13421数值模拟.doc

5.1 模型的建立为了分析对比不同煤柱条件下巷道围岩的变形特征，本次模拟埋深 500m 的顾北矿 1342(1)孤岛面沿空巷道 10m 煤柱条件模型宽均为 700m，高 250m，其中包括面长 240m 的工作面、巷道以及两侧边界煤柱由于局部岩层厚度较小，单元格在局部范围内进行了加密处理，模型两侧限制水平方向移动，模型底边限制水平方向和垂直方向移动，模型上表面为应力边界，施加 8.75MPa 补偿载荷，用来模拟上覆岩体的自重边界，侧压系数取 材料破坏遵循 Mohr-Coulomb 强度准则图 5-1 为顾北矿1l=1342(1)孤岛面沿空巷道煤柱宽度数值计算模型示意图，表 5-1 为 1342(1)孤岛面上覆煤岩层物理力学性质参数一览表（以五-六 10 钻孔资料为设计计算依据） 图 5-1 1342(1)顺槽锚索网支护数值计算模型图煤 岩 层 物 理 力 学 性 质 参 数 表 5-1岩 层序 号岩性容 重KN/m3抗 压 强度 /MPa抗 拉 强度 /MPa粘 聚 力/MPa内 摩 擦角 /°体 积 模量 GPa剪 切 模量 GPa1 粉砂岩 25 60.5 4.2 4.5 33 13.67 6.312 砂质泥岩 24 24.79 2.5 2.0 25 5.7 2.93 细砂岩 27 87.4 6.0 5 35 15.67 7.234 粘土岩 23 20.68 0.8 1.5 20 1.26 0.35 煤 14.5 10.3 1.0 1.0 20 0.7 0.586 炭质页岩 20 15 1.0 1.2 20 0.8 0.257 松散层 20 15 0.8 1.0 15 0.35 0.15注 :岩 层 单 向 抗 压 和 抗 拉 强 度 取 自 顾 桥 、 张 集 矿 岩 石 力 学 性 质 测 试 资 料 ， 其 它 参 数 取 自 实 验 室 数 据 。

5.2 模拟方案本次数值计算模拟的目标巷道为1342(1)运输和轨道顺槽，两顺槽断面均为:5.3×3.4m，两顺槽支护形式均为锚索网支护，根据其支护形式不同，两顺槽的数值模拟实验分为以下几种工况：1342（1）运输顺槽工况一 巷帮布置5根锚杆，顶板布置7根锚杆，锚杆规格均为：Φ20×2500mm；顶板锚索采用“5－5”布置，巷道实体帮打一根锚索，煤柱帮施工两根锚索，锚索1规格均为：Φ22×4300mm；工况二：顶板锚索采用“4－4”布置，其他支护方式同工况一1342（1）轨道顺槽工况一巷帮布置5根锚杆，顶板布置7根锚杆，锚杆规格均为：Φ20×2500mm；顶板锚索采用“3－3”交错布置，巷道两帮各施工1根锚索，锚索规格为：Φ22×4300mm；工况二：顶板锚索采用“3－3”交错加煤柱侧一排走向布置，其他支护方式同工况一工况三：顶板锚索采用“5－5”布置，其他支护方式同工况一5.3 运输顺槽数值模拟计算结果及分析应力分析图 5-2 至图 5-7 分别为两种工况下 1342(1)综采面运输顺槽垂直应力分布云图和水平应力分布云图及塑性区分布图由应力云图可以看出，在巷道周边围岩中均未出现了拉应力区，说明支护结构良好。

由于巷道的开挖，原岩应力遭到破坏，在巷道周边围岩一定范围处形成应力集中区，而在巷道浅部围岩存在一个应力降低区，即围岩松动区在煤柱侧，垂直应力在煤柱中间出现一个应力集中区域，应力集中程度明显，不同工况下应力峰值位置差异不大，均在距巷道右帮约 6m 位置处，工况一中为30.8MPa，工况二中为 31.5MPa；由于煤柱在水平方向两侧采空，水平应力卸压，两种工况下水平应力在煤柱侧整体偏低，最大值约为 8MPa在巷道实体煤侧，受侧旁采空区侧向支承压力的影响，两种工况下在巷道右帮约 10m 位置处均开始出现了垂直应力集中，其中工况一中应力峰值距巷道右帮较近，工况一中应力峰值为 28.1MPa，工况二中应力峰值为 31MPa，说明顶板支护强度越大，应力峰值距巷道表面距离越小，应力峰值越低由于底板未采取任何支护措施，两种工况下顶板侧水平应力和垂直应力形成的应力降低区范围均小于底板侧应力降低区由巷道围岩塑性区分布图 5-6 和图 5-7 可以看出，且巷道左帮的 10m 煤柱完全进入了塑性区，与应力分析一致图 5-2 工况一中 1342(1)运输顺槽围岩垂直应力云图2图 5-3 工况二中 1342(1)运输顺槽围岩垂直应力云图图 5-4 工况一中 1342(1)运输顺槽围岩水平应力云图图 5-5 工况二中 1342(1)运输顺槽围岩水平应力云图3图 5-6 工况一中 1342(1)运输顺槽围岩塑性区分布图图 5-7 工况二中 1342(1)运输顺槽围岩塑性区分布图位移分析图 5-8 和图 5-11 分别为不同工况下 1342(1) 双沿空孤岛面运输顺槽垂直位移云图和水平位移云图。

