文摘

底鼓通常是一个严重的故障现象在我的道路,特别是在湿软岩条件。使用方法有光明前景控制底鼓的加强我的道路在急剧起伏。巷道底鼓发生在当前的研究中,一个机制的湿软岩矿井巷道研究在岩石的含水量增加。执行所做的数值模拟在Ansys有限元分析软件系统和强化地板的反拱的形状。发现的岩石弹性模量下降引起的饱和导致非线性增加底鼓。这可以解释为地板的事实岩石成为塑料品种。之间建立了一个稳定的相关性含水量和底鼓的潮湿的岩石。发现强化地板时,塑料菌株在土壤的比例显著降低。岩石的弹性模量的发展增强区,由于强化地板的反拱的形式,导致底板隆起的非线性降低。地板强化的有效范围。 A reliable relation was established between the ratio of the modulus of elasticity of rocks of the reinforced zone to the modulus of elasticity of the surrounding rock and heaving of reinforced rocks. The obtained results can be used to predict the magnitude of heaving of rocks at their saturation, as well as after they are reinforced.

1。介绍

的现代趋势改变世界能源的优先支持可再生能源的影响了许多国家的能源政策。课程对脱碳和“绿色能源”导致的调整煤炭行业的发展战略。然而,尽管煤炭产量的下降,超过四分之一的世界能源提供使用煤炭[1,2]。冶金所需的炼焦煤仍在市场上的需求量很大。因此,提高煤炭开采的效率是一个紧急的科学和应用问题。

围岩的大变形产生深远的负面影响在矿井巷道的稳定性,因此是一个严重的问题。一个特别不利的情况与巷道的稳定性是观察到伟大的深度和软岩石中。巷道顶板和侧壁稳定性的问题可以通过额外的螺栓,解决喷射混凝土,底鼓发生和移动屋顶支持,而往往是一个严重的故障现象在我的道路3,4]。

矿井巷道的底鼓而提取煤可以超过1米,特别是增加水流入条件(5- - - - - -7]。这导致的运输问题和矿物质和供应的空气通过我的道路,也会导致受伤矿工的风险当他们正沿着我的道路。控制底鼓是重要的煤矿巷道的稳定性和解决上述问题8]。

各种假说认为,底鼓机理是以下的结果:增加体积的岩石在破坏和水饱和,挤出的岩石从邮票,岩石过渡到塑性状态,蠕变,挤出摧毁的岩石,这些因素的共同影响的结果。然而,所有的假设认为润湿岩石导致地板的激活胀。

Małkowski et al。9]研究因素的多样性导致底板隆起。量化不同因素对地板动荡的影响,分析原位测量的结果在三个煤矿巷道进行15个测量站。研究分析结果表明,地板剧变总是取决于时间,在地板上岩石的抗压强度和杨氏模量。在岩体条件的情况下受到水的影响,这取决于岩石抗压强度降低后岩石淹没在水里。

控制底鼓是由以下几点:(我)使用反向拱支持和圆形的支持(2)减压槽切割巷道的地板上(3)技术加固围岩

在实践中,经常使用列出的组合方法。

仰拱支持的有效性和圆形的支持,这是最简单的技术解决方案,在湿软岩条件下大大减少。在这样的条件下,巷道支架的元素是巷道变形和挤压。这些天来,仰拱支持和循环使用主要在一个主要道路底鼓发生与未成年人(10,11]。

减压槽是降低道路来减少应力集中的地板上(12]。槽的类型可以是一个槽或孔。为了使一个槽,可以使用爆破的方法,以及钻井和切割方法。卸压槽是在地板上纵轴的巷道或两个角落在地板上13]。作为一个规则,一个钻孔和爆破方法用于减压孔。孔通常位于沿纵轴,而其深度比那个大得多的几米深沟,可以13]。这个方法是实施技术难度;此外,它是昂贵的。因此,这些天没有广泛使用。

最有前景的方法之一是强化地板的道路之一。加固区在地板上可以在混凝土梁的形式(14)或一个库(3]。加固区可以由浇注树脂混合物而不是挖掘地面岩石开挖阶段或通过钻孔注入到岩石开挖的任何阶段。这种方法通常是结合强化地板使用岩石螺栓、钢和软电缆的(15,16]。这样的组合结构是最有效的打击起伏;然而,他们的主要缺点是成本较高,需要专用设备。

