基金项目:山东科技大学2011-2012学年度研究生科技创新基金(YCB110007)
通讯作者: 王 寅(1986-),男,山东济南人,硕士研究生,主要从事矿山压力与岩层控制的研究.
(College of Resources and Environmental Enineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,266510,China)
deep shaft; penetrating layers' roadway; support of roadway; numerical simulation
采用ANSYS和FLAC3D2种模拟技术相结合的数值模拟方法,模拟了阳城煤矿-920m下车场深井穿层巷道支护状态下的围岩位移情况。根据模拟结果推测不同岩层组合对围岩变形的影响,同时找出原支护方案存在的不足,并提出了加强巷道支护的新方案。通过分析比较为现场应用提出了一套既可以减小巷道变形,又能节省支护费用的支护方案。
The surrounding rocks' shifting situation on condition of the support for the roadway in the depth of -920 m is simulated by adopting the numerical simulation method of combining techniques of ANSYS and FLAC3D .According to the simulated results,the influence of different layers group over the distortion of surrounding rocks is inferred.At the same time,the shortage of supporting scheme is examined,and the new schemes of intensive roadway's supports are put forward.By means of analysis and comparison,the scheme,which not only decrease the deformation of roadways but also save the expenses for the roadway support,is selected.
济宁矿业集团阳城煤矿自投产以来,一直受到破碎软弱围岩巷道支护问题的困扰。常规的锚网喷支护措施均已尝试,但是某些地段的巷道仍出现底鼓、两帮内移、拱顶下沉破坏等问题,导致了巷道大量维修或实施二次加固,增加了煤炭的生产成本,也使矿井接续紧张。目前,矿井正着手-920 m水平的开拓延深工程,随着开采深度的进一步加大,巷道围岩趋向于软岩的力学性质[1],巷道支护难度大的问题势必越来越严重。为研究-920水平下车场巷道支护方案的可行性,文中使用数值模拟软件模拟巷道围岩的位移情况。通过模拟结果找出支护方案的弱点,提出方案的修改意见。本次研究采用ANSYS以及FLAC3D2大模拟技术,以-920水平车场巷道为研究对象,研究阳城煤矿深井软岩穿层巷道支护合理性,预计围岩变形趋势,为现场掘进支护提供参考。
FLAC3D能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析[2],较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动。然而,FLAC3D在模型建立方面存在不足,其建模只能通过命令输入进行,不能直接进行模型编辑。使用FLAC3D建立穿层巷道模型较为复杂,延长研究周期。因此,本次研究使用ANSYS建模并划分模型单元,然后导入FLAC3D进行后处理。
阳城煤矿-920 m水平下车场位于北三采区下山底部,所处地段煤岩层整体赋存形态为走向北东,倾向南东的单斜构造。岩层倾角16°~27°,平均22°.各岩层力学参数如表1所示。该车场巷道为穿层巷道,穿过的各岩层分别为细砂岩层、粉砂岩层、煤层和泥岩层。巷道的掘进支护方式为:锚杆+金属网+钢筋梯+锚索+锚索梁+喷浆。锚杆规格φ20 mm×2 400 mm,排距为900 mm×900 mm,锚索规格φ17.8 mm×6 300 mm,喷层厚度为300 mm.为方便叙述,称该支护方式为方案一,巷道支护断面如图1所示。
首先,使用ANSYS建立巷道模型,巷道宽5.2 m,壁高1.9 m,拱高2.6 m,模型的计算范围长×宽×高=40 m×30 m×40 m,按照岩层倾角及高度分为5个组,分别模拟不同岩层。将各组划分网格单元,单元由巷道空间至模型边界逐渐稀疏,共划分33 188个单元,38 783个节点。然后,将模型导入FLAC3D后对巷道围岩施加支护,使用shell单元模拟金属网及喷层,使用cable单元模拟锚杆及锚索[3],并赋予结构单元相应的强度参数及预紧力。最后对整个模型施加边界条件:各个侧面限制水平移动,底部固定。模型上表面为应力边界,施加的荷载为22 MPa,模拟上覆岩体的自重边界; 水平方向的侧压系数为1.3,荷载大小为30 MPa.材料破坏符合Mohr-Coulomb强度准则。最终的模型效果如图2所示。
由于模型穿过不同岩层,同一巷道不同岩性所需的支护条件不同,应着重分析巷道不同岩层段围岩的位移情况,以便寻找支护方案的不足。选取模型巷道内5,15和25 m处的断面为研究对象,分别编号1,2,3号断面。巷道1号断面附近的围岩主要是细砂岩、粉砂岩和煤,2号断面为粉砂岩和煤,3号断面主要为煤和泥岩。将支护方案一施加至巷道模型之后,应用FLAC3D进行计算,模拟计算达平衡时,得出巷道模型不同断面的位移图。图3,图4,图5分别为进入巷道1-3号断面的位移图。
由3个不同断面的水平和垂直位移图可以看出:由于各断面岩性不同,水平和垂直位移量也不同。1号断面内巷道的底鼓量较大,细砂岩与粉砂岩交汇区域的围岩变形较小,但粉砂岩与煤层交汇区域的位移量较大; 2号断面内粉砂岩层与煤层交汇区域的位移量急剧增加,巷道出现了明显的两帮内扩和底板隆起现象; 随着巷道不断掘进,3号断面的围岩全部为煤且距离粉砂岩较远,围岩变形反而有所减小。由此可以推断,在该矿已有的岩层条件下,当穿层巷道处于力学性质(体积模量、剪切模量)相差较大的两岩层的交汇区域时,巷道围岩的变形较大,此时应当加强软弱层方向的支护。当穿层巷道处于单一岩层或力学性质相差不大的两岩层交汇区域时,围岩变形有所减小,此时围岩的变形由支护强度和围岩强度共同决定。
为减少巷道在近煤层区域的巷道表面位移,在支护方案一的基础上施工反底拱以加强底板支护:将巷道卧底400 mm,嵌套25U型钢构成反底拱梁,并在U型钢2侧各打一排底板锚杆,每排锚杆与底板呈70°,最后以岩土层覆盖,称该支护方案为方案二,支护断面图及底板支护展开图如图6所示。该方案将底板围岩连接成一个整体形成固定圈层,有利于底板围岩的稳定[4]。将方案二施加至巷道模型,模拟计算达平衡时,得出巷道模型不同断面的位移图。如图7,图8,图9所示,分别为巷道1-3号断面的位移图。
由3个不同巷道断面的水平和垂直位移图可以看出:采用方案二时,巷道的各断面的位移量都比采用方案一时的位移量小,特别是2号断面内的巷道内扩现象得到有效缓解。3号断面的垂直位移图显示,巷道底鼓量有所减小,但顶板下沉量却比相同情况下方案一的下沉量稍大些。因此,当巷道进入单一岩层区域后可采用方案一,既满足工程需要,又节省支护费用。
由数值模拟结果可知,当穿层巷道处于力学性质相差较大的两岩层的交汇区域时,巷道围岩的变形较大; 当穿层巷道处于单一岩层或力学性质相差不大的两岩层交汇区域时,围岩变形有所减小。结合-920 m下车场巷道围岩的实际情况,当巷道底板距煤层较近或巷道揭露煤层、节理裂隙发育、围岩较破碎时,应采用支护方案二,以减小底鼓量和两帮移近量; 当巷道处于煤层且距上覆硬岩较远、揭露岩层条件较好时,采用方案一即可有效支护围岩。随着巷道掘进施工,技术人员应做好巷道表面位移的监测工作,判断支护参数是否合理并及时修正。