煤礦圍巖變形特征與支護技術(shù)研究

在我國煤炭資源的開采過程中巷道支護是非常重要的一個環(huán)節(jié)。隨著當前煤炭資源開采深度的不斷增加，巷道支護對于煤炭資源采掘工作的安全性會產(chǎn)生巨大影響，在此情況下，如何實現(xiàn)煤礦巷道的合理支護加固是目前整個煤炭領(lǐng)域主要探討的問題之一。在針對這些問題進行探討的過程中經(jīng)驗規(guī)范化以及有限元數(shù)值模擬方法是應(yīng)用最為廣泛的兩種方法。由于煤炭資源本身地質(zhì)條件非常復(fù)雜，在煤炭開采過程中支護以及監(jiān)測等方面的投入非常有限，利用經(jīng)驗規(guī)范法會對實際開采數(shù)據(jù)提出更高要求。鑒于此，主要使用了數(shù)字模擬分析方法，通過建立起煤礦巷道圍巖的有限元模型，對煤礦巷道應(yīng)力分布狀況以及實際位移情況展開分析，這樣就能夠為煤礦的支護加固提供技術(shù)性參考。
　　1 煤礦巷道圍巖數(shù)值模擬
　　1.1 建立有限元模型
　　以某煤礦為例來建立起沿空留巷模型，該煤礦煤層厚度達到了1.5m，煤層整體傾角為16°，煤層整體深度達到了680m。充分利用ANSYS16軟件建立起該煤礦采煤巷道圍巖的有限元模型。下圖1所示為該煤礦采煤巷道圍巖的幾何模型。通過水力致裂實驗對該煤礦的原始地應(yīng)力進行測量，并充分利用最終的測量結(jié)果來計算出數(shù)字模擬的力學(xué)邊界條件。根據(jù)實際煤層的狀況將該煤礦模型的單元設(shè)置為0.1m，在此基礎(chǔ)上就形成了40萬個有效的計算節(jié)點［1］。而針對裂隙模型，主要利用的是引進國外的斷裂過程帶模型來進行分析。
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　　圖1 煤礦巷道圍巖幾何模型及破裂帶模型
　　為了能夠?qū)γ禾坎删虻木唧w進度進行充分模擬，針對采煤巷道的開挖主要使用的是單元生死技術(shù)來進行模擬。針對每一個單元開挖設(shè)置的尺寸是2m，而模擬結(jié)果觀測點的主要是設(shè)置在煤層開采面前部10m的位置。在經(jīng)過50次左右的挖掘之后，最終獲得的工作面整體長度達到了100m［2］。
　　1.2 應(yīng)力分布及位移模擬結(jié)果分析
　　將ANSYS處理后的結(jié)果取出之后，就能夠得到巷道圍巖的頂板、底鼓以及煤幫等幾個位置實際產(chǎn)生的變形量，在針對上述幾個位置的實際變形量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后就能夠最終得出工作面與位移之間的距離關(guān)系，如下圖2所示。通過對工作面與位移距離關(guān)系進行分析可以發(fā)現(xiàn)，煤層頂板位置實際發(fā)生的最大位移達到了200mm，而煤層底板實際發(fā)生的最大位移達到了295mm。由此可以發(fā)現(xiàn)，工作面以及位移的頂板回轉(zhuǎn)變形最終導(dǎo)致的變形量差值大約為20mm左右。
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　　圖2 巷道圍巖變形與共工作面距離關(guān)系
　　在此基礎(chǔ)上，還能夠精確的得到應(yīng)力場的實際計算結(jié)果。由此就可以知道，當煤礦的工作面而距離在逐漸縮短的過程中，頂板上應(yīng)力實際產(chǎn)生的豎直方向的應(yīng)力分量趨勢非常明顯，在工作面距離不斷縮短的過程中，應(yīng)力也在逐漸增大，但是隨著工作面的不斷推進最終在1.5MPa趨于了穩(wěn)定狀態(tài)。不過在具體的研究過程中還需要對其他因素進行考慮，則附加應(yīng)力會對其產(chǎn)生影響，甚至在一些條件下邊界條件的設(shè)置也會對其產(chǎn)生作用，而這兩種因素的具體影響還有待開展進一步深入的研究。
　　2 煤層巷道支護加固技術(shù)分析
　　充分結(jié)合上述過程利用數(shù)值模擬分析方法對煤層應(yīng)力分布狀況以及具體變形狀況進行分析，并充分結(jié)合目前整個煤炭領(lǐng)域主要使用的基本支護、加強支護以及巷外支護等幾種主要的支護加固方式［3］，在巷道開發(fā)工作完成之后，必須要充分利用高強度的錨桿以及錨索針對巷道進行及時的支護施工，在此情況下才能夠?qū)崿F(xiàn)對頂板以及底板應(yīng)力分布狀況以及實際變形量的最佳控制，讓其能夠始終處在安全合理的范圍之內(nèi)。針對這種情況充分應(yīng)用綜合支護手段就能夠讓煤礦巖體因為存在破碎現(xiàn)象而導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象進行有效的消散，這樣就能夠進一步提升煤層中煤幫的穩(wěn)定性。
　　3 結(jié)語
　　在本文的研究過程中充分利用數(shù)值模擬方法針對煤層圍巖的變形特征進行了深入的分析，通過建立起有效的煤層有限元模型，將煤層巷道圍巖的具體變形特征以及應(yīng)力的實際分布狀況進行了界定。隨后針對綜合支護方案進行了探討，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對頂板以及地板變形量以及實際應(yīng)力分布狀態(tài)的有效控制。并針對煤層巷道的支護進行了進一步提出了一些合理的優(yōu)化建議，為我國煤礦巷道支護加固技術(shù)的研究提供了必要的基礎(chǔ)和技術(shù)性的參考。