起伏控制岩石加固的前景是一个非常有吸引力的一个毋庸置疑的,但这种方法的效率高并不总是实现。在湿软岩条件下,一些额外的措施和加固方法的更新是必需的。例如,在工作(17,18),结果表明,加固质量的增加与水饱和岩石脱水。研究水的影响的变化起伏进行了工作(19]。太阳等人,钟山等人提出了加固围岩的技术实现地板倾斜地层的稳定和软岩(20.,21]。张和岛田[22)提出了控制底鼓保留goaf-side gateroad通过灌浆加固。

岛田et al。17]研究了水泥灌浆材料的强化效应在地板上通过实验室测试和分析方法。Małkowski et al。23)实验室检测的基础上描述的地质属性的变化Carbonifeorus粘土岩的矿物组成和时间相关的浸泡在水里。地质属性,包括体积密度,杨氏模量,泊松比,无侧限抗压强度、耐久性指数和肿胀指数,在用水浸干燥的岩石样本,检查样品。

但是大多数研究都是基于数值模拟的结果的最好方法,因为有模型变形的大小和空间分布(24]。张等人,什22]探索的进化压力在地板上运用FLAC3D软件的道路。Sakhno et al。7)进行数值模拟控制底鼓的道路通过Ansys在湿软岩。Małkowski et al。24)提出了巷道底鼓的新的建模方法的基础上通过第二阶段数值模拟。建模包括地板干燥条件的参数Hoek-Brown失败则随着时间的推移逐渐降低,和地板进水条件,岩石的强度和应变参数逐渐减少与他们的进步的饱和度。数值模拟和地下测量之间的一致性达到90 - 99%。

进行分析表明,巷道底鼓发生戏剧性的发生,作为一个规则,在湿软岩条件下。在这种情况下,最有前途的方法控制底鼓与戏剧性的起伏是加强道路。提高地板的质量加强在湿软岩条件下是一个局部的科学任务。的最好方法模型底板隆起过程数值模拟。

2。方法

一种机械的方法被用于这项研究。底鼓机理似乎岩石位移和变形的结果由于岩体的应力-应变变化状态附近的矿井巷道没有岩石的物理和化学转换结构。与此同时,一个假设被接受的形成非弹性区周围的道路,这是详细描述工作(25,26]。传统的概念“three-zone(断裂带、塑性区和弹性区)”模型(图失败1)的围岩应力再分配形成的,是由巷道开挖(27)是接受。在仿真实验中,模型简化的“两带”(塑性破坏区和弹性区)故障模型。从数值实验的角度来看,它有利于称塑料失败带假塑性区,由于模拟岩石的行为的破裂区和塑性区进行了使用塑性流动的数学仪器。这种简化的正确性和可容许证实的通用配方问题,为其解决方案的选择方法,考虑了工作(27]。

的部分分析岩石,由作者在不同地方煤矿巷道底鼓发生开挖岩石的一个戏剧性的,使我们得出结论,岩石在破裂带主要是由一块离散环境(7]。在这种情况下,底鼓机理是最可能发生由于挤出破碎岩石位于断裂带开放腔,引起的非弹性区巷道周围的生长。

研究是由作者在矿井Surgaya(乌克兰)深度800米。他们表明,断裂带的形成发展与折叠和二次破坏的岩石,可以看到的地方,开挖的岩石进行了巷道底鼓发生戏剧性(图2)。

虽然进行数值实验,上述事实和考虑使我们得出结论,它是正确的考虑非弹性区在地板上的存在建模伪塑性区。

使用数值模拟研究进行了Ansys有限元分析软件。模拟岩体是由结构异构泥岩。泥岩是35 - 40 MPa的平均单轴抗压强度。地层柱状图见图3

在假塑性区围岩破碎。因此,岩体模型,完整岩石的力学参数修正。首先,这是表示在弹性模量降低,内摩擦角和附着系数roсk群众的假塑性区相对于完整roсk。Hoek-Brown参数、地质强度指数(GSI)的常数mi值,干扰因子( )(28),使用。地质围岩强度指数计算 (24,28]。

