急斜煤层开采石门巷道变形的数值模拟分析.pdf

《急斜煤层开采石门巷道变形的数值模拟分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、急斜煤层开采石门巷道变形的数值模拟分析李强，杜石文，陈小波，田献国，卢荣利(中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116)直位移均约束，下部边界取U=V=0为全约束边界。上部边界不约束，为自由边界。上部边界以上的岩层作为外载荷施加在模型的上边界上。1。1．3计算模型网格图在模拟计算中，将采区煤层回采分成采块2一l0依次进行开采。石门巷道上方布置4个采块，下方布置4个采块，每个采块垂直高度为10m。中间采块为穿越煤层的石门巷道所在的采块，石门巷道周围留有2m厚煤层，该采块垂直高度为7m。0引言计算模型网格图如图1所

2、示。拉格朗日方法是岩土体力学行为分析的有效方法，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。三维快速拉格朗日分析程序FLAC3D具有强大的后处理功能。非常适用采矿工程中对地质体的锚固分析等数值模拟。快速拉格朗13分析程序有很强的分析功能，其基本思想是：通过对三维介质的离散，使所有外力与内力集中于三维网络节点上，进而将连续介质运动定律转化为离散节点上的牛顿定律；时间与空间的导数采用沿有限空间与时间间隔线性变化的有限差分来近似计算；将静力问题当作动力问题来求解，运

3、动方程中惯性项用来作为达到所求静力平衡的一种手段。1石门巷道数值模拟模型建立1．1计算几何模型的确定1．1．1计算模型范围的确定石门巷道开挖后，包括顶底板在内的围岩原始应力要发生变化，图1模型网格图产生变形、移动乃至破坏，其波及范围往往很大。按照圣维南原理，其模拟过程中对每个采块开采结束，变形稳定后的位影响范围仍有一定的限度。同时，考虑到便于数值模拟计算方便，按移图进行分析，在加固的30m石门巷道里选取典型断照实践经验，需要选取一个合适的影响范围。急斜煤层开采时，石门面，在断面上设置数据提取点，分析其位移的变化，以了巷道

4、加固长度一般为30m，模拟煤层开采倾向长度87m，考虑到空间解煤层的开采对石门巷道加固段的影响，由此对石门巷半无限体的对称性，计算模型模拟的空间长度×宽度×高度=70mX道的支护结构进行完善。分析断面以及数据点的位置选20m×107m。取见图2。模型建立时首先模拟石门巷道围岩在自重应力下的静力稳定性，然后在此条件下进行煤层开采。为了提高计算速度，将石门巷道从中心剖分，取其一侧进行计算。考虑计算机模拟速度及模拟结果的CD精确性，将石门巷道附近以及开采煤层顶底板的网格划分适当加密，其中开采煤层部分采用空单元进行模拟。1．1．

5、2边界约束条件的确定图2数值模拟特征断面及特征点设置模型左右两侧距开采煤层较远，可认为无水平位移，采用零位移边界条件，故在模型左右两侧均加水平约束；左右边界取u=0，≠0(u为方向位移，为z方向位移)。石门巷道底板深部不受石门巷道开挖影响，因而水平位移和垂内聚力14．5MPa；锚杆，长度1600mm，直径18ram，弹性模量200GPa，预000采块(N)应力2∞加∞∞∞．0MPa；锚索，长度6000mm，直径15．24mm，弹性模量205GPa，预应力10．0MPa；混凝土，C20，密度2．2g／cm，弹性模量0．25

6、GPa，泊松比0．22，厚度150mm。2石门巷道变形模拟计算结果分析—-一断面6一．卜断面4．I-卜断面2—断面3．．-断面5·呻一断面7本数值模拟共涉及地面以下400m、600m、800m情况，Lv．X~600m情断面竖直方向位移收敛图况以图示分析，通过数值漠拟可发现：位移收敛图中，正值指石门巷道断面扩大，负值指石门巷道断面缩小(断面选取位置及测点布置位置见图2)。(N)下面分析石门巷道各断面在煤层开采时的位移变化情况。①石门巷道竖向最大变形发生在拱顶至底板之间，断面1变形最大，竖向位移收敛值可达到81．58cm。除

7、断面1以外，其余断面的水平位移的收缩程度随着采煤的进行有所减小；截面I(煤层与巷道相交处)变形最大，收缩程度可达到30．88em。面6+断面4+断面2．-断面一I_断面◆I断面7②在采块5开采之前，煤层的开采对石门巷道的变形几近可以忽图3断面水平、竖直方向(Z方向)位移收敛图略，采块5开采之后，石门巷道的变形发生显著变化。水平方向变形在断面7～5、4~6间呈现扩张各断面基本相同，且整体变形在采块6、7之后趋势平稳，而竖向变形出现较大波动。③断面6、4变形趋势大致相同，但变形值波动幅度小，说明距石门巷道与煤层交叉部位越远，

8、石门巷道受采煤影响越小，其变形越稳定、受力越均衡。④断面1、3位于石门巷道中心附近，受采动影响，此区域出现石门巷道挤压变形、断面收缩，并且随着开采的进行，石门巷道变形越来越大。⑤轴向位移变化情况(方向)：巷道在整体上呈现收缩，截面7-5，4～6之间轴向呈现扩张趋势，截面7-3，2~6之间变化较为复杂。⑥巷道的位移变形