煤矿围岩变形特征与支护技术研究

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　　摘 要：充分利用数值模拟方法对煤矿围巖变形特征进行了分析，通过建立有限元模型，针对煤矿巷道的围岩变形特征以及应力的具体分布状况进行了探讨。针对综合支付方案进行深入研究，以顶板以及底板变形控制和应力分布状态进行分析，对综合支护方案进行了进一步优化，从而为整个煤矿巷道的支护加固提出了具有技术性的参考经验。
　　关键词：巷道支护；数字模拟；围岩变形
　　在我国煤炭资源的开采过程中巷道支护是非常重要的一个环节。随着当前煤炭资源开采深度的不断增加，巷道支护对于煤炭资源采掘工作的安全性会产生巨大影响，在此情况下，如何实现煤矿巷道的合理支护加固是目前整个煤炭领域主要探讨的问题之一。在针对这些问题进行探讨的过程中经验规范化以及有限元数值模拟方法是应用最为广泛的两种方法。由于煤炭资源本身地质条件非常复杂，在煤炭开采过程中支护以及监测等方面的投入非常有限，利用经验规范法会对实际开采数据提出更高要求。鉴于此，主要使用了数字模拟分析方法，通过建立起煤矿巷道围岩的有限元模型，对煤矿巷道应力分布状况以及实际位移情况展开分析，这样就能够为煤矿的支护加固提供技术性参考。
　　1 煤矿巷道围岩数值模拟
　　1.1 建立有限元模型
　　以某煤矿为例来建立起沿空留巷模型，该煤矿煤层厚度达到了1.5m，煤层整体倾角为16°，煤层整体深度达到了680m。充分利用ANSYS16软件建立起该煤矿采煤巷道围岩的有限元模型。下图1所示为该煤矿采煤巷道围岩的几何模型。通过水力致裂实验对该煤矿的原始地应力进行测量，并充分利用最终的测量结果来计算出数字模拟的力学边界条件。根据实际煤层的状况将该煤矿模型的单元设置为0.1m，在此基础上就形成了40万个有效的计算节点［1］。而针对裂隙模型，主要利用的是引进国外的断裂过程带模型来进行分析。
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　　图1 煤矿巷道围岩几何模型及破裂带模型
　　为了能够对煤炭采掘的具体进度进行充分模拟，针对采煤巷道的开挖主要使用的是单元生死技术来进行模拟。针对每一个单元开挖设置的尺寸是2m，而模拟结果观测点的主要是设置在煤层开采面前部10m的位置。在经过50次左右的挖掘之后，最终获得的工作面整体长度达到了100m［2］。
　　1.2 应力分布及位移模拟结果分析
　　将ANSYS处理后的结果取出之后，就能够得到巷道围岩的顶板、底鼓以及煤帮等几个位置实际产生的变形量，在针对上述几个位置的实际变形量数据进行统计分析后就能够最终得出工作面与位移之间的距离关系，如下图2所示。通过对工作面与位移距离关系进行分析可以发现，煤层顶板位置实际发生的最大位移达到了200mm，而煤层底板实际发生的最大位移达到了295mm。由此可以发现，工作面以及位移的顶板回转变形最终导致的变形量差值大约为20mm左右。
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　　图2 巷道围岩变形与共工作面距离关系
　　在此基础上，还能够精确的得到应力场的实际计算结果。由此就可以知道，当煤矿的工作面而距离在逐渐缩短的过程中，顶板上应力实际产生的竖直方向的应力分量趋势非常明显，在工作面距离不断缩短的过程中，应力也在逐渐增大，但是随着工作面的不断推进最终在1.5MPa趋于了稳定状态。不过在具体的研究过程中还需要对其他因素进行考虑，则附加应力会对其产生影响，甚至在一些条件下边界条件的设置也会对其产生作用，而这两种因素的具体影响还有待开展进一步深入的研究。
　　2 煤层巷道支护加固技术分析
　　充分结合上述过程利用数值模拟分析方法对煤层应力分布状况以及具体变形状况进行分析，并充分结合目前整个煤炭领域主要使用的基本支护、加强支护以及巷外支护等几种主要的支护加固方式［3］，在巷道开发工作完成之后，必须要充分利用高强度的锚杆以及锚索针对巷道进行及时的支护施工，在此情况下才能够实现对顶板以及底板应力分布状况以及实际变形量的最佳控制，让其能够始终处在安全合理的范围之内。针对这种情况充分应用综合支护手段就能够让煤矿岩体因为存在破碎现象而导致的应力集中现象进行有效的消散，这样就能够进一步提升煤层中煤帮的稳定性。
　　3 结语
　　在本文的研究过程中充分利用数值模拟方法针对煤层围岩的变形特征进行了深入的分析，通过建立起有效的煤层有限元模型，将煤层巷道围岩的具体变形特征以及应力的实际分布状况进行了界定。随后针对综合支护方案进行了探讨，在此基础上，实现了对顶板以及地板变形量以及实际应力分布状态的有效控制。并针对煤层巷道的支护进行了进一步提出了一些合理的优化建议，为我国煤矿巷道支护加固技术的研究提供了必要的基础和技术性的参考。
　　参考文献：
　　［1］孟庆彬，韩立军，乔卫国，宗义江，李云，李浩.大断面软弱破碎围岩煤巷演化规律与控制技术［J］.煤炭学报，2016，41（08）：1885-1895.
　　［2］汪华君，胡云江，朱恒忠，徐刚.渝阳煤矿深部巷道支护优化设计研究［J］.矿业安全与环保，2015，42（02）：92-95+99.
　　［3］范明建，康红普，林健，任勇杰，赵鹏，张辉，赵光雷.埋深1300m大倾角复合岩层巷道围岩综合控制技术研究［J］.采矿与安全工程学报，2015，32（05）：706-713.
　　作者简介：周兴龙（1987-），男，汉族，陕西合阳人，本科，工程师，研究方向：采煤掘进支护技术。
　　DOI：10.19392/j.cnki.1671-7341.202001206
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