回采影響下煤層巷道圍巖變形破壞數值模擬

崔瑩妹 江中宇 杜佳駿 劉 帥 侯超杰 姚柏聰

(遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧阜新 123000)

1 概述

目前，中國煤炭開采技術先進，煤炭開采技術的需求也很高。為確保施工技術的安全性，研究采煤影響下煤層路周圍巖石的破壞是非常重要的［1］。在分析隧道穩定性和施工技術方面上，姜波［2］利用位移反分析法研究。Carranza等［3］分析了隧道縱剖面變形曲線等;李樹忱等［4］分析隧道圍巖穩定性;易富等［5］研究了隧道不同埋深、不一樣開挖狀態下施工對公路路面影響;馬亢等［6］利用主塊理論研究巖石相關破壞的主要模式;劉建友等［7］分析了不同結構圍巖的變形機制提出隧道變形的尺寸效應。孫闖等［8］分析了周圍石材的峰后強度特性，建立了軟弱圍巖力學模型。張妍珺等［9］基于收斂—約束法采用有限差分法分析圍巖變形特征;李煜舲等［10］探討收斂損失的影響。

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

根據實驗數據，模擬巷道工作面開采數值模型，見圖1。

圖1 數值計算模型

2.2 數值計算

用于模擬采礦影響下采礦道路上路地面，地板和兩組石材屋頂移動的轉移，以及道路周圍巖石壓力分布規律。在30 m連續采礦設計中，模擬采礦表面有效，采用c影響下鉛支撐電壓的分布。在軟巖巷道受相鄰工作面采動影響條件下，以回風巷道地質條件為依據:

1)支護方案一為采用錨桿和金屬網的聯合支護方式，其中頂板的錨桿采用20×2 100 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿的布置按照梅花形布置，其中間排距為0.8 m×0.8 m，錨桿的布設過程中還架設鋼帶，巷道頂部為金屬網。螺栓由Φ18×2 100 mm 鋼筋錨固件制成，間排距0.8 m×0.8 m，巷道兩側采用鋼筋網。

2)支護方案二為錨桿+鋼筋網+錨索的聯合支護方式，其中頂部的錨桿采用20×2 200 mm螺紋鋼錨桿，錨桿的布置按照梅花形布置，其中間排距0.8 m×0.8 m，錨桿的布設過程中還架設鋼帶，巷道頂部為金屬網。巷道的兩幫錨桿采用 Φ18×2 000 mm 鋼筋錨桿，間距 0.8 m×0.8 m，幫網采用金屬網。錨索支撐在15.24×7 000 mm錨索頂板中間排成一排，間距為1.5 m。

我們采用方案一，下面將對方案一進行模擬。

2.3 計算結果分析

1)圖2，圖3在未采動條件下巷道在不同支護類型下的Z方向位移、應力等值線圖。位移量見表1。

圖2 位移分布圖（單位：m）

圖3 應力分布圖（單位：Pa）

表1 表面位移量 mm

圖4 應力分布圖（單位：Pa）

2)圖4在工作面回采影響條件下預留煤柱為5 m時巷道在不同支護類型下的應力等值線圖。

3)圖5在采動條件下預留煤柱為10 m時巷道在不同支護類型下的X，Z方向位移等值線圖。

圖5 位移分布圖（單位：m）

4)圖6在采動條件下預留煤柱為15 m時巷道在不同支護類型下的X，Z方向位移等值線圖。

圖6 位移分布圖（單位：m）

受工作面擾動巷道的變形量見表2。

表2 受工作面擾動巷道的變形量

3 結語

基于有限差分法，針對支護結構的受力特征，通過模擬巷道在不同支護類型下位移和應力分布圖，優化了支護方法，為煤礦的開采提供技術支持。