地板的分析挖掘的结果戏剧性的隆起和矿山地质调查文档用于RMR的决心89年。完整岩石的地质参数如下:泥岩是35 MPa的抗压强度,弹性模量是4800 MPa,泊松比为0.2。基于测量关节,周围的岩石原位测定Hoek-Brown参数: , , 岩体的地质参数计算:泥岩为1.45 MPa的抗压强度,弹性模量( )900 MPa,泊松比为0.25。

体积的建模进行了设置在自然范围内。几何和物理非线性考虑在内。一个标准的方法应用于模拟围岩的应力应变状态使用力的叠加原理。分析仿真结果的基础上进行了处理压力,位移,压力在数值模拟的过程中获得的。最大主应力理论采用屈服准则。

拱形巷道的形状与胎侧倾斜是模拟的,围绕一个非弹性区已经形成。一个孤立的体积内的岩体模拟假塑性区。问题是轴对称的,所以我的一半的截面建模。模型的原理与几何尺寸如图4(一);有限元模型如图4 (b)

u形钢支架的承载能力被认为是600 kN。仿真的假塑性区大小的增长由于过渡的岩石模型中不可逆变形和膨胀是由外部压力应用到其轮廓。假设假塑性区出现的增长由于扰动平衡态的岩石在开采的过程中,例如,当我进入欧元区长壁的影响。压力通常认为是均匀分布,岩石的强度极限,35 MPa。岩石的运动的方向开挖轮廓起伏导致地板。水平位移前后模型边界(巷道沿轴)和在正确的边界是固定的。

为了模拟岩石的行为,所使用的Drucker-Prager变形模型。模型可以模拟塑性变形的岩石和其他与压力有关的材料,这对应于岩石在断裂的性质(假塑性)区。

有限元网格的大小取决于所需的精度。在矿井巷道附近,有限元的大小是最小的,因为精度高是很重要的。在模型的轮廓,应力场是一致的,所以有限元素的最大大小。这是符合惯例在开采的数值模拟。有限元的最大大小是5米。有限元的最小尺寸是0.1 m-near底部角落的矿井巷道。选择的最小大小以迭代的方式,因此,以确保最大的精确度,同时避免出现误差的计算由于零长度变形后的元素。

模型可以模拟塑性变形的岩石和其他与压力有关的材料,这对应于断裂带岩石的性质。充足的过程中建立了变形模型仿真实验;过程的详细描述工作(29日]。岩石在假塑性区内的属性表1

为了评估的有效性巷道的加固层,变形和应力模型之间的比较是没有巩固和加强。加固的方法是根本不相关的问题的解决方案。假设钢筋区域在巷道仰拱的形状,其物理和机械性能不同于周围的岩石。

钢筋的几何尺寸如图3(一),其物理和力学性能如表所示1。弹性模量的值在加固区( )在1000 - 9000 MPa的范围(表吗1)。它对应于岩石的属性强化树脂混合物(而形成钢筋注射区)和混凝土混合物的性质(由浇注而形成钢筋区)(30.- - - - - -33]。以来的物理和力学性能增强区和周围的岩石是不同的,他们被单独建模系统的元素。

湿度的增加正在考虑的问题是考虑减少湿岩体的弹性模量( )从900 MPa 330 MPa。变化的范围,在岩石的弹性模量,当他们滋润,取决于著名的实验研究结果的影响岩石的物理力学性质。例如,在工作34- - - - - -36),按比例减少水分饱和岩石的弹性模量是2.2 - -3.0倍。此外,内摩擦角(从34到21度),剪胀角(34至21日度)和凝聚力(从3 - 1 MPa)发生了变化,我们可以看到从表1

3所示。结果

仿真建模进行了三个阶段:(1)“基本”模型:分析岩石的应力-应变状态(SSS)大规模在干燥状态没有地板加强了。在这种情况下,围岩和强化地板的属性是相同的,他们等于那些显示在表1围岩(2)模型“湿岩石”:含水饱和度的影响岩石膨胀没有地板上加强研究。这是通过降低岩石的弹性模量。围岩和强化地板的属性是相同的,他们等于表中所示1对湿岩体(3)模式”强化地板”:分析的应力应变状态进行了大规模的在地板上加强反拱的形式。地板上加强对起伏的影响的研究。强化地板的属性范围内的不同表所示1

