数值模拟技术在设计深井软岩巷道支护中的应用.pdf

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1、2012年第2期煤矿支护49石家庄中煤杯参评论文数值模拟技术在设计深井软岩巷道支护中的应用陈文俊刘乐枝杨积海[淮浙煤电公司顾北煤矿分公司，安徽淮南232151]摘要采用数值模拟的手段，对顾北煤矿深井软岩巷道支护进行了优化。从技术与经济两方面考虑，选取了最优的支护方案。现场施工中应用结果表明，该项技术在顾北煤矿收到了很好的技术与经济效益。关键词深井软岩数值模拟支护优化0．1～0．4m，属半暗半亮型煤；直接底为泥1概况岩，平均厚度5．2m，深灰色，砂泥质结构，块状，偶见裂隙及植物化石，岩性致密；老软岩支护是地下工程中最难解决的工程底为砂岩，平均厚度6

2、．5m，灰黑色，石英技术问题之一，以其大变形、高地压、难支为主，含长石和暗色矿物，胶结较疏松，孑L护的特点一直受到岩石力学及地下工程界的隙多。普遍关注，严重影响了煤矿的生产和安全，并且每年因支护失效而造成的经济损失非常2支护参数的数值模拟巨大。1242(1)综采面为顾北矿北一采区一2．I模型及参数648m水平首采工作面，该面标高一655～为了进一步研究深井软岩巷道变形规一550m、地面标高+23．3～+24．3m。可律，为其支护方案设计提供依据，利用FLAC∞数值模拟软件建立了矩形巷道模型，采煤层为北一采区11—2煤层，煤层平均厚采用摩尔库伦准则

3、，模拟巷道断面大小为长度约为3．im，煤层平均倾角约为5。，埋深41m、宽20m、高30m，13530个单元，约660m。1242(1)综采面回风顺槽断面为15708个网格节点，模拟岩石材料力学参数矩形，断面大小为宽4．8m、宽3．1(m)，如表1所列。沿底板掘进。巷道直接顶由粘土岩、炭质泥表I数值模拟计算模型的岩体力学参数岩组成，局部区域为砂岩老顶直覆；底板由岩性中砂岩泥岩煤泥岩砂岩煤线、粘土岩、砂质泥岩组成、大部分地区密度／kg·m220021OO140023002200为粘土岩、局部为砂质泥岩。北一采区体积模量／GPa1．41．11．61．

4、11．411—2煤层直接顶为泥岩，平均厚度1．1m，剪切模量／GPa1．31．23．51．21．3灰色，质致密，含植物碎片化石，垂直节理内聚力／MPa2．31．81．21．82．3和滑面较发育，见有不清晰的斜层理，局部摩擦角／。2621202126缺失；老顶为中砂岩，平均厚度约10m，灰抗拉强度／MPaO．7O．50．3O．5O．7白色，石英为主，含长石和暗色矿物，胶结2．2模拟方案较疏松，上、下部为中粒结构，中部为细粒模拟巷道支护方案4个，方案I：分别结构，孑L隙多；11—2煤层平均厚度3．im，为无支护；方案Ⅱ：一次支护无底锚杆；方黑色，以块

5、状为主，局部有夹矸，夹矸厚案Ⅲ：一次支护+底锚杆；方案Ⅳ：二次支50煤矿支护2012年第2期护。小，可见二次支护效果显著。、巷道顶板采用直径22mm、长2400m通过计算结果及分析，从技术及经济两的左旋高强度螺纹钢锚杆，一次支护锚杆的方面考虑，可知方案Ⅳ为最优方案。间排距为800×800(mm)；锚索采用直径17．8mm、长7000mm，每排3根，间排距3工程实践1500×2400(ram)；两帮及底板锚杆均采用直径20mm、长2200mm的左旋高强度螺3．I现场支护施工纹钢锚杆，一次支护间排距为800×800现场施工应从提高锚、网、索支护强度(

6、mm)。二次支护锚杆型号相同，问排距仍及改善锚杆布置位置等方面着手。顶板要注为800×800(mm)；锚索采用直径意角锚杆和顶锚杆位置的合理布置，要考虑17．8ram、长6300mm，每排2根，问排距顶板梁的变形破坏，也要考虑梁端的拉剪破3000×2400(mm)。坏，二者缺一都会影响顶板的稳定；帮锚杆2．3结果及分析长度应该能够穿过滑移面，提高巷道整体稳在四种不同支护方案下，巷道表面位移定性；底板要注意底角锚杆位置的合理布及巷道周围塑性区范围分列表2、表3。置。表2巷道表面位移通过以上的数值模拟和现场施工分析，方案I方案Ⅱ方案Ⅲ方案Ⅳ现场施工采

7、用二次支护。顶板下沉量／mm202153124184底鼓量／mm99519O523095左帮移近量／mm321556026479右帮移近量／mm18635452559O从表2可以看出，巷道在四种不同的支护方案下，随着支护强度的增加，对应的表面位移量逐渐减小。方案Ⅲ比方案Ⅱ加强了支护强度，从而使得巷道的表面变形量减少很多；方案Ⅳ比方案Ⅲ又加强了支护强度，巷道的变形没有较大的变化，同时还可以看出，软岩巷道底鼓现象较为严重，通过实施底板锚杆之后，底鼓量明显减小。表3巷道周边塑性区范围方案I方案Ⅱ方案Ⅲ方案Ⅳ图1锚杆支护布置图顶板／m1O．55．22．1

8、1．4一次采用锚、梁、网+锚索联合支护。底板／m10．89．92．41．8顶板采用直22mm、长2400mm的高强度树左帮／m8．74．