屯留煤礦斷層活化下巷道頂板的數(shù)值分析

劉茂

(西山煤電股份有限公司西曲礦，山西古交030200)

·試驗(yàn)研究·

屯留煤礦斷層活化下巷道頂板的數(shù)值分析

劉茂

(西山煤電股份有限公司西曲礦，山西古交030200)

為解決屯留煤礦過斷層巷道頂板支護(hù)問題，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)逆斷層下盤掘進(jìn)穿越斷層前的巷道頂板應(yīng)力分布情況和頂板變形特征進(jìn)行了分析，得出:巷道頂板最大應(yīng)力集中在距斷層面2 m處，最大應(yīng)力集中系數(shù)為3.22，最小應(yīng)力集中在距斷層12 m處，最小應(yīng)力集中系數(shù)為1.84．整個(gè)模擬過程中應(yīng)力轉(zhuǎn)化規(guī)律為當(dāng)巷道初始掘進(jìn)時(shí)，受掘進(jìn)影響，應(yīng)力集中區(qū)向掘進(jìn)面前方轉(zhuǎn)移，其集中系數(shù)值逐漸增大，隨著距斷層之間的距離逐漸減小，應(yīng)力集中系數(shù)在斷層前方增到最大，之后又減小，直至斷層面。該結(jié)論為解決過斷層巷道頂板支護(hù)提供了理論依據(jù)。

斷層;巷道頂板;ANSYS軟件;數(shù)值分析

屯留煤礦在生產(chǎn)過程中，地質(zhì)形態(tài)是影響井下礦建的重要因素。斷層作為一種比較常見的地質(zhì)形態(tài)，直接影響著井下各結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的分布。由于井下開采和掘進(jìn)的過程中，斷層會(huì)發(fā)生活化現(xiàn)象，進(jìn)而改變巷道頂板塌落時(shí)的規(guī)律。因此，研究過斷層時(shí)巷道頂板的受力狀態(tài)及變形情況至關(guān)重要。

本文利用ANSYS軟件對(duì)屯留煤礦實(shí)際問題進(jìn)行數(shù)值模擬，觀測(cè)巷道在逆斷層下盤掘進(jìn)穿越斷層前的巷道頂板應(yīng)力分布規(guī)律及頂板變形特征，為解決過斷層巷道頂板支護(hù)提供理論依據(jù)［1－2］．

1 斷層活化下巷道頂板的有限元分析

1.1 屯留煤礦地質(zhì)條件

以屯留煤礦煤巷過斷層前掘進(jìn)過程為對(duì)象，井田內(nèi)主要斷層有北邊界文王山南正斷層，南邊界西魏正斷層及其附近東賈、F24、F25正斷層，對(duì)初期開采無影響。井田北中部有余吾、前蘇村逆斷層，斷距。井田斷層較發(fā)育，大小斷層多達(dá)33條，且以逆斷層為主。

屯留煤礦逆斷層下盤11025#巷道埋深548 m，煤層厚4.0 m，巷道高2.55 m．直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為3.7 m，老頂以石英為主，厚度7 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度5 m，老底為中粒砂巖，厚5 m，上覆基巖密度2.6×103N/m3.煤層和圍巖分布圖見圖1.

根據(jù)實(shí)際的受力情況和節(jié)約運(yùn)行時(shí)間，利用二維模型進(jìn)行建模。具體尺寸為長(zhǎng)50 m，高24.65 m，煤層厚度548 m．對(duì)模型底部施加水平和垂直方向的固定約束，左右兩邊約束水平方向。上表面施加垂直載荷13.7 MPa．

1.2 材料特性的確定和網(wǎng)格劃分

根據(jù)勘探得知屯留煤礦的地質(zhì)主要由砂巖、泥巖等材料構(gòu)成［3－4］，根據(jù)煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)得知，其材料屬性見表1.

表1 材料屬性表

圖1 煤層和圍巖分布圖

利用ANSYS軟件進(jìn)行二維有限元分析時(shí)，其網(wǎng)格劃分一般采用三角形網(wǎng)格劃分，見圖2.