在所有阶段的建模过程中,模型的几何形状,尺寸和形状的有限元素保持不变,这使它可以避免错误的解释结果表明造成的因素。

最大和最小主应力的分布模式在巷道“基地”模式如图5

最大主应力的分析 (图5(一个))使我们得出这样的结论:区域减少巷道的应力在地板上形成深度超过道路宽度的一半。在欧元区,压力 2 - 3次小于外部道路的面积的影响。自岩石在假塑性区内不弹性变形,减少压力带的存在表明的参与表示的部分岩石的过程中进入巷道腔。地板的垂直上升沿巷道的纵轴是0.162米。分析最小主应力的分布模式 (图5 (b))表明,压缩面积50多MPa形成u形钢支架,重复的形状支持在远处的道路宽度的1/4,这可以解释为钢支架的阻力。而且,有压缩带40 MPa的压力超过岩石单轴压缩的极限强度,厚度等于1/2的巷道宽度。在这种情况下,压应力的最大值在支撑脚的面积,由自然的存在解释了应力集中器在角落里在巷道层。在巷道的地板,观察压力下降。

根据测试的结果软岩石标本在体积场(34- - - - - -36和单轴压缩下37- - - - - -41),它是发现,泥岩、粉砂岩、泥岩、页岩、砂岩和批准MPa的强度,应变约为0.03的失效准则。弹性和塑料的表面压力图所示6。分析表明,破坏应变模型中是消极的;他们是由压缩的岩石在道路的一侧(图6(一))。这些压力是有弹性的。失败的塑料品种不达到极限,在“-0.03”——“+ 0.03”(图6 (b))。因此,重复的概率破坏的地板上的岩石巷道几乎是零。

湿度的增加显著地改变了岩石的应力-应变状态的照片,这是“湿岩石”解决方案模型。对于这个模型,巷道周围的分布模式主要强调以最低的弹性模量(330 MPa)从研究范围(表1)如图7。在这种情况下,最大的地板升沉建模的观察。地板的垂直上升沿巷道的纵轴是0.663米。应变分析表明,其中很大一部分是塑料的(图8)。

的进化压力和紧张而润湿岩石可以通过比较分析主要强调(数字57)。最大主应力的分析 显示区域的大小减少压力的地板上,道路两边的显著增加。这样重要的变形不仅在地板上,也出现在道路的两侧的面积显著位移支持腿。分析最小主应力的分布模式 (图8 (b))表明,压缩面积50多MPa在u形钢支架降低了巷道宽度的1/6大小,这是解释为巷道轮廓的位移在它的轴的方向。同时,压缩带的尺寸与40 - 50 MPa的压力几乎没有改变。减少压力的区域增加宽度和深度。

失败的分析表明,菌株在模型中都是积极的和消极的。在道路的两边,他们是由压缩的岩石和有一个负号(图8(一个))。这些菌株是弹性的。在地板和屋顶,道路的失败应变是积极的。主要是塑料品种。他们超过失败限制(图3 - 5倍8 (b))。因此,重复的概率破坏巷道岩石的楼很高,从而导致岩石膨胀进一步增加,因为在破坏岩石体积的增加。

含水饱和度的影响岩石的膨胀量可以根据图表中所示的数据跟踪910。沿水平轴图9显示的是半角的巷道,点左下角的“0”对应于巷道和点“2.55”对应于巷道的纵轴。控制点在图所示9(一个)。起伏的非线性性质增长与周围岩石的弹性模量下降明显(图见图10从数值模拟的结果。

图(图的分析9)表明,岩石的弹性模量下降造成的水饱和度结果在非线性增加地板的重量。巷道轮廓的形状在起伏保持不变。最大的底鼓是观察到沿巷道轴。最大( )主要强调中心的道路与降低弹性模量降低,这是合乎逻辑的。起伏的增加是一个过渡的结果岩石的塑性变形阶段。

基于数学建模的结果,起伏的曲线依赖( )弹性模量( )是策划,这是相当近似的权力依赖 用一个近似的可靠性 (图10)。提出了图的分析使我们能够得出这样的结论:在研究范围内,减少围岩的弹性模量的3倍水饱和导致巷道底鼓发生增加4.57倍。同时,该模型没有考虑到物理和化学(肿胀)在原位岩石发生变化,这将导致增加额外的起伏。

