基于能量耗散理论的深部巷道支护方案优化研究.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目()作者简介:秦绍楠()男山西长治人助理工程师从事煤炭开采工作工作:./.基于能量耗散理论的深部巷道支护方案优化研究秦绍楠(潞安化工集团 高河能源有限公司山西 长治)摘 要:针对 工作面回风巷变形严重原支护方案失效的情况提出能量耗散理论的巷道围岩变形控制方案 首先通过建立围岩能量耗散模型确定能量耗散是围岩破坏的本质原因当围岩支护控能不小于耗散能时围岩不再破坏 同时通过原支护和优化支护方案数值模拟对比确定优化支护方案能对围岩做更多的功改善巷道围岩变形 经过现场监测可知确定优化支护方案较原始支护方案能提前使巷道围岩稳定且不同阶段围岩变形控制效果均高于.因此基于能量耗散理论的优化支护方案能够有效控制围岩变形关键词:能量耗散支护控能分层支护变形率中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:随着矿井逐渐向深部开采矿山压力显现剧烈高温高压等现象逐渐突出因此合理的支护方案对巷道围岩变形控制十分必要对矿井安全高效生产具有重要意义江成玉等通过数值模拟确定围岩支护参数提出“锚杆索钢筋网注浆 型钢棚”支护方案实现巷道围岩有效控制付玉凯等提出基于“长短锚索”支护体系进行塑性硬化区、塑性软化区和流动区变形的分区变形控制王志等对比常规支护方式提出扩孔结构支护体系上述学者研究内容多侧重于围岩变形支护技术的研究分析然而围岩变形破坏实质由能量引发考虑到当前学者对能量研究分析多集中于能量释放引起的冲击矿压研究方面而对能量释放围岩控制方面研究较少 本文以 工作面回风巷为工程背景针对巷道变形严重基于能量耗散理论进行原支护方案优化实现深部开采巷道围岩的变形控制 工程背景.工程地质概况 工作面为西四盘区工作面北面为未成成果果应应用用 第第 卷卷 第第 期期 年年 月月采区东面接 水平南翼大巷西面为 工作面采空区南面为 准备工作面该工作面位于 号煤层煤厚.平均.全煤间夹有一层炭质泥岩夹矸厚度.平均.煤厚倾角为 平均.煤层埋深.距 号煤层平均距离.工作面巷道顶底板岩性具体如表 所示表 工作面顶底板情况顶底板岩石名称厚度/岩性特征老顶粉砂岩泥岩深灰色中厚层状含云母碎片 具脉状层理小型交错层理 中部夹泥薄层泥质胶结直接顶砂质泥岩深灰色厚层状参差状断口见大量植物化石 号煤层.黑色块状以亮煤为主暗煤次之光亮型煤参差状断口直接底泥岩灰黑色厚层状含丰富的植物茎化石夹煤纹具滑面老底粉砂岩泥岩深灰色中厚层状具波状层理缓波状层理泥质胶结松软.巷道原始支护情况 回风巷道尺寸 (长宽)顶板选用 高强锚杆间排距 顶部布置 锚索间排距 一组两根 顶 板 选 用 孔 钢 筋 梯 子 帮 部 锚 杆 选 用 右旋等强锚杆间排距 .支护布置具体如图 所示图 巷道原支护示意(单位:)巷道底板较为稳定因顶板夹杂泥岩、植物化石等在工作面正常开采时在原岩应力和采动应力综合影响下原始支护方案已无法有效控制围岩变形 巷道围岩能量耗散理论分析.巷道围岩应变能分析矿井开采造成煤岩体由原先的三向受力变为单向受力应力重分布过程实质为围岩能量的积聚和释放具体表现为围岩内部裂隙发育、破碎等过程即能量耗散量决定了围岩破坏的程度基于热力学第一定律假设能量耗散过程中不发生能量浪费则有:()式中:为外力功作用总能量为煤岩体耗散能煤岩体可释放弹性能.