分析围岩的应力分布规律不对称倾斜煤层巷道:一个案例研究Shitanjing 2号煤层

文摘

不对称的围岩的变形和破坏特征的直角梯形巷道Shitanjing矿区2号创造了巨大困难巷道的稳定控制和支持。首先,数值模拟被应用于系统分析垂直应力的分布规律,水平应力和巷道的故障特征。此外,通过实验室模型试验进行了验证,实际工程应用。结果表明,巷道的两堵墙,屋顶,尖角展示明显不对称的应力集中。压力的峰值浓度偏低(右墙)显著大于在高压侧墙(左),和距离高和低的巷道,巷道的墙壁都是明显不同的。对称的两个尖角,沿同一方向的煤层倾向,显示明显的压应力,而相反的方向显示明显的拉应力区域在两个尖角;此外,压应力和拉应力的最大值出现在巷道顶板的两个角落,和他们的大小随倾角的变化和地面压力。

1。介绍

优质煤炭资源的逐渐枯竭和收缩的生产在中国的东部在21世纪,资源开发的重点转向中国的西部。煤炭资源开发中扮演一个重要的角色在促进西部地区能源效率(1- - - - - -4]。倾斜煤层储量在中国西部地区占大约10.1%的可采储量,并且有高质量的煤层开采高价值(5- - - - - -7]。然而,倾斜煤层的开采过程中,巷道的围岩的压力由于倾角的影响是不对称的,这带来了很大的困难巷道的稳定控制和支持工程(8- - - - - -15]。

国内外研究人员主要集中在研究不对称在倾斜煤层巷道围岩应力分布特征与大倾向和急倾斜煤层,和部分形式主要是矩形和拱道路。目前的研究结果表明,巷道的围岩应力分布表现出明显的不对称特征为道路挖掘倾向(16- - - - - -20.)和急倾斜(21- - - - - -26煤层,压力集中在屋顶上,两个墙壁,地板明显不同,提高巷道的倾角。不对称变形和破坏的道路会发生由于围岩的应力分布不对称27]。针对不对称故障特征的屋顶,两堵墙,和地板的巷道(矩形和拱);配套措施提出了在文献[1]。然而,很少有研究在非对称应力分布在直角梯形巷道围岩轻轻倾斜煤层在不同倾斜角度。因此,它具有重要的理论价值和现实意义进行数值模拟和分析的压力不对称特征在轻轻地斜接缝直角梯形巷道稳定性评价。

在倾斜煤层巷道通常安排在屋顶,中间,和底部的煤层。在煤层巷道的位置是不同的,导致巷道的不同横截面的形状。Shitanjing 2号矿区位于西部高山地区。这是一个典型的轻轻倾斜煤层的倾角18-27°。可开采煤层的厚度是5.5 - -6.06米。道路是沿着煤层的屋顶挖掘形成一个直角梯形巷道。以Shitanjing 2号矿区为工程背景,理论分析和数值模拟与应用FLAC3D软件是用于研究的不对称分布在一个直角梯形巷道围岩应力斜倾角。基于Shitanjing 2号矿区的工程背景,在这个研究中,不对称的应力分布规律,直角梯形巷道的围岩在不同斜接缝评估通过理论分析和数值模拟使用FLAC3D软件验证通过实验室模型试验和实际工程应用,提供科学依据为直角梯形巷道支护方案的选择。

2。不对称的特征应力分析围岩的巷道

很多学者已经发现倾斜煤层巷道的开挖后,巷道周围应力重分布表现出明显的不对称特征,和巷道的两堵墙之间的应力分布和屋顶和地板是明显不同的作用下上覆地层负荷(28- - - - - -30.]。可以看到从图1,压力作用于巷道的特点是剪切应力σ_x沿倾斜方向的煤层和压应力σ_y垂直于煤层由于煤层的倾角的影响。高压侧受到拉伸力σ_x煤的方向平行的身体,虽然偏低受到挤压的力量σ_y(图1)。

这种不对称和非齐次应力状态导致应力集中峰值在右边墙(偏低)大于左边墙(高压侧),和距离的点的峰值应力集中在高和低的道路都是不同的(图2)。根据压力的宽度的公式极限平衡区,应力集中区域A和B之间的距离和巷道的墙壁可以计算x_一个和x_B如图所示,分别在方程(1)和(2)。

在哪里x_一个和x_B的应力极限平衡区宽度(米);米_一个和米_B表示道路的高度(米);f侧压力系数;φ₀是组合煤岩的摩擦角(°);k_一个和k_B表示压力上升系数;h是煤炭开采深度(米);c₀之间的凝聚力是煤层和顶板岩层(MPa);γ体积密度(公斤·m3);和P_x是煤炭的支架阻力(MPa)的支持。