由于运输顺槽邻近采空区收作时间短，动压对运输顺槽变形影响大，顺槽围岩变形量较大，由巷道围岩垂直位移云图可以看出，工况一中 1342(1) 双沿空孤岛面运输顺槽顶板最大下沉量为 161mm，底板最大鼓出量为 305mm，工况二中 1342(1) 双沿空孤岛面运输顺槽顶板最大下沉量为 176mm，底板最大鼓出量为326mm，两种工况下巷道围岩底臌量远大于顶板下沉量由巷道围岩水平位移云图可以看出，掘进期间工况一 1342(1) 双沿空孤岛面运输顺槽煤柱侧帮最大位移量为 270mm，实体煤帮最大水平位移量为 120mm，工况二1342(1) 双沿空孤岛面运输顺槽煤柱侧帮最大位移量为 284mm，实体煤帮最大水平位移量为 134mm，不同工况下小煤柱侧帮位移量均较实体煤侧帮位移量大，说明动压影响下，煤柱会产生向巷道空间强烈位移图 5-8 工况一中 1342(1)运输顺槽围岩垂直位移云图4图 5-9 工况二中 1342(1)运输顺槽围岩垂直位移云图图 5-10 工况一中 1342(1)运输顺槽围岩水平位移云图图 5-11 工况二中 1342(1)运输顺槽围岩水平位移云图表5-2 1342(1)运输顺槽巷道围岩最大位移表顶板下沉量/mm底板底鼓量/mm煤柱帮移近量/mm实体煤帮移近量/mm工况一 161 305 270 120工况二 176 326 284 13455.4 轨道顺槽数值模拟计算结果及分析应力分析图 5-12 至图 5-20 分别为两种工况下 1342(1)综采面运输顺槽垂直应力分布云图和水平应力分布云图及塑性区分布图。

在煤柱侧，垂直应力在煤柱中间出现一个应力集中区域，应力集中程度明显，三种工况下应力峰值位置变化不明显，均约距巷道左帮约 3.3m 位置处，三种工况下垂直应力峰值依次为，18MPa，17.4MPa，17MPa随着顶板锚索支护密度的增加，三种工况下煤柱侧应力峰值逐步降低煤柱在水平方向两侧采空，煤柱中水平应力已卸压，故水平应力在煤柱侧整体偏低，三种工况下煤柱侧水平应力均为 8MPa 左右，在巷道右帮，即实体煤侧，受左侧采空区侧向支承压力的影响，在巷道右帮也出现了垂直应力集中顶板锚索的支护密度的增加对右帮应力分布影响较为明显，三种工况下，巷道右帮垂直应力峰值均处距巷道右帮 9.0m 位置处，应力峰值稍有变化，依次为22.7MPa，21.4MPa，20.5MPa，受左侧采空区卸压影响，三种工况下实体侧巷道围岩浅部水平应力均大幅度降低工况一中，实体煤侧水平应力于距巷道右帮约 6m 处位置开始逐渐平稳，而工况二和工况三则均于巷道右帮 5.5m 处逐渐平稳在巷道底板浅部，由于三种工况下底板均未采取任何支护措施，顶板侧水平应力和垂直应力形成的应力降低区范围均小于底板侧应力降低区由巷道围岩塑性区分布图可以看出，顶板锚索支护密度的增加对巷道围岩塑性区分布无甚影响，巷道左帮的 10m 煤柱均完全进入了塑性区。

图 5-12 工况一中 1342(1)轨道顺槽围岩垂直应力云图6图 5-13 工况二中 1342(1)轨道顺槽围岩垂直应力云图图 5-14 工况三中 1342(1)轨道顺槽围岩垂直应力云图图 5-15 工况一中 1342(1)轨道顺槽围岩水平应力云图7图 5-16 工况二中 1342(1)轨道顺槽围岩水平应力云图图 5-17 工况三中 1342(1)轨道顺槽围岩水平应力云图图 5-18 工况一中 1342(1)轨道顺槽围岩塑性区分布图8图 5-19 工况二中 1342(1)轨道顺槽围岩塑性区分布图图 5-20 工况三中 1342(1)轨道顺槽围岩塑性区分布图位移分析图 5-21 和图 5-26 分别为三种工况下 1342(1)轨道顺槽垂直位移云图和水平位移云图，由巷道围岩垂直位移云图可以看出，工况一中，顺槽顶板最大下沉量为203mm，底板最大鼓出量为 321mm，工况二中，顺槽顶板最大下沉量为 167mm，底板最大鼓出量为 313mm，工况三中，顺槽顶板最大下沉量为 133mm，底板最大鼓出量为301mm从不同工况下巷道围岩水平位移云图可以看出，工况一中顺槽煤柱侧帮最大位移量为 171mm，实体煤帮最大水平位移量为 75mm，工况二中顺槽煤柱侧帮最大位移量为160mm，实体煤帮最大水平位移量为 66mm，工况三中顺槽煤柱侧帮最大位移量为154mm，实体煤帮最大水平位移量为 59mm。

对比三种工况下位移云图可以发现，顶板锚索支护密度增加，在有效的控制了顶底板移近量变化的同时，还改善了顺槽两帮部的移近量9图5-21 工况一中1342(1)轨道顺槽围岩垂直位移云图图5-22 工况二中1342(1)轨道顺槽围岩垂直位移云图图5-23 工况三中1342(1)轨道顺槽围岩垂直位移云图10图5-24 工况一中1342(1)轨道顺槽围岩水平位移云图图5-25 工况二中1342(1)轨道顺槽围岩水平位移云图图5-26 工况三中1342(1)轨道顺槽围岩水平位移云图表5-3 1342(1)轨道顺槽巷道围岩最大位移表顶板下沉量/mm底板底鼓量/mm煤柱帮移近量/mm实体煤帮移近量/mm工况一 203 321 171 75工况一 167 313 160 6611工况三 133 301 154 59。