基于弹性力学和岩石力学可知围岩体可释放弹性应变能密度 和围岩体耗散能密度 分别为:()()()式中:为外加应力 产生的应变值为外加应力由 卸载至 时对应的残余应变值.基于广义胡克定律可知可释放弹性能:()()式中:、为最大、中间和最小主应力为煤岩体的初始弹性模量 为煤岩体的初始泊松比基于以上公式可知随着围岩体可释放弹性能减小围岩体耗散能 逐渐增大 当耗散能大于围岩体自身承受能量临界值时围岩体破裂当破坏呈现一定规模后围岩体发生破坏.围岩支护控能分析研究基于.节研究结论巷道围岩发生破坏后通过围岩松动圈形式表现围岩松动圈半径大小与能量耗散量有密切联系而巷道支护目的就是有效控制浅部围岩变形同时减缓围岩松动圈范围进一步扩展图 为巷道支护结构示意图通过锚杆和锚索等支护构件在巷道围岩周围形成不同分区支护体具体表现为内外拱结构即通过分层支护将浅部围岩锚固区与深部锚固区有机结合形成稳定的锚固整体从而实现巷道围岩的有效控制 从支护控能角度分析假设巷道支护锚固力大小为 则支护后巷道可抑制变形量为 则通过支护控制变形实质为对围岩体进行做功基于图 所示因不同分层支护密度不同因此锚固力大小不同假设内外拱锚固力大小分别为、则相应控制围岩变形量分别为 和 通过分层支护使内外拱支护区形成有效支护整体相较分区独立支护围岩控制效果更明显 第 卷图 巷道支护结构示意基于上述分析可确定公式如下:()()式中:为支护增益系数 当 不小于围岩释放耗散能 即 时巷道围岩支护整体稳定否则说明支护系统无法实现对巷道围岩的有效控制 基于矿井地质条件和围岩松动圈理论等确定支护方案如下:支护形式为锚网索梯子梁支护形式 顶板每排 根锚杆选用 左旋无纵肋螺纹钢锚杆间排距 锚杆托盘为 两肩锚杆倾斜 打设锚索每排布置 根采用“三、零、三”布置均采用 高强度低松弛钢绞线锚索均垂直打设间排距 /.锚索托盘规格为 铺设金属网网孔为 .两帮各打设 根锚杆间排距 第一根锚杆倾斜 打设第五根锚杆倾斜打设两帮均铺设双抗网 具体布置如图 所示图 巷道优化支护示意(单位:)数值模拟分析为进一步研究不同支护条件下巷道围岩变形规律本文进行原支护和优化支护条件模拟对比分析模拟采用 软件网格模型尺寸 模型除顶部外其余边界均固定模型顶部施加覆岩等效应力.模拟覆岩原岩应力 模拟参数如表 所示表 模型岩层参数岩层密度/()体积模量/剪切模量/粘聚力/内摩擦角/()粉砂岩.砂质泥岩.号煤.泥岩.粉砂岩.通过模拟得到不同支护条件下巷道围岩应力分布示意如图 所示塑性区分布图如图 所示 由图 可知两种支护条件下巷道顶底板及两帮均呈现一定的规律分布 由图()原支护方案分析可知巷道围岩支护应力较为分散由于未形成完整有效的锚固体因此巷道顶板围岩应力分布范围较大且向深部转移 而在巷道两帮集中应力分布范围较大分别向顶板和底板发展对整个巷道围岩呈现包围的趋势 由图()优化支护方案分析可知优化方案通过分层支护有效改善了浅部围岩的结构在提高了围岩变形抵抗力的情况下巷道围岩变形降低 结合式()优化方案较原支护方案对围岩做功较多 因此巷道浅部围岩应力区较原支护方案有明显改善 尤其在两帮区域巷道围岩集中应力区呈明显的减小趋势根据图 塑性区分布情况并结合图 获得结论可知巷道围岩塑形破坏与围岩应力分布特征一致 由于优化支护方案做功高于原支护方案因此在原支护方案已经发生破坏的区域优化支护方案未发生破坏第 期 