强化地板的岩石会导致减少胀现象。使用解决方案模型”强化地板,“一个可以追溯到巷道周围应力和变形的变化。图11显示主巷道周围应力的分布模式与周围岩石的弹性模量的值330 MPa。钢筋的弹性模量价值区被认为是4000 MPa。同时,强化地板,进一步强化了侧壁边拱u形钢领域的支持。地板的垂直上升沿纵轴0.339米的巷道模型,没有地板强化不到51%。

最大主应力的分析 显示的大小和配置低应力区围岩发生了变化。在巷道的地板,减少应力降低区三次而没有加强。其维度往往是这样的“基地模式”5(一个)。周围的岩石加固区以下,减少压力区也形成了。同时,增加压力形成在加固区内的周围的岩石。这个区域在图清晰可见11 (b),这显示了最小主应力的分布模式 压缩面积50多MPa现在不仅在u形钢支架,而且形成土壤的道路。压缩带的尺寸40 MPa的压力现在重复u形钢支架的轮廓。加强的影响显然是在主应力的分布的变化。

垂直应变分布的分析表明,塑性应变的比例显著降低相比,情况没有强化(图12)。

在道路的两侧,失败菌株仍然几乎不变,除了降低巷道的角落。他们主要是弹性(图12(一个))。在巷道的屋顶,失败并没有改变。他们大多是塑料品种。在巷道地板,强化导致菌株显著改变。边界部分的加固区深度高达0.5米,略微超过抗拉极限应变是观察,高达1.5倍。下部的钢筋,在接触点周围的岩石,形成破坏应变,超过抗拉极限(图3倍12 (b))。因此,岩石的破坏的概率near-contour我低的一部分。钢筋的效率是显而易见的。

加强的起伏的影响可以追溯到从图如图13

作为一个例子,仿真结果给出了下列条件:围岩弹性模量400 MPa,强化地板的弹性模量2000 - 9000 MPa。

分析图表图13表明,岩石的弹性模量的增加造成的加固区加强反拱的形式会导致非线性降低地板的重量。巷道轮廓在起伏的形状保持不变。波涛汹涌的加强,减少的非线性性质不同湿围岩的弹性模量,可以看到图中人物14。图表显示增强的有效范围。

14表明,加强观察到的效率高的弹性模量范围增强区3000 MPa。这里,钢筋的弹性模量的增加区18%给减少巷道底鼓的58 - 67%。

4所示。讨论

进行的研究证实了广为人知的现象观察现场,在区域的水流入,地板的肿胀变得更加活跃,可以超过道路的高度的1/35- - - - - -7,42]。同时,底鼓的值在这样的条件下比在干燥岩石的3 - 4倍。很明显,这是由于岩石的变形模量下降时滋润。

评估的影响,湿度在地板上起伏( )价值,我们引入一个相对指标水增加系数( ):

在哪里 是“湿岩石”的底鼓(m)和 是“干岩”的底鼓(m)。

变异 周围的岩石如图15。当 ,岩石是干燥的。

水的曲线依赖增加系数( )弹性模量( )幂函数的岩石很近似 一个近似的信心

因此,当人知道干燥形成的起伏,潮湿的岩石膨胀( )可以计算:

在哪里 是潮湿的岩石的弹性模量(MPa)。

当一个人知道的依赖性减少在水饱和岩石的弹性模量 ,可以在不同的湿度计算巷道的底鼓。可以建立特定围岩的依赖在实验室实验。类似的依赖性建立了很多次,例如,在[23,34- - - - - -36,43]。

一般来说,潮湿的岩石的弹性模量( )可以表示为

在哪里 弹性模量换算系数和吗 是干燥岩石的弹性模量(MPa)。

例如建立指定的依赖,让我们考虑一些发表类似的实验的结果。和平和Vasarhelyi44)提供一个广泛的审查和讨论水分在抗压强度的影响。概括本文中给出的数据依赖的力量在含水量、实验数据(45]页岩林惇巷煤矿和黑麦山煤矿使我们获得图依赖的含水量(图上的弹性模量16)。在这种情况下,从强度转变为弹性模量、单轴抗压强度的依赖对岩石变形模量,因为在工作46]:

在哪里 是岩体抗压强度(MPa)。

另外,图16显示了实验给出的结果(43]。图表(图的分析16)显示一个明确的增加岩石的弹性模量降低水分。水含量对弹性模量的影响是不同的不同的岩石。众所周知,程度的水分对岩石的力学性能的影响是不一样的,主要取决于缺陷的存在和粘土颗粒的内容。

分析表明,粘土颗粒含量高的岩石是最容易受到水的隆起。这种影响很明显在泥岩粘土水泥。

为了获得 ,我们的实验结果近似页岩在煤矿黑麦山(45),如图16

可靠性系数的近似 ,弹性模量降低系数的依赖( )含水量是由一个指数函数描述:

在哪里 水增加(%)。

因此,潮湿的岩石膨胀( )页岩煤矿条件的黑麦山(45可以计算

获得的依赖可以用于预测底板隆起值与岩石的水分含量的增加。这将使及时发展必要的方法来控制巷道底鼓。

一个众所周知的事实是,强化地板区有积极影响巷道的稳定性。这也证实了数值模拟的结果。在强化地板的减少将超过55%。在这种情况下加固的有效性取决于围岩的力学性能和加固区(数字1314)。

作为一个标准的质量加强混合物,我们把钢筋的弹性模量。混合物的高弹性模量往往是更强大和更好的质量。众所周知,强化越高,岩石的弹性模量越高,增强混合物(32,46]。让我们介绍的相对指数reinforcing-coefficient地板的强化:

在哪里 是岩石的弹性模量在加固区(MPa)和 是周围的岩石的弹性模量(MPa)。

为了评估岩石的弹性模量的影响在加固区( )在地板的数量的起伏( ),我们引入一个indicator-coefficient钢筋( ):

在哪里 是增强(m)和后拔吗 是拔不加强(m)。

变异 如图17。当 ,没有加强。

有一个良好的指标之间的相关性 系数精度的近似 图的分析17表明,强化地板的减少位移也有类似的影响在不同弹性模量的值周围的岩石。加固是非常弱的有效性依赖于这个指标。在调查范围内,高度的可靠性、可以预测的数量膨胀岩石加固后使用的依赖:

结果可用于预测后发展的国家应用的方法加强控制巷道的底鼓,选择加强混合物和证实他们的参数。与此同时,重要的是要强调,分析理论和方程的系数(5),(6)和(9)需要特定的校准采矿地质条件。

5。结论

在本文中,使用Ansys有限元分析软件数值模拟,在巷道底鼓机理在湿软岩条件下岩石水分的增加和强化地板的反拱的形式进行了研究。为此,主应力的分布模式和弹性和塑料在巷道进行菌株。分析依赖的起伏的曲线在岩石的含水率,围岩的力学性能,增强区进行。本研究最重要的结果可以概括如下。

根据研究,发现岩石的弹性模量下降造成的水饱和导致非线性增加地板的重量。起伏的非线性增长的结果是岩石的塑性变形阶段过渡。在这种情况下,减少应力区巷道底板形成应变是积极和超过失败限制在紧张。

建立可靠的相关性和含水量之间的底鼓用湿岩石。获得的依赖可以用于预测底板隆起值与岩石的水分含量的增加。这将使及时发展必要的方法控制巷道底鼓。

这是发现,地板是钢筋,减少压力的区域的大小和配置变化。围岩的加固区以下,减少压力区也形成了。同时,增加应力发生在加固区内的周围的岩石。塑料品种的比例显著降低。岩石的弹性模量的发展增强区,引起的强化地板倒拱的形式,导致巷道底鼓发生非线性降低。根据结果,增加地板的岩石的变形模量的加强导致巷道底鼓发生的显著下降。例如,加强,从而导致了地板的变形模量的增加岩石的10倍,导致绞47 - 64%减少。强化地板的有效范围。

除此之外,一个可靠的相关性建立了弹性模量的比值之间的岩石加固区围岩的岩石的弹性模量和起伏的钢筋岩石。这种关系具有高相关系数由幂函数描述。结果可用于预测膨胀后的实现方法,加强控制巷道的底鼓,加强混合物的选择,和实体化的参数。

数据可用性

数值模拟的结果数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。