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

2 開挖后有限元分析

在斷層的開挖過程中采用沿水平逐漸掘進(jìn)至斷層處，同時(shí)為了能夠避免工作面在開挖完成后煤層頂板垮落，采用依次開挖的方式，開挖距離分別為12 m、8 m、4 m、2 m、1 m．本文所設(shè)定的開挖距離與屯留煤礦實(shí)際情況基本一致。本此建立模型分析斷層，下面圖中所指左高右低的分界面為斷層面。通常，巷道開挖沿模擬方向稱為逆斷層，反之為順斷層，簡(jiǎn)稱斷層。下面分析逆斷層開挖的情況。

第一次開挖距斷層12 m時(shí)垂直方向的應(yīng)力云圖見圖3，ANSYS軟件中以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，故以絕對(duì)值的大小判定最大應(yīng)力［5］．由圖3可以得出:

下盤距斷層12m時(shí)巷道超前應(yīng)力峰值點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)ω=δ/α，其中:δ為平均應(yīng)力值，α為巷道超前應(yīng)力峰值點(diǎn)的應(yīng)力，則:

ω=306/166=1.84

圖3 距斷層12 m時(shí)垂直方向的應(yīng)力云圖

同理，不同開挖深度下巷道頂板的應(yīng)力分布見圖4～7．

圖4 距斷層8 m時(shí)垂直方向的應(yīng)力云圖

從ANSYS分析結(jié)果可以看出，按照屯留煤礦的實(shí)際情況模擬的斷層開挖處距離斷層面2 m時(shí)，巷道頂板集中應(yīng)力最大且最大應(yīng)力集中系數(shù)為3.22，當(dāng)開挖處距離斷層面12 m時(shí)，巷道頂板集中應(yīng)力最小且最小應(yīng)力集中系數(shù)為1.84，見表2.

圖5 距斷層4 m時(shí)垂直方向的應(yīng)力云圖

圖6 距斷層2 m時(shí)垂直方向的應(yīng)力云圖

圖7 距斷層1m時(shí)垂直方向的應(yīng)力云圖

表2 巷道超前應(yīng)力峰值點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)表

模擬斷層開挖的過程發(fā)現(xiàn)，隨著開挖深度的不斷加深，巷道頂板的集中應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)開挖距離逐漸靠近斷層時(shí)，其應(yīng)力集中系數(shù)在斷層前方達(dá)到最大，當(dāng)達(dá)到斷層面時(shí)，反而再次減小。這主要是由于隨著開挖過程的進(jìn)行，原煤不斷地被開采出來，這樣就形成了采空區(qū)［6－7］．采空區(qū)的出現(xiàn)導(dǎo)致其周圍巖石的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，失去了開挖前的受力平衡狀態(tài)。原煤被開采出來后，上覆巖層質(zhì)量分別由前后方及兩側(cè)煤柱及矸石等支撐，形成支承壓力，但由于工作面前方斷層的存在，導(dǎo)致上下盤的應(yīng)力不連續(xù)，在開挖影響下斷層正應(yīng)力下降，剪應(yīng)力上升，斷層發(fā)生“活化”，頂板穩(wěn)定性變差，工作面支承壓力增加［8］．

因此，隨著開采的推進(jìn)巷道頂板的集中應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)開挖距離逐漸靠近斷層時(shí)，其應(yīng)力集中系數(shù)在斷層前方達(dá)到最大，當(dāng)達(dá)到斷層面時(shí)，反而再次減小。該仿真結(jié)果完整地應(yīng)用到屯留煤礦巷道的開挖中，為開挖提供了理論與技術(shù)保障，實(shí)現(xiàn)了有限元分析與礦區(qū)實(shí)體情況相吻合。

3 結(jié)語

本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)礦井巷道過斷層時(shí)頂板破壞特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了斷層附近巷道頂板的應(yīng)力分布以及變化情況，為解決過斷層巷道頂板支護(hù)提供了理論依據(jù)。但本文也存在局部缺陷，沒有考慮瓦斯的影響，希望今后模擬實(shí)際工況時(shí)，將這一因素考慮到位。

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Numerical Analysis of Roadway Roof on Activity of Fault in Tunliu Coal Mine

LIU Mao

In order to solve the problem of roadway roof supporting through fault，uses ANSYS software to analyze the roadway roof stress distribution and roof deformation characteristics before reverse fault footwall tunnelling through the fault．The results show that themaximum stress of roadway roof concentrates on a distance from fault plane 2 m，themaximum stress concentration factor is 3．22．Theminimum stress concentrates on a distance from the fault 12 m，theminimum stress concentration factor is1．84．In thewhole simulation process，the stress transformation rule is that stress concentration zone transfers to driving face ahead，the concentration factor value gradually increasing affected by driving on roadway initialadvancing．With the decrease ofdistance from fault，stress concentration factor increasing to the maximum in front of the fault，then decreasing until to the fault plane．The conclusion provides theoretical basis for roadway roof support crossing fault．

Fault;Roadway roof;ANSYS software; Numerical analysis

TD322

A

1672－0652(2015)09－0030－04

2015－07－24

劉茂(1985—)，男，山西代縣人，2005年畢業(yè)于山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦開采技術(shù)工作(E－mail)592652621@qq．com