表1所列；节理面物理力学参数取值如表2所列。表1岩体力学参数围岩参数数值密度2．