秦绍楠:基于能量耗散理论的深部巷道支护方案优化研究 图 不同支护方案垂直应力场分布图图 不同支护方案塑性区分布图 现场工业性试验为进一步确认优化支护方案支护效果 在 工作面回风巷进行优化支护方案实施通过对巷道变形数据的提取进行巷道相对变形率展示即巷道围岩同一位置优化支护方案较原支护方案围岩变形控制效率有明显的提高 监测周期 具体如图 所示图 不同支护方案围岩控制效果示意 由图()可知巷道围岩总体呈现先急剧增长后稳定的状态相对于原支护方案优化支护方案在同一围岩区域较原支护方案提前稳定 而且在急剧变形阶段优化支护方案较原支护方案围岩控制效果更加有效 由图()可知优化支护方案围岩变形控制效果较原支护方案不同时期控制效率均高于 以上说明优化支护方案能更好控制围岩变形 结 语针对 工作面回风巷道原支护方案无法有效控制围岩变形的情况提出能量耗散理论的巷道围岩变形控制方案 具体结论如下:)建立围岩能量耗散模型揭示围岩破坏内在机理为围岩耗散能释放超过围岩自身强度造成通过改善围岩整体支护结构提高围岩支护控能实现巷道围岩变形控制)通过原支护和优化支护方案在垂直应力场和塑性区模拟因素的对比确定优化支护方案较原支护方案能对围岩施加更多功 即支护控能改善巷道围岩变形)通过现场工业性试验确定优化支护方案较原始支护方案能提前使巷道围岩稳定且不同阶段围岩变形控制效果均高于.参考文献:任华友.煤矿开采深度现状及发展趋势.内蒙古煤炭经济():.冯培荣.浅谈煤矿深部开采中存在的问题与对策.能源与节能():.江成玉刘勇韩连昌等.深部高应力软岩巷道变形特征及支护技术研究.煤炭工程():.付玉凯王涛孙志勇等.复合软岩巷道长短锚索层次控制技术及实践.采矿与安全工程学报():.王 志尹延春赵同彬等.软岩巷道扩孔锚固机理 第 卷及支护控制数值模拟研究.山东科技大学学报(自然科学版)():.谢和平彭瑞东鞠 杨.岩石变形破坏过程中的能量耗散分析.岩石力学与工程学报():.叶 琴.岩石变形破坏过程中的能量耗散分析.广东化工():.本期编辑:路 方(上接第 页)在大于 后的钻孔中节理和裂隙逐渐减小但也时有裂隙和节理的存在在生产中不断进行观察掌握顶板裂隙发育情况保障生产安全图 窥视孔 部分深孔窥视围岩裂隙结果 结 语通过对某工作面胶带巷道相隔 的临近工作面轨顺顶板岩层的深部钻孔窥视并对两个钻孔展开图进行分析得出以下结论:)某工作面顶板较坚硬但是竖向裂隙较发育围岩垂直应力明显大于水平应力)顶板在 范围内的破碎状态严重在 后顶板的破碎状况逐渐减小参考文献:赵鹏翔刘李东李树刚等.煤层倾角对仰斜综采工作面覆岩压实区演化规律的影响.煤炭科学技术():.高永格张 强牛 矗等.沿空留巷顶板覆岩二次采动裂隙实测分析.煤炭科学技术:():.徐 刚王云龙张天军等.厚煤层采动覆岩裂隙分布特征及卸压瓦斯抽采技术.煤矿安全():.李星亮.覆岩结构类型与开采覆岩损害特征分析.煤():.王宏志.地面窥视钻孔采动破坏机理及覆岩活动规律反演研究.北京:中国矿业大学.双海清.缓倾斜煤层采动卸压瓦斯储运优势通道演化机理及应用.西安:西安科技大学.李正虎.张家峁煤矿含泥岩夹矸 ()煤巷变形破坏规律及支护研究.西安:西安科技大学.张辉.采动过程围岩宏细观裂隙场量化模型与演化规律.北京:中国矿业大学.郝传波张帅帅肖福坤等.应用地质雷达和钻孔窥视研究顶板裂隙分布规律.中国矿业():.本期编辑:路 方第 期 秦绍楠:基于能量耗散理论的深部巷道支护方案优化研究