它可以看到从方程(1)和(2),应力集中区域的距离A和B两墙起到关键作用在确定巷道的两堵墙的高度。为直角梯形巷道在倾斜煤层,应力集中区域的距离的高压侧墙的道路比偏低,因为明显的区别高、低的高度。

对于巷道的屋顶,应力分布也表现出明显的不对称特征;,右墙的应力集中(偏低)巷道顶板的尖角大于左墙(高压侧)尖角,它随倾角的变化,变化如图3。这些值计算如下: 在哪里和在角落的压力高和低的巷道顶板(MPa),分别;一个巷道的宽度(米);γ₁平均岩石体积密度(公斤·米³);h₁是煤炭开采深度(米);b₁和b₂巷道的高度在高、低(m),分别。

总之,围岩的不对称应力下的直角梯形倾斜煤层巷道,巷道围岩的变形破坏情况也呈现明显的不对称特征。巷道的两堵墙是挤压和内部混乱和凸起。偏低的损害大于,在高压侧,和最大的伤害是观察到的两个角落偏低。

3所示。模型的建立和参数的选择

基于莫尔库仑准则,建立了数值模型利用数值模拟软件FLAC3D软件(图4)。模型的尺寸是36 m×5 m×36米,四面墙都限制在正常的方向,顶面是地面,表面是自由边界的应力和位移;底部边界受到横向和纵向约束,和顶部的模型是上覆岩层层。四种典型的计算模型与倾斜角度的18°,21°24°,建立了27°,和压力为2.5 MPa, 5 MPa, 10 MPa, 15 MPa,和20 MPa。不对称分布特征的直角梯形巷道围岩应力进行了分析。根据煤层Shitanjing 2号矿区的地质条件、围岩的物理力学参数选择表中给出1。

4所示。数值模拟分析

4.1。垂直巷道的应力分布特征

图5显示垂直应力云图的直角的巷道在不同斜缝在一个模拟的地面2.5 MPa的压力。从图可以看出,应力集中在右边墙(偏低)巷道大于左边墙(高压侧)。应力集中区域的距离左边的墙壁(高压侧)一侧的道路比右边墙(偏低)。巷道的应力集中在屋顶上偏离向生活墙(高压侧)和应力集中在地板上偏离向右墙(偏低)和倾角的变化。

图6的曲线是直角梯形巷道的应力集中峰值不同斜缝模拟地面压力问。图6显示器的峰值应力集中值的巷道倾向和地面压力增加而增加。当倾角18-27°,偏低的应力集中峰值的1.07 - -1.33倍高。然而,小地应力的作用下,两堵墙之间的峰值应力的差异不是很明显,主要是因为倾角的影响。

图7是距离的曲线峰值应力集中对墙的直角梯形巷道倾斜煤层不同的地面压力。的距离点的高峰值应力集中发生在巷道的两堵墙的两侧道路明显不同,增加倾角的增加和地应力,如图7和表2。当倾角18-27°和地面压力是10 MPa,高压侧的巷道,应力集中峰值巷道的侧壁的距离大于1.28 - -3.00毫米,在偏低。当地应力10 - 20 MPa倾向是18°,高压侧的巷道,侧墙的应力集中峰值的巷道大于偏低,1.26 - -1.36毫米。然而,随着倾角的增加,距离点的峰值应力集中在双方的墙壁道路变得越来越小。

4.2。水平巷道的应力分布特点

图8显示了水平应力云图的直角梯形巷道在不同斜缝在一个模拟的地面2.5 MPa的压力。从图可以看出8两尖点对称的倾角煤层显示一个明显的压应力区,而相反的方向显示一个明显的拉应力区,和压应力和拉应力的最大值出现在屋顶的两个尖点的道路。随着倾角的增加,应力集中在拐角处的道路减少。

4.3。水平位移特征的道路

数据9和10描绘了水平巷道的应力云图和位移分析图表的两堵墙巷道不同模拟地面压力问分别和不同的倾斜角度。数据9和10和表3表明,巷道的位移两堵墙之间的区别很明显,增加与增加集团的压力。群体压力是10 - 15 MPa和18°倾角,以及巷道的高压侧15 - 77毫米比偏低。然而,这种差异随倾角的增加而减小。当倾角18-27°和压力是10 MPa,巷道的高压侧是10毫米比偏低。主要原因是两堵墙之间的高度差会导致不均匀的应力分布。

5。仿真的验证测试

5.1。测试计划

验证不对称围岩的应力分布特征的直角梯形巷道进一步倾斜煤层,在实验室模型试验采用几何相似和力量平等的原则,建立了四种类型的直角梯形巷道测试模型与不同的斜缝的角度,即18°,21°24°,27°(图11)。几何相似性比例是1:30,模型大小是72厘米×72厘米×10厘米,和岩性参数选择的工程背景Shitanjing 2号矿区,为数值模拟是一样的。不同比例的水泥砂浆用于模拟的特点。

测量点排列在巷道墙壁,屋顶,地板,以及各个角落。垂直均布荷载应用于模型逐步的方式直到样品被完全摧毁。每个计量点的应变值在不同负载下加载过程中实时记录。

5.2。分析测试结果

5.2.1。应力分布规律,屋顶周围的岩石

图12显示一个模拟地面屋顶周围岩石的应力-应变曲线梯形巷道不同倾斜角度。屋顶的压力围绕着岩石巷道呈现明显的不对称特征,以及中间测点的大小分布的屋顶(中间)>偏低测点的屋顶(R -偏低)>屋顶的高压侧计量点(R -高压侧)从图12。此外,最大压力偏低的围岩明显大于偏高。倾角越大,应力分布之间的差异越明显高和低的巷道的围岩。当倾角范围内的18°-27°,屋顶的最大应变右边墙(R -偏低)1.3 - -2.1倍,左边墙的屋顶(R -高压侧)。

5.2.2。的围岩应力分布规律巷道的两堵墙

图13描述了地面模拟围岩的应力-应变曲线的直角梯形巷道不同倾斜角度。它可以得出结论,巷道的应力集中在两堵墙显然是不同的,他们倾向和地面压力增高而增强。-27°倾角是18°,右墙的最大值(偏低)应力集中是左边墙的1.2 - -1.7倍(高压侧)。

5.2.3。围岩应力分布规律的两个

图14是地面模拟围岩的应力-应变曲线的一个直角梯形巷道不同倾斜角度。图14显示,每个点的应力分布在四个角落的道路是不同的。从大到小的顺序是低侧肩角(投影),高压侧肩角(HSSA),低侧底部角(LSBA)和高侧底部角(HSBA)。18°倾角时,运用投影的应变其他棱角的2 - 4倍,随着倾角的变化而变化。

5.2.4。分析巷道围岩的应力分布的地板上

图15是一个模拟地面的应力-应变曲线的直角梯形巷道围岩不同的倾斜角度。从图可以看出15的作用下,上部屋顶和不对称的两套压力,地上的巷道的应力分布也表现出明显的不对称性,和地板的压力在右边墙(激光束一边)大于左边墙的地板(高层)。

从实验室模型试验结果,可以看出,压力分布规律的直角梯形巷道轻轻倾斜层类似于数值模拟,和围岩应力分布的屋顶,两个墙壁,地板,和巷道的角落显示明显的不对称特征;然而,也有一些不同的数值。主要原因是材料的比例相似,模型的大小,加载方式等对测试结果产生影响。

6。仿真结果的比较和分析

从仿真结果可以看出,非对称分布定律斜直角梯形巷道围岩的基本上是一样的大倾角和急倾斜煤层巷道,但倾斜煤层应力不对称的程度远远低于大倾角煤层。数值模拟的结果不对称斜梯形巷道的变形和破坏特征在倾斜煤层与实验室模型试验(图一致16)和站点故障形态Shitanjing 2号矿(图17),变形和破坏法律表现出一种不对称的特性。此外,道路严重膨胀的两堵墙,和低比高。

7所示。结论

基于非对称理论在直角梯形巷道的围岩应力分布在倾斜煤层,并考虑Shijiajing 2号矿区为工程背景,本文进一步分析了围岩的不对称分布特征通过应用FLAC3D有限差分方法。通过模拟试验验证,得出了以下的结论:(1)围岩的应力分布的直角梯形巷道倾斜煤层显示明显不对称。主要表现是偏低的应力集中峰值大于,在高压侧,高压侧之间的距离和巷道的侧壁大于偏低。与倾角的增加和地面压力、应力集中峰值之间的差异和巷道的侧壁的距离更明显。18°-27°倾角时的应力集中峰值偏低的1.07 - -1.33倍高,和距离从高压侧的侧墙巷道1.26 - -3.79 m比偏低。第二,两个尖角对称的相同的倾角煤层显示明显的压应力区,而相反的两个尖角显示明显的拉应力区域。压应力和拉应力的最大值出现在巷道的屋顶。(2)不对称应力的作用下,巷道周围岩石的变形和破坏也呈现不对称特征。巷道的两堵墙展示挤压,混乱,和严重变形和损坏;然而,偏低的变形损伤明显大于高边。主要原因是两堵墙之间的高度差的道路导致压力的不均匀分布。(3)数值模拟的结果基本符合实验室模型试验和现场工程。然而,也有一些差异,获得的数据,主要原因是这两个影响仿真参数的选择,比类似的材料、尺寸的模型,加载方法。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(51174159和51174159),中国博士后科学基金会(2015 m572580),教育部门和科研计划项目中国山西省(15 jk1471)。

补充材料

理论分析的过程在倾斜煤层巷道顶板应力分布。(补充材料)

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